一.导言

在电力、化工等生产行业当中，异步电机是十分关键的动力设备。作为一种高耗能设备，其输出功率无法随负荷大小而变化，基本只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电机消耗的能量变化也没多少，这造成很大的能量损失。因此，各类高耗能企业都将如何降低发电成本，提高企业竞争力，加强内部管理，挖潜节能，当成企业突破当前市场困境的一大突破口。

近年来，为进一步落实“倡导绿色生产与消费，创建资源节约与环境友好型企业”的口号，许多企业开始转型低消耗、低排放、高效率的可持续发展理念的经济增长模式。利用大功率重载变频器（以下简称VFD）对高能耗电机电源进行技术改造，已成为如今许多企业节能降耗、提高效率的关键手段之一。既能降低厂用电，降低供电煤耗，带来直接可观经济效益增长，又能提高机组安全可靠性，减少机组故障。

当前许多企业开始对引风机进行改造，加装变频调速装置。通过变频调速帮助风机处于最佳运行状态，可以节能降耗，减少机械磨损，减少管道压力损失，实现电机软启动，降低电机启动时的冲击电流，延长电机的使用寿命和电流对电网、变压器的冲击，节约用电，降低运行成本。可以大大提高运行效率，达到节能的目的。

变频调速原理

n=60 f(1-s)/p (1)

其中n为异步电动机的转速；

F——异步电动机的频率；

S——电动机的转差率；

P——电机的极对数。

从公式(1)可以看出，转速n与频率f成正比，通过改变频率f可以改变电机的转速，当频率f在0 ~ 50 Hz范围内变化时，电机转速的调节范围很宽。变频调速是通过改变电机电源的频率来实现调速。

VFD主要采用AC-DC-AC模式，先通过整流器将工频交流电源转换为DC电源，再将DC电源转换为频率和电压可控的交流电源，为电机供电。VFD的电路一般由整流器、中间DC环节、逆变器和控制四部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，输出为PWM波形。中间的DC环节是滤波、DC储能和缓冲无功。

二、改造前的设备状况

重庆某地的电力企业#1和# 2发电机的装配能力为125兆瓦。1、2号锅炉为450 t/h自然循环汽包锅炉。两侧布置两套引风机，风机一般采用高效离心风机。目前风量调节是通过手动调节风门来实现的。在不考虑节能的情况下，全部采用直接起动电机，压力和风量由风门调节。风机的设计出口压力和风量远高于实际生产过程。当机组负荷较低时，两侧风机运行，系统整体效率较低。

引风机左、右各1350。电机功率1000KW，主轴转速730r/min，流量138.89M3/S，3850Pa。

鼓风机左、右各450。电机功率800千瓦，主轴转速960转/分，流量72.5立方米/秒，压力6870帕。

三、改造计划

该企业的1、2号锅炉共有8台鼓风机电机，均采用工频运行。8台风机加装变频调速装置，采用自动旁路方式。引风机阀门调节的原有运行方式改为变频调速引风机流量调节的运行方式。当VFD出现故障或检修时，可自动切换到工频运行。当引风机以变频方式运行时，由手操器在DCS界面上调节引风机的频率，从而达到调节引风机风量的目的。同时，保留了原有的流量阀调节方式。当引风机在变频模式下运行时，阀门处于全开位置，以减少节流损失。

电气系统改造是在原6kV断路器与电机之间增加变频调速系统和旁路开关柜，通过高压VFD输出6kV变频电源给电机供电。每套高压VFD都配有自动隔离旁路系统。

自动隔离旁路开关柜由进线断路器1QF、出线断路器2QF、工频断路器3QF三个断路器组成。6kV电源经过原断路器至自动隔离旁路开关柜的VFD断路器1QF，再经过自动隔离旁路开关柜的/kloc-0工频断路器3QF并联在进线断路器1QF、出线断路器2QF两端。当VFD处于“保护”状态时，进线刀闸1QF和出线刀闸2QF将自动断开，工频刀闸3QF将自动拉入，实现自动旁路功能。如图所示。变出线刀闸2QF和工频刀闸3QF由彼此的辅助节点联锁，即出线刀闸2QF和工频刀闸3QF不能同时拉进，出线刀闸2QF和工频刀闸3QF可以同时断开。系统配置示意图如下:

系统配置图

旁路开关柜上安装有两个选择开关:

(1)远程/本地选择开关。远程时DCS可以控制VFD运行，本地时可以本地运行。

(2)绕过手动/自动选择开关。当出现故障时，自动旁路系统动作，会同时向DCS发送DI信号。如果自动旁路失败，然后向集散控制系统发送去离子信号，可以选择手动旁路操作。

四.变频改造后风机的运行

该企业前年对机组进行大修，10月1号机组临时检修。利用此次停运机会，将1、2号锅炉引风机8台电机改造为北京和康易盛公司生产的高压变频调速装置，与DCS监控系统连接，将变频的所有技术参数、运行状态、故障及报警上传至DCS，由DCS进行远程控制启停，同时可实现变频就地控制功能。

在DCS界面上风机的启停有两种方式，一种是一键启停(根据事先做好的逻辑顺序控制启停)，另一种是操作人员点击开关，按照给定的电气设备启动顺序进行操作。通常操作人员采用一键启动，一键停止，简单快捷，不易开、关错开关，大大方便了操作。

变频和工频之间有联锁开关。运行中出现故障时，无需操作员操作。将向DCS发送“故障”信号，将自动切换到旁路工频运行，并向DCS发送旁路状态信号。同时，DCS逻辑自动快速关闭风门至65%。此时操作人员参与调节，控制风量和压力正常，保证炉膛燃烧稳定。

如果有隐患，向DCS发送“报警”信号，此时继续运行，维修人员可以根据报警信号的信息到当地排除隐患。

该企业在使用VFD后至今一直运行正常。机组满载80MW时，炉内负压变化小，燃烧稳定，工况可靠。

五.节能效益分析

当我们用挡板或阀门的开度大小来控制风机和泵类负荷的介质流量时，观察到这些风机和泵类负荷长期以额定转速工作，不可避免地会对挡板或阀门造成相当大的能量损失。利用风机和泵类负荷进行调速节能的理论分析依据:采用挡板或阀门开度控制介质流量大小时，管道阻力挡板与功率P(阴影部分为输出功率)的曲线变化(如图1所示)。从曲线1到曲线2，介质流量下降，但功率下降不多。然而，通过改变转速n来调节介质流量是不同的(如下所示)。

H-Q曲线。使用jpeg文件交换格式存储的编码图像文件扩展名

当调整转速时，H-Q曲线从曲线1变为曲线2。挡板开度为100%时，管道阻力曲线保持不变，节省了大量动力。(其中n1为调整前的速度，n2为调整后的速度)。

5.1数据收集

为了准确了解变频改造后的节能效果，我们收集了改造前后90-100 MW负荷机组运行的相关数据。根据近半年的运行情况，机组负荷集中在90-100 MW段，按照改造前负荷平均运行参数计算节能效果。转换前后的数据收集如下:

转换前后的数据收集表

5.2节能计算

从上表可以看出，在相同的工况下，变频运行时风机的电流比工频运行时小很多，节能效果非常显著。

根据流体力学理论，在理想条件下，风机和泵类负载具有风机风量与转速成正比的特点:Q1/Q2=n1/n2，风机压力与转速的平方成正比:H1/H2=( n1/n2)2，功率与转速的三次幂成正比:P1/P2=(n1/n2)3。根据这些特征，我们分别计算

运行时间320天(7680小时)，VFD效率97%，功率因数0.86，运行电压6.1kV，电价0.236元/千瓦时。根据公式P=公式。jpg，计算节能效果，如下表所示:

节能效果表

六.直接经济效益分析:

1)根据以上条件，变频运行方式的节能效果比常规工频运行方式更显著，节能幅度约为50-60%。8台风机年节电1790.85万千瓦时，平均节电率56%。

2)增加上网电价收入=年节约量×上网电价(注:我厂上网电价为0.236元/千瓦时)

年新增上网电价收入= 1790.85万千瓦·小时×0.236元/千瓦时= 422.6万元

在现场试验和理论分析的基础上，确定了风机的最佳运行工况，使风机在最大节能条件下运行，为公司带来了更多的节能空间和效益。由于风机采用变频调速后往往低速工作，大大降低了风机叶轮的磨损，减少了风机振动和轴承磨损。延长了风机的检修周期，节约了检修成本和时间。同时，由于阻尼器在工作时间不使用，避免了调节阻尼器时容易出现的喘振现象对设备造成的损坏。变频调速系统可以作为软启动器，避免了直接启动时对电机的影响。

七.结束语

由于节能效果明显，特别是在低负荷时，大功率重载变频装置实现了电机的软启动，延长了电机的使用寿命，充分打开了风机挡板，减少了风道的振动和磨损。目前许多变频器品牌都在研发具备良好的节能效果的产品，这部分产品将越来越多地应用于电力系统，对建设节约型社会具有重要意义。