一、前言 變頻調速技術現(xiàn)已被應用于各行各業(yè)，我公司于2004年起開始將高壓變頻器應用于水泥行業(yè)的電機節(jié)能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭EP風機、生料磨循環(huán)風機的節(jié)能改造，取得了許多成功的改造經驗，并取得了顯著的經濟效益。2006年1～2月，我公司對葛州壩水泥廠3#、5#窯的窯尾高溫風機及窯頭EP風機成功進行了變頻改造，下面對改造情況作一總結。 二、變頻調速節(jié)電原理 異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現(xiàn)調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調速方法。 由公式 n＝60f/p（1—s） 可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。 變頻調速具有如下顯著的優(yōu)點： （1）由設備設計余量而導致“大馬拉小車”現(xiàn)象，因電機定速旋轉不可調節(jié)，這樣運行自然浪費很大，而變頻調節(jié)徹底解決了這一問題； （2）由負載檔板或閥門調節(jié)導致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在； （3）某些工況負載需頻繁調節(jié)，而檔板調節(jié)線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調節(jié)響應極快，基本與工況變化同步； （4）異步電動機功率因數(shù)由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上； （5）可實現(xiàn)零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。 （6）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。 對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n2正比；輸出軸功率P與轉速n3正比；即： Q1/Q2＝n1/n2 H1/H2＝（n1/n2）2 P1/P2＝（n1/n2）3 當風機風量需要改變時，如調節(jié)風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調速調節(jié)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節(jié)電為 E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kWh） 式中： n－額定轉速 n′—— 實際轉速 P——額定轉速時電機功率 T——工作時間 可見，通過變頻對風機進行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。 三、窯尾高溫風機系統(tǒng)簡介 葛州壩水泥廠生產線為干法懸窯，其窯燒成系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。 圖1 窯燒成系統(tǒng)流程簡圖 旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預熱機來的料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉動來促進料在旋窯內攪拌，使料互相混合、接觸進行反應，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內向前運動。窯內燃燒產生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進入窯尾前的生料進行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風機抽出進入廢氣處理（除塵及排出）。 葛州壩水泥廠的3#、5#窯，日產分別為2000t、2500t，到現(xiàn)在運行已近多年。生產線原配置的余熱發(fā)電機組，由于發(fā)電成本較高，現(xiàn)已停產。 日產2500t的5#窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1600kW，窯尾EP風機配置為6kV280kW。日產2000t的3#窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1400kW，窯尾EP風機配置為6kV260kW。在高溫風機的電機與風機之間，配有液力耦合器對風機進行調速，整個工藝過程主要是通過DCS的控制來調節(jié)液力耦合器的速度從而調整風機的風量，達到控制窯內負壓。窯尾EP風機依靠風門來進行調節(jié)。 由于使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，運行中每天需加油2～3次，以補充漏油，油面調整的控制回路失靈不能自動調節(jié)，在運行中靠手動調節(jié)置于固定轉速比。在運行是時仍靠風機擋板進行風量調節(jié)，當窯系統(tǒng)工況變化較大時，現(xiàn)場值班人員根據(jù)中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調節(jié)，運行操作非常不便。 前段時間，水泥廠準備對兩條生產線進行提產，但由于高溫風機中液力耦合器漏油嚴重，出力受到限制，不具備提產的條件，故提產一直未能實現(xiàn)。 2006年1～2月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產線的高溫風機及窯頭號EP風機進行了變頻調速改造，目前運行情況良好，2000t的生產線的產量目前達2300t，2500t的生產線的產量目前達2900t，而高溫風機變頻調節(jié)的耗電量還稍少于原液力耦合器調節(jié)的耗電量。 四、高溫風機變頻改造方案 經過對原系統(tǒng)進行分析，對原系統(tǒng)的風壓控制由原來的液力耦合器調節(jié)改為變頻器調節(jié)，即取消原液力耦合器，將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調速，最后達到調整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。 變頻器設備接入用戶側高壓開關和擬改造電機之間，如圖2所示，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)來完成正常操作。 圖2 變頻器連接圖 為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在故障時將電機切換至工頻狀態(tài)下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風機轉速會升高，風壓會發(fā)生很大變化，影響窯內物料的煅燒質量，故此時應及時在DCS上對高溫風機的風門進行及時調節(jié)，降低風機輸出風量至工況要求值。 變頻器及其工頻旁路開關由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設備。 根據(jù)水泥廠提供的負載參數(shù)及運行工況，我公司為3#窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/1800，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開關柜容量400A。為5#窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開關柜容量400A。 五、改造過程簡述 由于原電機控制為液力耦合器調速，為了安裝變頻器，必須重新設計變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設方便。 由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間通風設計上，設計了兩扇大面積專用進風窗，房間不另設其它窗口，基本上是密閉設計。通風窗采用專用過濾棉濾網，這樣使進入變頻器室內的空氣經過通風窗濾灰，進入變頻器室內的灰塵大大減小。 由于本變頻器功率較大，為保證足夠的通風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風罩，與各自的出風口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風要求。 為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至變頻器，再重新由高壓柜到變頻器敷設一根動力電纜，由于變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。 變頻改造后，由于需要取消原液力耦合器，我們按照液力耦合器的聯(lián)接尺寸設計制作了一套直接連接軸來代替液耦。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)場僅作少量調整即可達到安裝要求，而不用對風機及電機作任何調整，安裝方便快捷。 六、變頻改造節(jié)能情況 變頻改造前后，我們對相應的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)分析整理如下。 5#窯風機改造前后對比表 3#窯風機改造前后對比表 注：上述數(shù)據(jù)為改造后窯系統(tǒng)產量增加的條件下風機耗電對比，由于現(xiàn)在產量提高，風機耗電量下降不多，從上兩表中可計算出各風機相應的節(jié)電功率。 5#窯高溫風機節(jié)電功率： 1550－1500＝50（kW） 5#窯窯尾EP風機節(jié)電功率： 154－100＝54（kW） 3#窯高溫風機節(jié)電功率： 1260－1200＝60（kW） 3#窯窯尾EP風機節(jié)電功率： 138－70＝68（kW） 根據(jù)我們在設備調試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，5#窯在2500t的產量下，高溫風機6kV側電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產量耗電功率下降約190kW。3#窯在2000t的產量下，高溫風機6kV側電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產量耗電功率下降約200kW。按年運行7000小時計算，可推算出兩臺高溫風機的節(jié)電量及節(jié)電效益。 5#窯高溫風機： 節(jié)電功率：1550－1360＝190（kW） 年節(jié)電量：190kW×7000小時＝133萬kWh 年節(jié)電效益：133萬kWh×0.5元/kWh＝66萬元 3#窯高溫風機： 節(jié)電功率：1260－100＝200（kW） 年節(jié)電量：200kW×7000小時＝140萬kWh 年節(jié)電效益：140萬kWh×0.5元/kWh＝70萬元 此為估算節(jié)電值。變頻改造的另一大收益為提高了窯系統(tǒng)的產量近1.2倍，由此而產生的增產效益是非常大的。 七、變頻改造總結 根據(jù)我公司對水泥廠高溫風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結變頻器改造有以下優(yōu)點。 安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。 操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調整。 能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。 保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩(wěn)，啟動電流小，可靠性高。 電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節(jié)電效果顯著。 由于變頻器取代了液耦調速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設備維護費用降低。 電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。 交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節(jié)電、軟啟動方面，對企業(yè)有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在該水泥廠對四臺電機進行了成功的改造，其節(jié)能效果明顯，且同時提高了整個系統(tǒng)的工藝性能，得到用戶的好評，并在當?shù)厮嘈袠I(yè)中產生了很大的影響。 八、結語 　　目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調速器目前已經比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設備，具有很高的推廣價值。