高壓變頻器在水泥廠原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用

　　一、前言

　　目前，隨著水泥企業(yè)競爭的日益加劇，生產(chǎn)成本的高低決定了水泥企業(yè)在市場競爭的地位，水泥生產(chǎn)企業(yè)很大一部分成本浪費(fèi)在能耗上，降低水泥生產(chǎn)過程中的電能消耗越來越引起了業(yè)界的重視。

　　在水泥生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)被大量的采用，而風(fēng)機(jī)負(fù)載耗電量較大，起動電流較高，同時用電動閥門、擋風(fēng)板等裝置來調(diào)節(jié)風(fēng)量，工作效率低，而且開動閥門時，還發(fā)出嘯聲和振動，經(jīng)常發(fā)生事故；為滿足生產(chǎn)環(huán)境的最大要求，風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時的風(fēng)量和壓力往往偏大，功率的偏大設(shè)計(jì)必然造成能量的浪費(fèi)。

　　變頻調(diào)速技術(shù)作為一種先進(jìn)的電機(jī)調(diào)速方式，其優(yōu)異的性能以及帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益早已為人們所知。實(shí)踐證明在風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量和壓力的變化用來取代閥門控制風(fēng)量，能取得明顯的節(jié)能效果。本文就SH-HVF系列高壓變頻器在華新金貓水泥（蘇州）有限公司中應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)。

　　二、變頻器節(jié)能原理

　　由電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速公式：n1＝60f/p

　　而異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個滑差關(guān)系：n＝ n1（1—s）=60f/p（1—s）

　　由上式可以得到，改變異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過改變f、p、s可以達(dá)到。針對某一電動機(jī)而言P是一定的，而通過改變S進(jìn)行調(diào)速空間非常小，所以變頻調(diào)速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動機(jī)的最為合理的調(diào)速方法。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。

　　根據(jù)流體力學(xué)相似定律：

　　Q1/Q2＝n1/n2 輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；

　　H1/H2＝（n1/n2）2 輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；

　　P1/P2＝（n1/n2）3 輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。

　　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、SH-HVF變頻器原理特點(diǎn)

　　SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研制開發(fā)的新一代高壓變頻器，采用直接高高變換的方式，多電平串聯(lián)倍壓的技術(shù)方案，優(yōu)化的PWM控制算法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的可變頻變壓（VVVF）的正弦電壓和正弦電流的輸出。

　　1、SH-HVF高壓變頻器原理

　　SH-HVF系列高壓變頻裝置選用電壓源型交－直－交變頻器方式，變壓器采用移相技術(shù)，使得電網(wǎng)電流接近為正弦電流。功率單元的主電路由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及IGBT?？旖M成。

　　進(jìn)入功率單元的低壓交流經(jīng)過整流模塊的整流和電容的濾波后變成中間直流，在控制系統(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調(diào)制輸出。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相K個單元疊加，就可產(chǎn)生2K＋1種不同的電平等級。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。

　　K個功率單元在逆變側(cè)串聯(lián)成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以動態(tài)分配技術(shù)和適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，在輸出?cè)得到一組逼近正弦波的階梯波，與低壓變頻器采用的單純PWM方式相比，輸出的dv/dt非常低，波形本質(zhì)與正弦波的擬合程度非常好，再配以優(yōu)化的PWM控制，使輸出諧波大為降低。由于這種波形正弦度好，du/dt小，可減小對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出電纜長度幾乎不受限制，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備改造；同時，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動，減少了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

　　2、控制單元原理特點(diǎn)

　　整個系統(tǒng)的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一個智能操作面板（觸摸屏）和一些開關(guān)、電源、繼電器等組成。

　　其中，PLC完成整個變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理，邏輯處理，包括起停車邏輯、報(bào)警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)顯示和報(bào)警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產(chǎn)生、移相，并轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個系統(tǒng)提供了較高的容錯能力，當(dāng)工作中的某個功率單元故障時，旁路控制能自動將其從工作中退出，并將備用功率單元投入運(yùn)行。整套控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是可靠、實(shí)用、簡單。

　　四、原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)的變頻改造

　　1、生料磨系統(tǒng)簡介：

　　華新金貓水泥（蘇州）有限公司是一條3000T/D的水泥生產(chǎn)線，其生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)為6KV/1600KW，采用擋板（閥門）調(diào)節(jié)風(fēng)量大小，風(fēng)機(jī)消耗功率大，節(jié)流損失較大。調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板控制風(fēng)量，由于擋板處于較高壓力下工作，易磨損，易造成管道內(nèi)風(fēng)量調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確，對生料磨系統(tǒng)工藝影響也較大。其生料磨系統(tǒng)簡易圖如圖1所示：

　　圖1立式生料磨系統(tǒng)簡易圖

　　生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)在生料磨系統(tǒng)中起到很大作用，通過調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)可以控制磨系統(tǒng)的以下參數(shù)：

　　1、磨內(nèi)通風(fēng)量：立磨靠風(fēng)掃磨，通風(fēng)量要適當(dāng)。風(fēng)量不足，合格的生料不能及時帶出，料層增厚，排渣量增多，設(shè)備負(fù)荷高，產(chǎn)量降低；風(fēng)量過大，料層過薄，影響磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2、料層厚度：立磨穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的另一重要因素是料床穩(wěn)定。料層穩(wěn)定，風(fēng)量、風(fēng)壓和喂料量才能穩(wěn)定，否則就要通過調(diào)節(jié)風(fēng)量和喂料量來維持料層厚度。若調(diào)節(jié)不及時就會引起震動加劇，電機(jī)負(fù)荷上升或系統(tǒng)跳停等問題。

　　3、磨機(jī)振動：振動是輥式磨機(jī)工作中普遍存在的一個現(xiàn)象,合理的振動是允許的,但若振動過大，則會造成磨盤和磨輥以及襯板的機(jī)械損壞。

　　4、磨內(nèi)壓差： 壓差是指風(fēng)環(huán)處的壓力損失,在磨機(jī)運(yùn)行時，磨內(nèi)負(fù)荷量的變化不僅從磨機(jī)電流、料層厚度、振動幅度等參數(shù)上反應(yīng)出來，而且壓差更能反映磨內(nèi)狀況。

　　5、磨機(jī)出口溫度：有效的控制出口溫度，可以保持良好的烘干及粉磨作業(yè)條件。

　　6、產(chǎn)品細(xì)度：磨內(nèi)通風(fēng)量的大小對產(chǎn)品細(xì)度也有一定影響 。

　　另外磨的運(yùn)行穩(wěn)定因素還有喂料量、噴水量、研磨壓力、循環(huán)風(fēng)量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

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　　2、主回路設(shè)計(jì)

　　為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)華新金貓水泥負(fù)載的相關(guān)參數(shù)選配SH-HVF -Y6K/2000系列高壓變頻器，變頻器配置方案采用一拖一方式，其主回路原理圖如圖2所示：

　　圖2 SH-HVF高壓變頻器主回路原理圖

　　6KV高壓電源經(jīng)用戶開關(guān)柜高壓開關(guān)QF到刀閘柜，經(jīng)輸入刀閘QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS2送至電動機(jī)；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動電動機(jī)。進(jìn)出線刀閘QS2和旁路刀閘QS3的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進(jìn)出線刀閘QS2，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QS3，在工頻電源下起動電機(jī)運(yùn)行。QF保留用戶原斷路器，QS1、QS2、QS3安裝在一個刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過機(jī)械閉鎖，防止誤操作。

　　3、控制方式：

　　該設(shè)備有三種控制方式：

　　1、以壓力、流量為控制對象的閉環(huán)控制：以輸入的4～20mA模擬量值為控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動控制。

　　2、 以轉(zhuǎn)速為控制對象的開環(huán)控制：該方式在遠(yuǎn)程操作（DCS或遠(yuǎn)程操作箱上操作）用戶可根據(jù)工況條件自設(shè)定轉(zhuǎn)速，變頻器以該轉(zhuǎn)速為控制值，該方式下頻率的變化依據(jù)用戶輸入的模擬量，4mA對應(yīng)0轉(zhuǎn)速，20mA對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速。

　　3、以頻率為控制對象的開環(huán)控制：該方式在就地操作（設(shè)備本體上操作）直接從觸摸屏上設(shè)置輸出頻率，變頻器以該頻率為控制目標(biāo)值。

　　以上三種控制方式用戶可通過人機(jī)界面（觸摸屏）設(shè)置，滿足不同的工況要求。

　　4、變頻改造后華新金貓水泥原料磨系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)：（現(xiàn)場實(shí)測）

　　由以上測量數(shù)據(jù)顯示，滿足立式原料磨的料層厚度、原料細(xì)度、磨內(nèi)壓差、振動等工藝要求的基礎(chǔ)上，配合調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速，使整個原料磨系統(tǒng)達(dá)到一個動態(tài)平衡，從而在保證原料工藝要求的情況下，達(dá)到較好的節(jié)能目的。

　　五、變頻改造后收益分析：

　　1、直接收益：

　　改造前：在運(yùn)行時閥門開度為56％－58％，當(dāng)閥門開度為58％時，電流為147A；當(dāng)閥門開度為5％時，電流為101A；當(dāng)閥門開度為20％時，電流為116.5A；當(dāng)閥門開度為55％時，電流為142－145A；當(dāng)閥門開度為60％時，電流為150－152A。

　　變頻改造后：閥門開度為100％，變頻器轉(zhuǎn)速為1300－1360r/min，此時變頻器電流為102－110A。

　　改造前平均功率為：1310KW

　　改造后平均功率：1008KW

　　根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測變頻后設(shè)備節(jié)電率為：

　　ΔP＝（P1－P2）/P1=（1310－1008）/1310＝23%

　　變頻改造后節(jié)電功率為：

　　PB= P1-P2=1310-1008=302 kW

　　由上數(shù)據(jù)說明SH-HVF-Y6K/2000高壓變頻器在金貓水泥循環(huán)風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用節(jié)能效果顯著。

　　2、間接效益：

　　1、變頻改造后，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。

　　2、電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果。大大減少了對設(shè)備的維護(hù)量，節(jié)約了人力物力資源。

　　3、由于電機(jī)以及負(fù)載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長設(shè)備使用壽命。

　　4、功率因數(shù)由原來的0.8左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，而且減少了線路損耗。

　　5、廠房設(shè)備噪聲污染將降低。

　　6、能提高整個系統(tǒng)的自動化水平和工藝水平。

　　7、節(jié)能減排，減少了溫室氣體的排放，保護(hù)了環(huán)境。

　　8、負(fù)載改變頻后，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35次以下諧波。由于實(shí)際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2％以內(nèi)，電流諧波總含量小于2％。延長了電機(jī)的使用壽命。

　　9、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(biāo)均滿足IEEE-519國際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。延長了電機(jī)的使用壽命。

　　10、使用變頻調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時恒定運(yùn)行，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

　　11、由于采用自動控制，進(jìn)一步提高了設(shè)備運(yùn)行控制和系統(tǒng)運(yùn)行管理的自動化水平，從而真正實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，大大增強(qiáng)了運(yùn)行的安全可靠性。

　　六、結(jié)束語

　　在華新金貓水泥（蘇州）有限公司生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)采用SH-HVF-Y6K/2000高壓變頻器，不但操作方便、容易、維護(hù)量小，而且有明顯的節(jié)能效果。通過SH-HVF高壓變頻器在華新金貓水泥的應(yīng)用，增強(qiáng)了運(yùn)行的安全可靠性，提高了生料磨的產(chǎn)量，又達(dá)到較好的節(jié)能效果。因此在水泥廠生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻技術(shù)是應(yīng)該倡導(dǎo)和推廣的。