一、引言

　　水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶(hù)，已被列為國家節約資源的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設節約型社會(huì )的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節能技術(shù)和應用水平，建立節約型水泥工業(yè)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(chǎn)企業(yè)必須通過(guò)各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟效益和最高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。

　　在水泥的生產(chǎn)中，風(fēng)機大馬拉小車(chē)現象嚴重，同時(shí)由于工況、產(chǎn)量的變化，系統所需求的風(fēng)量也隨之變化。大部分風(fēng)機采用傳統做法，即調節進(jìn)、出風(fēng)口擋板開(kāi)度大小來(lái)實(shí)現風(fēng)量調節，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機的效率來(lái)達到要求的，損耗嚴重。電動(dòng)機負載電耗就占成本近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。對于一條水泥生產(chǎn)線(xiàn)，其中有25%～30%的電能是用于拖動(dòng)各種類(lèi)型風(fēng)機上。風(fēng)機電動(dòng)機特別利用變頻調速技術(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。目前，行業(yè)普遍認為高壓風(fēng)機電動(dòng)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(chǎn)線(xiàn)的6個(gè)工藝位置的高壓風(fēng)機，即：生料磨循環(huán)風(fēng)機、煤磨循環(huán)風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、水泥磨循環(huán)風(fēng)機進(jìn)行高壓變頻調速節能改造，將使企業(yè)改善工藝，提高調速精度，使生產(chǎn)線(xiàn)設備利用率得到保證，降低設備運行與維護費用，延長(cháng)電機等設備使用壽命，獲得顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　二、高壓變頻節能原理

　　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)：

　　1、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;

　　2、網(wǎng)側功率因數明顯提高，異步電動(dòng)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(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。

　　4、高壓變頻器本身?yè)p耗極小，整機效率在97%以上。

　　5、高壓變頻器針對“塌料”問(wèn)題進(jìn)行特殊設計，解決了在生產(chǎn)過(guò)程中因為負載劇烈波動(dòng)導致電機過(guò)流的問(wèn)題，保證了生產(chǎn)的連續進(jìn)行。

　　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。

　　三、利德華福公司高壓變頻調速系統技術(shù)優(yōu)勢

　　2007年，HARSVERT系列高壓變頻調速系統被授予“中國品牌產(chǎn)品”稱(chēng)號，利德華福公司亦是中國高壓變頻領(lǐng)航企業(yè)。多次獲得“中國最佳高壓變頻品牌”、“最佳新產(chǎn)品”等多項殊榮。北京利德華福電氣技術(shù)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(yè)績(jì)已超過(guò)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(lián)多電平拓撲結構，主體結構由多組功率模塊串聯(lián)而成，其諧波指標直接滿(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。

　　1、無(wú)速度傳感器矢量控制——讓控制更精準

　　矢量控制，在國外多稱(chēng)為磁場(chǎng)定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是，以電機磁場(chǎng)為坐標軸基準方向，通過(guò)坐標變換的方法，實(shí)現對電機轉矩和磁通的解耦控制。

　　目前，無(wú)速度傳感器矢量控制產(chǎn)品調速范圍寬，穩態(tài)轉速精度高，動(dòng)態(tài)轉矩響應時(shí)間小，啟動(dòng)轉矩大，性能指標基本達到國際先進(jìn)水平。

　　采用無(wú)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(dòng)整定

　　? 高壓掉電恢復自動(dòng)重啟

　　? 旋轉啟動(dòng)

　　? 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(dòng)時(shí)可以自動(dòng)控制轉矩電流大小，確保連續運行。

　　2、 超強的抗電網(wǎng)波動(dòng)能力

　　HARSVERT-A變頻器按照我國的電網(wǎng)情況進(jìn)行設計，承受電壓波動(dòng)的能力可以到-35%～+15%電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)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(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家，利德華福公司的研發(fā)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(jìn)行開(kāi)發(fā)。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(shí)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(chǎn)品支撐軟件為漢化的最新的正版軟件，軟件完全自主開(kāi)發(fā)，標準化設計;界面顯示內容豐富且直觀(guān)形象，能夠顯示系統狀態(tài)變量的實(shí)時(shí)顯示和監控，如具有故障信息查詢(xún)、運行數據記錄、變頻器參數查詢(xún)及設置、系統自診斷等等。

　　四、高壓變頻器在水泥行業(yè)應用中的主要問(wèn)題與應對措施

　　1、高溫風(fēng)機的管道“塌料”問(wèn)題導致電機過(guò)流甚至跳停問(wèn)題

　　窯尾高溫風(fēng)機是保證水泥生產(chǎn)線(xiàn)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(fēng)機，也常見(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。而對于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。

　　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)機負荷增加或如果垂直煙道或預熱器內在清結皮或有物料塌料時(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，如使用目前國內外一般廠(chǎng)家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過(guò)程中頻繁跳機，直接影響高溫風(fēng)機與水泥生產(chǎn)線(xiàn)的正常運行。

　　利德華福公司的水泥行業(yè)專(zhuān)用高壓變頻器采用先進(jìn)的DSP高速處理器—無(wú)速度矢量傳感技術(shù)，該技術(shù)在水泥廣泛應用，針對高溫風(fēng)機塌料引起的電機過(guò)載保護，我公司設計了限轉矩功能，當塌料發(fā)生時(shí)，瞬間檢測到電流及轉矩的變化，降轉矩運行進(jìn)而間接的降低了變頻器及電機負載，使得即使塌料發(fā)生變頻器照樣運行不過(guò)載，有效地避免了其他廠(chǎng)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(fēng)機設備故障率的作用，為水泥企業(yè)保證生產(chǎn)安全性、經(jīng)濟性作出技術(shù)與設備保證。

　　2、高溫風(fēng)機變頻的電網(wǎng)波動(dòng)與運行可靠性問(wèn)題

　　水泥行業(yè)連續生產(chǎn)性質(zhì)，決定了用于水泥廠(chǎng)用高壓變頻器需要有很高可靠性，保證安全生產(chǎn)。國內的眾多企業(yè)中往往裝備多條生產(chǎn)線(xiàn)，每條生產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)上。每當有大容量輔機或同一母線(xiàn)下多臺輔機群?jiǎn)?dòng)時(shí)，電源母線(xiàn)電壓都有較大的降落（超過(guò)-15%），會(huì )影響同一母線(xiàn)上其他設備的正常運行。針對生產(chǎn)企業(yè)負荷波動(dòng)大的這種工況，HARSVERT系列高壓變頻器進(jìn)行了特殊設計，大幅度提高了其抗電網(wǎng)波動(dòng)的能力，做到電壓波動(dòng)在-15%～+15%范圍內時(shí)，變頻器可以維持滿(mǎn)額輸出;電網(wǎng)電壓降落在-35%以?xún)葧r(shí)，變頻器都短時(shí)降額運行，若電網(wǎng)電壓低于65%額定電壓時(shí)，頻器開(kāi)始降低輸出頻率。如果6秒鐘之內，電網(wǎng)恢復正常，則重新按照設定的加速時(shí)間，加速到當前設定的頻率。如果電網(wǎng)在6秒鐘過(guò)后，沒(méi)有恢復正常，則變頻器處于待機狀態(tài)，等電網(wǎng)電壓在設定時(shí)間內（系統默認：20秒）恢復正常，變頻器可自行啟動(dòng)，系統可自動(dòng)搜索電機轉速，實(shí)現無(wú)沖擊再啟動(dòng)，恢復到原來(lái)的工作狀態(tài)。

　　3、電機在旋轉情況下啟動(dòng)的問(wèn)題

　　由于風(fēng)門(mén)擋板在未關(guān)嚴或其他原因，受風(fēng)機的拖動(dòng)，電機處于旋轉狀態(tài)，啟動(dòng)在旋轉中的電機時(shí)，變頻器可自動(dòng)搜索跟蹤電動(dòng)機轉速按照設定加減速時(shí)間恢復正常運行狀態(tài)（即轉速跟蹤技術(shù)），保證風(fēng)機安全運行不跳閘。

　　對旋轉中再啟動(dòng)功能的需求，系統提供完備的參數設定功能，保證系統動(dòng)作有效，保護得當。真正適應現場(chǎng)運行工況要求。

　　4、變頻器應用環(huán)境與散熱問(wèn)題

　　水泥現場(chǎng)粉塵較大鬼知道，環(huán)境相對惡劣，變頻器作為電子與電力電子設備，產(chǎn)生約3～4% 損耗發(fā)熱需要散熱，而一般采用風(fēng)冷散熱搜企網(wǎng)，在水泥生產(chǎn)線(xiàn)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(fēng)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(huán)境適應能力強，能經(jīng)受水泥廠(chǎng)粉塵的污染等惡劣環(huán)境的考驗。并且利德華福公司還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了成套空水冷卻裝置，現場(chǎng)只要提供循環(huán)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(shí)例

　　泰山水泥集團是一家擁有自營(yíng)進(jìn)出口權的現代化企業(yè)集團，總資產(chǎn)15億元，年水泥生產(chǎn)能力450萬(wàn)噸，集團主導產(chǎn)品“泰山”牌水泥被評為國家免檢產(chǎn)品、山東名牌、山東省著(zhù)名商標、中國建材行業(yè)知名品牌和中國水泥行業(yè)十大影響力品牌。

　　集團核心企業(yè)泰山水泥集團有限公司廠(chǎng)區占地面積23萬(wàn)平方米，建有2500t/d級和5000t/d級新型干法水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)各一條，其中2500t/d級生產(chǎn)線(xiàn)是全國煤炭行業(yè)第一條2500t/d級新型干法熟料生產(chǎn)線(xiàn)。

　　經(jīng)過(guò)調查和比較，一線(xiàn)高溫風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機和二線(xiàn)高溫風(fēng)機、窯尾風(fēng)機、煤磨排風(fēng)機采用北京利德華福公司的高壓變頻器進(jìn)行調速。

　　1、 高溫風(fēng)機改造液耦調速，鑒于液力耦合器的在滿(mǎn)負荷運行時(shí)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(fēng)機直接聯(lián)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(shí)現電機、風(fēng)機的直接聯(lián)接;二是用軸承箱替代液力耦合器實(shí)現電機、風(fēng)機的直接聯(lián)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(lián)接變頻使用，軟啟柜串工頻備用（主回路下圖）

　　對于現場(chǎng)大功率交流鼠籠異步電機（YKK系列），由于工頻直接啟動(dòng)啟動(dòng)電流較大，對其它高壓電氣設備及整個(gè)電網(wǎng)有影響，一般現場(chǎng)配有軟啟動(dòng)器工頻啟動(dòng)。防止因外部因素導致變頻器故障時(shí)，電機直啟動(dòng)沖擊過(guò)大。如2800KW高溫風(fēng)機采用的啟動(dòng)方式為定子串水電阻啟動(dòng)，此種情況改造時(shí)，水電阻可串聯(lián)在工頻回路作為工頻啟動(dòng)備用。如下圖所示：

圖一

　　優(yōu)點(diǎn)：在變頻器出現重故障停機時(shí)，可直接工頻軟啟電機，啟動(dòng)方式不變，保障生產(chǎn)照常進(jìn)行。

　　3、轉子串電阻改造

　　現場(chǎng)電機轉子串電阻僅在啟動(dòng)時(shí)使用，不作為調速用，采用變頻調速技術(shù)改造風(fēng)機傳動(dòng)系統，可以實(shí)現全頻率（0～50Hz）范圍內的恒轉矩控制。由于驅動(dòng)為繞線(xiàn)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(méi)有必要外接電阻。為避免電刷與集電環(huán)之間因接觸不良引起故障，將與集電環(huán)相接的三根線(xiàn)之間用導線(xiàn)短接，并將電刷舉起。如下圖：

圖二

　　僅需變頻運行時(shí)閉合KM1接觸器短接轉子;

　　工頻備用改造：保留原繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機轉子串電阻的啟動(dòng)需要，在變頻狀態(tài)，KM1接觸器吸合，將轉子將與集電環(huán)相接的三根線(xiàn)短接。在變頻器需要檢修或退出運行，需要工頻時(shí)，KM1自動(dòng)聯(lián)跳斷開(kāi)，然后按原來(lái)方式轉子串電阻啟動(dòng)再短接，電機恢復原繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機轉子串電阻的啟動(dòng)方式。

　　六、變頻改造節能情況統計：

　　變頻改造前后，在相同產(chǎn)量下，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、設備概況

　　2、泰山水泥1線(xiàn)風(fēng)機改造前后對比表

　　3、泰山水泥2線(xiàn)風(fēng)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(fēng)機相應的節電功率。

　　月運行30天，年運行11個(gè)月，即330天計算，可推算出風(fēng)機 節電量及節電效益。

　　1線(xiàn)、2線(xiàn)所有風(fēng)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(wàn)kW?h

　　年節電效益：736.725萬(wàn)kW?h×0.5元/kW?h=368.3625萬(wàn)元

　　由上數據說(shuō)明，利德華福公司 HARSVERT-VA高壓變頻器在泰山水泥風(fēng)機上的應用節能效果顯著(zhù)。

　　5、間接效益：

　　1）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。

　　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(cháng)設備使用壽命。

　　4）功率因數由原來(lái)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(xiàn)路損耗。

　　5）廠(chǎng)房設備噪聲污染將降低。

　　6）能提高整個(gè)系統的自動(dòng)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(huán)境。

　　8）由于采用自動(dòng)控制，進(jìn)一步提高了設備運行控制和系統運行管理的自動(dòng)化水平，從而真正實(shí)現自動(dòng)調節，大大增強了運行的安全可靠性。

　　七、結束語(yǔ)

　　在泰山水泥有限公司1號線(xiàn)和2號線(xiàn)風(fēng)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(guò)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(chǎn)量，又達到較好的節能效果。因此在水泥廠(chǎng)的高壓風(fēng)機上采用高壓變頻技術(shù)是應該倡導和推廣的。