產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在莒縣中聯水泥生產線中的應用
1引言
水泥工業是國民經濟生產中的能源消耗大戶，已被列為國家節約資源的重點領域之一。在國務院提出加快建設節約型社會的政策環境下，提高水泥行業的節能技術和應用水平，建立節約型水泥工業體系意義重大。在當前國內外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產企業必須通過各種途徑降低能耗，以獲得較佳的經濟效益和較高的勞動生產率。
在水泥的生產中，風機大馬拉小車現象嚴重，同時由于工況、產量的變化，系統所需求的風量也隨之變化。大部分風機采用傳統做法，即調節進、出風口擋板開度大小來實現風量調節，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。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。風機電動機特別利用變頻調速技術改變設備的運行速度，以調節風量的大小，可以既滿足生產要求，又達到節約電能，同時減少因調節擋板而造成擋板和管道的磨損及經常停機檢修所造成的經濟損失，降低設備運行與維護費用，延長電機等設備使用壽命，獲得顯著的經濟效益和社會效益。
2用戶基本情況
莒縣中聯水泥有限公司是中國建材集團水泥業務平臺--中國聯合水泥集團有限公司旗下的核心企業。公司位于新亞歐大陸橋頭堡、“日出初光先照”的日照市，南靠兗石鐵路，北近膠濟鐵路，東臨日照港，交通十分便利。公司現有一條日產4000t熟料生產線，采用新型干法窯外預分解工藝，技術裝備達到國內先進水平，具有科技含量高、資源消耗低、經濟效益好、環境污染少、管理模式新等特點。水泥生產線上的風機，設計裕量比較大，存在“大馬拉小車”的現象。由于工況、產量的變化，所需的風量也需隨之變化，調整風量通過電動執行器調節進、出口風門的開度來完成，該方法雖然可以調節風量，但電能浪費嚴重，風機運行效率低。
鑒于以上原因，經過多方調研考察，比較性價比，莒縣中聯水泥有限公司選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38系列高壓變頻器3套對生產線上窯頭排風機、窯尾排風機、煤磨通風機進行變頻改造。表1為改造各風機的基本參數。
3 水泥生產工藝
如圖1示是水泥廠生產工藝圖。水泥生產工藝主要包括：礦山開采、原料破碎、原料均化與存貯、原料配料、原料粉磨與廢氣處理、生料均化與入窯、熟料燒成、熟料入庫與散裝發運、水泥配料及粉磨、水泥存貯等幾部分；在上述過程中原料粉磨與廢氣處理、煤粉制備、熟料燒成、水泥配料及粉磨工藝中設計有大功率的風機，可進行中高壓變頻改造?，F結合實際工藝介紹一下變頻改造風機的作用。
?。?）廢氣處理風機的主要作用是使在整個生產過程中產生的廢氣經過除塵后排入大氣；
（2）窯尾排風機兼有生料磨循環風機（指兩風機系統）與廢氣處理風機功能；
?。?）煤磨排風機主要做用是把窯尾高溫廢氣引入煤磨對煤塊、煤粒烘干，再把廢氣引入收塵裝置收塵后排入大氣；
（4）窯頭排風機主要是把篦床產生含粉塵的高溫氣體引入收塵系統收塵，再排至大氣水泥磨循環風機主要使水泥磨生產工藝微負壓，減小粉塵外溢，循環風機使粉塵氣體通過收塵器后，排至大氣。
圖1水泥廠生產工藝圖
具體的生產流程是：
（1）水泥原料的破碎及預均化
?、倨扑椋核嗌a過程中，大部分原料要進行破碎，如石灰。
?、谠项A均化：使原料堆場同時具備貯存與均化的功能。
?。?）水泥生料制備
水泥生產過程中，每生產1噸硅酸鹽水泥至少要粉磨3噸物料，干法水泥生產線粉磨作業需要消耗的動力約占全廠動力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占約3%，水泥粉磨約占40%。
?。?）水泥生料均化
新型干法水泥生產過程中，穩定入窯生料成分是穩定熟料燒成熱工制度的前提，生料均化系統起著穩定入窯生料成分的最后一道把關作用。
?。?）水泥物料的預熱分解
把生料的預熱和部分分解由預熱器與分解爐來完成，代替回轉窯部分功能，達到縮短回轉窯長度的目的，同時使窯內以堆積狀態進行氣料換熱過程，移到預熱器內在懸浮狀態下進行，使生料能夠同窯內排出的熾熱氣體充分混合，增大了氣料接觸面積，傳熱速度快，熱交換效率高，達到提高窯系統生產效率、降低熟料燒成熱耗的目的。
?。?）水泥熟料的燒成
生料在旋風預熱器中完成預熱和預分解后，下一道工序是進入回轉窯中進行熟料的燒成。在回轉窯中碳酸鹽進一步的迅速分解并發生一系列的固相反應。
?。?）水泥粉磨
水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗電最多的工序。其主要功能在于將水泥熟料粉磨至適宜的粒度，形成一定的顆粒級配，增大其水化面積，加速水化速度，滿足水泥漿體凝結、硬化要求。
?。?）水泥包裝
水泥出廠有袋裝和散裝兩種發運方式。
水泥生產主要工藝過程簡要包括為“兩磨一燒”。按主要生產環節論述為：礦山采運、生料制備、熟料煅燒、水泥的粉磨與水泥包裝等。
4高壓變頻節能原理
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，是異步電動機較為合理的調速方法。
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、機械特性較硬的優點，目前，變頻調速已成為異步電動機較主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
高壓變頻調速具有如下顯著的優點：
?。?）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻改造后不再有節流損失。
?。?）網側功率因數明顯提高。
（3）可實現零轉速啟動，避免啟動沖擊電流，減輕了沖擊扭振。
?。?）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n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；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，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，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，理論節電為：
E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW·h）
式中： n是額定轉速，n′是實際轉速，P是額定轉速時電機功率，T是工作時間。
可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
5 風光JD-BP38系列高壓變頻調速系統技術特點
風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。產品2003年被列為國家重點新產品，高壓提升機變頻調速系統2005年被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業技術創新基金項目資助。具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
?。?）飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動。
（3） 針對水泥生產線的窯尾高溫風機的“塌料”問題，變頻器從設備的硬件、控制軟件設計等多方面對高溫風機的不定期尖峰負荷進行全方位的設計。
?。?）完整的工頻/變頻自動互切技術?，F在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發生故障時能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發生故障后直接自動轉換至工頻運行。新風光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現變頻故障情況下自動由變頻轉換至工頻運行狀態，還可實現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個轉換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
?。?）旋轉中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
?。?）線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術通過調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
?。?）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握。
（8）單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍。
?。?）散熱結構設計合理，單元串聯多重化并聯結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
?。?0）具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生。
?。?1） 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
6 變頻改造方案
在風機改造過程中，窯頭排風機（800kW/10kV）、窯尾排風機（900kW/10kV）、煤磨排風機（560kW/10kV）采用“一拖一”控制加手動旁路柜。將變頻控制納入用戶的DCS系統，實現遠方/就地控制。用戶的以往的保護在工頻時保留，變頻時退出，比如差動保護功能等。
原系統是采用繞線電機串電阻降壓啟動，然后全壓運行的方式進行控制的，如圖2示。
變頻改造后的系統主電路如圖3示，從變頻器的輸入隔離開關QS1、輸出隔離開關QS2各取一對動斷觸點串入電阻柜內接觸器KM的合閘回路，保證變頻啟動時切除電阻啟動。
旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用電磁互鎖操動機構，實現電磁互鎖。當QS1、QS2閉合，QS3斷開時，電機變頻運行，此時風機風門全部打開；當QS1、QS2斷開，QS3閉合時，電機工頻運行，電動執行器配合工藝需要將風機風門達到所需開度，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器QF連鎖， QF合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。
7 應用情況
在莒縣中聯水泥廠利用設備檢修時間，在窯頭排風機、窯尾排風機、煤磨排風機上進行變頻器系統改造，到2012年3月10日投產，經過幾個月的試運行，收到了良好的效果。
為了對比變頻改造節能情況，在相同產量下，對工頻、變頻相應的運行數據進行了統計，現將部分數據整理如下。
7.1水泥生產風機工頻運行數據統計表
改造前，水泥生產線工頻耗電情況統計數據如表2所示。
7.2水泥生產風機變頻運行數據統計表
改造后，水泥生產線變頻耗電情況統計數據如表3所示。
7.3 直接效益
如表2、表3所示，工頻運行時，三風機運行一天耗電為：
16800+20300+9050=46150 kW?h
變頻運行時，三風機運行一天耗電為：
8970+14300+7900=31170 kW?h
變頻改造后，三風機每天節約電量為：46150-31170=14980 kW?h
每kW?h按0.68元，一年按運行300天計算，一年節約電費計算如下：
14980kW?h×0.68元/kW?h×300天=305.592萬元。
7.4間接效益
?。?）變頻改造后，實現電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。
?。?）有效地改善了現場運行環境，由于電機以及負載轉速下降，大大降低了設備噪聲污染，現場操作人員非常歡迎。
（3）功率因數提高到0.95以上，減少了線路損耗。
?。?）減少了維護工作量和維護費用，延長了設備的使用壽命。
采用變頻技術調速后，設備隨生產工藝變負荷運行，大大降低了設備負荷率，延長了風機、電機等設備的使用壽命。
?。?）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
?。?）調速范圍寬，調速精度高。
與過去擋板調節風量相比較，采用變頻拖動風機可以在0～50Hz范圍內任意調節，調節精度高，調節頻率波動可保持在0.1～0.01Hz范圍內，便于實現風機系統自動化控制。
8結束語
目前，水泥行業的競爭非常激烈，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。高壓變頻調速技術目前已經比較成熟，是水泥廠節能改造的理想設備，具有很高的推廣價值，同時使熟料質量更加穩定、可靠。
