变频调速应用在蒸发风机泵类负载上的作用

1引言

变频调速在风机和泵类负载上的应用具有显著的节能效果，并且具有软启动和软停机的优良控制特性，因此变频器首先在冶金、电力、石化、供热和民用风机水泵的控制领域得到广泛的应用。随着我国市场经济的深入发展，造纸厂、浆厂的增产、节能减排、提效被提到了重要地位，设备、电气改造势在必行。

蒸发风机的主要作用是将注入蒸发器的废液蒸汽回收然后再送入散热片中起到增压升温的作用，需要说明的是，在蒸发风机开启之前，需要补给新鲜蒸汽当温度达到96℃以上时就可以开启蒸发风机，达到自循环关闭新鲜蒸汽起到节约的作用。其蒸发的冷凝液经过冷却后又可被回收利用，从而节约了清水资源。

在废液蒸发过程中，所需风量风压在蒸发器蒸发效率的不同阶段有不同的要求，其中以风门调节效率较差，它是人为地改变阻力曲线，增加风阻，越调节性能就越恶化；若采用变频器改变蒸发风机速度，使其在较佳工况点运行，使风机在较大的范围内以较高的效率运行，节能效果较好。

造纸厂蒸发风机泵是蒸发系统的核心部件，它的可靠、稳定运行是整套蒸发系统正常运行的根本保障。由于蒸发风机泵在整套系统中的特殊功用，所以它是一个特殊的负载类型，既非风机又不能等同于普通泵类负载。蒸发风机泵功率大，是蒸发工段的高耗能设备，如能成功对其进行变频节能改造，将会产生非常可观的效益。

2 蒸发风机工段、设备介绍

图1 蒸发工段流程框图造纸厂蒸发工段流程框图如图1所示。蒸发风机所采用的电动机是10kV /3000kW三相鼠笼式异步电动机（电机参数如表1所示），根据蒸发风机的要求2559kW，转速2564 rpm就可以满足要求，但是在电机选档中没有此型号和档位电机为了适应风机的需要和启动特性必须选择大一型号的电机，根据蒸发风机转速要求没有此规格转速的电机如果选择高级的电机其电机自身的转动惯量也达不到启动要求，所以根据以上要求必须选择增加（1.7x电机额定转速）增速机来满足要求。虽然满足了工艺和生产要求，但对于能源来说是一种浪费并且增加了生产成本。

蒸发工段所采用的蒸发风机是由蒸发器的涡轮式风机要求转速在2564rpm下可以达到151.3T/H 是以通过调节风门来改变压缩蒸汽量。根据启动特性和蒸发效率风门改变是有规律的，蒸发器工作前将蒸发器内部增加新鲜蒸汽使温度增加到96℃以上停止，然后风门自动达到30﹪后开电机然后进废液将风门调到75﹪正常开机。

现代社会已经进入高产能、低消耗的竞争时代，根据能源辨识可以发现在蒸发工段的电机、增速机、蒸发风机存在着巨大的能源浪费，选择节能降耗的方案迫在眉睫。

3 应用举例

山东太阳纸业股份有限公司是一家全球先进的跨国造纸集团和林浆纸一体化企业，是中国较大的民营造纸企业、中国较大的高档涂布包装纸板生产企业、中国食品级包装用纸领军企业。集团拥有资产总额186亿元，年浆纸产能350万吨，产品主要服务于中国、美国、非洲、东南亚、香港等国家和地区。

太阳纸业现有四台蒸发风机，并联使用，按照废液量的多少一般情况下开三台就可以满足要求，一台作为备用当一台蒸发效率低的时候开启，来替换蒸发效率低的蒸发器清洗。

现场生产、设备、电、仪负责人反复商榷后决定采用变频调速的方法来控制风量的大小和电机的启停起到节能和优化控制的方案切实可行。

山东太阳纸业合利公司领导将此建议分别上报各级领导后经过认真比较审核后，根据改造成本原因决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP38-3000F型（3000kW/10kV、4套）高压变频系统对蒸发风机电机4台蒸发电机进行改造。高压变频器投运后，设备至今运行良好。经过山东太阳纸业技术中心的检测，各项性能指标达到设计要求，蒸发风机实现了有效运行，改造达到了预期目的。

山东太阳纸业所采用的四台蒸发风机设备现场参数相同，其中一台设备参数如下。

表1为现场电机参数，表2为风机参数。

3.1蒸发风机采用变频调速改造的优点

随着电力电子技术、微电子技术、信息技术和现代控制理论在调速系统中的应用，并且由于近年电力紧张，变频调速技术已经成为现代电力传动的一个发展方向，卓越的调速性能，使得变频器在制浆造纸生产中的节能效果越发显著。因此，将蒸发风机改为变频器控制，将传统的电机调速技术、现代电力电子技术以及计算机控制技术结合在一起，根据蒸发器效率发生的变化来调节蒸发风机电机转速，使通风机在经济的转速下有效运行，从而达到节电的效果。变频调速节能控制装置的特点：（1）调速效率高；（2）调速范围大，可根据生产工艺随时调整转速；（3）调速精度高；（4）启动电流小，而且容易实现闭环控制。由于可以利用原普通交流异步电动机，所以特别适合对原有旧设备的技术改造，它既保持了原风机、电动机不用更换的优点，又能达到节电的显著效果。

3.2山东新风光电子JD-BP38-3000F高压变频器

山东太阳纸业所采用新风光电子JD-BP38-3000F高压变频器系统框图如图2所示。

图2 高压变频器系统框图

（1）JD-BP38-3000F高压变频器的主要性能指标

变频器功率：3000kW

输入频率： 50Hz

输入电压： 10kV±20%

输出电压： 三相正弦波电压0-10kV

额定电流： 216A

输出频率： 0-60Hz

频率分辨率：0.01Hz

加速时间： 可按工艺要求设定（0-3600s可选）

减速时间： 可按工艺要求设定（0-3600s可选）

故障诊断及检测：自动检测，自动定位

网侧功率因数：0.95（高速时）

过载保护： 120％1min，150%立即保护

防护等级： IP31

环境湿度： 90%，无凝结

（2）性能特点

全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶触摸屏；

输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；

输出阶梯正弦PWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减少轴承、叶片的机械振动，输出线可以长达1000米；

功率电路模块化设计，维护简单；

高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠；

完整的故障监测电路、精确的故障报警保护；

内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；

可灵活选择现场控制/远程控制；

可接受和输出0～5V/4～20mA工业标准信号；

可根据用户需要内置PID调节器；

完整的通用变频器参数设定功能。

3.3改造主回路控制方案

高压变频调速系统由一次回路进线柜（旁路柜）、变压器柜、变频单元柜和操作控制柜组成。旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。高压变频器旁路柜一次回路如图3所示。

K1、K2、K3：高压变频器内置高压隔离开关

变频器：JD-BP38-3000F高压变频器

M：3000kW/10kV异步电动机

图3手动旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K2闭合，K3断开时，电机变频运行；当K1、K2断开，K3闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

旁路柜必须与上级高压断路器连锁， 用户开关柜合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

3.4节能计算

3.4.1蒸发风机现场运行数据

　　图4高压变频器运行数据

3.4.2节能情况

关于蒸发风机的变频器使用情况：

（1）电耗比较：（电费：0.65元/ kW？h计算）（单台蒸发）

（2）运行情况

充分调节电机转速从1280rpm-1400rpm之间进行调速，发现在1280rpm以下，热风压力达不到，运行效果不好，在1400rpm以上，热风压力增加，无需较高的风压。所以，在1280rpm---1400rpm之间寻找一个合适的较经济的值。

2012年1、2月份：电机转速1280rpm-1380rpm根据效率调节，80%的转速是1370rpm，三期蒸发共处理废液150491吨，共用电2108377 kW？h。单耗：14.01 kW？h /吨废液。

（3）节约费用

吨废液可节约用电2.38 kW？h，以每台蒸发平均每天处理4900吨计算，每台变频器每天可节约用电11662度。所以每天节约的电费：7580.3元。每台每年运行330天计算，每台风机年节约电费：250.1499万元。3.5变频改造的其他优点

（1）采用变频器控制后启动风机时可以实现软启动，避免了启动时对电网冲击，可以有效地延长电气设备的使用周期。

（2）按需调节风量，调速范围宽且调速精度高，避免浪费。进行变频改造后，风机的风量通过变频调节电机的转速来实现，可以根据生产需要调节风量，避免了浪费。

（3） 降低了风机的工作强度，延长了使用寿命。进行变频改造后，大大降低了风机的机械强度和电气冲击，大大延长了风机寿命。

（4） 变频器具有短路、过载、过压、欠压、缺相等各种保护，有效地保护了电机。

（5）改善了现场工作环境，由于降低了风机的转速，风机噪声大大降低，深受现场工作人员的欢迎。

（6）在以后的新上项目中可以减少增速机及其油站，直接采用高压变频器控制，缩减了中间环节，节约了能源，提高了效率。

4 结束语

山东太阳纸业对四台蒸发器经过变频改造之后，不仅达到了良好的节能效果，并且使整套蒸发系统的稳定性提高了一个大台阶。通过此次成功改造表明，在纸业行业对其所用风机、水泵负载进行高压变频改造，具有较好的经济效益和社会效益，也符合国家建设资源节约型社会的潮流。