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变频器技术工业锅炉控制系统中的应用

时间：2014/9/23 浏览次数：267341次

变频器技术工业锅炉控制系统中的应用
关键词：变频器控制系统恒功率恒转矩缺相断路器
1、引言
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。它的主电路都采用交-直-交电路。如：JP6C-T9/J9 系列低压通用变频器工作电压为：380～690V，功率为 0.75～800kW，工作频率为 0～400Hz； JP6C-YZ 系列中压通用变频器工作电压为：1140～2300V，功率为 37～1000kW，工作频率为 0～400Hz； JCS 系列高压变频器工作电压为：3KV / 6KV / 10KV，功率为 280～20000kW；
从理论上我们可知，电机的转速 N 与供电频率 f 有以下关系：
n = qf602×（1 - s）（1）
其中： q --电机极数 S--转差率
由式(1)可知，转速 n 与频率 f 成正比，如果不改变电动机的极数，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。在工业领域里的应用日益广泛。随着变频器的造价日趋降低，利用变频器驱动异步电动机所构成的调速控制系统，越来越发挥出巨大的作用。
2、变频器在锅炉控制系统中的主要目的
变频器在工业锅炉自动控制系统中，主要用于鼓风机、引风机、供水系统及除渣系统、转矩之间的关系。这些关系是：
流量∝转速，压力∝转矩∝转速的平方，功率∝转速的三次方。
即：风机或水泵流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。因而，理想情况下有如下关系：
流量（%）
转速（%）
压力（扬程）（%）
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
由上述关系可见，当需求流量下降时，通过调节转速可以节约大量能源。例如：当流量需求减半时，如通过变频调速，则理论上讲，仅需额度功率的12.5%，即可节约87.5%的能源。如采用传统的挡板方式调节风量，虽然也可相应降低能源消耗，但节约效果与变频相比，则是天壤之别。
3、变频器在锅炉调速控制系统各个环节上的应用
3.1、炉排电机选用的变频器与鼓、引风机选用的变频器型号不同。
炉排变频选用恒转矩变频器，鼓、引风机变频选用恒功率变频器。
3.2、鼓、引风机控制
鼓、引风机采用变频控制，这是锅炉系统中变频应用的重头戏。即是节电最显著的部分，同时也是变频投资最大的部分。这主要是由于鼓、引风机调节的幅度相对也较大。变频器在工业锅炉调速控制系统中，主要应用于鼓风机、引风机、供水系统及除渣系统。其最主要的目的在于节约能源。采用变频调速方法节能的原理，是基于流量、压力、转速、转矩之间的关系。这些关系如公式：P2（n2/n1)3P1=0.512P1即可降低能耗近50%。在鼓、引风机的风量裕度问题，以使变频器可以适当提高频率（大于50Hz）即提高转速运行，以保证锅炉系统有足够的风量，否则，极易造成原系统大负荷时风量够用（但裕度小），变频改造后，大负荷时风量不够的尴尬局面。其原因在于变频本身也消耗一部分功率，其输出功率比标称功率略小的缘故。
3.3、炉排变频控制
炉排电动机很小，因而采用变频器控制。其主要目的是稳定运行。当然节电也很大只是绝对数值占的比重很小。炉排变频控制的特殊性在于：
3.3.1、炉排由于经常处于低速运行，所以电动机散热会出现问题，解决的方法是选用变频专用电动机。
3.3.2、由于低速运行时变频器输入电流很小，但输出电流很大，远大于电机额定电流。此时变频器是采用低压大电流保证电动机恒转矩运行。因此，变频器必须提高一档选型。否则，无法保证炉排电动机的低速运行。
3.4、恒压供水
在锅炉供水系统中，采用变频控制，既能大量节约能源，又能稳定供水系统的压力，保障锅炉系统的安全运行，是非常有实际意义的，并且供水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小，投资不大。因此，非常值得推广采用。
供水系统变频应用的特殊性：锅炉供水系统一般采用多台电动机，并联母管式供水，没有必要每台电动机都采用变频。既经济又可靠的方法是：只有两台电动机由变频自动控制且这两台电动机为一用一备方式工作。主要是利于电动机检修。其他供水电动机仍采用常规控制方法，其原因有两点：
3.5、在并联母管式供水方案下，全自动控制供水方案不实用，无实际意义。主要原因是每台水泵的单向止回阀泄露问题和更换问题。全自动控制供水时，单向止回阀前后的截止阀必须始终保持打开状态，才能保证自动控制电动机启动后，水能够自动流出。但随着锅炉负荷的增减，水泵电动机不会全部运行。这样，不运行的水泵电动机，由于单向止回阀在水压的作用下，极易发生泄露，造成水的回流及电动机的反转。而当需要停止的水泵运行时，电动机由反转变为正传的过程中，由于电动机的超负荷大电流，必然造成控制电路超负荷跳闸。解决的方法是：采用半自动控制，设定供水压力上、下限报警。上限报警时，通知操作人员关掉一台水泵。下线报警时。通知操作人员启动一台水泵。而变频控制的水泵则保证在可调范围内的恒压供水。每台水泵电动机均采用变频控制，投资太大，且由于上述原因，也没有必要，并且不实用。
3.6、冲渣泵的变频控制
冲渣泵采用变频控制，其目的有两点：节约电力，节约水。
方法是采用高、低速分时控制。高速运行一段时间，然后，低速运行一段时间，自动交替运行。高速运行时把炉渣冲走，低速运行时保证炉渣灭火。
4、变频器在工业锅炉应用中的优点:
4.1、实现了自动控制，揭开了锅炉运行自动化的新篇章。使难以控制的燃烧过程实现了自动化，减少劳动强度。在网络化日益普及的今天，与普通的点对点硬线连接方式而言，通过高速通讯连接的变频器系统可以最大程度上降低系统维护时间、提高生产效率、减少运行成本。
4.2、控制电机的启动电流。当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动（当然可以适当加转矩提升）。一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照WF或矢量控制方式带动负载进行工作。使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。
4.3、降低电力线路电压波动。在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如咒机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能最大程度上消除电压下降。
4.4、可对风机的风量作平滑的无级调速，风机工作在最佳工作点，工况曲线更符合系统，可提高风机效率，避免了“喘振”现象。稳定了炉膛压力，满足工作环境的要求。
4.5、低速运行可以减少磨损，降低噪音，有利于延长电机和风机的使用寿命。
4.6、节能效果显著。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后，大大地节约了成本，投资回报更快，用户也愿意接受。
5、变频器实际应用中存在的问题【1】
5.1、缺相保护问题
变频器本身有各种保护功能，且功率强大。但在实际应用中，发现变频器的缺相保护并不完善。主要是变频器在运行过程中，发生缺相，它能够有保护作用，但如果送电时就发生缺相，则变频器本身并不能检测和保护。一旦启动变频器，在启动初始低速运行阶段，由于单相大电流，极易造成变频器烧损。所以在设计变频器控制电路时，应设计缺相保护电路，以防意外损坏。
5.2、变频器功率的选择
选择变频器时，要充分考虑原系统电机裕度问题。否则，原系统电机运行正常，改变频控制后，发现变频电机容量不够，再更换大一档变频，必然造成不必要的损失与麻烦。
5.3、远距离变频控制的可靠性问题
变频器的控制端子，均为弱电直流信号或节点信号，当采用远距离控制时，应充分考虑线路的抗干扰问题和损耗问题。尤其是当采用开、关量进行加、减速控制时，要使节点输出尽可能与变频安置在一起，以防无源节点的线路阻抗和干扰造成控制不灵敏或失效。
5.4、设计选型中的其它问题【3】
5.4.1、空气断路器的选择
由于变频器具有软启动、无冲击的特性，所以、空气开关可以按变频器容量选择。不需要考虑电动机启动时的电流冲击。
5.4.2、热保护的选择
由于变频器控制单台电动机，不需要选择热保护继电器，直接采用变频器的热保护即可。但若同时控制多台电动机，则每台电动机的热保护要单独计算及选择。但选择时，要根据电动机低速运行时的电流情况选择，而不是根据电机额定电流选择。此电流比电动机额定电流大得多。
5.4.3、电流、电压的检测问题
由于变频器输出端的电流、电压随频率发生变化，所以、对变频设备的电流、电压检测均应在变频器的进线端进行。即电流互感器、电压表均应设计在进线端。即空气断路器后，变频器前。
5.4.4、导线问题
变频器进线可以适当减少裕度。因为变频器节电的特征，即是减少进线电流。但变频器的出线要适当加大裕度，尤其是长期低速运行的变频器设备，其输出电流是相当大的。
6、效益与回报
宝塔石化06年新安装了一台35吨硫化床开工锅炉，每天24小时间断供蒸汽，鼓风机功率75kW，引风机为110kw。在锅炉运行中，电力线路波动较大，引风机风量偏大，使用档风插板调节风量，电机功耗基本不变，电能浪费大。根据以上缺点，经集团公司决定安装变频器。安装变频调速装置后风机起动平稳无冲击电流，运行稳定。为了便于对比分析，对引风机的两种调节方式进行了数据测量如表1
对于刚投人运行的锅炉，一般因各种原因负荷未达到70%以上时，采用变频器控制效果更加明显。银川热电项目是银川市政府批准的新型项目，两台卯T锅炉鼓、引风机都采用变频器控制，引风机电动机250kw，鼓风机电动机110kw，两台锅炉鼓、引风机变频器一次投人50万元，结果2（X）5年，2（X巧年负荷分别为30%、60%，在此情况下，锅炉在低负荷运行，鼓、引风都在低负荷下运转，两个采暖期下共用电613725kw。如果不用变频器控制约用电1.8倍）kw，估计两个采暖期节约1186275kw，按每度电0.7元计算，共计节约83万元。

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