一、前言

　　變頻調速技術(shù)現已被應用于各行各業(yè)，我公司于2004年起開(kāi)始將高壓變頻器應用于水泥行業(yè)的電機節能改造，至今已成功用于水泥廠(chǎng)窯尾排風(fēng)機、高溫風(fēng)機、窯頭煤磨風(fēng)機、窯頭過(guò)剩風(fēng)機，生料磨循環(huán)風(fēng)機的節能改造，取得了許多成功的改造經(jīng)驗，并取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益。

　　典型應用案例：2007年6-7月，利德華福在山水集團中標18臺設備，其中應用較多的是淄博山水水泥公司和平陰山水水泥公司的各兩條日產(chǎn)量5000T生產(chǎn)線(xiàn)的高溫風(fēng)機、窯頭煤磨風(fēng)機、窯頭過(guò)剩風(fēng)機，生料磨循環(huán)風(fēng)機等風(fēng)機，進(jìn)行變頻節能改造，都取得良好的節能效果，下面對改造情況作一簡(jiǎn)單介紹。

二、原來(lái)用液力耦合器缺陷

　　1．液力耦合器屬于一種機械調速設備。液力耦合器的原理決定了液力耦合器有5-8%的速度損失。同時(shí)功率損失變?yōu)闊崃?，使液壓油溫過(guò)高。需要大量冷卻水冷卻液壓油。

　　2. 在實(shí)際運行中油溫高于95℃以上，使冷卻器的水易結垢堵塞，造成故障。

　　3. 由于液力耦合器是用液壓油傳遞功率，因此速度控制不穩定、功率因數低、調速精度差。

　　4. 液力耦合器整機效率低，功率因數低，調速精度差，調速本身的損耗大、維護量大、二次成本過(guò)高，所以節能效果不明顯。

三、高壓變頻調速系統簡(jiǎn)介

　　異步電動(dòng)機的變頻調速是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉速而實(shí)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(dòng)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(dòng)機的同步轉速。異步電動(dòng)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(diǎn)，目前，變頻調速已成為異步電動(dòng)機最主要的調速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用。

    高壓變頻調速具有如下顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：

　?。?）由負載檔板或閥門(mén)調節導致的大量節流損失，在變頻后不再存在；

　?。?）異步電動(dòng)機功率因數由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上；

　?。?）可實(shí)現零轉速啟動(dòng)，無(wú)啟動(dòng)沖擊電流，從而降低了啟動(dòng)負載，減輕了沖擊扭振。

　?。?）高壓變頻器本身?yè)p耗極小，整機效率在97％以上。

　　對離心式風(fēng)機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)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(fēng)機風(fēng)量需要改變時(shí)，如調節風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，則會(huì )使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時(shí)，當風(fēng)機低于額定轉速時(shí)，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(shí)際轉速，P是額定轉速時(shí)電機功率，T是工作時(shí)間。

　　可見(jiàn)，通過(guò)變頻對風(fēng)機進(jìn)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。

四、變頻器和液力偶合器的比較

　　1.HARSVERT-A高壓變頻器調速范圍為0~100%；液力偶合器的調速范圍一般為40~95%，即高速段造成約5%的速度損失，影響機組的出力。液力偶合器最低一般只能到額定速度的40%。

　　2.HARSVERT-A高壓變頻器在整個(gè)調速范圍內都具有較高的效率（大于96%），而液力偶合器在調速越低時(shí)效率越低，本身帶來(lái)不小的損耗，調速的節能效果大打折扣。

　　3.HARSVERT-A高壓變頻器對電機及負載機械實(shí)現真正的軟啟動(dòng)，徹底解決了啟動(dòng)沖擊問(wèn)題，如果工藝需要，電機可以在短時(shí)間內多次重復啟動(dòng)。液力偶合器不能解決電機啟動(dòng)問(wèn)題，電機仍然為直接啟動(dòng)，需要啟動(dòng)裝置，啟動(dòng)沖擊也大，并且不能頻繁啟動(dòng)。

　　4.用HARSVERT-A高壓變頻器對電機進(jìn)行調速改造時(shí)，只需脫開(kāi)原來(lái)的開(kāi)關(guān)和電機的連接電纜，加入高壓變頻器即可，不動(dòng)電機和機械的連接關(guān)系，不用改動(dòng)任何基礎，也不存在場(chǎng)地限制問(wèn)題。用液力偶合器做調速改造，必須將液力偶合器串入電機和機械的連接軸中，需要移動(dòng)和重新澆注設備基礎，有些地方空間也未必允許。

　　5.HARSVERT-A高壓變頻器是高科技設備，可靠性高，基本免維護。液力偶合器是機械設備，本身包含油路、水路等多套系統，故障率高，維修工作量大，造成有效生產(chǎn)時(shí)間的縮短。

五、高溫風(fēng)機變頻改造方案

　　以水泥廠(chǎng)耗電量較高的高溫風(fēng)機為例，日產(chǎn)5000t的生產(chǎn)線(xiàn)，高溫風(fēng)機電機配置為6kV/2500kW，原來(lái)用液力耦合器調速，改造后在高溫風(fēng)機的電機與風(fēng)機之間由高壓變頻器對電機本身進(jìn)行調速，最后達到調整窯尾預熱器（高溫風(fēng)機入口）的壓力為工況要求值。

　　根據水泥廠(chǎng)提供的負載參數及運行工況，利德華福為窯尾高溫風(fēng)機配置高壓變頻器型號是：HARSVERT-A06/300（額定電壓6kV，額定電流300A）。

六、窯尾高溫風(fēng)機系統簡(jiǎn)介

    淄博山水水泥廠(chǎng)和平陰山水水泥生產(chǎn)線(xiàn)為干法懸窯，其窯燒成系統流程簡(jiǎn)圖如圖1所示：

圖1：窯燒成系統流程簡(jiǎn)圖

　　日產(chǎn)5000t旋窯是一個(gè)有4度斜角、直徑4.8m、長(cháng)74m的耐熱鋼筒，內鑲各種耐火磚。從預熱器來(lái)的生料從窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉動(dòng)來(lái)促進(jìn)生料在旋窯內高溫下混合、煅燒，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動(dòng)在窯內向前運動(dòng)。窯內燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機的作用下，通過(guò)預熱器對進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過(guò)高溫風(fēng)機抽出進(jìn)入廢氣處理（除塵及排出）。

七、改造過(guò)程簡(jiǎn)述

　　為減小安裝成本，動(dòng)力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線(xiàn)由高壓柜牽至高壓變頻器，再重新由高壓柜到高壓變頻器敷設一根動(dòng)力電纜，由于高壓變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長(cháng)度較短。

    由于此高壓變頻器功率較大，發(fā)熱量較大，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立安裝了一整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，把高壓變頻器散出的熱風(fēng)排出室外，保證高壓變頻器整體冷卻通風(fēng)要求。

八、變頻改造節能情況統計

　　變頻改造前后，我們對相應的運行數據進(jìn)行了統計，現將部分數據分析整理如下。

　　1.淄博山水水泥1、2#窯風(fēng)機改造前后對比表

　　淄博山水水泥有限公司改造設備，應用了利德華福共計8臺高壓大功率變頻器，分別應用以下場(chǎng)合：

所用場(chǎng)合	電機功率 （kW）	改造前電機功率 （kW）	改造后電機功率 （kW）
一線(xiàn)1#循環(huán)風(fēng)機	1000	790	661
一線(xiàn)2#循環(huán)風(fēng)機	1000	774	681
一線(xiàn)高溫風(fēng)機	2500	2221	1777
一線(xiàn)煤磨風(fēng)機	630	348	247
二線(xiàn)3#循環(huán)風(fēng)機	1000	830	681
二線(xiàn)4#循環(huán)風(fēng)機	1000	780	632
二線(xiàn)高溫風(fēng)機	2500	2420	1866
二線(xiàn)煤磨風(fēng)機	630	388	257

　　從上述數據可以明確看出改造后窯系統各風(fēng)機相應的節電功率。

　　根據我們在設備調試和開(kāi)窯過(guò)程中記錄的數據，按每天24小時(shí)，月運行28天，年運行11個(gè)月，即7392小時(shí)計算，可推算出風(fēng)機的節電量及節電效益。

　　以1#窯所有風(fēng)機為例計算節能效果：

　　節電功率：（790－661）+（774－681）+（2221－1777）+（348－247）＝767（kW），年節電量： 767kW×7392小時(shí)＝566.96萬(wàn)kW?h，年節電效益：566.96萬(wàn)kW?h×0.5元/kW?h＝283.48萬(wàn)元。

　　2.平陰山水水泥1、2#窯風(fēng)機改造前后對比表

　　平陰山水水泥有限公司改造設備，應用了利德華福共計5臺高壓大功率變頻器，分別應用以下場(chǎng)合：

所用場(chǎng)合	電機功率	改造前電機功率	改造后電機功率
一線(xiàn)高溫風(fēng)機	2500KW	1920	1430
一線(xiàn)過(guò)剩風(fēng)機	630KW	455	345
二線(xiàn)高溫風(fēng)機	2500KW	1890	1380
二線(xiàn)煤磨風(fēng)機	630KW	510	430
二線(xiàn)過(guò)剩風(fēng)機	630KW	425	330

　　由于平陰山水水泥窯的密封較好，所以節能效果也比較好，其中尤以高溫風(fēng)機效果最好，現簡(jiǎn)單計算高溫風(fēng)機節電量，根據我們在設備調試和開(kāi)窯過(guò)程中記錄的數據，平陰山水1#窯在5500T/D的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機6kV側電流約為156A，耗電功率約為1430kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約490kW。2#窯在5500t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機6kV側電流約為148A，耗電功率約為1380kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約510kW。

　　按每天24小時(shí)，月運行28天，年運行11個(gè)月，即7392小時(shí)計算，可推算出兩臺高溫風(fēng)機的節電量及節電效益。
1#窯高溫風(fēng)機：

　　節電功率： 1920－1430＝490（kW），年節電量：490 kW×7392小時(shí)＝362.2萬(wàn)kW?h，年節電效益：362.2萬(wàn)kW?h×0.64元/kW?h＝231.8萬(wàn)元。

    2#窯高溫風(fēng)機：

　　節電功率： 1890－1380＝510（kW），年節電量：510 kW×7392小時(shí)＝377萬(wàn)kW?h，年節電效益：377萬(wàn)kW?h×0.64元/kW?h＝241.3萬(wàn)元。

　　此數據為估算節電值，變頻改造的另一大收益是提高了窯系統的產(chǎn)量近19%，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益也是非常大的。

九、變頻改造總結

    根據我公司在山水水泥廠(chǎng)各個(gè)風(fēng)機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結高壓變頻器改造有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1.安裝簡(jiǎn)單，即將原高壓開(kāi)關(guān)柜與電動(dòng)機之間插入安裝高壓變頻器，對原有接線(xiàn)改動(dòng)不大。

　　2.操作使用方便，高壓變頻器操作只有簡(jiǎn)單的開(kāi)機、停機和頻率調整。

　　3.能進(jìn)行無(wú)級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。

　　4.保護功能完善，故障率低，排風(fēng)機啟動(dòng)平穩，啟動(dòng)電流小，可靠性高。

　　5.電動(dòng)機不需長(cháng)期高速運行，工作電流大幅度下降，節電效果顯著(zhù)。

　　6.由于高壓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。

　　7.電動(dòng)機運行振動(dòng)及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。

　　8.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(hù)的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動(dòng)方面，對企業(yè)有很大的實(shí)用價(jià)值。我公司高壓變頻器在這兩個(gè)水泥廠(chǎng)共對13臺電機進(jìn)行了成功的改造，其節能效果明顯，且同時(shí)提高了整個(gè)系統的工藝性能，得到用戶(hù)的好評，并在當地水泥行業(yè)中產(chǎn)生了很大的影響。

十、結束語(yǔ)

　　目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競爭，而電動(dòng)機電耗就占成本近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機用的高壓電動(dòng)機在電機中占有很大的比重，因此做好電動(dòng)機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻器技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，故障率較小，是水泥廠(chǎng)節能改造的理想設備，具有很高的應用價(jià)值。