關(guān)鍵詞：水泥行業(yè) 高壓變頻 節能

　　一、概述

　　長(cháng)期以來(lái)，我國政府對節能工作十分重視，我國能源節約與資源綜合利用“十五”規劃提出高壓大功率變頻調速作為重點(diǎn)發(fā)展的節電技術(shù)之一，要求大力推動(dòng)高壓大功率變頻調速示范工程。

　　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)機電耗占成本近30%，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。當前，很多水泥廠(chǎng)的風(fēng)機“大馬拉小車(chē)”現象嚴重，如果利用變頻調速技術(shù)改變設備的運行速度，以調節風(fēng)量的大小，可以既滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，又達到節約電能，同時(shí)減少因調節擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失。因此，在水泥廠(chǎng)風(fēng)機采用變頻調速技術(shù)，能節約大量能源，提高生產(chǎn)效率，為水泥廠(chǎng)帶來(lái)較大的效益。根據具體情況，風(fēng)機進(jìn)行變頻后，節電率在30-50%的范圍內，通常一年半到兩年便可收回投資。

　　二、傳統擋板調節存在的問(wèn)題

　　風(fēng)機傳統的調節方式是調節入口擋板的開(kāi)度，以此來(lái)調節風(fēng)量，是一種經(jīng)濟效益差、能耗大、設備損壞嚴重、維修難度大、運行費用高的落后辦法。風(fēng)機的工作特性如圖1所示：

圖1：風(fēng)機的工作特性

　　由圖1可以看出，風(fēng)機工作的位置，即風(fēng)機的風(fēng)量是由風(fēng)機特性曲線(xiàn)（風(fēng)壓特性）和管網(wǎng)特性曲線(xiàn)（風(fēng)阻特性）決定的，無(wú)論是改變風(fēng)機的特性曲線(xiàn)，還是改變管網(wǎng)特性曲線(xiàn)，都可以達到改變風(fēng)量的目的。

　　圖1中，風(fēng)機特性曲線(xiàn)：HA=kQ12（K為風(fēng)機特性系數）;管網(wǎng)特性曲線(xiàn)HA=Hc-λQ12（λ為管網(wǎng)特性系數）。

　　三、工頻工作方式

　　工頻工作方式是指泵的特性曲線(xiàn)保持不變，而改變管網(wǎng)特性曲線(xiàn)。通常采取的方式是保持風(fēng)機的特性曲線(xiàn)不變，即不改變風(fēng)機的轉速，而用調節擋板改變出風(fēng)口的大小，達到改變風(fēng)量的目的。如圖2所示：

圖2：工頻工作方式時(shí)風(fēng)機的工作特性

　　從圖2中可以看出，風(fēng)機工作在A(yíng)點(diǎn)時(shí)，風(fēng)量為Q1，風(fēng)壓為H1。保持風(fēng)機的轉速不變，用擋板將風(fēng)量調節為Q2時(shí)，風(fēng)壓將上升到H2，風(fēng)機工作點(diǎn)變?yōu)锽點(diǎn)。由于擋板的節流作用，風(fēng)道的阻力曲線(xiàn)變?yōu)镺B。

　　風(fēng)機工作在A(yíng)點(diǎn)時(shí)，其功率為PA=H1×Q1/102;風(fēng)機工作在B點(diǎn)時(shí)，其功率為PB=H2×Q2 /102。

　　雖然Q2H1，所以PA與PB的值變化不大，說(shuō)明采用工頻工作方式時(shí)，改變風(fēng)機的風(fēng)量，風(fēng)機的軸功率減小有限。

　　四、變頻工作方式

　　變頻工作方式是指管網(wǎng)特性曲線(xiàn)保持不變，而改變風(fēng)機的特性曲線(xiàn)。通常采取的方式是保持管網(wǎng)特性曲線(xiàn)不變，即不改變風(fēng)機出口的大小，而改變風(fēng)機的特性曲線(xiàn)，即改變風(fēng)機的轉速，達到改變風(fēng)量的目的。如圖3所示：

　　風(fēng)機工作在A(yíng)點(diǎn)時(shí)，其功率為PA=H1×Q1/102;風(fēng)機工作在B點(diǎn)時(shí)，其功率為PB=H2×Q2/102 。

　　Q2H1，所以PA與為PB的值變化較大，說(shuō)明采用變頻工作方式時(shí)，改變風(fēng)機的風(fēng)量，風(fēng)機的軸功率減小很大，節能效果顯著(zhù)。

圖3：變頻工作方式時(shí)風(fēng)機的工作特性

　　由流體力學(xué)的原理可知，電機轉速與流量、壓力、耗能的關(guān)系如下：

　　輸出流量Q與轉速n成正比，即：Q1/Q2=n1/n2……（1）

　　輸出壓力H與轉速n的平方成正比，即：H1/H2=（n1/n2）2 ……（2）

　　輸出軸功率P與轉速n的立方成正比，即P1/P2=（n1/n2）3……（3）

　　如果說(shuō)，100%轉速-100%流量-100%壓力-100%輸出功率，則：80%轉速- 80%流量- 64%壓力- 51%輸出功率。就是說(shuō)，通過(guò)變頻調速方式改變風(fēng)機風(fēng)量，風(fēng)量下降20%時(shí)，風(fēng)機軸功率將下降49%。這也是為什么變頻調速在風(fēng)機應用上節能十分顯著(zhù)的原因。

　　五、利德華福高壓變頻器原理及特點(diǎn)

　　HARSVERT-VA系列高壓變頻調速系統采用單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬“高-高”電壓源型變頻器，為單元串聯(lián)多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對電網(wǎng)諧波污染小，總諧波畸變小于4%，直接滿(mǎn)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(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機，6kV為5級模塊串聯(lián)，共15個(gè)功率單元;10kV每個(gè)系統共有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串連構成一相，其系統結構如圖4所示。

圖4：利德華福高壓變頻器系統結構

　　逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開(kāi)一定電角度，實(shí)現多電平PWM，輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個(gè)電平臺階只有單元直流母線(xiàn)電壓大小，所以dv/dt 很小。功率單元采用相對較低的開(kāi)關(guān)頻率，以降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率，變頻器額定效率可達98%，考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM，電機電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率大大提高，且輸出電平數增加。6kV系列為5級模塊串聯(lián)，輸出相電壓為11電平;10kV系列為8級模塊串聯(lián)，輸出相電壓為17電平。電平數和等效開(kāi)關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形，降低輸出諧波，由諧波引起的電機發(fā)熱，噪音和轉矩脈動(dòng)都大大降低，所以這種變頻器對電機沒(méi)有特殊要求，可直接用于普通異步電機。

　　與普通采用高壓器件直接串聯(lián)的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比，由于采用功率單元串聯(lián)，器件承受的最高電壓為單元內直流母線(xiàn)的電壓，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)?wèn)題。功率單元中采用常規IGBT功率模塊，驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠。功率單元采用模塊化結構，同一變頻器內的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。由于采用功率單元串聯(lián)結構，所以可以采取功率單元旁路選件，當功率單元故障時(shí)，控制系統可以將故障單元自動(dòng)旁路，變頻器仍可降額繼續運行，大大提高了系統的可靠性。

　　由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計算機，在秉承公司HARSVERT-A系列產(chǎn)品完美無(wú)諧波、高可靠性、功率/電壓等級覆蓋范圍廣、控制接口靈活等優(yōu)良品質(zhì)的基礎上，HARSVERT-VA系列無(wú)速度傳感器矢量控制高壓變頻調速產(chǎn)品能夠實(shí)現功能更為豐富、性能更高的高壓大容量交流傳動(dòng)控制。目前，HARSVERT-VA系列無(wú)速度傳感器矢量控制產(chǎn)品的性能指標為：調速范圍100:1，穩態(tài)轉速精度0.5%，動(dòng)態(tài)轉矩響應時(shí)間小于200ms，啟動(dòng)轉矩150%額定轉矩，達到國際先進(jìn)水平。無(wú)需安裝復雜且不易維護的測速裝置，HARSVERT-VA系列變頻器僅需對輸出三相電壓、兩相電流進(jìn)行檢測，即可根據預先自動(dòng)測定的電機模型，進(jìn)行異步電動(dòng)機的磁通和轉矩解耦控制，實(shí)現低速大轉矩負載啟動(dòng)和運行。

　　六、熟料生產(chǎn)中特殊工藝對變頻器的要求

　　干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)的窯尾高溫風(fēng)機是保證窯內負壓的重要負載，但是在以往工頻運行、采用液力耦合器調速的高溫風(fēng)機常見(jiàn)由于管道“塌料”導致高溫風(fēng)機電機過(guò)負荷跳閘，導致生產(chǎn)中斷。而由于變頻器裝置的電力電子器件的過(guò)負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機過(guò)負荷導致的變頻器保護停機現象如無(wú)專(zhuān)業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線(xiàn)造成更多的損害。

　　利德華福作為目前國內最大的高壓變頻器專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)制造單位，特別針對高溫風(fēng)機的運行工藝情況進(jìn)行了大量的調研，對變頻器的核心控制系統進(jìn)行了相應的設計，專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了可矢量運行的高壓變頻調速裝置，成功解決了因為塌料引起的劇烈負載波動(dòng)問(wèn)題，大大降低了由于高溫風(fēng)機停運對生產(chǎn)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(hù)普遍認可。

　　高溫風(fēng)機由于“塌料”導致的過(guò)負荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時(shí)就會(huì )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(fēng)機負荷增加。此外，如果垂直煙道或預熱器內在清潔皮或有物料塌料時(shí)，同樣也會(huì )造成氣流波動(dòng)，使排風(fēng)管內氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機過(guò)負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風(fēng)機電動(dòng)機造成損壞。在實(shí)際使用過(guò)程中的“塌料”現象，會(huì )不定期的導致電機運行電流在極短的時(shí)間內超出正常電流的數倍，如使用一般廠(chǎng)家的通用型高壓變頻器會(huì )導致變頻器運行過(guò)程中頻繁跳機，直接影響高溫風(fēng)機與生產(chǎn)線(xiàn)的正常運行。

　　利德華福公司生產(chǎn)的高壓變頻器采用矢量控制算法，變頻器對其輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的精確控制（傳統的VVVF控制中，不對輸出電流進(jìn)行控制，輸出電流的測量?jì)H用于顯示和保護）。在控制算法中對最大輸出電流進(jìn)行限制，因而不會(huì )因負載的波動(dòng)導致變頻器過(guò)流停機。

　　七、天瑞水泥廠(chǎng)應用實(shí)例

　　1.整體概況

　　天瑞河南某水泥廠(chǎng)5000t/d（二線(xiàn)）有1臺高溫風(fēng)機需要變頻改造，目前，該風(fēng)機是通過(guò)調整液耦開(kāi)度及風(fēng)機擋板改變風(fēng)壓、風(fēng)量的。通過(guò)對現場(chǎng)的生產(chǎn)運行工藝、設備工況進(jìn)行分析，認為這些設備存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

　?。?）高溫風(fēng)機采用液力耦合器調速，這種調速方法實(shí)質(zhì)上是轉差功率消耗型的做法，其主要缺點(diǎn)是隨著(zhù)轉速下降效率越來(lái)越低，需要斷開(kāi)電機與負載進(jìn)行安裝，維護工作量大，過(guò)一段時(shí)間就需要對軸封、軸承等部件進(jìn)行更換，現場(chǎng)一般較臟，顯得設備檔次低，屬淘汰技術(shù)。

　?。?）還有些風(fēng)機目前采用水電阻軟啟動(dòng)，通過(guò)風(fēng)門(mén)調節風(fēng)壓、風(fēng)量的。水電阻啟動(dòng)方式，仍然有近3倍額定電流對電網(wǎng)的沖擊，且水電阻啟動(dòng)時(shí)間較慢，容易造成水開(kāi)鍋的現象。

　?。?）其余的高壓風(fēng)機設備采用調節入口蝶閥，它調整節流損失大、入口壓力低、系統效率低，造成能源的浪費。

　　因此，解決上述問(wèn)題，可以考慮采用變頻調速控制技術(shù)，利用高壓變頻器對風(fēng)機電動(dòng)機進(jìn)行變頻調速控制，實(shí)現生產(chǎn)能力的變負荷調節。這樣，不僅解決了入口蝶閥控制系統效率低、設備工作特性差等難以克服的缺點(diǎn)，而且提高了系統運行的經(jīng)濟性指標;更重要的是減小了因入口蝶閥變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了設備溫升對設備性能的負面影響，延長(cháng)設備使用壽命，節約能源，為降低廠(chǎng)用電率提供了良好的途徑。

　　2.現場(chǎng)技術(shù)數據

　?。?）電機、高溫風(fēng)機（1臺）及液力耦合器參數表：

　?。?）平均電價(jià)：0.5元/度。

　?。?）年運行時(shí)間：T=8000h。

　　3.工頻、變頻的耗電量對比：

　　八、變頻改造后的優(yōu)點(diǎn)

　?。?）變頻改造后，實(shí)現電機軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑。

　?。?）系統效率得到提高，消除了風(fēng)門(mén)擋板的損失，取得節能效果。

　?。?）由于風(fēng)機采用轉速調節后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長(cháng)設備使用壽命。

　?。?）風(fēng)機改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除41次以下諧波。由于實(shí)際制造工藝的限制，網(wǎng)側電壓諧波總含量可以控制在2%以?xún)?，電流諧波總含量小于4%。

　?。?）變頻輸出采用PWM技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1%，上述指標均滿(mǎn)足IEEE-519國際電能質(zhì)量諧波標準要求。

　?。?）利德華福變頻器為電壓源型結構，功率因數可高達0.95。

　?。?）廠(chǎng)房設備噪聲污染大大降低。

　　九、結論

　　目前很多水泥廠(chǎng)的風(fēng)機大馬拉小車(chē)現象嚴重。風(fēng)機的風(fēng)量調節方式基本通過(guò)擋板進(jìn)行調節，耗能大，經(jīng)濟效益差，設備損壞嚴重，急需采用先進(jìn)的高壓變頻調速進(jìn)行技術(shù)改造，以降低水泥廠(chǎng)的電耗，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。實(shí)踐證明，水泥行業(yè)風(fēng)機采用高壓變頻調速技術(shù)，是必要、可行的，且經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

　　HARSVERT系列高壓變頻器可靠性高，輸入、輸出波形質(zhì)量好，采用矢量控制技術(shù)，適合于水泥廠(chǎng)風(fēng)機的變頻改造，成功解決了水泥生產(chǎn)中的塌料引起的負載波動(dòng)問(wèn)題，大大提高設備運行的可靠性，節約大量能源，為水泥廠(chǎng)帶來(lái)較大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，具有很高的推廣價(jià)值。