大連小野田水泥有限公司是中日合資的大型水泥生產(chǎn)企業(yè)，成立于1989年7月28日，總投資1.88億美元，現有員工400人。該公司日產(chǎn)熟料4000噸，年產(chǎn)水泥137萬(wàn)噸，是國內規模較大，設備最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)企業(yè)之一。生產(chǎn)線(xiàn)匯集了當今世界水泥制造業(yè)最先進(jìn)的RSP五級窯外分解技術(shù)以及德國、法國、日本等工業(yè)發(fā)達國家先進(jìn)的水泥制造設備。該公司注重挖掘企業(yè)自身潛力，強化節能意識，并付諸于實(shí)施，對其窯尾EP羅茨風(fēng)機進(jìn)行高壓變頻器改造，取得了良好的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益。

一、窯尾EP羅茨風(fēng)機改高壓變頻器拖動(dòng)的必要性

　　大連小野田水泥廠(chǎng)冷卻機EP羅茨風(fēng)機（電除塵風(fēng)機）為日本安川轉子繞線(xiàn)異步電動(dòng)機拖動(dòng)，原有的運行方式為電機全速運行，依靠調整出口擋風(fēng)板的開(kāi)度來(lái)調節風(fēng)量的大小，由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機不允許全壓直接啟動(dòng)，因此選用轉子繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機，啟動(dòng)方式是轉子串水電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)結束后再自動(dòng)短接轉子滑環(huán)，電機全速運行（項目初期運行時(shí)，是采用水電阻調速運行方式，但是投運后發(fā)現這種調速方式反而比風(fēng)門(mén)調節更加不經(jīng)濟，索性其只作為啟動(dòng)時(shí)使用），這樣的運行方式存在如下弊端：

    1．風(fēng)門(mén)調節反應滯后，調節速度慢，調節精度不高。

　　依靠風(fēng)門(mén)調節執行器來(lái)調節風(fēng)門(mén)開(kāi)度，本身是一個(gè)不得已的舉措，因風(fēng)門(mén)調節機構含有相當一部分的機械機構，受機械部分限制調節速度有限，調節精度亦受到影響，往往對現場(chǎng)的風(fēng)量控制不是很到位，甚至滿(mǎn)足不了現場(chǎng)工藝的要求 。

    2．風(fēng)門(mén)調節浪費電能，不科學(xué)，不經(jīng)濟。

　　采用風(fēng)門(mén)調節固然結構簡(jiǎn)單，投資較小，但是在節能意識日益加強的今天顯然不合適，水泥廠(chǎng)初期投建的時(shí)候，出于后續可能擴建及運行安全的角度，電機及風(fēng)機的裕量選用較大，存在嚴重的大馬拉小車(chē)的現象。事實(shí)上，電機額定電流為45A，而電機實(shí)際運行電流平均僅為35A 左右，采用風(fēng)門(mén)調節，人為改變了風(fēng)道的阻力曲線(xiàn)，大量的能源白白浪費在了風(fēng)門(mén)上，在能源日益緊缺的今天，顯然已經(jīng)嚴重落伍，改造勢在必行。

    3．電機全速運行受到考驗，維護周期短。

　　因電機全速運行，電機軸承等機械部分磨損嚴重，另外，由于是轉子繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機，轉子的高速運行對于其機械部分一樣有百害無(wú)一益，轉子滑環(huán)上的碳刷磨損相當嚴重，更換周期短。

    4．啟動(dòng)過(guò)程復雜，水電阻裝置維護工作量大。

　　由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機不允許全壓直接啟動(dòng)，因此選用轉子繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機，啟動(dòng)方式是轉子串水電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)結束后再自動(dòng)短接轉子滑環(huán)，這樣的啟動(dòng)方式附帶了很多電氣二次回路，啟動(dòng)過(guò)程復雜，而且本身水電阻裝置維護工作量就比較大，只有在啟動(dòng)過(guò)程的20幾秒內投入使用，使用效率不高，然而卻不可缺，顯然已經(jīng)屬于落后工藝。

　　綜上所述，窯尾EP羅茨風(fēng)機改造勢在必行，要想徹底改變現有工藝，必須從源頭上下功夫，即通過(guò)改變電機轉速來(lái)調節風(fēng)機轉速，從而達到調節風(fēng)量的目的，以此來(lái)滿(mǎn)足現場(chǎng)工藝的要求。

二、調速方式的選擇

　　目前，大功率高壓異步電動(dòng)機的主要調速方式有以下幾種：串級調速、內反饋串級調速、液力耦合器調速及變頻調速等。

    1.串級調速—優(yōu)點(diǎn)是可以回收轉差功率，所以調速效率比較高，但存在的問(wèn)題也很多：它不適合于現有的轉子繞線(xiàn)式異步電機，必須更換電機：不能實(shí)現軟啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程非常復雜；啟動(dòng)電流大；調速范圍有限；響應慢，不易實(shí)現閉環(huán)控制；功率因數和效率低，并隨著(zhù)轉速的調低急劇下降；很難實(shí)現同PLC和DCS等控制系統的配合，對提高裝置的整體自動(dòng)化程度和實(shí)現優(yōu)化控制無(wú)益；同時(shí)因控制裝置比較復雜、諧波污染大對電網(wǎng)有較大干擾；進(jìn)一步限制了它的使用，屬落后技術(shù)。

    2．內反饋串級調速—內反饋串級調速是在串級調速基礎上發(fā)展起來(lái)的，它在普通繞線(xiàn)電動(dòng)機的定子繞組（稱(chēng)主繞組）同槽放置一套繞組（稱(chēng)調節繞組）而制造成的內反饋串級調速電機，將該電動(dòng)機部分轉子能量取出以改變電動(dòng)機用以產(chǎn)生拖動(dòng)轉矩，使主繞組從電網(wǎng)吸收的能量下降來(lái)實(shí)現節能。優(yōu)點(diǎn)：具有串級調速的全部?jì)?yōu)點(diǎn)，體積小。缺點(diǎn)：需更換專(zhuān)用電機，滑環(huán)處理不當容易出現事故；雖采用頻敏變阻器啟動(dòng)但啟動(dòng)電流仍很大（3-4Ie）,對電機和電網(wǎng)的沖擊很大，啟動(dòng)復雜；調速范圍很??；輸入功率因數和效率低；電機側由于可控硅的逆變衍生出大量的高次諧波，對電機的絕緣造成老化，引起電機的轉矩脈動(dòng)、附加發(fā)熱和噪聲污染，所以電纜要求加粗使用；電機喘振現象無(wú)法消除。仍屬于落后技術(shù)。

    3．液力耦合器調速—屬低效調速方式，調速范圍有限，高速丟轉約5%-10%，低速轉差損耗大，最高可達額定功率的15%，因效率與轉速成正比，低速時(shí)效率極低，精度低、線(xiàn)性度差、響應慢、啟動(dòng)電流大、裝置大，必須加裝在設備和電機之間，不適合改造；無(wú)法軟啟動(dòng)，耦合器故障時(shí)，無(wú)法切換運行，維護復雜、費用大，不能滿(mǎn)足提高裝置整體自動(dòng)化水平的需要。

    4．高壓變頻調速—由于應用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、現代通信技術(shù)和高壓電氣、電機拖動(dòng)等綜合性領(lǐng)域的學(xué)科技術(shù)，因此具有其他調速方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：

   （1）變頻器采用液晶顯示數字界面，調整觸摸式面板，可隨時(shí)顯示電壓、電流、頻率、電機轉速，可非常直觀(guān)地顯示電機在任何時(shí)間的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

   （2）精確的頻率分辨率和高的調速精度，完全可以滿(mǎn)足各種生產(chǎn)工藝工況的需要。

   （3）高壓變頻器具有國際通用的外部接口，可以同可編程控制器（PLC）和工控機等各種儀表連接，并可以與原設備控制回路相連接，構成部分閉環(huán)系統，如與原DCS系統實(shí)現數據交換和聯(lián)鎖控制。

   （4）具有電力電子保護和工業(yè)電氣保護功能，保證變頻器和電機在正常運行和故障時(shí)安全可靠。

   （5）電機可實(shí)現軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)；啟動(dòng)電流小，小于電機的額定電流；電機啟動(dòng)的時(shí)間可連續可調，減少了對電網(wǎng)的影響。

   （6）具有就地和異地操作功能，另可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程監控功能。

   （7）減少配件損耗，延長(cháng)設備使用壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。

    通過(guò)對幾種調速方式的比較，最終，大連小野田水泥廠(chǎng)決定采用高壓變頻器對EP風(fēng)機進(jìn)行改造，對比了國內外的所有廠(chǎng)家，基于以下幾點(diǎn)原因，選用了利德華福生產(chǎn)的高壓變頻器：

　?、?lài)鴥雀邏鹤冾l器廠(chǎng)家中業(yè)績(jì)最多；

　?、谙到y運行穩定；

　?、廴形慕缑骘@示，適合國內用戶(hù)；

　?、茚槍鴥扔脩?hù)量身定做，盡量考慮國內電網(wǎng)的綜合因素，在其可靠性，安全性方面有其獨到的技術(shù)優(yōu)勢；

　?、輧戎肞LC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應多變的現場(chǎng)需要。

三、改造項目具體實(shí)施方案及過(guò)程

　　根據現場(chǎng)的實(shí)際情況，旁路柜采用了一拖一手動(dòng)方案。此結構是手動(dòng)旁路的典型方案,原理是由3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見(jiàn)圖1，其中QF為原高壓開(kāi)關(guān)柜內的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，在機械上實(shí)現互鎖。變頻運行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開(kāi)；工頻運行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開(kāi)。
　　優(yōu)點(diǎn)是:在檢修高壓變頻器時(shí)，有明顯斷電點(diǎn)，能夠保證人身安全，同時(shí)也可手動(dòng)使負載投入工頻電網(wǎng)運行等。

　　缺點(diǎn)：高壓變頻器故障時(shí)，不能自動(dòng)由變頻轉為工頻。

　　現場(chǎng)原有的水電阻裝置繼續保留，高壓變頻器安裝后，與原有的水電阻二次回路結合，取高壓變頻器的變頻狀態(tài)信號（QS1,QS2閉合后輸出變頻狀態(tài)信號）送至水電阻二次回圖1：高壓變頻器工頻旁路原理圖 路，該信號有效后通過(guò)原有水電阻二次回路，直接短接電機轉子滑環(huán)，切除水電阻裝置，由高壓變頻器對電機實(shí)現軟啟動(dòng)；取高壓變頻器工頻旁路信號（QS3閉合后輸出工頻旁路狀態(tài)信號），該信號有效后通過(guò)原有水電阻二次回路，恢復高壓電機的串水電阻調速功能，以備高壓變頻器故障期間，用戶(hù)仍可以通過(guò)原有啟動(dòng)回路啟動(dòng)設備工頻運行。

　　小野田水泥廠(chǎng)目前高壓網(wǎng)絡(luò )共有兩條線(xiàn)路，一用一備，當一條線(xiàn)路出現故障斷電時(shí)，可以在2秒鐘內自動(dòng)切換為備用高壓線(xiàn)路，期間負荷高壓開(kāi)關(guān)并不分斷，在進(jìn)行高壓變頻器改造前，因風(fēng)機的慣性比較大，斷電2秒鐘，風(fēng)機的轉速稍有下降，2秒鐘后即恢復全速運行，對現場(chǎng)工藝影響可以說(shuō)是微乎其微，進(jìn)行高壓變頻器改造后，這樣的切換對由功率器件組成的高壓變頻器而言則凸現隱患，這就需要高壓變頻器具備三秒不停機功能，滿(mǎn)足現場(chǎng)要求?，F場(chǎng)配備的高壓變頻器為5級功率單元多電平串聯(lián)結構，其每個(gè)功率單元內部的控制單元電源取自移相變壓器的二次側，當高壓掉電瞬間，該控制單元隨即失電，高壓變頻器主控器所有的控制指令無(wú)法通過(guò)功率單元控制單元作用于各個(gè)功率單元，因此高壓變頻器將作為高壓失電作停機處理?；诖朔N情況，現場(chǎng)對原有的高壓變頻器內部控制邏輯進(jìn)行適當修改，即當高壓電斷電瞬間，通過(guò)變頻器內置PLC，對高壓變頻器主控器進(jìn)行復位，屏蔽所有功率單元在高壓掉電時(shí)所報的所有單元故障，直到高壓再次在3秒鐘內正常，功率單元帶電正常后，記憶高壓斷電前的運行頻率，執行飛車(chē)啟動(dòng)，因風(fēng)機慣性較大，此過(guò)程對風(fēng)機的轉速影響微乎其微，現場(chǎng)調試期間，曾經(jīng)做過(guò)類(lèi)似的實(shí)驗，高壓變頻器拖動(dòng)負載運行時(shí)，在高壓開(kāi)關(guān)就地人為分斷高壓開(kāi)關(guān)，三秒鐘內再合開(kāi)關(guān)，高壓變頻器運行正常，風(fēng)機轉速稍有下降，結論表明，這樣的處理方式完全滿(mǎn)足現場(chǎng)運行要求。

    現場(chǎng)設備名牌如下：

    高壓變頻器名牌

型號	HARSVERT-A06/045	輸入電壓	6kV
出廠(chǎng)編號	07028	額定功率	420kVA
額定電流	45A	出廠(chǎng)日期	2007/3

    電機名牌

型號	BST-0	額定電壓	6000V
額定功率	330kW	額定電流	42.8A
額定轉速	590r/min	功率因數	0.8
制造廠(chǎng)	株式會(huì )社安川電機	出廠(chǎng)日期	1995年

四、改造效果

    1．節能效果相當明顯，經(jīng)濟效益顯著(zhù)

　　小野田水泥廠(chǎng)EP風(fēng)機變頻改造后，取得了顯著(zhù)的節能效果，改造前風(fēng)機風(fēng)門(mén)的開(kāi)度經(jīng)常在40%左右，電機全速運行，改造后，風(fēng)機變速運行，因現場(chǎng)工況變化不是很大，變頻調速系統經(jīng)常運行在31赫茲左右，與調節檔板時(shí)的消耗功率大大減小，節電效果與經(jīng)濟效益顯著(zhù)。變頻改造前后，電機的運行數據如下表所示

時(shí)間	調節方式	輸入電流（A）	運行頻率(Hz)	電機平均功率（kW）
改造前	風(fēng)門(mén)	32	50	266
改造后	變頻調速	7.5	31	74

    上述表格中，改造前電機平均功率計算方法為：

　　32×1.732×6×0.8=266kW

    改造后電機平均功率計算方法為：

　　7.5×1.732×6×0.95=74kW

    注：變頻運行時(shí)，變頻輸入的功率因數為0.95；電機工頻運行時(shí)，功率因數為電機功率因數0.80。
根據以上實(shí)際數據，可以得出，改造后EP風(fēng)機的節電率為：

　?。?66-74）/266=72.2%

    該設備每年檢修一次，檢修時(shí)間為30天，其余時(shí)間均運行，我們按一年運行300天計算，實(shí)際電費按一度電0.5元，則一年節省電費為：

　?。?66-74）×300×24×0.5=69.1萬(wàn)元。

    2．改善工藝。

    現將改造前及改造后現場(chǎng)工況列表如下：

	改造前	改造后
啟動(dòng)方式	串水電阻啟動(dòng)	變頻軟啟動(dòng)
風(fēng)機噪音	大	小
軸承溫升	高	低
調節反應速度	快	慢
電機及風(fēng)機維護周期	短	長(cháng)

    參考上述表格，可以看出：

　　EP電除塵風(fēng)機變頻改造后，取得的間接效果也是十分明顯的，因為變頻調速系統經(jīng)常運行在30赫茲左右，電機及風(fēng)機旋轉速度降低，電機及風(fēng)機的軸溫降低，噪音降低，整體維護周期大大縮短；運行人員在DCS側通過(guò)監控界面很方便的調節電機的運行頻率，高壓變頻器的頻率分辨率精確到0.01赫茲，調節及時(shí)，調節精度高。

　　改造前用戶(hù)曾經(jīng)擔心電機降速后，自身冷卻風(fēng)機轉速下降，電機散熱效果不好，電機可能會(huì )有過(guò)熱的問(wèn)題，實(shí)際該問(wèn)題并沒(méi)有出現。因為電機降速后，雖然自身冷卻效果下降，但是電機降速后輸出功率大大降低（電機輸出功率與轉速的立方成正比），事實(shí)表明，改造后，電機的溫升不但沒(méi)有升高，反而有所下降。

五、結論

　　節約能源是我國的基本國策，國家制定了“節能中長(cháng)期專(zhuān)項規劃”，為落實(shí)此規劃目標，國家發(fā)改委最近啟動(dòng)了十大重點(diǎn)節能工程，作為耗能大戶(hù)的水泥行業(yè)是國家宏觀(guān)調控的重點(diǎn)，也是節能的重點(diǎn)行業(yè)，通過(guò)各種措施，如果能把生產(chǎn)每噸水泥電耗控制在100kW?h內，按我國水泥年產(chǎn)12億噸計算，如達到節能指標，則每年可節約百萬(wàn)噸煤，節電百億度，并且可使廢氣排放量降低，有利于保護環(huán)境，同時(shí)也降低了企業(yè)成本。大連小野田水泥廠(chǎng)EP電除塵風(fēng)機的變頻改造，達到了節電和改善工藝的效果，取得了圓滿(mǎn)成功。目前在我國，水泥行業(yè)相對于其它如冶金、電力等行業(yè)，高壓變頻器改造的進(jìn)度相對緩慢，如果中國大多數水泥制造企業(yè)都能如大連小野田水泥廠(chǎng)，合理、深度挖掘自身潛力，那么有理由相信，中國的天將會(huì )更藍，水會(huì )更清，節能型的和諧社會(huì )美好前景定會(huì )展現在我們的面前！