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案例頻道一、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，以獲得最佳的經濟效益和最高的勞動生產率。
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。對于一條水泥生產線，其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風機上。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。目前，行業普遍認為高壓風機電動機的變頻調速改造是降耗增效的主要措施。需要指出的是，對新型干法水泥生產線的6個工藝位置的高壓風機，即：生料磨循環風機、煤磨循環風機、窯頭排風機、窯尾高溫風機、窯尾排風機、水泥磨循環風機進行高壓變頻調速節能改造，將使企業改善工藝，提高調速精度，使生產線設備利用率得到保證，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。
二、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。
高壓變頻調速具有如下顯著的優點：
1、由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻后不再存在;
2、網側功率因數明顯提高，異步電動機功率因數僅有0.85左右，而變頻器輸入側功率因數可以達到0.95以上;
3、可實現零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。
4、高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97%以上。
5、高壓變頻器針對“塌料”問題進行特殊設計，解決了在生產過程中因為負載劇烈波動導致電機過流的問題，保證了生產的連續進行。
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。
三、利德華福公司高壓變頻調速系統技術優勢
2007年，HARSVERT系列高壓變頻調速系統被授予“中國品牌產品”稱號，利德華福公司亦是中國高壓變頻領航企業。多次獲得“中國最佳高壓變頻品牌”、“最佳新產品”等多項殊榮。北京利德華福電氣技術有限公司從2000年推出第一臺HARSVERT-A變頻器樣機到現在，累積運行業績已超過2000多臺。其中最大運行功率為5600kW，并且運行多年。
HARSVERT系列高壓變頻調速系統采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串聯而成，其諧波指標直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置;輸出波形質量好，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，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
1、無速度傳感器矢量控制——讓控制更精準
矢量控制，在國外多稱為磁場定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是，以電機磁場為坐標軸基準方向，通過坐標變換的方法，實現對電機轉矩和磁通的解耦控制。
目前，無速度傳感器矢量控制產品調速范圍寬，穩態轉速精度高，動態轉矩響應時間小，啟動轉矩大，性能指標基本達到國際先進水平。
采用無速度傳感器矢量控制的高壓變頻調速系統具有以下功能：
? 電機參數自動整定
? 高壓掉電恢復自動重啟
? 旋轉啟動
? 具有完善的電機和變頻器保護功能，盡量保證設備連續可靠運行
? 直接控制負載轉矩大小，當負載波動時可以自動控制轉矩電流大小，確保連續運行。
2、 超強的抗電網波動能力
HARSVERT-A變頻器按照我國的電網情況進行設計，承受電壓波動的能力可以到-35%～+15%電網電壓波動時變頻器維持運行，不停機。
3、 完善的電機和變頻器保護功能
作為高壓變頻器的專業生產廠家，利德華福公司的研發人員考慮到了變頻器及電機可能出現的各種運行情況，并針對各種可能出現的故障情況進行開發。HARSVERT系列高壓變頻調速系統針對各種故障情況分級設置保護功能，實現最大程度的不間斷運行。
4、友好、快捷的系統界面
HARSVERT系列高壓變頻調速系統界面選用人機界面，系統界面功能強大，產品支撐軟件為漢化的最新的正版軟件，軟件完全自主開發，標準化設計;界面顯示內容豐富且直觀形象，能夠顯示系統狀態變量的實時顯示和監控，如具有故障信息查詢、運行數據記錄、變頻器參數查詢及設置、系統自診斷等等。
四、高壓變頻器在水泥行業應用中的主要問題與應對措施
1、高溫風機的管道“塌料”問題導致電機過流甚至跳停問題
窯尾高溫風機是保證水泥生產線窯內負壓的重要負載，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象如無專業技術是不可避免的，將給水泥生產線造成更多的損害。
高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產線生產過程中的預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熱器內在清結皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內超出正常電流的數倍，如使用目前國內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線的正常運行。
利德華福公司的水泥行業專用高壓變頻器采用先進的DSP高速處理器—無速度矢量傳感技術，該技術在水泥廣泛應用，針對高溫風機塌料引起的電機過載保護，我公司設計了限轉矩功能，當塌料發生時，瞬間檢測到電流及轉矩的變化，降轉矩運行進而間接的降低了變頻器及電機負載，使得即使塌料發生變頻器照樣運行不過載，有效地避免了其他廠家的通用高壓變頻器在運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，與工頻液耦運行相比也降低了跳機的可能性，達到了節能增效，降低電機、風機設備故障率的作用，為水泥企業保證生產安全性、經濟性作出技術與設備保證。
2、高溫風機變頻的電網波動與運行可靠性問題
水泥行業連續生產性質，決定了用于水泥廠用高壓變頻器需要有很高可靠性，保證安全生產。國內的眾多企業中往往裝備多條生產線，每條生產線均有幾臺主要輔機設備構成，這些輔機都掛在相同或不同的電源母線上。每當有大容量輔機或同一母線下多臺輔機群啟動時，電源母線電壓都有較大的降落（超過-15%），會影響同一母線上其他設備的正常運行。針對生產企業負荷波動大的這種工況，HARSVERT系列高壓變頻器進行了特殊設計，大幅度提高了其抗電網波動的能力，做到電壓波動在-15%～+15%范圍內時，變頻器可以維持滿額輸出;電網電壓降落在-35%以內時，變頻器都短時降額運行，若電網電壓低于65%額定電壓時，頻器開始降低輸出頻率。如果6秒鐘之內，電網恢復正常，則重新按照設定的加速時間，加速到當前設定的頻率。如果電網在6秒鐘過后，沒有恢復正常，則變頻器處于待機狀態，等電網電壓在設定時間內（系統默認：20秒）恢復正常，變頻器可自行啟動，系統可自動搜索電機轉速，實現無沖擊再啟動，恢復到原來的工作狀態。
3、電機在旋轉情況下啟動的問題
由于風門擋板在未關嚴或其他原因，受風機的拖動，電機處于旋轉狀態，啟動在旋轉中的電機時，變頻器可自動搜索跟蹤電動機轉速按照設定加減速時間恢復正常運行狀態（即轉速跟蹤技術），保證風機安全運行不跳閘。
對旋轉中再啟動功能的需求，系統提供完備的參數設定功能，保證系統動作有效，保護得當。真正適應現場運行工況要求。
4、變頻器應用環境與散熱問題
水泥現場粉塵較大鬼知道，環境相對惡劣，變頻器作為電子與電力電子設備，產生約3～4% 損耗發熱需要散熱，而一般采用風冷散熱搜企網，在水泥生產線應用的利德華福高壓變頻器，系統的器件選型設計裕度大、器件布局結構合理、散熱器與風道設計等散熱結構合理、提高單元散熱效率以保證系統設計溫升低、環境適應能力強，能經受水泥廠粉塵的污染等惡劣環境的考驗。并且利德華福公司還專門開發了成套空水冷卻裝置，現場只要提供循環冷卻水，就可以確保變頻器正常的散熱要求。
五、高壓變頻改造實例
泰山水泥集團是一家擁有自營進出口權的現代化企業集團，總資產15億元，年水泥生產能力450萬噸，集團主導產品“泰山”牌水泥被評為國家免檢產品、山東名牌、山東省著名商標、中國建材行業知名品牌和中國水泥行業十大影響力品牌。
集團核心企業泰山水泥集團有限公司廠區占地面積23萬平方米，建有2500t/d級和5000t/d級新型干法水泥熟料生產線各一條，其中2500t/d級生產線是全國煤炭行業第一條2500t/d級新型干法熟料生產線。
經過調查和比較，一線高溫風機、窯頭排風機和二線高溫風機、窯尾風機、煤磨排風機采用北京利德華福公司的高壓變頻器進行調速。
1、 高溫風機改造液耦調速，鑒于液力耦合器的在滿負荷運行時仍有3%的損耗及設備較大的維護工作量，此次改造采取去除液力耦合器，電機與風機直接聯接的方式。對于去除液力耦合器的去除提出了兩種解決方案，一是去除液力耦合器，前移電機實現電機、風機的直接聯接;二是用軸承箱替代液力耦合器實現電機、風機的直接聯接。此次改造按照第一種方案執行。
2、YKK鼠籠異步電機可直接串聯接變頻使用，軟啟柜串工頻備用（主回路下圖）
對于現場大功率交流鼠籠異步電機（YKK系列），由于工頻直接啟動啟動電流較大，對其它高壓電氣設備及整個電網有影響，一般現場配有軟啟動器工頻啟動。防止因外部因素導致變頻器故障時，電機直啟動沖擊過大。如2800KW高溫風機采用的啟動方式為定子串水電阻啟動，此種情況改造時，水電阻可串聯在工頻回路作為工頻啟動備用。如下圖所示：
圖一
優點：在變頻器出現重故障停機時，可直接工頻軟啟電機，啟動方式不變，保障生產照常進行。
3、轉子串電阻改造
現場電機轉子串電阻僅在啟動時使用，不作為調速用，采用變頻調速技術改造風機傳動系統，可以實現全頻率（0～50Hz）范圍內的恒轉矩控制。由于驅動為繞線式異步電機，采用變頻調速需改為鼠籠式運行，轉子繞組已沒有必要外接電阻。為避免電刷與集電環之間因接觸不良引起故障，將與集電環相接的三根線之間用導線短接，并將電刷舉起。如下圖：
圖二
僅需變頻運行時閉合KM1接觸器短接轉子;
工頻備用改造：保留原繞線式異步電動機轉子串電阻的啟動需要，在變頻狀態，KM1接觸器吸合，將轉子將與集電環相接的三根線短接。在變頻器需要檢修或退出運行，需要工頻時，KM1自動聯跳斷開，然后按原來方式轉子串電阻啟動再短接，電機恢復原繞線式異步電動機轉子串電阻的啟動方式。
六、變頻改造節能情況統計：
變頻改造前后，在相同產量下，我們對相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析整理如下。
1、設備概況
2、泰山水泥1線風機改造前后對比表
3、泰山水泥2線風機改造前后對比表
4、 直接效益：
從上述數據可以明確看出改造后窯系統各風機相應的節電功率。
月運行30天，年運行11個月，即330天計算，可推算出風機 節電量及節電效益。
1線、2線所有風機日節電量：1340+7514+5321+7166+984=22325 kW?h
年節電量： 22325 kW?h×330天=736.725萬kW?h
年節電效益：736.725萬kW?h×0.5元/kW?h=368.3625萬元
由上數據說明，利德華福公司 HARSVERT-VA高壓變頻器在泰山水泥風機上的應用節能效果顯著。
5、間接效益：
1）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。
2）電機以及負載轉速下降，系統效率得到提高，取得節能效果。大大減少了對設備的維護量，節約了人力物力資源。
3）由于電機以及負載采用轉速調節后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長設備使用壽命。
4）功率因數由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數補償裝置，而且減少了線路損耗。
5）廠房設備噪聲污染將降低。
6）能提高整個系統的自動化水平和工藝水平。
7）節能減排，減少了溫室氣體的排放，保護了環境。
8）由于采用自動控制，進一步提高了設備運行控制和系統運行管理的自動化水平，從而真正實現自動調節，大大增強了運行的安全可靠性。
七、結束語
在泰山水泥有限公司1號線和2號線風機電機采用HARSVERT高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護量小，而且有明顯的節能效果。通過利德華福高壓變頻器在泰山水泥的應用，增強了運行的安全可靠性，提高了水泥的產量，又達到較好的節能效果。因此在水泥廠的高壓風機上采用高壓變頻技術是應該倡導和推廣的。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號