英威騰GD5000系列高壓變頻器在延邊某紙業(yè)公司增壓風機上的應用

一、概述：

在制漿（化學法）和造紙生產過程中主要產生三類廢水：黑（紅）液、中段廢水和紙機白水。黑（紅）液主要是蒸煮制漿廢水，中段水包括紙漿洗滌、篩選、漂白廢水，紙機白水為抄紙車間廢水。其中蒸煮廢水的環(huán)境污染最嚴重，占整個造紙工業(yè)污染的90%。

而酸法制漿產生的紅液是造紙業(yè)廢水處理的關鍵。造紙紅液處理的系統(tǒng)為MVR蒸發(fā)器。MVR蒸發(fā)器，是英文mechanical vapor recompression的簡稱。MVR是重新利用它自身產生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源的需求的一項技術。

二次蒸汽，經過壓縮機的壓縮，壓力和溫度得以升高，熱焓隨之增加，被送到蒸發(fā)器的加熱室當作加熱蒸汽即生蒸汽使用，使料液維持蒸發(fā)狀態(tài)，而加熱蒸汽本 身將熱量傳遞給物料本身冷凝成水。這樣，原來要廢棄的蒸汽就得到了充分的利用，回收了潛熱，又提高了熱效率。

目前該技術普遍應用于化工、制藥、造紙、污水處理、海水淡化等行業(yè)。

二、MVR蒸發(fā)器系統(tǒng)

MVR蒸發(fā)器是重新利用它自身產生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源的需求的一項技術。

其工作過程是低溫位的蒸汽經壓縮機壓縮，溫度、壓力提高，熱焓增加，然后進入換熱器冷凝，以充分利用蒸汽的潛熱。除開車啟動外，整個蒸發(fā)過程中無需生蒸汽。

多效蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)器某一效的二次蒸汽不能直接作為本效熱源，只能作為次效或次幾效的熱源。如作為本效熱源必須額外給其能量，使其溫度(壓力)提高。蒸汽噴射泵只能壓縮部分二次蒸汽，而MVR蒸發(fā)器則可壓縮蒸發(fā)器中所有的二次蒸汽.

溶液在一個降膜蒸發(fā)器里，通過物料循環(huán)泵在加熱管內循環(huán)。初始蒸汽用新鮮蒸汽在管外給熱，將溶液加熱沸騰產生二次汽，產生的二次汽由渦輪增壓風機吸入，經增壓后，二次汽溫度提高，作為加熱熱源進入加熱室循環(huán)蒸發(fā)。正常啟動后，渦輪壓縮機將二次蒸汽吸入，經增壓后變?yōu)榧訜嵴羝?，就這樣源源不斷進行循環(huán)蒸發(fā)。蒸發(fā)出的水分最終變成冷凝水排出

由于成本原因，單級離心壓縮機和高壓風機被普遍用于機械蒸汽再壓縮系統(tǒng)。

蒸發(fā)風機增加泵是紅液蒸發(fā)系統(tǒng)的核心部件，該裝置的可靠穩(wěn)定運行是整套，紅液蒸發(fā)系統(tǒng)正常運行的根本保證。由于蒸發(fā)風機增壓風機泵在整套系統(tǒng)中的特殊功用，所以其是一個特殊的負載類型，即非風機又不能等同于普通泵類負載，其對整個蒸發(fā)器生產過程中的工藝控制有很大影響。

三、化機漿蒸發(fā)風機泵工作原理

化機漿蒸發(fā)風機泵主要用于廠區(qū)廢液處理，現(xiàn)場工藝流程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場工藝流程

工作流程：蒸發(fā)風機把高溫（大于100℃）的高溫蒸汽打入蒸發(fā)管道，然后把后級的蒸汽再抽回到蒸發(fā)器，如果蒸發(fā)器溫度低于100℃，那么由廠來的高溫蒸汽將補充到蒸發(fā)風機里，保持蒸汽溫度高于100℃。通過泵將預熱器加熱、濃縮處理的廢水引入到MVR蒸發(fā)器中，在熱交換器中，利用蒸汽對廢水進行循環(huán)加熱、蒸發(fā)、濃縮等處理，得到的蒸餾水回流到預熱器中，以用于預熱原液得到的濃縮液和蒸汽則進入分離器中，通過分離器，分離出的蒸汽進入壓縮機內，而分離出的濃縮液則被直接回流至收集罐中，對濃縮液進行處理可回收其中的有用物質、達到污水零排放，保護環(huán)境。

（1）預熱器待處理的原液在進人蒸汽換熱器之前的溫度較低，為了充分利用系統(tǒng)內的熱能，需采用換熱器對原液進行預加熱。

（2）蒸發(fā)器預熱后的原液通過進料泵將其載入蒸發(fā)器，與經蒸汽壓縮機壓縮升溫升壓后的蒸汽進行換熱，使其迅速汽化蒸發(fā)。

（3）分離器：分離器是蒸汽和濃縮液進行分離的裝置。

（4）壓縮機（風機泵）是MVR系統(tǒng)的核心部件,它通過對系統(tǒng)內二次蒸汽進行壓縮，提高其熱焓，然后再將溫度和壓力提高了的二次蒸汽作為熱源用于系統(tǒng)加熱 。

（5）控制系統(tǒng)：工控機和PLC等構成了MVR蒸發(fā)器的實時控制系統(tǒng)。通過軟件編程，實時采集各種傳感器的狀態(tài)信號、從而自動控制馬達的轉速、閥門的開關和調節(jié)液體的流速和流量、溫度和壓力的控制和調節(jié)等、使系統(tǒng)工作達到動態(tài)平衡的狀態(tài)。同時該設備還具有自動報警、自動記錄參數(shù)和提供報表的各種功能。

（6）清洗系統(tǒng)溶液蒸發(fā)一段時間后，會發(fā)生結垢現(xiàn)象，結垢通過添加化學溶劑去除。

（7）真空系統(tǒng)：真空系統(tǒng)的作用是維持整個系統(tǒng)的真空度，從裝置中抽出部分空氣、不凝氣體以及溶液帶入的氣 體，以達到系統(tǒng)穩(wěn)定的蒸發(fā)狀態(tài)。

四、變頻器調速節(jié)能原理

異步電動機的轉速n與頻率f、電動機轉差率s、電動機磁極對數(shù)p有以下關系：

N＝60f(1-s)/p

由以上公式可知，轉速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，同時電動機的輸出功率也會發(fā)生變化，n與f之間呈線性關系，當f在0～50Hz變化時，轉速的調節(jié)范圍是非常寬的。當負荷變化而引風機轉速降低時，則輸出功率也隨之遞減從流體力學的原理得知，使用感應電動機驅動的風機負載，軸功率P與流量Q，揚程H的關系為：

當電動機的轉速由n1變化到n2時,Q、H、P與轉速的關系如下:

可見流量Q和電機的轉速n是成正比關系的，而所需的軸功率P與轉速的立方成正比關系。所以當需要80％的額定流量時，通過調節(jié)電機的轉速至額定轉速的80％，即調節(jié)頻率到40Hz即可，這時所需功率將僅為原來的51.2％。

如圖2所示，從風機的運行曲線圖來分析采用變頻調速后的節(jié)能效果。

圖2  增壓風機的運行曲線圖

當所需風量、流量從Q1減小到Q2時，如果采用調節(jié)擋板的辦法，管網阻力將會增加，管網特性曲線上移，系統(tǒng)的運行工況點從A點變到新的運行工況點B點運行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用調速控制方式，風機轉速由n1下降到n2，其管網特性并不發(fā)生改變，但風機的特性曲線將下移，因此其運行工況點由A點移至C點。此時所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Delt(P)與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。

考慮減速后效率下降和調速裝置的附加損耗，通過實踐的統(tǒng)計，風機通過調速控制可節(jié)能10％～40％，有些風機負載節(jié)能比例達50%以上。

五、英威騰GD5000系列高壓變頻器技術特點

深圳英威騰研發(fā)生產的GD5000系列高壓變頻器采用多單元串聯(lián)技術，有自身的基本功能，也有與其它廠家變頻器獨特的優(yōu)點，下面對GD5000系列高壓變頻器可靠性作一介紹：

自2002年成立以來，已具有八年以上的生產變頻器設備及備品配件或類似設備的生產經驗，公司已于2006年1月通過IS09001質量保證體系認證。變頻裝置采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。具有對電網諧波污染極小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱、轉矩脈動、噪音、dv/dt及共模電壓等問題的特性，不需加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，不需要更換電機。變頻裝置內部通訊應采用光纖連接，以提高通訊速率和抗干擾能力。

1)在功率單元模塊設計上，針對不同電流范圍采用獨特進出線設計，抗干擾能力更強；

2)在結構設計和電氣設計上，全面采用抗電磁干擾措施，最有效保證變頻器的可靠運行。

3)三核控制技術，高壓變頻器主控系統(tǒng)采用DSP＋FPGA+ARM和液晶觸摸屏巧妙配合，提供中文觸摸式操作界面，控制系統(tǒng)高度集成化，抗干擾能力強、功能更強大、控制更精準，增加了產品的可靠性。

4)豐富的控制功能，我司高壓變頻器繼承了其低壓控制的特點，控制功能非常豐富。表現(xiàn)在頻率控制方式非常靈活。分為A頻率控制與B頻率控制，A頻率控制可以有多種控制源（包括PID控制、多段速控制都屬于這方面內容）；B頻率控制同樣有多種控制源，用戶可以靈活的選擇采用A頻率控制源，B頻率控制源還是A+B，A、B中最大值。通過這種數(shù)學上的抽象，英威騰的高壓變頻器不僅能滿足簡單場合的工藝控制的要求，還可以滿足特定場合的工藝控制要求。另外，對于命令通道的選擇也同樣是豐富多樣的。可以基本滿足多種多樣的應用場景。

5)模塊冗余配置，功率單元采用一定冗余配置。功率開關器件按實際運行參數(shù)的2倍以上配置電流和電壓，如采用1700V高壓IGBT，器件參數(shù)余量大，可靠性較高。

6)低諧波設計，額定負載時輸入側的（對電網的影響）諧波＜2％；輸出側的（對電機的影響）諧波＜2％；

7)DSP控制系統(tǒng)對調制波形優(yōu)化處理，確保輸出完美無諧波波形。

8)AVR功能，可以根據母線電壓的波動自動調節(jié)輸出PWM信號的占空比，從而減輕電網電壓波動對于輸出電壓波動的影響。

9)V/F控制的轉矩提升功能，提供低頻轉矩提升功能，其主要是用來解決低頻時定子電阻引起的電壓損失導致磁通不足的問題。

10)多種V/F曲線的選擇提供多種的V/F曲線形式（如：多點V/F曲線，1.3次冪、1.7次冪、2.0次冪V/F曲線），可以滿足各種不同的負載要求。

11)輸入電壓適應性強，允許網側電壓在10%～-15%之間波動。同時具有AVR功能，能夠根據母線電壓的波動自動調整輸出電壓。網側電壓在短時間小于85%～65％額定值或大于110%～120％額定值，高壓變頻調速系統(tǒng)不停機，保證電機持續(xù)運行。

12)超長瞬時掉電不停機，有效避免電網不穩(wěn)定帶來的停機問題，我司高壓變頻器采用更好的瞬停處理方式，可以做到適應電網晃電1S以上，不管是風機，還是水泵，都可以做到該效果。如果風機類負載，最多可以電網晃電5S都沒有問題。

13)超低頻轉速追蹤能力，有效保證掉電快速再啟動，具有全頻段的轉速自動跟蹤啟動功能，不論電機掉電多久，不論電機在頻段高低時，都能自動搜索跟蹤電動機轉速，按照設定加減速時間恢復正常運行狀態(tài)，不用顧慮電機的運行狀態(tài)，可以實現(xiàn)高壓電機即時的啟動和停止控制，保證機組安全啟動。

14)對稱旁路功能，單元體雙旁路技術，系統(tǒng)可靠性更高，采用的是機械式旁路（外部旁路）與電子旁路（內部旁路）可選的策略，其中機械式旁路可在200ms完成功率單元的自動旁路，而電子旁路，因為都是電子元器件控制，其動作時間就會很快，毫秒級就能完成旁路的動作。并且不論是機械式旁路還是電子旁路，都經過了嚴格重載，小慣量負載的驗證的，完全可以可靠的旁路。

15)雙上電限流電路設計，有效保護系統(tǒng)安全、延長設備壽命，采用了硬件限流以及軟件限流技術，當有效保護了因為負載突變而導致的系統(tǒng)過流故障的問題，提高了產品的可靠性

16)抗輸出短路保護技術，系統(tǒng)在輸出線纜短路的時候，能夠迅速保護，不會造成別的不良后果。

六、改造方案

2015年8月末延邊石峴雙鹿實業(yè)有限責任公司化機漿風機泵增壓風機進行高壓變頻調速改造，本次改造對一臺電動機進行改造，采用一拖一自動隔離方式，引風機電動機可采用工、變頻兩種方式運行。經過對比分析，選用深圳英威騰電氣股份有限公司生產的GD5000-A0400-06-S系列高壓變頻器，該裝置變頻器整流器件為二極管，逆變器件為IGBT，控制方式采用無速度傳感器矢量控制，運行性能更加優(yōu)越。2015年8月新系統(tǒng)全部投入運行。

七、系統(tǒng)運行工藝描述

變頻器的6kV電源經變頻裝置輸入刀閘與接觸器后到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經出線刀閘和接觸器送至電動機；6kV電源還可經旁路接觸器直接起動電動機。進出線刀閘與接觸器和旁路刀閘與接觸器的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進出線刀閘與接觸器，將變頻裝置隔離，手動合旁路接觸器，在工頻電源下起動電機運行。旁路柜具備五防閉鎖功能；具備工、變頻方式指示功能；帶電指示功能和帶電閉鎖柜門功能。

系統(tǒng)改造一次回路如圖3所示。為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，給變頻器同時加裝工頻旁路裝置，變頻器異常時，變頻器停止運行，電機可以直接自動（工藝要求手動）切換到工頻運行狀態(tài)下運行，這樣可以保證機組的正常安全運行。

為了實現(xiàn)變頻器故障的保護，變頻器對6kV開關QF進行聯(lián)鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開QF。當工頻旁路時，變頻器始終允許QF合閘，撤消對QF的跳閘信號，使電機能正常通過QF合閘工頻啟動。

變頻調速系統(tǒng)由用戶開關、自動旁路柜、GD5000系列高壓變頻器、高壓電機組成。旁路柜是由三個真空高壓接觸器KM1、KM2、KM3和高壓隔離開關QS1、QS2組成。正常運行時QS1、QS2全部閉合，只有在檢修時斷開。電機以變頻方式運行時， KM1、KM2閉合，QS3斷開；電機以工頻方式運行時，KM3閉合， KM1、KM2斷開。變頻與工頻之間切換自動/手動完成。旁路柜嚴格按照“五防”聯(lián)鎖要求設計，變頻輸出開關KM2和工頻開關KM3互鎖，完全能夠保證變頻調速系統(tǒng)安全運行。

由于在整個變頻調速系統(tǒng)中前級用戶開關柜具有過載保護裝置，因而手動旁路柜不會對電機進行過載保護。同時用戶開關柜必須按照8-10倍額定電流設置速斷保護值，確保躲過激磁涌流。

圖3 改造后的一次回路圖

六、節(jié)能改造后的經濟效益分析

增壓風機變頻改造后，高壓變頻器一次投運成功。達到了預期及節(jié)能以及控制上的要求?，F(xiàn)場實際運行照片如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場高壓變頻器

與原有工頻驅動方式相比，目前擋板全開，變頻器運行在40Hz，與之前擋板調節(jié)方式相比消耗功率有明顯降低。經過統(tǒng)計綜合節(jié)電率可達25%

八、結束語

增壓風機經過變頻改造以后，節(jié)能效果非常明顯，而且啟動頻率低，轉速低，電流小且平穩(wěn)。實現(xiàn)了軟啟動，避免了以前用工頻啟動時的大電流大轉矩對電機、電纜、 開關及機械設備的沖擊。不僅延長了電機等設備的壽命，也減輕了軸承的磨損，提高了安全供電的可靠性。

建議在造紙廠新建項目、技術改造項目中全面推廣應用變頻技術，淘汰擋板、閥門等獲利后低效調節(jié)方式，最大限度較少能源消耗和污染物排放，提交能源利用率，為我國節(jié)能減排做出貢獻。

參考文獻

[1]GD5000系列高壓變頻器使用說明書.深圳市英威騰電氣股份有限公司。

[2]GD5000系列高壓變頻器調試指導書.深圳市英威騰電氣股份有限公司。