變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于各行各業(yè)，我公司于2004年起開始將高壓變頻器應(yīng)用于水泥行業(yè)的電機(jī)節(jié)能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、窯頭EP風(fēng)機(jī)、生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造，取得了許多成功的改造經(jīng)驗(yàn)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。2006年1～2月，我公司對葛州壩水泥廠3#、5#窯的窯尾高溫風(fēng)機(jī)及窯頭EP風(fēng)機(jī)成功進(jìn)行了變頻改造，下面對改造情況作一總結(jié)。
二、變頻調(diào)速節(jié)電原理
異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動機(jī)的最為合理的調(diào)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機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
（1）由設(shè)備設(shè)計(jì)余量而導(dǎo)致“大馬拉小車”現(xiàn)象，因電機(jī)定速旋轉(zhuǎn)不可調(diào)節(jié)，這樣運(yùn)行自然浪費(fèi)很大，而變頻調(diào)節(jié)徹底解決了這一問題；
（2）由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；
（3）某些工況負(fù)載需頻繁調(diào)節(jié)，而檔板調(diào)節(jié)線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調(diào)節(jié)響應(yīng)極快，基本與工況變化同步；
（4）異步電動機(jī)功率因數(shù)由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上；
（5）可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負(fù)載，減輕了沖擊扭振。
（6）高壓變頻器本身損耗極小，整機(jī)效率在97％以上。
對離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2
H1/H2＝（n1/n2）2
P1/P2＝（n1/n2）3
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為
E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kWh）
式中： n－額定轉(zhuǎn)速
n′—— 實(shí)際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時電機(jī)功率
T——工作時間
可見，通過變頻對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
三、窯尾高溫風(fēng)機(jī)系統(tǒng)簡介
葛州壩水泥廠生產(chǎn)線為干法懸窯，其窯燒成系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。
圖1 窯燒成系統(tǒng)流程簡圖
旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預(yù)熱機(jī)來的料從窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動來促進(jìn)料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動在窯內(nèi)向前運(yùn)動。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機(jī)的作用下，通過預(yù)熱器對進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風(fēng)機(jī)抽出進(jìn)入廢氣處理（除塵及排出）。
葛州壩水泥廠的3#、5#窯，日產(chǎn)分別為2000t、2500t，到現(xiàn)在運(yùn)行已近多年。生產(chǎn)線原配置的余熱發(fā)電機(jī)組，由于發(fā)電成本較高，現(xiàn)已停產(chǎn)。
日產(chǎn)2500t的5#窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV1600kW，窯尾EP風(fēng)機(jī)配置為6kV280kW。日產(chǎn)2000t的3#窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV1400kW，窯尾EP風(fēng)機(jī)配置為6kV260kW。在高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間，配有液力耦合器對風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，整個工藝過程主要是通過 DCS的控制來調(diào)節(jié)液力耦合器的速度從而調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。窯尾EP風(fēng)機(jī)依靠風(fēng)門來進(jìn)行調(diào)節(jié)。
由于使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴(yán)重，運(yùn)行中每天需加油2～3次，以補(bǔ)充漏油，油面調(diào)整的控制回路失靈不能自動調(diào)節(jié)，在運(yùn)行中靠手動調(diào)節(jié)置于固定轉(zhuǎn)速比。在運(yùn)行是時仍靠風(fēng)機(jī)擋板進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，當(dāng)窯系統(tǒng)工況變化較大時，現(xiàn)場值班人員根據(jù)中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，運(yùn)行操作非常不便。
前段時間，水泥廠準(zhǔn)備對兩條生產(chǎn)線進(jìn)行提產(chǎn)，但由于高溫風(fēng)機(jī)中液力耦合器漏油嚴(yán)重，出力受到限制，不具備提產(chǎn)的條件，故提產(chǎn)一直未能實(shí)現(xiàn)。
2006年1～2月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)及窯頭號EP風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速改造，目前運(yùn)行情況良好，2000t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達(dá)2300t，2500t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達(dá)2900t，而高溫風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)的耗電量還稍少于原液力耦合器調(diào)節(jié)的耗電量。
四、高溫風(fēng)機(jī)變頻改造方案
經(jīng)過對原系統(tǒng)進(jìn)行分析，對原系統(tǒng)的風(fēng)壓控制由原來的液力耦合器調(diào)節(jié)改為變頻器調(diào)節(jié)，即取消原液力耦合器，將電機(jī)與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機(jī)本身進(jìn)行調(diào)速，最后達(dá)到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機(jī)入口）的壓力為工況要求值。
變頻器設(shè)備接入用戶側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機(jī)之間，如圖2所示，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)來完成正常操作。
圖2 變頻器連接圖
為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在故障時將電機(jī)切換至工頻狀態(tài)下運(yùn)行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機(jī)自動切換到工頻運(yùn)行，這時風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會升高，風(fēng)壓會發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時應(yīng)及時在DCS上對高溫風(fēng)機(jī)的風(fēng)門進(jìn)行及時調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量至工況要求值。
變頻器及其工頻旁路開關(guān)由變頻器整體配套提供。電機(jī)、高壓斷路保留了用戶原有設(shè)備。
根據(jù)水泥廠提供的負(fù)載參數(shù)及運(yùn)行工況，我公司為3#窯尾高溫風(fēng)機(jī)配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號SH-HVF- Y6K/1800，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開關(guān)柜容量400A。為5#窯尾高溫風(fēng)機(jī)配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開關(guān)柜容量400A。
五、改造過程簡述
由于原電機(jī)控制為液力耦合器調(diào)速，為了安裝變頻器，必須重新設(shè)計(jì)變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設(shè)方便。
由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強(qiáng)迫風(fēng)冷，設(shè)備內(nèi)空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間通風(fēng)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)了兩扇大面積專用進(jìn)風(fēng)窗，房間不另設(shè)其它窗口，基本上是密閉設(shè)計(jì)。通風(fēng)窗采用專用過濾棉濾網(wǎng)，這樣使進(jìn)入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過通風(fēng)窗濾灰，進(jìn)入變頻器室內(nèi)的灰塵大大減小。
由于本變頻器功率較大，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(dú)立安裝了一整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風(fēng)要求。
為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機(jī)的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至變頻器，再重新由高壓柜到變頻器敷設(shè)一根動力電纜，由于變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。
變頻改造后，由于需要取消原液力耦合器，我們按照液力耦合器的聯(lián)接尺寸設(shè)計(jì)制作了一套直接連接軸來代替液耦。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(jī)及風(fēng)機(jī)側(cè)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(xiàn)場僅作少量調(diào)整即可達(dá)到安裝要求，而不用對風(fēng)機(jī)及電機(jī)作任何調(diào)整，安裝方便快捷。
六、變頻改造節(jié)能情況
變頻改造前后，我們對相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析整理如下。
5#窯風(fēng)機(jī)改造前后對比表
3#窯風(fēng)機(jī)改造前后對比表
注：上述數(shù)據(jù)為改造后窯系統(tǒng)產(chǎn)量增加的條件下風(fēng)機(jī)耗電對比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，風(fēng)機(jī)耗電量下降不多，從上兩表中可計(jì)算出各風(fēng)機(jī)相應(yīng)的節(jié)電功率。
5#窯高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電功率： 1550－1500＝50（kW）
5#窯窯尾EP風(fēng)機(jī)節(jié)電功率： 154－100＝54（kW）
3#窯高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電功率： 1260－1200＝60（kW）
3#窯窯尾EP風(fēng)機(jī)節(jié)電功率： 138－70＝68（kW）
根據(jù)我們在設(shè)備調(diào)試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，5#窯在2500t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機(jī)6kV側(cè)電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約190kW。3#窯在2000t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機(jī)6kV側(cè)電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約 200kW。按年運(yùn)行7000小時計(jì)算，可推算出兩臺高溫風(fēng)機(jī)的節(jié)電量及節(jié)電效益。
5#窯高溫風(fēng)機(jī)：
節(jié)電功率：1550－1360＝190（kW）
年節(jié)電量：190kW×7000小時＝133萬kWh
年節(jié)電效益：133萬kWh×0.5元/kWh＝66萬元
3#窯高溫風(fēng)機(jī)：
節(jié)電功率：1260－100＝200（kW）
年節(jié)電量：200kW×7000小時＝140萬kWh
年節(jié)電效益：140萬kWh×0.5元/kWh＝70萬元
此為估算節(jié)電值。變頻改造的另一大收益為提高了窯系統(tǒng)的產(chǎn)量近1.2倍，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益是非常大的。
七、變頻改造總結(jié)
根據(jù)我公司對水泥廠高溫風(fēng)機(jī)的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結(jié)變頻器改造有以下優(yōu)點(diǎn)。
安裝簡單，即將原高壓開關(guān)柜與電動機(jī)之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。
操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機(jī)、停機(jī)和頻率調(diào)整。
能進(jìn)行無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，且調(diào)速精度高，適用性強(qiáng)。
保護(hù)功能完善，故障率低，排風(fēng)機(jī)啟動平穩(wěn)，啟動電流小，可靠性高。
電動機(jī)不需長期高速運(yùn)行，工作電流大幅度下降，節(jié)電效果顯著。
由于變頻器取代了液耦調(diào)速，消除了機(jī)械及液壓高故障率的缺陷，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用降低。
電動機(jī)運(yùn)行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
交流變頻調(diào)速器，以適用性強(qiáng)、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應(yīng)用在調(diào)速、節(jié)電、軟啟動方面，對企業(yè)有很大的實(shí)用價(jià)值。我公司高壓變頻器在該水泥廠對四臺電機(jī)進(jìn)行了成功的改造，其節(jié)能效果明顯，且同時提高了整個系統(tǒng)的工藝性能，得到用戶的好評，并在當(dāng)?shù)厮嘈袠I(yè)中產(chǎn)生了很大的影響。
八、結(jié)語
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，而電動機(jī)電耗就占成本近30％，而拖動風(fēng)機(jī)用的高壓電動機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，因此做好電動機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調(diào)速器目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設(shè)備，具有很高的推廣價(jià)值。