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案例頻道 1、引言
水泥生產企業是國民經濟生產中的能源消耗大戶，水泥行業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，提高水泥行業的節約型制造和應用水平，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，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，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、出風口閥門的開度來實現，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。隨著電力電子技術及電子技術的發展，變頻技術日趨成熟，國際上對于風機的風量、風壓調節已普遍摒棄靠調整配套的風門開度的手段，改而采用變速的電氣傳動調節，變頻調速已成為風機、泵類節能降耗的最佳、首選的電氣傳動方案。
在水泥廠風機采用變頻調速技術，能提高節約大量能源，提高生產效率，為水泥廠帶來較大的經濟效益和社會效益。根據大量水泥生產線風機高壓變頻調速節能改造的具體經驗，采用變頻調速后，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線風機節能改造的應用及效益
變頻調速技術現已被應用于各行各業，已成功應用于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，并取得了許多成功的改造經驗，獲得了顯著的經濟效益。
下表是選擇不同類型風機應用高壓變頻改造后在系統滿載、相同環境、工藝條件要求下進行節能測試效果的實例數據：
特別需要指出的是，在新型干法水泥生產工藝中要求控制窯尾預熱器壓力的窯尾高溫循環風機，需要通過DCS的控制來對高溫循環風機的風量進行調節，原先設計一般采用液力耦合器、繞線電機轉子串阻調速等調速控制，而目前基本發展趨勢是在90年代迅速發展起來并在近幾年成熟的高壓交流變頻調速技術的技術和性能遠遠勝過以前采用的調速方式，在經過大量成功的現場應用并顯示其巨大的節能效益后，高壓變頻器器成為國家水泥節能設計規范標準要求的設備。我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執行的強制性標準《GB50443-2007水泥廠節能設計規范》中的第4.3.5條規定：“窯尾高溫風機應采用變頻調速裝置”。
水泥生產線的大容量風機采用變頻調速控制后，除實現節能降耗經濟效益外，其他方面的效益也是明顯的：
（1）改善了工藝，調速精度得到保證，提高了產品質量的穩定并可提高產量。投入變頻器后可以平滑穩定地調整風量風壓，提高了效率，特別是使生產線設備利用率得到保證，保證了順產，進一步提高了產量。
（2）設備運行與維護費用下降：采用變頻調節后，避免原來轉子滑環燒損維護、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）延長電機等設備的使用壽命。采用變頻調速后，可以實現軟起動和軟制動，幾乎不產生沖擊，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、轉子軸及軸承等電氣與機械壽命。
（4）目前單元級聯式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標準要求的限制要求，功率因數可保證在0.95以上，與采用液力耦合器、轉子串阻等調速方式相比，輸入功率因數大大提高，再無需投資功率補償設備，并可降低有關的設備投資與維護費用。
3、高壓變頻器在水泥生產線風機應用的主要問題與應對措施
水泥廠因生產線風機從工藝上對風量、壓力的調節要求，高壓變頻器需要針對性有一定的技術要求；更加特別的是設備的應用現場水泥生產線一般粉塵較大，調速機械大多安裝在室外或庫下，環境較其它行業相比較為惡劣，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設備，對環境有相對較高的要求，因此在水泥生產線風機應用的高壓變頻器設備在設計、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
國家水泥節能設計規范標準要求“窯尾高溫風機應采用變頻調速裝置”，而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。
據目前在多條5000t/d旋窯生產線的高溫風機實際應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、生產中斷的問題，大大由于高溫風機停運對生產造成的影響，降低電機設備故障率，取得節能、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
目前國內高壓變頻技術已經成熟，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子串水阻調速的，可將轉子短接，使滑環不再通過電流，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接尺寸設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，現場僅作少量調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，運行工藝調節更加方便。
（3）新設計水泥生產線的風機采用高壓變頻器后的電機及其配套選型
對于新設計的生產線，設計選用單元級聯式的高壓變頻器后，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構的進口品牌高壓變頻器為避免發熱絕緣損壞特別設計的加強絕緣、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。由于國內市場的主流電路拓撲結構的高壓變頻器采用的單元級聯多電平的輸出技術，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，額外發熱很小，鑒于風機的二次方轉矩負載特性，一般運行轉速在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線停產，不建議再設計液力耦合器，為提高的運行利用率，特別對于窯尾高溫風機，為進一步提高生產設備的可靠性，在設計上可依舊選擇采用繞線電機轉子串水阻調速的設計，作為工頻旁路后的工頻啟動與調速的備用手段。
（4）電網電壓波動等電源質量對高壓變頻器運行可靠性影響問題
水泥行業連續生產的性質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。水泥廠一般地處偏遠，供電質量相對不高，對設備的電網適應性問題突出。相對適應歐美電網供電質量的進口品牌高壓變頻器，目前國內高壓變頻器主流拓撲結構采用功率單元串聯技術方案，而不是功率器件直接串聯，避免了器件直接串聯帶來的均壓問題，并在系統適應性上做了較多應用性研究工作，提高了高壓變頻器對國內電源電壓工作的魯棒性。產品具有對電網電壓的適應范圍寬（－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，在提高起動力矩和轉速精度的同時，提高了抗電網波動和負載擾動能力，大大提高應用的可靠性。智光電氣的高壓變頻器在幾十條生產線的成功運行經驗證明，國產高壓變頻調速技術成熟，適應水泥生產企業的供電水平，滿足水泥生產線對設備的可靠性要求。
（5）高壓變頻器應用的諧波與干擾影響的問題
變頻器應用的諧波與干擾問題一方面是變頻器輸入諧波對電網的影響，如果變頻器輸入電流諧波較大（比如傳統的電流源型變頻器），會產生如下危害：供電系統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，電子計算機系統及通信設備的正常工作。諧波使電機，變壓器和電容器等用電設備損耗增大，嚴重時會過熱或燒損。目前國內市場的主流電路拓撲結構的高壓變頻器采用的輸入多重化移相整流技術、單元級聯多電平的輸出技術，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、電機產生超標的諧波污染。大、中型水泥廠自動化水平高，大多數采用自動化儀表和計算機控制系統，對用電系統的諧波要求很高，單元級聯式高壓變頻器在這方面具有很大的優勢。
變頻器應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采用直流電機，主電路必然產生較大的諧波，必須采取相應的治理措施，以保證高壓變頻器的輸入電壓穩態總諧波含量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（持續時間小于30s）出現的任意一次諧波含量不超過10%。否則對母線其他設備、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在同一電纜托架（或線框）內；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生干擾。
（6）高壓變頻器應用的散熱問題與環境條件
由于水泥現場粉塵較大，環境相對惡劣，作為電子與電力電子設備，而且由于產生約3～4％的損耗發熱需要散熱，而一般高壓變頻器中低容量高壓變頻器均采用風冷散熱，因此在水泥生產線應用的高壓變頻器必須注意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，需要能夠經受夏季炎熱、春季潮濕、冬季的寒冷等氣候的影響，經受水泥廠粉塵的污染等惡劣環境的考驗。
一般地，水泥生產線風機的高壓變頻器安裝位置根據現場情況選擇高壓配電室內，或專門建造變頻器室，可采用因地制宜的空調散熱、空氣水冷散熱、大氣循環散熱等，做好制冷或循環通風的設計，避免系統發熱無制冷的內部循環、自然循環進風量不足室內負壓，并需加強防塵設計和日常維護，定期進行濾網清潔，從而保證設備的安全穩定運行。
4、結語
鑒于目前變頻調速技術的發展，結合國產高壓變頻器在國內上百條5000t/d、4000t/d、2500t/d、1500t/d、1000t/d等新型干法水泥生產線的生料磨循環風機、煤磨循環風機、窯頭排風機、窯尾高溫風機、窯尾排風機、水泥磨循環風機的廣泛應用和大量改造實踐證明：高壓變頻調速技術已經成熟，國產高壓變頻器的設備運行性能穩定、節能顯著，是在水泥行業節能減排工作中應該大力推廣的技術與產品
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號