0引言
　　
　　隨著《“十二五”節能減排綜合性工作方案》的不斷深入開展，我國電力、鋼鐵等行業嚴格按照“堅持降低能源消耗強度、合理控制能源的消費總量，推動技術進步相結合，大幅度提高能源利用效率”的政策方針，積極實施節能減排措施，以助力可持續發展。
　　
　　山東威海博通熱電股份有限公司作為威海經濟技術開發區的主要供熱單位，為區域內130多家企事業單位提供生產用汽和承擔近500萬平方米的集中供熱任務。公司兩臺130t/h和一臺220t/h鍋爐作為主力鍋爐，承擔大部分供熱和供暖任務。然而，由于傳統設計方案存在不足，依靠風擋板來調整風壓導致能源消耗量大，浪費極其嚴重。為積極響應國家政策號召并提升綜合經濟效益，山東威海博通熱電股份有限公司對風機進行了變頻調速改造。
　　
　　1循環流化床鍋爐煙風機系統改造的必要性
　　
　　首先，鍋爐投入初期未考慮風機的調速運行問題。風機定速運行，*由風擋板調整風壓，擋板調節控制特性差，壓力損失嚴重，擋板長期在30%~80%開度，系統效率低，造成廠用電居高不下。130t/h爐噸汽耗電量達9~10kWh/t，220t/h噸汽耗電量達11~12kWh/t，造成能源的極大浪費。
　　
　　其次，傳統設計的一次風機、二次風機以及引風機采用入口節流器（或稱擋板、風門）開度調節壓力。由于一般設計風量、風壓均按要求比額定工況留有較大設計裕度，因此一般風機、電機選型偏大，因此實際風門開度在30%~80%，導致風機經常工作在低效區，浪費大量能源。
　　
　　再次，風門調節的風量線性度不好，在進行風門開度調節時經常出現開度變化不大但風量變化很大的情況，很難實現風量配比要求的自動燃燒，影響循環流化床鍋爐的運行效率。
　　
　　因此在循環流化床鍋爐的風機上應用變頻調速設備能夠降低機組的廠用電率，而且由于變頻器調速所具有的優良特性，其應用可為鍋爐機組的自動化控制打下設備基礎，從節能與運行管理上降低機組運行成本。
　　
　　2高壓變頻器調速技術節能原理
　　
　　異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小、效率高，是異步電動機zui為合理的調速方法。
　　
　　由公式n=60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的運行轉速n。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前，變頻調速已成為異步電動機zui主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
　　
　　對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比;輸出壓力H與轉速n的平方成正比;輸出軸功率P與轉速n的立方成正比。即：Q1/Q2=n1/n2;H1/H2=（n1/n2）2;P1/P2=（n1/n2）3。
　　
　　當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為：
　　
　　E=（1-（n′/n）3）×P×T
　　
　　式中：n是額定轉速，n′是實際轉速，P是額定轉速時電機功率，T是工作時間。
　　
　　可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能，而且可大大提高設備的運行性能。以上公式為變頻節能提供了理論依據。
　　
　　3鍋爐風機雙頻無擾切換技術改造實施方案
　　
　　由于山東威海博通熱電股份有限公司三臺鍋爐都是單風機，即每臺鍋爐都是一臺引風機、一臺一次風機、一臺二次風機，沒有備用風機，任一臺風機停運都將造成鍋爐的停爐。為避免因變頻器運行不穩定影響鍋爐正常運行，對鍋爐DCS系統重新組態并與變頻器實現無縫接入，經過多次的冷態、熱態試驗，將鍋爐DCS系統與高壓變頻器結合在一起，實現了變頻、工頻自動雙向切換的功能，真正實現了無擾切換。所謂無擾切換是指鍋爐運行時風機在變頻運行和工頻運行之間進行雙向切換時風量不會大幅突變，對鍋爐燃燒沒有擾動。無擾切換包含兩個切換過程，一是風機變頻器在運行中突發故障能自動切換到工頻運行，鍋爐燃燒穩定不受切換影響;二是風機在工頻運行時能在操作人員切換變頻指令發出后自動切換到變頻運行，鍋爐燃燒穩定不受切換影響。風機雙向自動切換一次系統如圖1所示。
　　
　　注：（1）QS1和QS2是自動旁路柜的手動刀閘;（2）KM1、KM2和KM3是自動旁路柜的真空接觸器。
　　
　　圖1風機雙向自動切換一次系統簡圖
　　
　　3.1自動旁路變頻器控制與DCS系統的改造及程序修改
　　
　　根據實際運行需要及為了簡化運行人員操作步驟，防止誤操作的發生，同時結合高壓變頻器的啟動步驟，對風機高壓變頻控制采用變頻一鍵啟動、變頻一鍵停止及一鍵工頻切變頻，并保留了原來的工頻手動啟動、工頻手動停止控制。[1]
　　
　?。?）變頻一鍵啟動執行的步驟
　　
　　*步：合自動旁路柜的KM1、KM2。
　　
　　第二步：合上級開關柜（原風機6kV開關柜）的合閘開關。
　　
　　第三步：等待變頻器預充電完成后（及待機反饋接通后），再合變頻器啟動開關。
　　
　　在實際操作過程中，4號爐、5號爐風機變頻器就地柜zui低赫茲數設置為10Hz，DCS畫面中的變頻調節指令在0~10Hz之間時，變頻器就地柜始終保持在10Hz不變。6號爐風機變頻器就地柜zui低赫茲數設置為15Hz，DCS畫面中的變頻調節指令在0~15Hz之間時，變頻器就地柜始終保持在15Hz不變。
　　
　?。?）變頻一鍵停止執行的步驟
　　
　　*步：合變頻器停機開關。
　　
　　第二步：待變頻器停機后，斷開上級開關柜（原風機6kV開關柜）的合閘開關。
　　
　　第三步：斷開自動旁路柜的KM1、KM2。
　　
　　當變頻器停止工作后，應手動將變頻調節指令變為0Hz。
　　
　?。?）一鍵工頻切變頻執行的步驟
　　
　　*步：斷開自動旁路柜的KM3。
　　
　　第二步：3秒后，合自動旁路柜的KM1、KM2。
　　
　　第三步：等待變頻器預充電完成后（及待機反饋接通后），再合變頻器啟動開關。
　　
　　在一鍵工頻切變頻前，應先手動將變頻調節指令變為50Hz。
　　
　　以上各種不同啟動方式下每一步驟的執行都是在DCS系統的干預下自動執行完成的。DCS界面如圖2所示。
　　
　　圖2DCS界面
　　
　　3.2高壓變頻器變頻故障自動切工頻運行時的控制
　　
　　鍋爐風機在變頻器運行時若變頻器發生故障，不需要管理人員干預，變頻器將發出重故障信號至DCS，此時DCS邏輯程序會自動將風門擋板關至預設定的狀態，變頻器延時6~8秒后自動切換至工頻運行（這個時間通過變頻器自動旁路柜內時間繼電器進行設定）。由于風機擋板執行器動作時間過長，如果等待擋板關閉到預定位置后再切換工頻，風機轉速降低過大，工頻啟動可能出現過流保護動作，并導致鍋爐汽壓汽溫下降過大。另外，如果不延時切換工頻，風擋板全開時工頻立即啟動，雖電機轉速下降很小電機過流保護不會動作，但風量突增對爐膛燃燒擾動太大，會造成爐膛保安裝置的風壓保護動作。[2]因此，綜合多方面因素，經過多次試驗后，確定變頻器重故障信號發出后延時6~8秒切換工頻，重故障信號發出后風機擋板門立即開始關閉到設定開度。然而，擋板門執行器動作速度不一致，導致擋板門設定時間各不相同。
　　
　　以4號爐風機為例，以下風門設定開度是風機在工頻運行時額定負荷下的風擋板開度：
　　
　　4號爐二次風機計時時間為10秒，風機擋板執行器自動關閉到74%。
　　
　　4號爐一次風機計時時間為15秒，風機擋板執行器自動關閉到52%。
　　
　　4號爐引風機計時時間為15秒，風機擋板執行器自動關閉到51%。
　　
　　當風機擋板執行器在計時時間內關不到位置時，風機擋板執行器會停在計時結束后的位置。即使風機擋板執行器提前關到位置，但計時時間沒有結束，運行人員依舊無法操作風機擋板執行器，只有當計時時間結束后，運行人員才可以手動調節風機擋板執行器。[3]
　　
　　在工頻切換成功后風機擋板如果沒有關閉到設定開度，則會在預設時間內繼續自動關閉到預設位置。設定時間需要根據風擋板關閉試驗確定。因為在設定時間內人工操作無效，所以設定時間要合理。[4]
　　
　　山東威海博通熱電股份有限公司電機微機保護啟動時設置啟動時間15~20秒，通過試驗后從DCS系統調出數據看變頻切換工頻啟動電流不超過額定電流的2倍，工頻啟動后尖峰電流出現在5秒內，5秒后電機電流進入穩定運行狀態。雖然風門擋板在開啟狀態相當電機帶負荷啟動，但因電機不是從零開始加速，完躲過過流保護的整定值。這種狀態下切換鍋爐風壓會有較小的波動，但對鍋爐燃燒不會產生大的影響。
　　
　　3.3工頻運行切換到變頻器運行
　　
　　風機變頻改造后，當運行中變頻器突然發生故障后會自動切換到工頻運行，這時需要對變頻器進行檢修維護，當變頻器檢修結束后需要投入運行時，需要進行工頻切換變頻的控制。變頻切換工頻是在變頻器突發故障的狀態下自動切換的，而工頻切換變頻是有計劃的進行切換。
　　
　　一鍵工頻切變頻指令發出后，DCS系統先斷開自動旁路柜中的KM3開關，同時發出變頻調節赫茲數50Hz信號，延時3秒后合自動旁路柜中的KM1和KM2開關。再延時2秒后，DCS發出高壓變頻啟動指令。通過冷態和熱態試驗看，此種切換對爐膛燃燒沒有擾動。[5]
　　
　　工頻切變頻時變頻器本身必須具備轉速啟動功能才能保證實現無擾切換。轉速啟動又稱“飛車啟動”，即在電機旋轉狀態下啟動。當變頻器的啟動方式設為轉速啟動時，接到啟動命令，啟動變頻器自動檢測電機的轉速，輸出該轉速對應下的頻率，并在此頻率上加減速，達到給定頻率。
　　
　　工頻切變頻成功后，操作人員逐步開啟風門調節擋板和降低變頻器輸出頻率進行調整，以爐膛風壓無波動為準，直到擋板全開變頻器調整到適合的輸出頻率。
　　
　　4改造后節能效果分析
　　
　　表1是高壓變頻器改造前后的噸汽耗電量分析表。
　　
　　表1高壓變頻器改造前后噸汽耗電量分析
　　
　　通過表1可以看出，變頻改造后高壓風機節電效果非常明顯，尤其是5號爐因為是一臺非標爐型，風機裕量過大，變頻改造后節電效果更明顯。另外一臺給水泵和一臺熱網循泵節電率也在20%~30%。噸汽耗電量這種分析直觀而且利于進行對比分析，但要計算需進行全年節電量的分析。下面就根據山東威海博通熱電股份有限公司4號爐、5號爐、6號爐全年不同負荷區間運行的節電量進行統計分析（詳細統計報表不進行羅列，只列出分析結果）。
　　
　　（1）節能收益匯總
　　
　　4號爐、5號爐、6號爐共9臺風機、7號給水泵、7號熱網循環水泵節電量合計為：
　　
　　2423050+3162440+4005500+307087+531059=10429136kWh
　　
　　該公司上網電價：0.42元/kWh（不含稅價格）。
　　
　　則：4號爐、5號爐、6號爐共9臺風機、7號給水泵、7號熱網循環水泵的年收益額合計為：
　　
　　10429136×0.42≈438萬元
　　
　　（2）設備投資費用
　　
　　4號爐、5號爐、6號爐共9臺風機的變頻器設備采購費用合計：262萬元。
　　
　　7號給水泵、7號熱網循環水泵2臺變頻器設備采購費用合計：57萬元。
　　
　　DCS配套系統設備采購費用合計：18.8萬元。
　　
　　其他輔材（電纜、高壓接頭等）費用合計約：32萬元。
　　
　　設備安裝和調試由博通公司檢修車間完成，費用不計。
　　
　　因此：11臺變頻器投資總費用合計為：369.8萬元。
　　
　?。?）投資成本回收期H
　　
　　H=369.8萬元÷438萬元≈0.85年
　　
　　以上節能效果分析表明，高壓變頻器技術改造節能*。即使不考慮其他附加經濟效益，僅以節電一項計算，4號爐、5號爐、6號爐共9臺風機、7號給水泵、7號熱網循環水泵的年節電量為10429136kWh，年節電收益約438萬元，按電能折標系數K=3.5噸標煤/萬千瓦時計算，年可節約標煤3650噸，變頻改造投資成本回收期小于0.85年。
　　
　　5結論
　　
　　（1）風機、水泵變頻改造后節電效果非常明顯，超出改造前預期。
　　
　　因鍋爐設計過程中，很難準確地計算出管網的阻力，考慮到長期運行過程中可能發生的各種問題，通常總是把系統的zui大風量和風壓富裕量作為選擇風機型號的設計值。這樣，風機的風量和風壓富裕度達20%~30%是比較常見的，尤其在低峰負荷時風壓富裕量更大，大量能量浪費在節流損失上。安裝了高壓變頻器后，可以根據負荷需求調節負載的電源頻率，從而達到調節負載轉速的目的，克服“大馬拉小車”現象。因此在風機、給水泵上安裝變頻器，節電效果大幅超出預期，值得大力推廣。熱電廠上網電價遠遠低于鋼材、水泥、化工、建材等行業，如果按照工業用電價格來核算則半年之內就能收回投資成本，值得大力推廣。
　　
　?。?）工頻變頻雙向切換功能較好。通過多次雙向切換試驗，鍋爐燃燒穩定，運行工況可靠，基本能實現無擾切換。
　　
　?。?）安裝簡單。即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝高壓變頻器，對原有接線改動不大，只需重做電纜頭，仍然使用原來的電機，大幅降低改造成本。
　　
　　（4）由于實現了軟啟動，避免了工頻啟動的沖擊電流，電機壽命將大幅延長，減少啟動時對電網的沖擊。電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
　　
　?。?）不同負荷下可以平滑無級調速，減少了風道的震動。尤其低峰負荷時，未進行變頻器改造前風擋板開度過小，造成風機喘振撕裂風道的問題得到*的解決。
　　
　?。?）大幅降低了廠界噪聲。變頻改造前，風機擋板門節流噪聲極大，廠界噪聲超標，周圍居民多次向環保部門投訴。變頻器改造后節流噪聲消失，廠界噪聲遠遠低于規定標準。
　　
　　參考文獻：
　　
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