供熱行業，運行平穩，節能顯著

一、引言

綠色環保節能是現代化城市必須考慮的，特別是大型城市的供水供熱，擁有許多高壓電機拖動的設備，主要是以高壓大功率的風機和水泵為主，整個系統耗能的50－70％，高壓變頻調速技術是當代最先進的調速技術，它不僅能夠為我們提供舒適的工藝條件，滿足用戶的使用要求，更重要的是這項技術應用在風機、泵類等具有平方轉矩特性的負載時，可以節約大量的能量，最大節能率可以達到50％～75％。因此應用此項技術進行節能改造在目前能源供應緊張、價格不斷上漲的今天更具有特殊意義。

二、概況

國惠熱電有限公司投資額2千萬美元，注冊資本8百萬美元，是以集中供熱為核心的清潔能源上市公司，供暖及供暖接網是該公司的主要主營業務，屬于熱水生產和供應業，占該公司主營業務收入96.58%，公司擁有供熱面積近2700萬平方米，占全市供熱市場的近1/3，公司積極落實國家提出的節能減排政策，其鍋爐使用的燃料皆為秸稈、稻桿等制成的無污染原料，主要風機、水泵的電氣拖動采用均采用了變頻設備，在運用新技術新設備和綜合利用能源方面走出了一條新路，也為企業的自身發展帶來的非常好的前景。公司供暖設備中主要由供暖鍋爐組成，鍋爐的循環水泵由2臺355KW/10KV的高壓電機驅動，引風機由一臺315kW高壓電動機驅動，正常運行的時候都是一用一備，采用的是閥門調節流量，在調節過程中大量能量被截流閥門浪費了。
     考慮到引風機和循環水泵的裕量可能達到20%以上。在引風機和鍋爐循環的用電量中，很大一部分是因風機水泵型號和管網系統參數不匹配考而被白白消耗的。同時，鍋爐的負荷必須要跟隨用戶的使用狀況而改變，鍋爐的負荷調節要求鍋爐風機水泵相應作出調節，調節過程中又有大量能量被截流閥門浪費了。如果在循環水泵上加裝目前國內已經開始普遍采用的高壓變頻器，由變頻器對風機水泵電動機進行調壓調頻，從而實現對風機水泵流量的調節以滿足負荷的變動，這樣就能將水泵擋板在節流過程中造成的能量損失和因風機型號和管網系統參數不匹配形成的能量損失節約下來。
     通過考察，江蘇力普科技有限公司以其優秀的技術方案、良好的運行業績、規?；纳a能力以及專業的售后服務等，得到了國惠熱電公司有限公司技術人員的一致認可。為了試點，江蘇力普科技有限公司經過多方的研究和論證，將鍋爐給水由原來是的閥門調節改為變頻調速恒壓給水，通過變頻一拖二的系統改造，引風機采用一拖一手動旁路柜，用調節頻率取代閥門調節，達到了預期的節能效果。

三、方案設計

(一)、根據現場情況和可具備的各種條件，決定采取以下改造方案：

1.      2臺循環水泵采用一拖二的方式，使用手動旁路系統；

2.      從母管上取壓力變送器的4~20mA電流信號作為反饋，給定頻率根據用戶從DCS系統直接給定；

3.      運行信號、停止信號從DCS系統給定；

4.      高壓變頻器的狀態信號從變頻器的控制柜里送到DCS系統，以便實時觀察；

5.      改造后的母管壓力值達到工藝要求6.8MPa以上；

6.      將每臺水泵的旁通閥關閉，用高壓變頻器調節高壓電機的轉速來調節所需的流量。

7.      引風機采用一拖一手動旁路柜，用調節頻率取代閥門調節。

(二)、示意圖：

1、鍋爐改造示意圖

2、引風機改造示意圖

四、高壓變頻器工作原理

1、力普公司高壓大功率變頻器采用多個功率單元構成多重化串聯疊波輸出的拓撲結構，每個單元輸出固定的低壓電平，再由多個單元串連疊加為所需的高壓，詳見下圖所示：

對于本案被驅動電機的額定電壓均是10kV，每相由九個相同的功率單元串聯而成，相電壓為5773V。每個功率單元輸出有效值641V。多重化串聯結構使用低壓器件實現了高壓輸出，不僅降低了對功率器件的耐壓要求，而且還使輸出波形得到了極大的改善。輸出波形接近正弦波，不存在輸出諧波引起的電機發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，對普通異步電機不必加輸出濾波器就可以直接使用。在網側由于采用了54脈波整流的隔離多重化技術，對電網諧波污染非常小，輸入電流諧波畸變率遠小于4%，滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準；輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。

五、可靠性設計

尤其是在冬季的北方，絕不能發生停機事故，一旦發生故障，對于老百姓的生活會造成極大的影響，還會造成大面積的管網爆裂，因此對可靠性的要求非常之高。
     為了保證設備的使用壽命，力普高壓大功率變頻器功率單元采用了冗余設計，主要元器件的選取均留有足夠的余量，尤其是功率單元獨特的母線結構使主器件的出力能力運用到極致，因此保證了變頻器工作的可靠性。
     力普高壓大功率變頻器功率單元采用了自動旁通設計，功率單元原理見下圖所示：

在萬一發生單元故障時，該單元會立即自動旁路，與此同時與之同電平的其余輸出相的單元也自動在線旁路，使機器進入不停機降額連續運行。保證三相輸出電壓對稱，輸出電流平衡，最大限度地減小停機率，保證單元故障狀態不停機工作。但在實際大多數調速運行狀態下，其工作頻率多低于額定頻率的九分之八，縱然有一單元故障，機器運行仍然不受任何影響而正常工作。

同時為了保證系統的連續運行，整套變頻器配備有手動旁通裝置。如下圖所示：

變頻器異常時，變頻器停止運行，并將任意電機切換到工頻運行。工頻旁路由4個高壓隔離開關K1、K2、K3、K4組成。變頻運行時，K1、K2合閘，K3或K4置于變頻位置，以實現單機變頻運行。工頻運行時，K1、K2斷開，K3或K4置于工頻位置，以實現單機工頻運行。通過開關切換可實現任意一臺變頻另一臺工頻運行，或者兩臺同時變頻或工頻運行。

六、成功應用

鍋爐引風機和循環水泵高壓變頻器調試期間，各種連鎖可靠，故障報警準確，和DCS系統連接方便、控制精度高。投入生產運行后，通過實際生產期間對給水泵工頻起動運行和變頻起動運行的大量對比測試，鍋爐循環水泵采用變頻運行后具有明顯的節能優勢。如下表所示:

通過上面的數據我們看到了該設備不但可以每年獲得節電效益60多萬元，而且改善電機起動性能，減少電網沖擊，水泵電機采用變頻器從靜態起動，通過DCS系統緩慢提升轉速至工作范圍，最大起動電流約為額定電流0.8倍，避開了電機6-8倍起動電流，轉動力矩平穩上升，減少對電網的沖擊，延長了設備的使用壽命！