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珠峰ACI變頻器在工業鍋爐方面的節電應用

時間：2015-07-07 09:34:27來源：廣州珠峰電氣股份有限公司

導語：?鍋爐是各個行業日常生活、生產應用最多的一種設備，而由于燃料的構成及熱負荷隨季節和需求量的變化較大。因此，鍋爐燃燒所需的空氣量和各燃燒部位也相應有較大變化，而配置給鍋爐的都按所需的最大量設計，如果控制不理想，會造成很大的能源損失，而ACI節電器恰好能滿足各方面的控制要求，從而達到理想的節能效果。

本文介紹了變頻器在工業鍋爐控制系統應用中的節能原理、應用方法及變頻器選型與變頻器相關的保護裝置及接至電機導線的選擇。
一、引言

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。它的主電路都采用交-直-交電路。
從理論上我們可知，電機的轉速 N 與供電頻率 f 有以下關系：

n = 60f（1 - s）/p （1）
其中： p--電機極對數 S--轉差率由式(1)可知，轉速n與頻率f成正比，如果不改變電機的極對數，只要改變頻率f即可改變電機的轉速，當頻率f在0～50Hz范圍內變化時，電機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電機電源頻率實現速度調節的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。在工業領域里的應用日益廣泛。隨著變頻器的造價日趨降低，利用變頻器驅動異步電機所構成的調速控制系統，越來越發揮出巨大的作用。

二、變頻器在鍋爐控制系統中的主要目的
變頻器在工業鍋爐自動控制系統中，主要用于鼓風機、引風機、給水系統及除渣系統。其主要目的是在工業鍋爐滿足生產要求的前提下節約能源。而鼓、引風機、給水泵都是平方轉矩負載，根據流體力學原理，平方轉矩負載的流量、壓力、功率與轉速的關系如下：

流量∝轉速，壓力∝轉矩∝轉速的平方，功率∝流量*轉矩∝轉速的立方。

即：風機或水泵流量與轉速的一次方成正比，壓力與轉速的二次方成正比，而軸功率與轉速的三次方成正比。

因而，理想情況下有如下關系：

流量（%）	轉速（%）	壓力（揚程）（%）	功率（%）
100	100	100	100
90	90	81	72.9
80	80	64	51.2
70	70	49	34.3
60	60	36	21.6
50	50	25	12.5

由上述關系可見，當需求流量下降時，通過調節轉速可以節約大量能源。例如：當流量需求減半時，如通過變頻調速，則理論上講，僅需額度功率的12.5%，即可節約87.5%的能源。如采用轉統的擋板方式調節風量，雖然也可相應降低能源消耗，但節約效果與變頻相比，則是天壤之別。

三、變頻器在鍋爐調速控制系統各個環節上的應用
1、爐排電機選用的變頻器與鼓、引風機選用的變頻器型號不同。
爐排變頻選用通用型即選用ACI G11系列變頻器；鼓、引風機變頻選用節能型即ACI P11系列變頻器。
2、鼓、引風機控制
鼓、引風機采用變頻控制，這是鍋爐系統中變頻應用的主要部分，既是節電最顯著的部分，也是變頻投資最大的部分。控制過程：

①.引風控制：通過爐膛上的負壓變送器將爐膛壓力標準電信號送入引風變頻器PID控制器的反饋通道，經處理后與設定爐膛負壓比較，經過PID控制器控制引風變頻器調節電機轉速，使爐內負壓穩定在設定值，從而達到自動跟蹤鼓風保持爐膛負壓恒定目的。引風電機速度隨著爐膛負壓值的變化而變化，即保證鍋爐燃燒部分的自動運行。

②.鼓風控制：通過蒸汽管道上的壓力變送器將所需蒸汽壓力信號送入鼓風變頻器PID控制器的反饋通道，經處理后與設定蒸汽壓力值比較，經過PID控制器控制鼓風變頻器調節電機轉速，使蒸汽管道上壓力基本穩定在設定值，使官網蒸汽壓力穩定在設定值。

③.在變頻器改造之前，鍋爐控制鼓、引風機風量是靠人工根據蒸汽壓力的大小來操作風道擋板的開度控制風機風量，蒸汽壓力低于需要的壓力時，開大擋風板，蒸汽壓力高于需要的壓力時，關小擋風板。因此電機全速運轉產生的風量不能全部使用，采用擋板控制風量會造成約30%的截流損耗。使用變頻器可根據生產需求任意調整電機速度，使輸出風量可以調節，提高生產工效并且節能降耗。

變頻器采用ACI DLT-P11系列。控制系統的起動方式為外部遠程人工控制。
(1)調速方式：
A.根據生產需要的壓力，設定鼓風機變頻器PID的給定壓力，鼓風機的速度由PID根據壓力的變化自動調節；引風機速度根據爐膛負壓設定值與實際值比較由變頻器內置PID控制，確保爐膛負壓為設定值；
B.變頻器通過端子切換為自動PID運行方式。
C.系統還可實現全開環運行，通過控制柜或現場操作箱上的啟停按鈕和電位器實現人工控制和調速。
(2)系統的主要聯鎖：
A.鼓風機運行條件：只有當引風機投入運行后，鼓風機才允許啟動運行。
B.變頻和工頻連鎖。變頻運行與工頻運行聯鎖。
C.當變頻系統在運行過程中出現故障時發出聲、光報警信號，提醒值班人員適時處理。
(3)系統構成： 控制原理圖如下圖所示

這主要是由于鼓、引風機調節的幅度相對也較大，電機容量也較大。變頻器在鍋爐調速控制系統中，主要應用于鼓風機、引風機、給水系統及除渣系統。其最主要的目的在于節約能源。采用變頻調速方法節能的原理，是基于流量、壓力、轉速、轉矩之間的關系。這些關系如公式：P₂（n₂/n₁)³*P₁。在選擇鼓、引風機變頻器時，要考慮在安裝變頻器后可以適當提高頻率（大于50Hz）即提高運行轉速，以保證鍋爐系統有足夠的風量，否則可能造成原系統大負荷時風量夠用而變頻改造后大負荷時風量不夠的尷尬局面。

（4）爐排變頻控制
爐排電機很小，因而采用變頻器控制的主要目的是穩定運行，解決原控制系統控制爐排速度不穩造成的原煤燃燒不充分、爐渣中還有相當多的“紅碳”，原煤沒有得到充分利用。當然相對節電率也很高只是絕對數值很小。爐排變頻控制的特殊性在于：
A.爐排由于經常處于低速運行，所以電機散熱會出現問題，解決的方法是選用變頻專用電機。
B.由于低速運行時變頻器輸出電壓低，輸出電流大，因此變頻器必須選大一檔，否則，無法保證爐排電機在低速時穩定運行。

4、給水系統恒壓給水
在鍋爐給水系統中，采用變頻控制，既能節約大量能源，又能穩定給水系統的壓力，保障鍋爐系統的安全運行，具有非常大的實際意義，并且給水系統的電機相對鼓、引風機而言容量較小，投資不大。因此，非常值得推廣采用。
給水系統變頻應用的特殊性：鍋爐給水系統一般采用多臺電機，并聯母管式給水，沒有必要每臺電機都采用變頻。既經濟又可靠的方法是：只有兩臺電機由變頻自動控制且這兩臺電機為一用一備方式工作。主要是利于電機檢修。其他給水電機仍采用常規控制方法，其原因有兩點：
5、在并聯母管式給水方案下，全自動控制給水方案不實用，無實際意義。主要原因是每臺水泵的單向止回閥泄露問題和更換問題。全自動控制給水時，單向止回閥前后的截止閥必須始終保持打開狀態，才能保證自動控制電機啟動后，水能夠自動流出。但隨著鍋爐負荷的增減，水泵電機不會全部運行。這樣，不運行的水泵電機，由于單向止回閥在水壓的作用下，極易發生泄露，造成水的回流及電機的反轉。而當需要停止的水泵運行時，電機由反轉變為正轉的過程中，由于電機的超負荷大電流，必然造成控制電路超負荷跳閘。解決的方法是：采用半自動控制，設定給水壓力上、下限報警。上限報警時，通知操作人員關掉一臺水泵。下線報警時，通知操作人員啟動一臺水泵。而變頻控制的水泵則保證在可調范圍內的恒壓給水。每臺水泵電機均采用變頻控制，投資太大，且由于上述原因，也沒有必要，并且不實用。
6、沖渣泵變頻控制
沖渣泵采用變頻控制，其目的有兩點：節能，節水。
方法是采用高、低速分時控制。高速運行一段時間，然后，低速運行一段時間，自動交替運行。高速運行時把爐渣沖走，低速運行時保證爐渣滅火。

四、變頻器在工業鍋爐應用中的優點:
1、實現了自動控制，揭開了鍋爐運行自動化的新篇章。使難以控制的燃燒過程實現了自動化，減少勞動強度。在網絡化日益普及的今天，與普通的點對點硬線連接方式而言，通過高速通訊連接的變頻器系統可以最大程度上降低系統維護時間、提高生產效率、減少運行成本。
2、控制電機的啟動電流。當電機通過工頻直接啟動時，它將會產生7到9倍的電機額定電流。這個電流值將大大增加電機繞組的內部應力并產生熱量，從而降低電機的壽命。而變頻調速可以實現軟啟動。一旦頻率和電壓的關系建立，變頻器就可以按照V/F或矢量控制方式帶動負載進行工作。使用變頻調速能充分降低啟動電流，提高繞組承受力，用戶最直接的好處就是電機的維護成本將進一步降低、電機的壽命則相應延長。
3、降低電力線路電壓波動。在電機工頻啟動時，電流劇增的同時供電電網的電壓也會大幅度波動，電壓下降的幅度將取決于啟動電機的功率大小和配電網的容量。電壓下降將會導致同一供電網中的電壓敏感設備故障跳閘或工作異常，如傳感器、接近開關和接觸器等均會動作出錯。而采用變頻調速后，由于實現了軟啟動，能最大程度上消除電壓下降。
4、可對風機的風量作平滑的無級調速，使風機工作在最佳工況點，工況曲線更符合實際要求，既提高了風機效率，又避免了“喘振”現象。穩定了爐膛負壓，滿足工作環境的要求。
5、低速運行可以減少磨損，降低噪音，有利于延長電機和風機的使用壽命。
6、節能效果顯著。由于最終的能耗是與電機的轉速成立方比，所以采用變頻后，大大節約了電能，投資回報更快，用戶也愿意接受。

五、變頻器實際應用中存在的問題
1、變頻器功率的選擇
選擇變頻器時，要充分考慮原系統電機裕量問題，否則原系統電機運行正常，使用變頻控制后，發現變頻電機容量不夠，再更換大一檔變頻，必然造成不必要的損失與麻煩。
2、遠距離變頻控制的可靠性問題
變頻器的控制端子，均為弱電直流信號或接點信號，當采用遠距離控制時，應充分考慮線路的抗干擾問題和損耗問題。尤其是當采用開關量進行加、減速控制時，要使節點輸出盡可能與變頻安置在一起，以防無源節點的線路阻抗和干擾造成控制不靈敏或失效。
3、設計選型中的其它問題

（1）空氣斷路器的選擇
由于變頻器具有軟啟動、無沖擊的特性，所以空氣開關可以按變頻器容量選擇，不必考慮電機啟動時的電流沖擊。

（2）電機熱保護的選擇
由于變頻器控制單臺電機，不需要選擇熱保護繼電器，直接采用變頻器的電子熱保護即可。但若同時控制多臺電機，則每臺電機的熱保護要單獨計算及選擇。選擇時，要根據電機低速運行時的電流情況選擇，而不是根據電機額定電流選擇。此電流比電機額定電流大得多。
（3）電流、電壓的檢測問題
由于變頻器輸出端的電流、電壓隨頻率發生變化，所以、對變頻設備的電流、電壓檢測均應在變頻器的進線端進行。即電流互感器、電壓表均應設計在進線端。即空氣斷路器后，變頻器前。
（4）導線問題
變頻器進線可以適當減少裕量。因為變頻器節電的特征，即為減少進線電流。但變頻器的出線要適當加大裕量，尤其是長期低速運行的變頻器設備，其輸出電流是相當大的。

六、ACI變頻器發電廠風機中的應用：
廣東廣惠能源有限公司（生活垃圾發電廠）是利用生活垃圾、工業垃圾發電的節能環保企業，設計規模為日處理垃圾600噸，發電機裝機容量為2X6WM。垃圾焚燒發電工程于2007年12月正式與電網并網發電。焚燒爐風機、電控系統全部采用西門子電機、變頻器、接觸器（工變頻切換），使用幾年后，西門子變頻器先后有多臺損壞，因修復周期長、修理費用高，廣東廣惠能源有限公司領導決定采用國產變頻器代替西門子變頻器，經過比較分析，先后選用了幾款國產變頻器，在使用幾個月后變頻器都有過炸機現象存在，嚴重影響安全生產。
經過考察，廣東廣惠能源有限公司決定使用ACI G11通用變頻器。在安裝現場，我公司技術人員經過跟班后仔細分析，認為主要原因是該發電廠在深夜用電負荷很低時電網電壓非常高，有時高達450V以上，加上深夜垃圾焚燒量少，所需的風量減少，風機需要從高速降成低速，由于風機是大慣性負載，在減速過程中會將機械能轉化為電能回饋給變頻器，使得變頻器母線電壓升高達到過壓保護值附近；如果變頻器內部積有導電粉塵或者濕度過大而使變頻器絕緣等級降低，變頻器就可能由于內部絕緣擊穿而損壞。
在分析變頻器損壞原因后，我們采用了如下措施：
①加強電氣絕緣，從硬件上提高耐壓等級；
②調整直流母線電壓顯示值，使變頻器顯示值大于母線電壓值約5%（如實際值為540V，顯示值約為567V），目的是降低失速過壓點（軟件限制最小為120%使失速過壓點在115%時起作用）；
③調整相關參數，降低過壓失速點從默認值140%（即失速電壓值為750V，接近過壓保護值780V，如果母線電壓長期在750V附近若此時變頻器絕緣降低則可能絕緣擊穿而使變頻器損壞）降為120%（645V），使變頻器在母線電壓顯示值達到645V時風機就不能減速，防止風機電機工作在發電狀態而使變頻器母線電壓進一步升高；
④設定變頻器停機方式為自由停車，防止停機時變頻器過壓損壞。經過采用上述措施后，我公司生產的1臺P11-220KW的鼓風機、1臺P11-315KW的引風機從2010年3月使用到現在一直正常運行，沒有出現故障停機現象，穩定了生產，同時節約了大量電能。

7. 結束語
工業鍋爐控制系統采用變頻器調速實現鍋爐的控制，穩定性和可靠性高，調節特性好。由于變頻器可以非常平滑穩定地調節，運行人員可靈活地調控燃燒系統、給水系統，提高了鍋爐效率，減少工作強度。變頻調速使電機運行明顯改善，維護量明顯減少，同時大大減少了機械系統變速機構和控制機構。使系統更加方便操作，設備工作效率明顯提高，系統采用過流、過壓、瞬時斷電、短路、欠壓、缺相等多種保護，避免了因此造成電機燒損而影響生產所帶來的直接和間接經濟損失，更為重要是它的節能效果非常明顯，經濟效益非常可觀。