高壓變頻器在高溫風(fēng)機節(jié)能改造中的應(yīng)用

　　高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電機的變頻調(diào)速，其技術(shù)和性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過以前采用的調(diào)速方式(如串級調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、轉(zhuǎn)子水阻調(diào)速等)。高壓變頻器以其顯著的節(jié)能效益、較高的調(diào)速精度、較寬的調(diào)速范圍、完善的保護功能、方便的通訊功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可，現(xiàn)在已經(jīng)成為企業(yè)電機節(jié)能方式的首選方案。但在2000年前后，由于當(dāng)時高壓變頻器是洋品牌占壟斷地位，且大都價格不菲，所以水泥企業(yè)采用高壓變頻器的用戶并不多。隨著國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，從2005年起，山水集團在所有新建生產(chǎn)線的大功率風(fēng)機類設(shè)備全部采用高壓變頻器的同時，對原有生產(chǎn)線的大功率風(fēng)機類設(shè)備，也全部實施了高壓變頻器改造，共有近百臺之多，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。 

　　在改造過程中，其中的高溫風(fēng)機功率大，節(jié)電效果顯著，但工藝、設(shè)備狀況相對復(fù)雜一些，進(jìn)行高壓變頻技術(shù)改造時，在技術(shù)方案的確定、設(shè)備選型、安裝調(diào)試等方面，我們都有一些成功的經(jīng)驗，在此作一介紹，以供同行參考。

　　1、變頻節(jié)能的技術(shù)原理    

　　建設(shè)初期，在對通風(fēng)機的應(yīng)用設(shè)計中，風(fēng)機的功率是根據(jù)最大需求量來選擇的，存在較大的富裕量。實際生產(chǎn)中，所需的風(fēng)量是不可能長久處于最大狀態(tài)的，要經(jīng)常變化，這樣就存在“大馬拉小車’’的情況，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)的方式通常都是通過調(diào)節(jié)管道匕擋板與閥門的開度來實現(xiàn)的。 

　　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(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H轉(zhuǎn)速n的平方正比；輸出軸功P與轉(zhuǎn)渤的立方正比；即： 

　　當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量需要改變時，如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的方式，則會使大量電能白白消耗在閥門阻力上。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)機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為：

　　式中：  n一額定轉(zhuǎn)速；
　　n’一實際轉(zhuǎn)速；
　　P一額定轉(zhuǎn)速時電機功率；
　　T一工作時間。    

　　可見，如果通過變頻對風(fēng)機進(jìn)行改造，調(diào)節(jié)風(fēng)  量改為通過調(diào)節(jié)速度來實現(xiàn)，具有較大的節(jié)能潛力。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。  

　　2、工況簡介     

　　回轉(zhuǎn)窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，均化好  的生料預(yù)熱后由窯尾進(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)向前運動，同時需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有  一定的懸浮時間進(jìn)行充分的燃燒，生料才能在窯內(nèi)得到很好的煅燒，形成高質(zhì)量的熟料產(chǎn)品。窯內(nèi)因  物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風(fēng)機一方面用來調(diào)整窯內(nèi)氣壓，另一方面將  回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒時產(chǎn)生的廢氣(含塵)引出，進(jìn)入收塵器將灰塵進(jìn)行處理后，再將廢氣排到大氣中。   

　　我集團的山東水泥廠目前有兩條新型干法生產(chǎn)  線，日產(chǎn)量分別為1700 t、2300 t，并擁有一臺7.5 MW中、低溫余熱發(fā)電機組，高溫風(fēng)機電機配置為6 kV、  1 250 kW。在高溫風(fēng)機的電機與風(fēng)機之間，配有液力耦合器對風(fēng)機進(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)機的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。在生產(chǎn)中依靠風(fēng)機  擋板進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。液力耦合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動  量矩變化，來傳遞電動機能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的，電動機通過液力耦合器的輸入軸拖動其主動工作輪，  對工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動液力耦合器的從動工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載，  這樣，可以通過控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩，達(dá)到控制負(fù)載的轉(zhuǎn)速的目地。因此液力耦合器也可以實現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié)。但由于液力耦合器在調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差  功率損耗、容積損耗、機械損耗高達(dá)10％以上，所產(chǎn)生的熱量需要油泵及冷卻水等輔助運行，故障率較  高，特別是在夏季因耦合器產(chǎn)生熱量較大，需要加入四組冷油器，用循環(huán)水強降溫，水消耗量大，資  源浪費嚴(yán)重。  

　　3、高溫風(fēng)機變頻改造方案    

　　經(jīng)過對原系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計，在生產(chǎn)過程中，風(fēng)機擋板開度大都在80％左右，根據(jù)公式(4)可見，節(jié)電空間較大，我們決定對原系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，將風(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)：取消原液力耦合器，將電機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)機人口)的壓力為工況要求值；變頻器設(shè)備接人風(fēng)機側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機之間，變頻器控制接人原有的DCS系統(tǒng)。電機、高壓斷路仍采用原有設(shè)備。 

　　為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置，保留了原有管道上的擋板(閥門)。這樣，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時，可將電機切換至工頻狀態(tài)下運行，仍舊利用風(fēng)門進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。 

　　根據(jù)負(fù)載參數(shù)及運行工況，我們?yōu)楦邷仫L(fēng)機配置了HIVERT系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號HIVERT-Y06／173，隔離變壓器容量1800 kVA，旁路開關(guān)柜容量400A。

　　4、改造過程    

　　為了安裝變頻器，必須重新設(shè)計變頻器專用房。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)計上，設(shè)計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。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立安裝了一整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，形成所謂的“風(fēng)道’’，保證變頻器整體冷卻通風(fēng)要求，即使在夏季高溫季節(jié)也不需要開空調(diào)進(jìn)行降溫。 

　　為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，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連接尺寸設(shè)計制作了一套直接連接軸來代替之。連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風(fēng)機側(cè)的連接靠背輪均與原液力耦合器一致。安裝時，僅需將原液力耦合器拆除，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)機及電機作任何調(diào)整，安裝方便快捷。 

　　安裝高壓變頻器，原繞線電機對滑環(huán)進(jìn)行短接，廢除原水阻啟動器，每年對碳刷及水阻啟動器和電機的維護減少，綜合成本大幅度下降，且高壓變頻器啟動時間任意可調(diào)，實現(xiàn)平滑啟動，對設(shè)備運行起到良好的保護。

　　5、變頻改造效果  

　　我公司于2006年開始將高壓變頻器應(yīng)用于窯頭引風(fēng)機、高溫風(fēng)機、生料磨循環(huán)風(fēng)機等大功率風(fēng)機電機上，平均節(jié)電20％以上，取得了顯著的經(jīng)濟效益。表1為兩高溫風(fēng)機安裝高壓變頻器前后的數(shù)據(jù)對比。

　　表1 1號、2號窯高溫風(fēng)機采用高壓變頻前后的節(jié)能效果 

　　6、結(jié)束語     

　　我們對水泥熟料生產(chǎn)線高溫風(fēng)機等大功率風(fēng)機進(jìn)行高壓變頻技改，在技術(shù)方案的制訂、設(shè)備選型、安裝調(diào)試等方面，有以下幾點經(jīng)驗和體會： 

　　(1)制定方案前，要充分了解生產(chǎn)工藝和操作過程，了解風(fēng)量、風(fēng)壓的調(diào)節(jié)方式，做好改造前各種工藝參數(shù)(臺時、風(fēng)量、風(fēng)壓等)、設(shè)備參數(shù)(閥門開度、運行電流等)的統(tǒng)計工作，為節(jié)能效果的估算、技術(shù)方案的制訂提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 

　　(2)了解運行負(fù)荷狀況和特點，確定變頻器的選型。對于水泥熟料線的高溫風(fēng)機等設(shè)備，建議變頻器選用電壓源型、高．高結(jié)構(gòu)，可免除輸出升壓變壓器；對于容量選擇，可適當(dāng)放大一級。 

　　(3)由于水泥行業(yè)的粉塵相對而言較大，通風(fēng)窗專用過濾棉濾網(wǎng)需要經(jīng)常清理，所以建議變頻器的冷卻方式采用風(fēng)一水冷方式，這樣可大大減少室內(nèi)與室外的空氣流通，既可保證室內(nèi)空氣的潔凈，又可保證變頻器所需的運行溫度。 

　　(4)實踐證明，變頻器需要工頻旁路運行的機會很少，完全可以去掉旁路裝置，節(jié)省電力室空間，減少投資，從而可進(jìn)一步去掉管道內(nèi)的閥門支架，減小管道阻力。 

　　(5)采用變頻器后，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，取消了液力耦合器調(diào)速，消除了機械、液壓較高故障率的缺陷，運轉(zhuǎn)率提高、維護費用降低；電動機運行振動及噪聲明顯下降；電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節(jié)電效果顯著。