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一、前言

變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于各行各業(yè)，我公司于2004年起開(kāi)始將高壓變頻器應(yīng)用于水泥行業(yè)的電機(jī)節(jié)能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、窯頭EP風(fēng)機(jī)、生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造，取得了許多成功的改造經(jīng)驗(yàn)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。2006年1～2月，我公司對(duì)葛州壩水泥廠3#、5#窯的窯尾高溫風(fēng)機(jī)及窯頭EP風(fēng)機(jī)成功進(jìn)行了變頻改造，下面對(duì)改造情況作一總結(jié)。

二、變頻調(diào)速節(jié)電原理

異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機(jī)的最為合理的調(diào)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(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。

變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1）由設(shè)備設(shè)計(jì)余量而導(dǎo)致“大馬拉小車”現(xiàn)象，因電機(jī)定速旋轉(zhuǎn)不可調(diào)節(jié)，這樣運(yùn)行自然浪費(fèi)很大，而變頻調(diào)節(jié)徹底解決了這一問(wèn)題；

（2）由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；

（3）某些工況負(fù)載需頻繁調(diào)節(jié)，而檔板調(diào)節(jié)線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調(diào)節(jié)響應(yīng)極快，基本與工況變化同步；

（4）異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，無(wú)啟動(dòng)沖擊電流，從而降低了啟動(dòng)負(fù)載，減輕了沖擊扭振。

（6）高壓變頻器本身?yè)p耗極小，整機(jī)效率在97％以上。

對(duì)離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比；即：

Q1/Q2＝n1/n2

H1/H2＝(n1/n2)2

P1/P2＝(n1/n2)3

當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開(kāi)度，則會(huì)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(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為

E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh)

式中： n－額定轉(zhuǎn)速

n′—— 實(shí)際轉(zhuǎn)速

P——額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率

T——工作時(shí)間

可見(jiàn)，通過(guò)變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

葛州壩水泥廠生產(chǎn)線為干法懸窯，其窯燒成系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

高壓變頻典型應(yīng)用實(shí)例
旋窯是一個(gè)有一定斜度的圓筒狀物，預(yù)熱機(jī)來(lái)的料從窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)促進(jìn)料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動(dòng)在窯內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機(jī)的作用下，通過(guò)預(yù)熱器對(duì)進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過(guò)高溫風(fēng)機(jī)抽出進(jìn)入廢氣處理（除塵及排出）。

葛州壩水泥廠的3#、5#窯，日產(chǎn)分別為2000t、2500t，到現(xiàn)在運(yùn)行已近多年。生產(chǎn)線原配置的余熱發(fā)電機(jī)組，由于發(fā)電成本較高，現(xiàn)已停產(chǎn)。

日產(chǎn)2500t的5#窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV1600kW，窯尾EP風(fēng)機(jī)配置為6kV280kW。日產(chǎn)2000t的3#窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV1400kW，窯尾EP風(fēng)機(jī)配置為6kV260kW。在高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間，配有液力耦合器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，整個(gè)工藝過(guò)程主要是通過(guò)DCS的控制來(lái)調(diào)節(jié)液力耦合器的速度從而調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。窯尾EP風(fēng)機(jī)依靠風(fēng)門來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于使用年限較長(zhǎng)，目前液力耦合器漏油嚴(yán)重，運(yùn)行中每天需加油2～3次，以補(bǔ)充漏油，油面調(diào)整的控制回路失靈不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，在運(yùn)行中靠手動(dòng)調(diào)節(jié)置于固定轉(zhuǎn)速比。在運(yùn)行是時(shí)仍靠風(fēng)機(jī)擋板進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，當(dāng)窯系統(tǒng)工況變化較大時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)值班人員根據(jù)中控制室的指令對(duì)液力耦合器的勺桿進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行操作非常不便。

前段時(shí)間，水泥廠準(zhǔn)備對(duì)兩條生產(chǎn)線進(jìn)行提產(chǎn)，但由于高溫風(fēng)機(jī)中液力耦合器漏油嚴(yán)重，出力受到限制，不具備提產(chǎn)的條件，故提產(chǎn)一直未能實(shí)現(xiàn)。

2006年1～2月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)及窯頭號(hào)EP風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速改造，目前運(yùn)行情況良好，2000t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達(dá)2300t，2500t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達(dá)2900t，而高溫風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)的耗電量還稍少于原液力耦合器調(diào)節(jié)的耗電量。

四、高溫風(fēng)機(jī)變頻改造方案

經(jīng)過(guò)對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)原系統(tǒng)的風(fēng)壓控制由原來(lái)的液力耦合器調(diào)節(jié)改為變頻器調(diào)節(jié)，即取消原液力耦合器，將電機(jī)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(duì)電機(jī)本身進(jìn)行調(diào)速，最后達(dá)到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機(jī)入口）的壓力為工況要求值。

變頻器設(shè)備接入用戶側(cè)高壓開(kāi)關(guān)和擬改造電機(jī)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(lái)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(shí)加裝工頻旁路裝置，可在故障時(shí)將電機(jī)切換至工頻狀態(tài)下運(yùn)行，且切換方式為自動(dòng)切換。變頻器故障時(shí)，電機(jī)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，這時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)升高，風(fēng)壓會(huì)發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時(shí)應(yīng)及時(shí)在DCS上對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的風(fēng)門進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量至工況要求值。

變頻器及其工頻旁路開(kāi)關(guān)由變頻器整體配套提供。電機(jī)、高壓斷路保留了用戶原有設(shè)備。

根據(jù)水泥廠提供的負(fù)載參數(shù)及運(yùn)行工況，我公司為3#窯尾高溫風(fēng)機(jī)配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號(hào)SH-HVF-Y6K/1800，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開(kāi)關(guān)柜容量400A。為5#窯尾高溫風(fēng)機(jī)配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號(hào)SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開(kāi)關(guān)柜容量400A。

五、改造過(guò)程簡(jiǎn)述

由于原電機(jī)控制為液力耦合器調(diào)速，為了安裝變頻器，必須重新設(shè)計(jì)變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)力電纜敷設(shè)方便。

由于現(xiàn)場(chǎng)灰塵較大，而變頻器為強(qiáng)迫風(fēng)冷，設(shè)備內(nèi)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(fēng)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)了兩扇大面積專用進(jìn)風(fēng)窗，房間不另設(shè)其它窗口，基本上是密閉設(shè)計(jì)。通風(fēng)窗采用專用過(guò)濾棉濾網(wǎng)，這樣使進(jìn)入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過(guò)通風(fēng)窗濾灰，進(jìn)入變頻器室內(nèi)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(fēng)冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨(dú)立安裝了一整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風(fēng)要求。

為減小安裝成本，動(dòng)力電纜保留了原高壓柜至電機(jī)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(shè)一根動(dòng)力電纜，由于變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長(zhǎng)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(shè)計(jì)制作了一套直接連接軸來(lái)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(jī)及風(fēng)機(jī)側(cè)的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時(shí)，僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現(xiàn)場(chǎng)僅作少量調(diào)整即可達(dá)到安裝要求，而不用對(duì)風(fēng)機(jī)及電機(jī)作任何調(diào)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(duì)相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析整理如下。

5#窯風(fēng)機(jī)改造前后對(duì)比表


3#窯風(fēng)機(jī)改造前后對(duì)比表


注：上述數(shù)據(jù)為改造后窯系統(tǒng)產(chǎn)量增加的條件下風(fēng)機(jī)耗電對(duì)比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，風(fēng)機(jī)耗電量下降不多，從上兩表中可計(jì)算出各風(fēng)機(jī)相應(yīng)的節(jié)電功率。

5#窯高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電功率： 1550－1500＝50（kW）

5#窯窯尾EP風(fēng)機(jī)節(jié)電功率： 154－100＝54（kW）

3#窯高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電功率： 1260－1200＝60（kW）

3#窯窯尾EP風(fēng)機(jī)節(jié)電功率： 138－70＝68（kW）

根據(jù)我們?cè)谠O(shè)備調(diào)試和開(kāi)窯過(guò)程中記錄的數(shù)據(jù)，5#窯在2500t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機(jī)6kV側(cè)電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約190kW。3#窯在2000t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機(jī)6kV側(cè)電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約200kW。按年運(yùn)行7000小時(shí)計(jì)算，可推算出兩臺(tái)高溫風(fēng)機(jī)的節(jié)電量及節(jié)電效益。

5#窯高溫風(fēng)機(jī)：

節(jié)電功率：1550－1360＝190（kW）

年節(jié)電量：190kW×7000小時(shí)＝133萬(wàn)kWh

年節(jié)電效益：133萬(wàn)kWh×0.5元/kWh＝66萬(wàn)元

3#窯高溫風(fēng)機(jī)：

節(jié)電功率：1260－100＝200（kW）

年節(jié)電量：200kW×7000小時(shí)＝140萬(wàn)kWh

年節(jié)電效益：140萬(wàn)kWh×0.5元/kWh＝70萬(wàn)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(chǎn)量近1.2倍，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益是非常大的。

七、變頻改造總結(jié)

根據(jù)我公司對(duì)水泥廠高溫風(fēng)機(jī)的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結(jié)變頻器改造有以下優(yōu)點(diǎn)。

安裝簡(jiǎn)單，即將原高壓開(kāi)關(guān)柜與電動(dòng)機(jī)之間插入安裝變頻器，對(duì)原有接線改動(dòng)不大。

操作使用方便，變頻器操作只有簡(jiǎn)單的開(kāi)機(jī)、停機(jī)和頻率調(diào)整。

能進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣，且調(diào)速精度高，適用性強(qiáng)。

保護(hù)功<