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摘要：本文分析热电厂风机系统高压变频节能改造的必要性，简述变频调速节能原理，以实例对风机进行节能分析与计算，并提出节能改造方案，风机系统的经济性和可靠性大大提高。
关键词：排粉风机；节能改造；ZINVERT；高压变频调速
Abstract: this paper analyzes thermal power plant, the high voltage inverter fan system energy saving the necessity of reform, this paper describes the frequency control energy-saving principle with an example of the fan energy saving analysis and calculation, and put forward the energy saving reconstruction scheme, fan system of economy and reliability is greatly increased.
Keywords: row powder fan; Energy saving transformation; ZINVERT; High voltage variable frequency speed regulation
中图分类号：TM62文献标识码：A 文章编号：
一、工程概述与节能改造的必要性
旺隆热电厂拥有两台额定蒸发量为420t/h的高温高压自然循环煤粉锅炉，发电机组装机容量2*100MW。该厂是为了治理新塘地区大气污染和东江水资源污染而建设的环保项目。该厂为热电联产型电厂，在发电的同时，向周边的服装、漂染厂等企业集中供给蒸汽，先后替代了东江二级水源保护区内的164座效率低、污染大的自建小锅炉，拟向附近的广东南方制碱厂集中供热，所产生的城市环保效益与节能效益明显。
经过长期运行分析和实地调研，#1、#2炉的4台排粉机以及2台脱硫增压风机在实际的生产过程中通过挡板或导叶来调节所需的风量大小，主要存在以下问题：
（1）排粉风机通过风门档板调节风量、风压，造成大量能量消耗在风门阻力上，设备工作效率低，造成不必要的损耗。
（2）排粉风机采用风门调节，会带来风机、管网较大振动、噪音和磨损，减少设备寿命，增大设备维护量。
（3）风机采用风门控制调节风量、压力，调节控制精度低，不利于远程控制或自动控制。
（4）脱硫增压风机采用静叶调节方式，通过改变风机静叶的角度来调节风量。尽管比采用控制入口挡板开度来实现风量的调节有一定的节能效果，但节流损失仍然很大，低负荷时节流损失更大。
（5）异步电动机的启动电流一般达到额定电流的8-10倍，对厂用电形成冲击，强大的冲击转矩对电机和风机的使用寿命存在很大不利影响。
经过周密分析，有必要对以上电机系统进行变频改造。改变原始的挡板控制，不管是从生产工艺控制还是用电损耗、减少设备维护量以及自动化程度上都能带来极大的改善。
二、风机变频调速节能原理简介
从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的风机、水泵负载，轴功率P与流量Q，扬程H的关系为：。
当电动机的转速由n1变化到n2时,Q、H、P与转速的关系如下:
(1)
(2)
= (3)
可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2％。
如图1所示，从风机、水泵的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。
图1
当所需风量、流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机、水泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机、水泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB）×（C-B）的面积成正比。
考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机泵类通过调速控制可节能20％～50％，有些风机负载节能比例达60%以上。
三、风机变频改造节电分析
根据上述节能原理，以#1炉排粉风、增压风机为例，进行节电分析：
1.风机参数
2.运行情况及节能分析
3.旺隆热电变频改造节能分析统计表
4.采用变频调速节能增效附加好处
（1）网侧功率因数可提高到0.9以上，减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。
（2）通过调节电机转速实现节能，负荷率较低时，转速也降低，设备的轴承等磨损减轻，设备运行与维护费用下降。
（3）电机可实现软启动，启动时电流不超过额定值的1.2倍，对电网无冲击，使用寿命延长。
（4）变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。
四、项目改造的方案简介
1、电气改造方案
采用“一拖一自动旁路”方式高压变频装置：
变频器一次回路由真空接触器QF3、QF4、QF5组成，6kV电源高压开关柜真空断路器QF1，电气一次接线如图2。
图2
变频改造后有两种运行工况：（1）变频运行：6kV电源经QF1、QF3至变频装置，再经QF4连接电机；（2）工频运行：6kV电源经QF1、QF5直接连接电机。其中，QF5与QF3、QF4构成电气闭锁，确保相关开关任何时候不能同时合闸。
2、系统控制方案
（1）本地控制：利用系統控制器上的键盘、控制柜上的按钮、电位器旋钮等就地控制。
（2）远方控制：系统提供数字和模拟输入接口，由DCS或上位机实现控制。
3、系统散热方案
系统使用了移相隔离变压器及大功率高频开关元件，发热量较大，运行环境的温度影响系统运行的稳定性及功率元件的使用寿命，因此为了使变频器能长期稳定和可靠地运行，我厂采用室内空调冷却方式：通过全厂制冷站向各高压变频室送冷风以冷却环境温度，同时安装4台电空调作为备用，以满足系统运行的温度要求。
五、ZINVERT高压变频调速系统构成及功能简介
1．系统构成
（1）旁路柜：连接高压开关柜与高压电机的载体，实现工/变频间的自主及故障切换。
（2）变压器柜：实现高压电源的切分，降为相互独立的低压电源，实现多重化整流，有效的抑制谐波含量。
（3）功率柜：安放功率单元，变频系统的核心部件。
（4）控制柜：变频器的操作面板和内部结构。
2．功能简介
（1）频率设定
装置可通过LCD面板按键、远方操作盘、计算机后台通信或DCS等智能接口设定、外部4～20mA或0～10V模拟信号输入给定、开关量频率升降给定等多种给定方式进行频率设定。
（2）断电恢复再启动功能
电网瞬时停电并在短时间内恢复后，系统能在0.2～1.0秒内自动搜索电机转速，实现无冲击再启动至设定转速，保证负载的连续稳定运行。
（3）自动旁路功能
当变频器出现故障时，可将变频器自动进行旁路，将电机直接接入原电网继续运行，大大提高了运行可靠性，保证用户生产工艺不受影响。
（4）主回路专利SCP技术的应用
智光电气SCP是通过国家输出两相直接短路试验的核心技术。针对高压电机和电缆头可能存在的相间短路而采取专有的抑制技术，可有效防止巨大的短路电流冲击功率管而导致损坏，用户外部的任何故障不造成ZINVERT的损坏。
六、结语：
热电厂是耗能企业，“以热定电，热电联产”的电力生产模式，符合以促进经济、社会、生态相协调的广州市城市总体建设与发展模式，符合国家节能降耗的产业政策。我厂与广州智光密切合作，通过合同能源管理（EPC）的节能服务运营模式，达到共赢的目的。
综合我厂多年节能实践经验及理论计算，与改造前比较，每年可以节约电量共计约439万kWh，折合RMB约218.62万元；按3.45×10-4 吨标煤/kWh 计算，年节约标煤约1514.55吨。
由于变频节能系统刚刚投产，具体节能的效益还有待时间验证。
参考文献
[1]张淼，冯垛生.变频器的应用与维护[M].广州：华南理工大学出版社，2009.
[2]ZINVERT系列高压智能节能系统用户手册，2008.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：排粉风机；节能改造；ZINVERT；高压变频调速
Abstract: this paper analyzes thermal power plant, the high voltage inverter fan system energy saving the necessity of reform, this paper describes the frequency control energy-saving principle with an example of the fan energy saving analysis and calculation, and put forward the energy saving reconstruction scheme, fan system of economy and reliability is greatly increased.
Keywords: row powder fan; Energy saving transformation; ZINVERT; High voltage variable frequency speed regulation
中图分类号：TM62文献标识码：A 文章编号：
一、工程概述与节能改造的必要性
旺隆热电厂拥有两台额定蒸发量为420t/h的高温高压自然循环煤粉锅炉，发电机组装机容量2*100MW。该厂是为了治理新塘地区大气污染和东江水资源污染而建设的环保项目。该厂为热电联产型电厂，在发电的同时，向周边的服装、漂染厂等企业集中供给蒸汽，先后替代了东江二级水源保护区内的164座效率低、污染大的自建小锅炉，拟向附近的广东南方制碱厂集中供热，所产生的城市环保效益与节能效益明显。
经过长期运行分析和实地调研，#1、#2炉的4台排粉机以及2台脱硫增压风机在实际的生产过程中通过挡板或导叶来调节所需的风量大小，主要存在以下问题：
（1）排粉风机通过风门档板调节风量、风压，造成大量能量消耗在风门阻力上，设备工作效率低，造成不必要的损耗。
（2）排粉风机采用风门调节，会带来风机、管网较大振动、噪音和磨损，减少设备寿命，增大设备维护量。
（3）风机采用风门控制调节风量、压力，调节控制精度低，不利于远程控制或自动控制。
（4）脱硫增压风机采用静叶调节方式，通过改变风机静叶的角度来调节风量。尽管比采用控制入口挡板开度来实现风量的调节有一定的节能效果，但节流损失仍然很大，低负荷时节流损失更大。
（5）异步电动机的启动电流一般达到额定电流的8-10倍，对厂用电形成冲击，强大的冲击转矩对电机和风机的使用寿命存在很大不利影响。
经过周密分析，有必要对以上电机系统进行变频改造。改变原始的挡板控制，不管是从生产工艺控制还是用电损耗、减少设备维护量以及自动化程度上都能带来极大的改善。
二、风机变频调速节能原理简介
从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的风机、水泵负载，轴功率P与流量Q，扬程H的关系为：。
当电动机的转速由n1变化到n2时,Q、H、P与转速的关系如下:
(1)
(2)
= (3)
可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2％。
如图1所示，从风机、水泵的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。
图1
当所需风量、流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机、水泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机、水泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB）×（C-B）的面积成正比。
考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机泵类通过调速控制可节能20％～50％，有些风机负载节能比例达60%以上。
三、风机变频改造节电分析
根据上述节能原理，以#1炉排粉风、增压风机为例，进行节电分析：
1.风机参数
2.运行情况及节能分析
3.旺隆热电变频改造节能分析统计表
4.采用变频调速节能增效附加好处
（1）网侧功率因数可提高到0.9以上，减少无功功率，满足电网要求，可进一步节约上游设备的运行费用。
（2）通过调节电机转速实现节能，负荷率较低时，转速也降低，设备的轴承等磨损减轻，设备运行与维护费用下降。
（3）电机可实现软启动，启动时电流不超过额定值的1.2倍，对电网无冲击，使用寿命延长。
（4）变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。
四、项目改造的方案简介
1、电气改造方案
采用“一拖一自动旁路”方式高压变频装置：
变频器一次回路由真空接触器QF3、QF4、QF5组成，6kV电源高压开关柜真空断路器QF1，电气一次接线如图2。
图2
变频改造后有两种运行工况：（1）变频运行：6kV电源经QF1、QF3至变频装置，再经QF4连接电机；（2）工频运行：6kV电源经QF1、QF5直接连接电机。其中，QF5与QF3、QF4构成电气闭锁，确保相关开关任何时候不能同时合闸。
2、系统控制方案
（1）本地控制：利用系統控制器上的键盘、控制柜上的按钮、电位器旋钮等就地控制。
（2）远方控制：系统提供数字和模拟输入接口，由DCS或上位机实现控制。
3、系统散热方案
系统使用了移相隔离变压器及大功率高频开关元件，发热量较大，运行环境的温度影响系统运行的稳定性及功率元件的使用寿命，因此为了使变频器能长期稳定和可靠地运行，我厂采用室内空调冷却方式：通过全厂制冷站向各高压变频室送冷风以冷却环境温度，同时安装4台电空调作为备用，以满足系统运行的温度要求。
五、ZINVERT高压变频调速系统构成及功能简介
1．系统构成
（1）旁路柜：连接高压开关柜与高压电机的载体，实现工/变频间的自主及故障切换。
（2）变压器柜：实现高压电源的切分，降为相互独立的低压电源，实现多重化整流，有效的抑制谐波含量。
（3）功率柜：安放功率单元，变频系统的核心部件。
（4）控制柜：变频器的操作面板和内部结构。
2．功能简介
（1）频率设定
装置可通过LCD面板按键、远方操作盘、计算机后台通信或DCS等智能接口设定、外部4～20mA或0～10V模拟信号输入给定、开关量频率升降给定等多种给定方式进行频率设定。
（2）断电恢复再启动功能
电网瞬时停电并在短时间内恢复后，系统能在0.2～1.0秒内自动搜索电机转速，实现无冲击再启动至设定转速，保证负载的连续稳定运行。
（3）自动旁路功能
当变频器出现故障时，可将变频器自动进行旁路，将电机直接接入原电网继续运行，大大提高了运行可靠性，保证用户生产工艺不受影响。
（4）主回路专利SCP技术的应用
智光电气SCP是通过国家输出两相直接短路试验的核心技术。针对高压电机和电缆头可能存在的相间短路而采取专有的抑制技术，可有效防止巨大的短路电流冲击功率管而导致损坏，用户外部的任何故障不造成ZINVERT的损坏。
六、结语：
热电厂是耗能企业，“以热定电，热电联产”的电力生产模式，符合以促进经济、社会、生态相协调的广州市城市总体建设与发展模式，符合国家节能降耗的产业政策。我厂与广州智光密切合作，通过合同能源管理（EPC）的节能服务运营模式，达到共赢的目的。
综合我厂多年节能实践经验及理论计算，与改造前比较，每年可以节约电量共计约439万kWh，折合RMB约218.62万元；按3.45×10-4 吨标煤/kWh 计算，年节约标煤约1514.55吨。
由于变频节能系统刚刚投产，具体节能的效益还有待时间验证。
参考文献
[1]张淼，冯垛生.变频器的应用与维护[M].广州：华南理工大学出版社，2009.
[2]ZINVERT系列高压智能节能系统用户手册，2008.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。