高壓變頻器在水泥行業(yè)中的應(yīng)用

　　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(xiàn)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(guó)內(nèi)規(guī)模較大，設(shè)備最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)企業(yè)之一。生產(chǎn)線匯集了當(dāng)今世界水泥制造業(yè)最先進(jìn)的RSP五級(jí)窯外分解技術(shù)以及德國(guó)、法國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的水泥制造設(shè)備。該公司注重挖掘企業(yè)自身潛力，強(qiáng)化節(jié)能意識(shí)，并付諸于實(shí)施，對(duì)其窯尾EP羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻器改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 

　　一、窯尾EP羅茨風(fēng)機(jī)改高壓變頻器拖動(dòng)的必要性 
　　大連小野田水泥廠冷卻機(jī)EP羅茨風(fēng)機(jī)（電除塵風(fēng)機(jī)）為日本安川轉(zhuǎn)子繞線異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，原有的運(yùn)行方式為電機(jī)全速運(yùn)行，依靠調(diào)整出口擋風(fēng)板的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機(jī)不允許全壓直接啟動(dòng)，因此選用轉(zhuǎn)子繞線式異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)方式是轉(zhuǎn)子串水電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后再自動(dòng)短接轉(zhuǎn)子滑環(huán)，電機(jī)全速運(yùn)行（項(xiàng)目初期運(yùn)行時(shí)，是采用水電阻調(diào)速運(yùn)行方式，但是投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)這種調(diào)速方式反而比風(fēng)門調(diào)節(jié)更加不經(jīng)濟(jì)，索性其只作為啟動(dòng)時(shí)使用），這樣的運(yùn)行方式存在如下弊端： 

　　1、風(fēng)門調(diào)節(jié)反應(yīng)滯后，調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)精度不高。 
　　依靠風(fēng)門調(diào)節(jié)執(zhí)行器來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)門開(kāi)度，本身是一個(gè)不得已的舉措，因風(fēng)門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)含有相當(dāng)一部分的機(jī)械機(jī)構(gòu)，受機(jī)械部分限制調(diào)節(jié)速度有限，調(diào)節(jié)精度亦受到影響，往往對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)量控制不是很到位，甚至滿足不了現(xiàn)場(chǎng)工藝的要求 。 

　　2、風(fēng)門調(diào)節(jié)浪費(fèi)電能，不科學(xué)，不經(jīng)濟(jì)。 
　　采用風(fēng)門調(diào)節(jié)固然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資較小，但是在節(jié)能意識(shí)日益加強(qiáng)的今天顯然不合適，水泥廠初期投建的時(shí)候，出于后續(xù)可能擴(kuò)建及運(yùn)行安全的角度，電機(jī)及風(fēng)機(jī)的裕量選用較大，存在嚴(yán)重的大馬拉小車的現(xiàn)象。事實(shí)上，電機(jī)額定電流為45A，而電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流平均僅為35A 左右，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)，人為改變了風(fēng)道的阻力曲線，大量的能源白白浪費(fèi)在了風(fēng)門上，在能源日益緊缺的今天，顯然已經(jīng)嚴(yán)重落伍，改造勢(shì)在必行。 

　　3、電機(jī)全速運(yùn)行受到考驗(yàn)，維護(hù)周期短。 
　　因電機(jī)全速運(yùn)行，電機(jī)軸承等機(jī)械部分磨損嚴(yán)重，另外，由于是轉(zhuǎn)子繞線式異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)行對(duì)于其機(jī)械部分一樣有百害無(wú)一益，轉(zhuǎn)子滑環(huán)上的碳刷磨損相當(dāng)嚴(yán)重，更換周期短。 

　　4、啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，水電阻裝置維護(hù)工作量大。 
　　由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機(jī)不允許全壓直接啟動(dòng)，因此選用轉(zhuǎn)子繞線式異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)方式是轉(zhuǎn)子串水電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后再自動(dòng)短接轉(zhuǎn)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(fù)雜，而且本身水電阻裝置維護(hù)工作量就比較大，只有在啟動(dòng)過(guò)程的20幾秒內(nèi)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(jī)改造勢(shì)在必行，要想徹底改變現(xiàn)有工藝，必須從源頭上下功夫，即通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，以此來(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝的要求。 

　　二、調(diào)速方式的選擇 
　　目前，大功率高壓異步電動(dòng)機(jī)的主要調(diào)速方式有以下幾種：串級(jí)調(diào)速、內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速、液力耦合器調(diào)速及變頻調(diào)速等。 

　　1、串級(jí)調(diào)速—優(yōu)點(diǎn)是可以回收轉(zhuǎn)差功率，所以調(diào)速效率比較高，但存在的問(wèn)題也很多：它不適合于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子繞線式異步電機(jī)，必須更換電機(jī)：不能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜；啟動(dòng)電流大；調(diào)速范圍有限；響應(yīng)慢，不易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；功率因數(shù)和效率低，并隨著轉(zhuǎn)速的調(diào)低急劇下降；很難實(shí)現(xiàn)同PLC和DCS等控制系統(tǒng)的配合，對(duì)提高裝置的整體自動(dòng)化程度和實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制無(wú)益；同時(shí)因控制裝置比較復(fù)雜、諧波污染大對(duì)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(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速—內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速是在串級(jí)調(diào)速基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它在普通繞線電動(dòng)機(jī)的定子繞組（稱主繞組）同槽放置一套繞組（稱調(diào)節(jié)繞組）而制造成的內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速電機(jī)，將該電動(dòng)機(jī)部分轉(zhuǎn)子能量取出以改變電動(dòng)機(jī)用以產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使主繞組從電網(wǎng)吸收的能量下降來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。優(yōu)點(diǎn)：具有串級(jí)調(diào)速的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，體積小。缺點(diǎn)：需更換專用電機(jī)，滑環(huán)處理不當(dāng)容易出現(xiàn)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(duì)電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊很大，啟動(dòng)復(fù)雜；調(diào)速范圍很??；輸入功率因數(shù)和效率低；電機(jī)側(cè)由于可控硅的逆變衍生出大量的高次諧波，對(duì)電機(jī)的絕緣造成老化，引起電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)喘振現(xiàn)象無(wú)法消除。仍屬于落后技術(shù)。 

　　3、液力耦合器調(diào)速—屬低效調(diào)速方式，調(diào)速范圍有限，高速丟轉(zhuǎn)約5%-10%，低速轉(zhuǎn)差損耗大，最高可達(dá)額定功率的15%，因效率與轉(zhuǎn)速成正比，低速時(shí)效率極低，精度低、線性度差、響應(yīng)慢、啟動(dòng)電流大、裝置大，必須加裝在設(shè)備和電機(jī)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(yùn)行，維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用大，不能滿足提高裝置整體自動(dòng)化水平的需要。 

　　4、高壓變頻調(diào)速—由于應(yīng)用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機(jī)拖動(dòng)等綜合性領(lǐng)域的學(xué)科技術(shù)，因此具有其他調(diào)速方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)： 
　?。?）變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時(shí)顯示電壓、電流、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速，可非常直觀地顯示電機(jī)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(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的需要。 
　?。?）高壓變頻器具有國(guó)際通用的外部接口，可以同可編程控制器（PLC）和工控機(jī)等各種儀表連接，并可以與原設(shè)備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)，如與原DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和聯(lián)鎖控制。 
　　（4）具有電力電子保護(hù)和工業(yè)電氣保護(hù)功能，保證變頻器和電機(jī)在正常運(yùn)行和故障時(shí)安全可靠。 
　?。?）電機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)；啟動(dòng)電流小，小于電機(jī)的額定電流；電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間可連續(xù)可調(diào)，減少了對(duì)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(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。 
　?。?）減少配件損耗，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。 

　　通過(guò)對(duì)幾種調(diào)速方式的比較，最終，大連小野田水泥廠決定采用高壓變頻器對(duì)EP風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外的所有廠家，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： 
　　①國(guó)內(nèi)高壓變頻器廠家中業(yè)績(jī)最多； 
　?、谙到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定； 
　?、廴形慕缑骘@示，適合國(guó)內(nèi)用戶； 
　?、茚槍?duì)國(guó)內(nèi)用戶量身定做，盡量考慮國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的綜合因素，在其可靠性，安全性方面有其獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)； 
　?、輧?nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需要。 

　　三、改造項(xiàng)目具體實(shí)施方案及過(guò)程 
　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，旁路柜采用了一拖一手動(dòng)方案。此結(jié)構(gòu)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(nèi)的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開(kāi)；工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開(kāi)。 

圖1：高壓變頻器工頻旁路原理圖 

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(fù)載投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行等。缺點(diǎn)：高壓變頻器故障時(shí)，不能自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)為工頻。 

　　現(xiàn)場(chǎng)原有的水電阻裝置繼續(xù)保留，高壓變頻器安裝后，與原有的水電阻二次回路結(jié)合，取高壓變頻器的變頻狀態(tài)信號(hào)（QS1,QS2閉合后輸出變頻狀態(tài)信號(hào)）送至水電阻二次回         路，該信號(hào)有效后通過(guò)原有水電阻二次回路，直接短接電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)，切除水電阻裝置，由高壓變頻器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)；取高壓變頻器工頻旁路信號(hào)（QS3閉合后輸出工頻旁路狀態(tài)信號(hào)），該信號(hào)有效后通過(guò)原有水電阻二次回路，恢復(fù)高壓電機(jī)的串水電阻調(diào)速功能，以備高壓變頻器故障期間，用戶仍可以通過(guò)原有啟動(dòng)回路啟動(dòng)設(shè)備工頻運(yùn)行。 

　　小野田水泥廠目前高壓網(wǎng)絡(luò)共有兩條線路，一用一備，當(dāng)一條線路出現(xiàn)故障斷電時(shí)，可以在2秒鐘內(nèi)自動(dòng)切換為備用高壓線路，期間負(fù)荷高壓開(kāi)關(guān)并不分?jǐn)啵谶M(jìn)行高壓變頻器改造前，因風(fēng)機(jī)的慣性比較大，斷電2秒鐘，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有下降，2秒鐘后即恢復(fù)全速運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)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(duì)由功率器件組成的高壓變頻器而言則凸現(xiàn)隱患，這就需要高壓變頻器具備三秒不停機(jī)功能，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求?，F(xiàn)場(chǎng)配備的高壓變頻器為5級(jí)功率單元多電平串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其每個(gè)功率單元內(nèi)部的控制單元電源取自移相變壓器的二次側(cè)，當(dāng)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(jī)處理。基于此種情況，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)原有的高壓變頻器內(nèi)部控制邏輯進(jìn)行適當(dāng)修改，即當(dāng)高壓電斷電瞬間，通過(guò)變頻器內(nèi)置PLC，對(duì)高壓變頻器主控器進(jìn)行復(fù)位，屏蔽所有功率單元在高壓掉電時(shí)所報(bào)的所有單元故障，直到高壓再次在3秒鐘內(nèi)正常，功率單元帶電正常后，記憶高壓斷電前的運(yùn)行頻率，執(zhí)行飛車啟動(dòng)，因風(fēng)機(jī)慣性較大，此過(guò)程對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速影響微乎其微，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試期間，曾經(jīng)做過(guò)類似的實(shí)驗(yàn)，高壓變頻器拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，在高壓開(kāi)關(guān)就地人為分?jǐn)喔邏洪_(kāi)關(guān)，三秒鐘內(nèi)再合開(kāi)關(guān)，高壓變頻器運(yùn)行正常，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降，結(jié)論表明，這樣的處理方式完全滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行要求。 
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備名牌參數(shù)如下： 

高壓變頻器參數(shù)  

    
電機(jī)名牌參數(shù) 

　　四、改造效果 

　　1、節(jié)能效果相當(dāng)明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著 
小野田水泥廠EP風(fēng)機(jī)變頻改造后，取得了顯著的節(jié)能效果，改造前風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開(kāi)度經(jīng)常在40%左右，電機(jī)全速運(yùn)行，改造后，風(fēng)機(jī)變速運(yùn)行，因現(xiàn)場(chǎng)工況變化不是很大，變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在31赫茲左右，與調(diào)節(jié)檔板時(shí)的消耗功率大大減小，節(jié)電效果與經(jīng)濟(jì)效益顯著。變頻改造前后，電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)如下表所示 

　　上述表格中，改造前電機(jī)平均功率計(jì)算方法為： 
　　32×1.732×6×0.8=266kW 

　　改造后電機(jī)平均功率計(jì)算方法為： 
　　7.5×1.732×6×0.95=74kW 
　　注：變頻運(yùn)行時(shí)，變頻輸入的功率因數(shù)為0.95；電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)為電機(jī)功率因數(shù)0.80。 

　　根據(jù)以上實(shí)際數(shù)據(jù)，可以得出，改造后EP風(fēng)機(jī)的節(jié)電率為： 
　　（266-74）/266=72.2% 
　　該設(shè)備每年檢修一次，檢修時(shí)間為30天，其余時(shí)間均運(yùn)行，我們按一年運(yùn)行300天，實(shí)際電費(fèi)按一度電0.5元計(jì)算，則一年節(jié)省電費(fèi)為： 
　?。?66-74）×300×24×0.5=69.1萬(wàn)元。 

　　2．改善工藝。 
現(xiàn)將改造前及改造后現(xiàn)場(chǎng)工況列表如下： 

  參考上述表格，可以看出： 

　　EP電除塵風(fēng)機(jī)變頻改造后，取得的間接效果也是十分明顯的，因?yàn)樽冾l調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在30赫茲左右，電機(jī)及風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度降低，電機(jī)及風(fēng)機(jī)的軸溫降低，噪音降低，整體維護(hù)周期大大縮短；運(yùn)行人員在DCS側(cè)通過(guò)監(jiān)控界面很方便的調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行頻率，高壓變頻器的頻率分辨率精確到0.01赫茲，調(diào)節(jié)及時(shí)，調(diào)節(jié)精度高。 

　　改造前用戶曾經(jīng)擔(dān)心電機(jī)降速后，自身冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)散熱效果不好，電機(jī)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(xiàn)。因?yàn)殡姍C(jī)降速后，雖然自身冷卻效果下降，但是電機(jī)降速后輸出功率大大降低（電機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比），事實(shí)表明，改造后，電機(jī)的溫升不但沒(méi)有升高，反而有所下降。 

　　五、結(jié)論 

　　節(jié)約能源是我國(guó)的基本國(guó)策，國(guó)家制定了“節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃”，為落實(shí)此規(guī)劃目標(biāo)，國(guó)家發(fā)改委最近啟動(dòng)了十大重點(diǎn)節(jié)能工程，作為耗能大戶的水泥行業(yè)是國(guó)家宏觀調(diào)控的重點(diǎn)，也是節(jié)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(nèi)，按我國(guó)水泥年產(chǎn)12億噸計(jì)算，如達(dá)到節(jié)能指標(biāo)，則每年可節(jié)約百萬(wàn)噸煤，節(jié)電百億度，并且可使廢氣排放量降低，有利于保護(hù)環(huán)境，同時(shí)也降低了企業(yè)成本。大連小野田水泥廠EP電除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造，達(dá)到了節(jié)電和改善工藝的效果，取得了圓滿成功。目前在我國(guó)，水泥行業(yè)相對(duì)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(duì)緩慢，如果中國(guó)大多數(shù)水泥制造企業(yè)都能如大連小野田水泥廠，合理、深度挖掘自身潛力，那么有理由相信，中國(guó)的天將會(huì)更藍(lán)，水會(huì)更清，節(jié)能型的和諧社會(huì)美好前景定會(huì)展現(xiàn)在我們的面前！