1、工程概況
    2006年11月—2008年5月，中輕國際造紙室與武漢特種鍋爐廠合作設計、制作、安裝調試了一臺國產規模最大的堿回收鍋爐。日處理固形物量為2200噸，堿回收鍋爐及靜電除塵器的布置形式均采用緊身封閉。
    此前國內從未有過如此規模的大型堿回收鍋爐的設計，因此在設計時沒有任何可供參考的資料。在設計初期，通過查閱大量國外各種類似堿回收鍋爐的資料，并借鑒國外同類產品的成功經驗，經過兩年多的不懈努力，研究、設計和試車一次成功，現已正式投入生產。
1.1原有電力系統概況
    該工程一期原有供電系統為4臺發電機，通常3臺同時工作，并向外網送部分電，大部分自用，4臺發電機llOkV母線相互均有聯絡，一路外電接在1號發電機110kV母線上，當4臺發電機均發生故障時，外電可帶本廠鍋爐等重要負荷。
1.2工程設計范圍
    本工程設計范圍包括：工藝、總圖、電氣、儀表、自控等所有專業的基礎工程設計和詳細工程設計，同時還承擔了本工程所有與分包供貨商技術協調和規劃工作。電氣設計有：35kV高壓供配電系統、690V低壓供配電系統、380V低壓供配電系統、靜電除塵系統的供配電、吹灰系統的供配電、所有380V電動閥門的供配電及所有用電設備的電氣控制、消防及火災報警系統、照明系統包括鍋爐本體照明、靜電除塵本體照明、事故照明、應急照明及特殊照明系統，防雷接地系統。
1.3供電電源
    本工程由一期原有35kV高壓變電所引來兩路35kV高壓電源，每路均能承擔本工程全部負荷，35kV單母線分段中間加母聯，正常時兩路電源同時工作，其中一路故障跳閘時母聯開關自動合上，兩路電源的進線開關與母聯開關不能同時合閘。35kV電纜線路引入本工程高壓進線柜。應急電源由一期工程的柴油發電機房引來，主要供電給一級負荷，一級負荷中特別重要的例如：鍋爐本體及吹灰系統的電動閥門、DCS及儀表電源．88臺長伸縮式吹灰器、圓盤閥等進一步用UPS電源作保證。本設計供電方案單線示意圖，見圖1。
1.3.1  系統電壓
    中壓系統標稱電壓：35kV
    低壓系統標稱電壓：690V/380V/220V
    額定頻率：50Hz
1.3.2接地系統
    690V/400V/230V，中性點直接接地系統。
1.3.3功率因數
    低壓側裝設自動無功功率補償裝置，補償后功率因數在0.95以上。
1.3.4控制電源
低壓系統為交流：220V
1.4用電負荷
    本工程總設備容量為13100k W。其中690V用電設備容量為9500kW，380V用電設備容量為3600kW，總計算容量為9525kW(取kx=0.75)。
  變壓器負荷率為75%左右。
1.5負荷等級
  下列設備用電為一級負荷：消防泵、消防水穩壓泵、廢液收集泵、車間內應急照明、檢修箱電源，以及一級負荷中特別重要的負荷：鍋爐本體及吹灰系統的電動閥門、DCS及儀表電源，88臺長伸縮式吹灰器、圓盤閥、高壓配電室應急照明，低壓配電室及電纜夾層應急照明、消防值班室等。堿回收鍋爐及電除塵的其他輔助用電設備為二級負荷，車間其他用電設備為三級負荷。
2電氣設計選型
2.1主要變配電設備選型
  (1)高壓配電柜：因本工程地處高溫高濕地區，且堿回收車間具有粉塵污染及腐蝕性環境，最終選用了西門子的六氟化硫高壓配電柜。
  (2)變壓器：變壓器采用油浸式變壓器，35k V/0.69kV變壓器4臺，每臺容量為3150kVA; 35kV/0.38kV—0.23kV變壓器兩臺，每臺容量為2500kVA。
    (3)低壓配電柜：經多方面考慮最終選用了西門子的抽屜式配電柜。
2.2電動機
2.2.1  電動機電壓
    380V:用于<315kW電動機l 690V:用于≥315kW電動機。
2.2.2控制方式
    本工程所有電動機（使用變頻器的除外）均使用電動機保護器和采用總線控制。
2.2.3電動機控制及保護
    (1)根據工藝生產需要，所有電動機和電動閥門均由DCS控制，采用Profibus總線方式，正常運行時在DCS上均可開啟或停止。
    (2)為確保安全生產，下列電動機及電動閥除正常運行時DCS控制，同時還接受DCS的安全聯鎖控制，在采用Profibus總線控制的同時，另用一根控制線連接至DCS，作為安全聯鎖控制輸出的DO，為下列設備緊急停機或電動閥關閉：電動給水泵、工作重油泵、入爐黑液泵（位于蒸發工段）、一次風風機，低二次風風機、高二次風風機、三次風風機、堿爐給水關斷閥、汽包緊急放水關斷閥，下降管緊急放水關斷閥，主蒸汽控制閥、生火放氣開關閥。保證在緊急情況下受控設備能按要求動作，確保安全生產。
3、690V變頻器柜的設計
3.1變頻器的選用原則
    (1)變頻器的輸出功率和電流選擇必須等于或大干被驅動異步電機的功率和電流。由于變頻器的過載能力沒有電機過載能力強，一旦電機有過載，損壞的首先是變頻器（如果變頻器的保護功能不完善的話），因此要求變頻器的額定電流必須等于或大干電機額定電流。
    (2)變頻器的型號應根據使用要求而作仔細考慮：
    ①基本考慮內容是使用環境條件、電網電壓、負載大小及性質。
    ②環境溫度長期較高，安裝在通風冷卻不良的機柜內時，會造成變頻器壽命縮短。電子器件特別是電解電容等器件，在高于額定溫度后，每升高10℃壽命會下降一半，因此環境溫度應保持較低，除設置完善的通風冷卻系統以保證變頻器正常運行外，在選用上增大一個容量等級，以使額定運行時，溫升有所下降是必要的。
    ③高海拔地區因空氣密度降低，散熱器不能達到額定散熱效果，一般在1000m以上，每增加100m容量下降10%，必要時可加大容量等級，以免變頻器過熱。
    ④用于不同用途時，選擇變頻器的系列型號應作分析，對于一般用途變頻器采用v/f為常數控制方式已可滿足。
    ⑤使用不同場所對變頻器的防護等級要作選擇。
    ⑥對風機、水泵類負載，原來使用閥門，風門調節流量，當使用變頻器調速控制流量時，就會帶來大幅度節能。
    (3)變頻器在運行中均產生不同程度的諧波電壓和電流，由于變頻器輸出的電壓波形不是正弦，波形中含有大量的諧波成分，其中高次諧波會使變頻器輸出電流增大，造成電機繞組發熱，效率降低，輸出功率減小，產生振動和噪聲，加速絕緣老化，還可能損壞電機；同時各種頻率的諧波會向空間發射不同程序的無線電干擾，還可能導致其它設備誤動作。因此，必須加裝輸出交流電抗器。
3.2本設計變頻器選型
    在本工程中工作電壓為690V的電動機控制中心，共有4臺3150kVA變壓器，供所有690V低壓設備的用電，其中3臺分別專供3組變頻器柜。本工程中3臺電動給水泵和3臺引風機，選用ABB傳動公司生產的ACS800系列變頻器。
    電動機為：電動給水泵電動機：1250kW.引風機電
動機：800kW。
    選用變頻器型號為：
    125 0kW       ACS8 00 - 07-1740 -7+P 901+F 255+F260+H359+B054
    800kW ACS800-07-1060-7+P901+F255+F260+H359+B054
    一般使用的風機、水泵類，它們額定風量、水量都超過實際需要，又因工藝的需要，往往運行中要改變風量、水量，而目前多數采用擋板或閥門來調節的，雖然方法簡單，但實質是人為增加阻力的辦法。其輸出功率大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中，因此浪費大量電能，屬不經濟的調節方式。
3.3  變頻調速節能裝置的節能原理
3.3.1變頻節能
    由流體力學可知：功率P=流量Q×壓力H
    流量Q與轉速N的一次方成正比，壓力H與轉速Ⅳ的平方成正比，功率P與轉速N的立方成正比。如果水泵的效率一定，當要求調節流量下降時，轉速Ⅳ可成比例的下降，而此時軸輸出功率P成立方關系下降。即水泵電機的耗電功率與轉速近似成立方比的關系。例如：一臺水泵電機功率為55kW，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16kW，省電48.8%；當轉速下降到原轉速的1／2時，其耗電量為6.875kW，省電87.5%。
3.3.2功率因數補償節能
  有功功率和無功功率的表示公式為：
  P=Sxcos∮，o=sX sinQ    (2)其中：S-視在功率；P一有功功率；Q一無功功率；cos0-功率因數。
    可知cos∮越大，有功功率P越大，普通水泵電機的功率因數在0.6～0.7之間。使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，coS∮一l，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。
3.3.3軟啟動節能
    由于電機為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流等于(4—7)倍額定電流，這樣會對機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動對擋板和閥門的損害極大，對設備，管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。
3.4變頻器選型說明
    (1) ACS800-07-1740-7變頻器容量為1740kVA，輕過載（如風機、水泵類負載）應用情況下，可適用于1400kW以下的電動機。由于變頻器沒有1250kW的功率檔，所以選擇上一檔，即1400kW的變頻器。所以本變頻器的選型能夠滿足1250kW電動機（風機，水泵類負載）的使用要求。
    (2) ACS800-07-1060-7變頻器容量為1060kVA，輕過載（如風機、水泵類負載）應用情況下，可適用于800kW以下的電動機。所以本變頻器的選型能夠滿足800kW電動機（風機，水泵類負載）的使用要求。
3.5變頻器柜配置說明
    變頻器柜的組成，包括必需的電源開關、空氣斷路器、接觸器及其控制、保護檢測電器等，變頻器柜配備有足夠冷卻能力的風扇。變頻器柜采取了抑制高次諧波的措施，產生的高次諧波的指標符合有關我國和IEC的現行標準。變頻器均由DCS系統控制和檢測。
    (1)變頻器配備了進線電抗器，能有效防止電源浪涌對功率元器件的沖擊，提高變頻器的功率因數，并且能明顯減小進入電網的諧波，保證電網質量。
    (2)變頻器配備了快速熔斷器，能使得在過流的情況下迅速熔斷，及時保護變頻器的功率元件。
    (3)變頻器在出線側配備了輸出電抗器，能有效抑制逆變器輸出電壓尖峰和快速電壓改變，這些尖峰和快速改變會對電機的絕緣造成沖擊，所以輸出電抗器可以保護電動機的絕緣，延長電機的壽命。同時，輸出電抗器還降低了電機電纜的容性漏電流、高頻輻射、高頻損耗和電機的軸承電流。
    (4)變頻器配備了共模濾波器，能降低電機軸承電流，保護電機的軸承不被電流腐蝕。
    (5)變頻器柜在輸出側配備了一個標準的公共電機電纜出線柜，便于電機的接線。
    (6)變頻器柜標配了EMC濾波器，使得變頻器能夠達到國際要求的電磁兼容標準，保證變頻器和周圍設備的安全運行。
    (7)變頻器具有冗余功能，在單個逆變單元發生故障的時候能夠降容使用，不至于停機而造成停產。
    (8)變頻器柜不需要也不能在變頻器與電機之間連接補償電容，因為在變頻器的中間回路中已經有電容存在，電容能起到穩定直流電壓的作用，同時也有濾波的作用，也能為電動機提供無功補償，因此變頻器柜不需要另加補償電容。如果連接了補償電容，會降低電機的控制精度，同時由于傳動單元輸出電壓的快速變化，會引起變頻器和補償電容的永久性損壞。
    總之，本工程設計和試車運行的順利成功，為大型堿回收鍋爐的設計積累了寶貴經驗。大型堿回收鍋爐因其規模大，所以任何電氣故障導致的停爐，都會造成工廠巨大的經濟損失。因此大型堿回收爐的電氣設計必須保證供配電系統穩定、安全可靠的運行，便捷準確、安全可靠的控制。本電氣設計均滿足工藝要求，并在堿回收鍋爐運行過程中沒有發生任何電氣故障，三門峽富通新能源可以根據用戶的需求訂做各種類型的高低壓配電柜開關柜。