1、引言 水泥生產(chǎn)企業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶，水泥行業(yè)已被列為國家節(jié)約資源的重點領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節(jié)約型制造和應(yīng)用水平，建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟效益和最高的勞動生產(chǎn)率。在水泥的生產(chǎn)中，電動機負載電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產(chǎn)線其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風機上，因此做好風機電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。 目前很多水泥廠的風機大馬拉小車現(xiàn)象嚴重，同時由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需求的風量也隨之變化，大部分風機采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進、出風口閥門的開度來實現(xiàn)，而該方法是以增加風阻、犧牲風機的效率來達到要求的，損耗嚴重。如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度，以調(diào)節(jié)風量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達到節(jié)約電能，同時減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失。隨著電力電子技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)日趨成熟，國際上對于風機的風量、風壓調(diào)節(jié)已普遍摒棄靠調(diào)整配套的風門開度的手段，改而采用變速的電氣傳動調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速已成為風機、泵類節(jié)能降耗的最佳、首選的電氣傳動方案。 在水泥廠風機采用變頻調(diào)速技術(shù)，能提高節(jié)約大量能源，提高生產(chǎn)效率，為水泥廠帶來較大的經(jīng)濟效益和社會效益。根據(jù)大量水泥生產(chǎn)線風機高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造的具體經(jīng)驗，采用變頻調(diào)速后，風機的電耗降低8%～45%，電費以0.50元/kWh計算，通常在1.5～3.5年可收回變頻器的設(shè)備和其它安裝等附加費用等總投資。 2、高壓變頻器在水泥生產(chǎn)線風機節(jié)能改造的應(yīng)用及效益 變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于各行各業(yè)，已成功應(yīng)用于新型干法水泥生產(chǎn)線的6個工藝位置的高壓風機，即：生料磨循環(huán)風機、煤磨循環(huán)風機、窯頭排風機、窯尾高溫風機、窯尾排風機、水泥磨循環(huán)風機，并取得了許多成功的改造經(jīng)驗，獲得了顯著的經(jīng)濟效益。 下表是選擇不同類型風機應(yīng)用高壓變頻改造后在系統(tǒng)滿載、相同環(huán)境、工藝條件要求下進行節(jié)能測試效果的實例數(shù)據(jù)： 特別需要指出的是，在新型干法水泥生產(chǎn)工藝中要求控制窯尾預(yù)熱器壓力的窯尾高溫循環(huán)風機，需要通過DCS的控制來對高溫循環(huán)風機的風量進行調(diào)節(jié)，原先設(shè)計一般采用液力耦合器、繞線電機轉(zhuǎn)子串阻調(diào)速等調(diào)速控制，而目前基本發(fā)展趨勢是在90年代迅速發(fā)展起來并在近幾年成熟的高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)的技術(shù)和性能遠遠勝過以前采用的調(diào)速方式，在經(jīng)過大量成功的現(xiàn)場應(yīng)用并顯示其巨大的節(jié)能效益后，高壓變頻器器成為國家水泥節(jié)能設(shè)計規(guī)范標準要求的設(shè)備。我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執(zhí)行的強制性標準《GB50443-2007水泥廠節(jié)能設(shè)計規(guī)范》中的第4.3.5條規(guī)定：“窯尾高溫風機應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置”。 水泥生產(chǎn)線的大容量風機采用變頻調(diào)速控制后，除實現(xiàn)節(jié)能降耗經(jīng)濟效益外，其他方面的效益也是明顯的： （1）改善了工藝，調(diào)速精度得到保證，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定并可提高產(chǎn)量。投入變頻器后可以平滑穩(wěn)定地調(diào)整風量風壓，提高了效率，特別是使生產(chǎn)線設(shè)備利用率得到保證，保證了順產(chǎn)，進一步提高了產(chǎn)量。 （2）設(shè)備運行與維護費用下降：采用變頻調(diào)節(jié)后，避免原來轉(zhuǎn)子滑環(huán)燒損維護、更換的工作，以及液力耦合器油路、漏油的維護以及由于若打壞齒輪的維修工作，以及由此導致的停產(chǎn)損失；高壓變頻器的運行實踐證明其可靠性得到保證。 （3）延長電機等設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速后，可以實現(xiàn)軟起動和軟制動，幾乎不產(chǎn)生沖擊，避免水阻軟啟動3～4倍的沖擊電流、液力耦合器啟動時的4～7倍的沖擊電流，可大大延長電機定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣與機械壽命。 （4）目前單元級聯(lián)式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標準要求的限制要求，功率因數(shù)可保證在0.95以上，與采用液力耦合器、轉(zhuǎn)子串阻等調(diào)速方式相比，輸入功率因數(shù)大大提高，再無需投資功率補償設(shè)備，并可降低有關(guān)的設(shè)備投資與維護費用。 3、高壓變頻器在水泥生產(chǎn)線風機應(yīng)用的主要問題與應(yīng)對措施 水泥廠因生產(chǎn)線風機從工藝上對風量、壓力的調(diào)節(jié)要求，高壓變頻器需要針對性有一定的技術(shù)要求；更加特別的是設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)場水泥生產(chǎn)線一般粉塵較大，調(diào)速機械大多安裝在室外或庫下，環(huán)境較其它行業(yè)相比較為惡劣，而高壓變頻器作為電力電子器件與較精密電子控制組成的系統(tǒng)設(shè)備，對環(huán)境有相對較高的要求，因此在水泥生產(chǎn)線風機應(yīng)用的高壓變頻器設(shè)備在設(shè)計、安裝、運行、維護過程中具有一定的特殊性，比較突出的問題如下： （1）高溫風機的管道“塌料”問題導致電機過流甚至跳停問題 國家水泥節(jié)能設(shè)計規(guī)范標準要求“窯尾高溫風機應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置”，而窯尾高溫風機是保證水泥生產(chǎn)線窯內(nèi)負壓的重要負載，即使在在以往工頻運行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風機，也常見由于管道“塌料”導致高溫風機電機過負荷跳閘，導致生產(chǎn)中斷。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風機過負荷導致的變頻器保護停機現(xiàn)象如無專業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。 高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加或如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清結(jié)皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用目前國內(nèi)外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與水泥生產(chǎn)線的正常運行。 據(jù)目前在多條5000t/d旋窯生產(chǎn)線的高溫風機實際應(yīng)用效果證明高壓變頻器基本解決了高溫風機變頻器由于“塌料”導致的跳閘停運、生產(chǎn)中斷的問題，大大由于高溫風機停運對生產(chǎn)造成的影響，降低電機設(shè)備故障率，取得節(jié)能、增效的巨大效益，得到用戶普遍認可。 （2）風機高壓變頻改造對原配液耦、水阻的處理 目前國內(nèi)高壓變頻技術(shù)已經(jīng)成熟，選用運行可靠的成熟品牌的高壓變頻器進行風機變頻改造后，原來采用繞線式電機轉(zhuǎn)子串水阻調(diào)速的，可將轉(zhuǎn)子短接，使滑環(huán)不再通過電流，從而降低燒損；原來采用液力耦合器的，可以取消原液力耦合器，可按照液力耦合器的聯(lián)接尺寸設(shè)計制作一套連軸器代替液耦，連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風機側(cè)的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現(xiàn)場僅作少量調(diào)整即可達到安裝要求。因此高壓變頻器的改造對于風機及電機不作任何改變，安裝方便快捷，運行工藝調(diào)節(jié)更加方便。 （3）新設(shè)計水泥生產(chǎn)線的風機采用高壓變頻器后的電機及其配套選型 對于新設(shè)計的生產(chǎn)線，設(shè)計選用單元級聯(lián)式的高壓變頻器后，高壓電機可選用一般普通的異步電動機，而不必采用專用變頻調(diào)速的“變頻電機”。“變頻電機”是指對于輸出諧波含量較大、電壓變化率dv/dt較大的低壓變頻器和前些年的其他電路結(jié)構(gòu)的進口品牌高壓變頻器為避免發(fā)熱絕緣損壞特別設(shè)計的加強絕緣、增加散熱措施的電動機，變頻電機的價格較普通電機要高得多。由于國內(nèi)市場的主流電路拓撲結(jié)構(gòu)的高壓變頻器采用的單元級聯(lián)多電平的輸出技術(shù)，輸出電壓的變化率滿足一般電機絕緣要求、電流諧波失真小，額外發(fā)熱很小，鑒于風機的二次方轉(zhuǎn)矩負載特性，一般運行轉(zhuǎn)速在50％以上時風機不必施加特別散熱措施。大量的實際改造運行可以證明，出于降低設(shè)備投資考慮，選擇合適的高壓變頻器，不必專用“變頻電機”，不必增加額外的散熱措施。 另外在如果為避免高壓變頻器故障后導致的產(chǎn)線停產(chǎn)，不建議再設(shè)計液力耦合器，為提高的運行利用率，特別對于窯尾高溫風機，為進一步提高生產(chǎn)設(shè)備的可靠性，在設(shè)計上可依舊選擇采用繞線電機轉(zhuǎn)子串水阻調(diào)速的設(shè)計，作為工頻旁路后的工頻啟動與調(diào)速的備用手段。 （4）電網(wǎng)電壓波動等電源質(zhì)量對高壓變頻器運行可靠性影響問題 水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產(chǎn)。水泥廠一般地處偏遠，供電質(zhì)量相對不高，對設(shè)備的電網(wǎng)適應(yīng)性問題突出。相對適應(yīng)歐美電網(wǎng)供電質(zhì)量的進口品牌高壓變頻器，目前國內(nèi)高壓變頻器主流拓撲結(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)方案，而不是功率器件直接串聯(lián)，避免了器件直接串聯(lián)帶來的均壓問題，并在系統(tǒng)適應(yīng)性上做了較多應(yīng)用性研究工作，提高了高壓變頻器對國內(nèi)電源電壓工作的魯棒性。產(chǎn)品具有對電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬（－65％～115％Un）、單元故障自動旁路、工頻旁路、瞬時停電再啟動功能、包括相間短路保護功能的完善的保護功能等技術(shù)，在提高起動力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時，提高了抗電網(wǎng)波動和負載擾動能力，大大提高應(yīng)用的可靠性。智光電氣的高壓變頻器在幾十條生產(chǎn)線的成功運行經(jīng)驗證明，國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)成熟，適應(yīng)水泥生產(chǎn)企業(yè)的供電水平，滿足水泥生產(chǎn)線對設(shè)備的可靠性要求。 （5）高壓變頻器應(yīng)用的諧波與干擾影響的問題 變頻器應(yīng)用的諧波與干擾問題一方面是變頻器輸入諧波對電網(wǎng)的影響，如果變頻器輸入電流諧波較大（比如傳統(tǒng)的電流源型變頻器），會產(chǎn)生如下危害：供電系統(tǒng)的繼電保護裝置誤動作，可能導致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計算機系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機，變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大，嚴重時會過熱或燒損。目前國內(nèi)市場的主流電路拓撲結(jié)構(gòu)的高壓變頻器采用的輸入多重化移相整流技術(shù)、單元級聯(lián)多電平的輸出技術(shù)，輸入、輸出電流諧波失真極小，滿足IEEE滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93標準的要求，不會對電網(wǎng)、電機產(chǎn)生超標的諧波污染。大、中型水泥廠自動化水平高，大多數(shù)采用自動化儀表和計算機控制系統(tǒng)，對用電系統(tǒng)的諧波要求很高，單元級聯(lián)式高壓變頻器在這方面具有很大的優(yōu)勢。 變頻器應(yīng)用的諧波與干擾問題的另一方面是外部諧波對高壓變頻器的影響，由于旋窯的主窯直流傳動系統(tǒng)采用直流電機，主電路必然產(chǎn)生較大的諧波，必須采取相應(yīng)的治理措施，以保證高壓變頻器的輸入電壓穩(wěn)態(tài)總諧波含量THD不超過10%，其中任何奇次諧波均不超過5%,任何偶次諧波均不超過2%,短時（持續(xù)時間小于30s）出現(xiàn)的任意一次諧波含量不超過10%。否則對母線其他設(shè)備、高壓變頻器等均可能造成運行中的影響與損害。 還有，為避免控制干擾，高壓變頻器的控制線須采用屏蔽電纜，單端接地，并且在布線時注意與動力線的距離，避免控制線與動力線并行敷設(shè)在同一電纜托架（或線框）內(nèi)；變頻器負載輸出線需采取屏蔽鎧裝電纜，單端接地，以避免變頻器對附近儀表產(chǎn)生干擾。 （6）高壓變頻器應(yīng)用的散熱問題與環(huán)境條件 由于水泥現(xiàn)場粉塵較大，環(huán)境相對惡劣，作為電子與電力電子設(shè)備，而且由于產(chǎn)生約3～4％的損耗發(fā)熱需要散熱，而一般高壓變頻器中低容量高壓變頻器均采用風冷散熱，因此在水泥生產(chǎn)線應(yīng)用的高壓變頻器必須注意系統(tǒng)的器件選型設(shè)計裕度大、器件布局結(jié)構(gòu)合理、散熱器與風道設(shè)計等散熱結(jié)構(gòu)合理、提高單元散熱效率以保證系統(tǒng)設(shè)計溫升低、環(huán)境適應(yīng)能力強，需要能夠經(jīng)受夏季炎熱、春季潮濕、冬季的寒冷等氣候的影響，經(jīng)受水泥廠粉塵的污染等惡劣環(huán)境的考驗。 一般地，水泥生產(chǎn)線風機的高壓變頻器安裝位置根據(jù)現(xiàn)場情況選擇高壓配電室內(nèi)，或?qū)ｉT建造變頻器室，可采用因地制宜的空調(diào)散熱、空氣水冷散熱、大氣循環(huán)散熱等，做好制冷或循環(huán)通風的設(shè)計，避免系統(tǒng)發(fā)熱無制冷的內(nèi)部循環(huán)、自然循環(huán)進風量不足室內(nèi)負壓，并需加強防塵設(shè)計和日常維護，定期進行濾網(wǎng)清潔，從而保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。 4、結(jié)語 鑒于目前變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合國產(chǎn)高壓變頻器在國內(nèi)上百條5000t/d、4000t/d、2500t/d、1500t/d、1000t/d等新型干法水泥生產(chǎn)線的生料磨循環(huán)風機、煤磨循環(huán)風機、窯頭排風機、窯尾高溫風機、窯尾排風機、水泥磨循環(huán)風機的廣泛應(yīng)用和大量改造實踐證明：高壓變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟，國產(chǎn)高壓變頻器的設(shè)備運行性能穩(wěn)定、節(jié)能顯著，是在水泥行業(yè)節(jié)能減排工作中應(yīng)該大力推廣的技術(shù)與產(chǎn)品