水泥廠的電機節(jié)能發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

  隨著規(guī)模化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大、中型水泥廠的建設(shè)日趨完善，隨之而來的節(jié)能減排任務(wù)相當(dāng)繁重。在水泥廠用電中，中小型電機占據(jù)主導(dǎo)地位，每年所消耗的電能占整個水泥廠電能損耗的一半以上。為了進一步落實國家節(jié)能減排政策，實現(xiàn)節(jié)能減排的指標(biāo)，中小型電機的節(jié)能是水泥行業(yè)所面臨的一大課題，也是水泥行業(yè)發(fā)展的新機遇。

  1、國產(chǎn)電機及節(jié)能現(xiàn)狀

  1.1 現(xiàn)狀

  目前，我國中小型電機有三大系列三相異步電動機：Y、Y2和Y3。目前水泥廠工藝裝備所配電機大多為此類異步電動機。

  1985年Y系列三相異步電動機及其派生系列產(chǎn)品被大力推廣，功率范圍從0.55kW到250kW。后經(jīng)過引進、并消化美國西屋公司和瑞士BBC公司的技術(shù)，自行研發(fā)了Y系列6kV中型高壓三相異步電動機，功率范圍從220kW到2800kW。隨著我國電力技術(shù)的進步，電網(wǎng)電壓從6kV上升到10kV，相繼又研發(fā)了10kV系列高壓異步電動機，并采用新穎的箱式結(jié)構(gòu)，此類高壓電機目前占據(jù)國內(nèi)中高壓電機市場的主導(dǎo)地位。

  1996年我國又研發(fā)了Y2系列三相異步電動機，功率范圍從0.12kW到315kW，此系列電機不僅大大降低了空載噪聲，而且還有效抑制了負載噪聲。

  2003年Y3系列三相異步電動機相繼上市，此類電機采用冷軋硅鋼片成型，其能耗已達到GB18163-2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節(jié)能評定值》中能耗限定值的有關(guān)規(guī)定，其主要性能指標(biāo)也已達到目前國際先進水平。

  1.2水泥廠電機的配置和節(jié)能現(xiàn)狀

  水泥廠無論大小裝備都采用的是電機拖動，其中90%是交流異步電機，而且約50%是高壓電機，這其中約70%拖動的是風(fēng)機等類負載，而且這類負載有很大一部分需要調(diào)速。目前在傳統(tǒng)的水泥廠中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式是利用電動執(zhí)行機構(gòu)來調(diào)節(jié)擋風(fēng)板，通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開度來調(diào)節(jié)所需風(fēng)量。

  在調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的過程中，電機的轉(zhuǎn)速保持不變，其輸出能量也不變，只通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開度來達到負載所需的風(fēng)量要求。

  根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)負載根據(jù)系統(tǒng)的需求需要很小的風(fēng)量時，其擋風(fēng)板的開度就要減小，此時電機的輸出能量與負載所需能量之差，在此過程中就被白白消耗和損失掉。

  另外，水泥廠的風(fēng)門調(diào)節(jié)大多采用電動調(diào)節(jié)閥來實現(xiàn)的，電動調(diào)節(jié)閥的品質(zhì)決定了風(fēng)門開關(guān)的靈活度。由于水泥廠是多粉塵企業(yè)，即使在每個揚塵點都使用了環(huán)保設(shè)備，水泥廠也想盡辦法采取了一系列的收塵措施，也難避免細微粉塵的排放。

  在使用過程中，有很多擋風(fēng)板由于受環(huán)境的影響，不能按照上面下達的指令靈活的開關(guān)風(fēng)門，甚至有些閘門在使用過程中被物料死死卡住，導(dǎo)致無法調(diào)節(jié)，如生產(chǎn)中常用的庫頂物料分料閥，工人經(jīng)常要上去巡視和現(xiàn)場清理，不僅費時費力，還給生產(chǎn)帶來很大損失，同時這也是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的一大隱患，更重要的是能量損耗嚴重。再加上采用閘板控制閥門引起的阻力損耗，嚴重影響設(shè)備的經(jīng)濟運行，改善這一調(diào)節(jié)方式勢在必行。

  2、電機節(jié)能的發(fā)展趨勢

  在國家出臺的《節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，運用高效節(jié)能技術(shù)和采用高效節(jié)能裝備是重要一環(huán)。采用變頻調(diào)速和使用高效節(jié)能電機是提高電機運行效率的兩個重要的途徑。

  2.1通過變頻調(diào)速實現(xiàn)節(jié)能

  在實際運行中，系統(tǒng)需求的風(fēng)量會隨工況、產(chǎn)量的變化而變化，由于變頻器能夠根據(jù)實際需要對電動機轉(zhuǎn)速進行實時調(diào)節(jié)，能夠使電動機在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運行，減少輕載運行時的電能消耗，調(diào)速范圍寬，調(diào)節(jié)精度高，運行效率高，并可以實現(xiàn)電動機的軟啟動，減少啟動沖擊和設(shè)備磨損，降低電動機運行的綜合電耗，這種節(jié)能方式節(jié)能效果明顯，一般節(jié)電率在20%~30%，有時甚至可以達到50%，而且最重要的是：投資回收期較短，很快就可以收回全部投資。

  目前低壓變頻技術(shù)日漸成熟，產(chǎn)品質(zhì)量也較穩(wěn)定，在新建大中型規(guī)模水泥廠中，需要進行風(fēng)量調(diào)節(jié)的低壓電機基本上已經(jīng)采用交流變頻器進行調(diào)速，改變所需風(fēng)量，改善運行效率，對電機轉(zhuǎn)速進行有效控制，從而實現(xiàn)電機的節(jié)能，如窯頭熟料輸送部分的篦冷機冷卻風(fēng)機、窯頭一次風(fēng)機、循環(huán)水泵以及部分收塵風(fēng)機等。

  我國高壓電動機多為10kV。

  由于受電力電子器件耐壓限制，目前尚難實現(xiàn)該等級變頻器的直接高壓輸出。

  目前國內(nèi)高壓變頻器都采用單元串聯(lián)式多電平變頻器技術(shù)，其輸出電壓可達到10kV甚至更高，且輸入、輸出波形好，對電網(wǎng)的諧波污染小。

  國外高壓變頻技術(shù)成熟，但其價格卻是國內(nèi)高壓變頻器價格的2~4倍，在國內(nèi)很多水泥廠資金不是很充裕的情況下，國內(nèi)變頻器由于價格低，得到了廣泛應(yīng)用。

  但也有極少數(shù)水泥廠受資金限制，目前較少甚至未使用高壓變頻調(diào)速，其節(jié)能效果不明顯。

  在國家節(jié)能大環(huán)境的推動下，10kV拖動的動態(tài)負荷其高壓電機采用高壓變頻調(diào)速勢在必行。

  而在承接的國外水泥廠設(shè)計過程中，情況會好很多。

  由于資金充足，新建國外水泥廠，除了需要調(diào)速的低壓電機和窯尾高溫風(fēng)機采用變頻調(diào)速外，其他需要調(diào)速的高壓電機基本都已經(jīng)采用高壓變頻調(diào)速，且采用的大多是國外著名品牌（如ABB）的高壓變頻成套裝置，如生料循環(huán)風(fēng)機、窯尾后排風(fēng)機、窯頭余風(fēng)風(fēng)機、水泥磨收塵風(fēng)機等，節(jié)能效果顯著。

  變頻調(diào)速控制方式作為一種新型的調(diào)速方法，性能優(yōu)越，性價比高，節(jié)能效果明顯，是目前國內(nèi)大中型水泥廠應(yīng)廣泛采用的一種節(jié)能控制手段。

  變頻調(diào)速節(jié)能在實際應(yīng)用中總結(jié)出三大優(yōu)點：

  一是減少電能損耗，降低成本，節(jié)約電能。

  二是拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)運行的靈活性。

  三是改變了電動機的啟動方式，真正實現(xiàn)了電機的軟啟動，大大減少了對電動機、風(fēng)機、風(fēng)門等設(shè)備的磨損以及對電網(wǎng)的啟動沖擊，延長了它們的使用壽命，大幅度節(jié)省這些設(shè)備的維護費用，是目前水泥廠最有效的一種調(diào)速節(jié)能控制手段。

  2.2使用高效電機實現(xiàn)節(jié)能

  從節(jié)約能源、保護環(huán)境角度出發(fā)，高效率電動機不僅是水泥廠更是國內(nèi)所有工業(yè)發(fā)展的趨勢。

  在國家六大耗電行業(yè)之中，水泥行業(yè)名列其中，同時它也是中小型電動機的主要應(yīng)用領(lǐng)域，能耗越大，節(jié)能的潛力越高。

  一般情況下，水泥廠主要生產(chǎn)車間（生料磨車間、回轉(zhuǎn)窯和水泥磨車間）的電動機大多都是24h連續(xù)工作制，工作時間長，工作負荷也相對穩(wěn)定，這些特點都有利于高效電動機在水泥廠的推廣和使用。

  根據(jù)GB18613-2006《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》，我國將電機能效分為三級，能效一級為超高效電機，能效二級為高效電機，能效三級為普通電機。

  高效電動機工藝通過優(yōu)化設(shè)計并采用優(yōu)質(zhì)材料整型而成，其能耗平均可以下降20%左右。

  而超高效電動機能耗比普通電動機能耗節(jié)能超過30%，并且在整個生產(chǎn)周期內(nèi)，都可為企業(yè)節(jié)約電能。

  雖然價格比普通電動機高15%~30%之間，但在一般情況下，其高于普通電動機的一次性投資一般可以在1~3年內(nèi)全部收回。

  因此，在長期連續(xù)運行、負荷率較高的水泥廠選用優(yōu)質(zhì)高效節(jié)能電機，既符合我國節(jié)能政策，而且無論從企業(yè)生存和發(fā)展等角度考慮，都是非常有必要的，也是切實可行的。

  2.3合理選擇電機功率

  由于歷史原因，在實際應(yīng)用中，存在大量電機所驅(qū)動的負載功率遠遠小于電動機本身的功率，造成大量的電動機處于低效運行狀態(tài)。

  如：用電量較大的風(fēng)機、水泵、壓縮機類負載，其平均系統(tǒng)運行效率均在50%左右。

  在設(shè)計選型中，設(shè)計人員為了保證足夠的動力，層層加余量，級級加保險，很容易造成“大馬拉小車”的狀態(tài)，其效率之低可想而知。

  甚至有的用戶主要利用變頻器來調(diào)速，使得電動機長期處于低頻低效運行狀態(tài)，這也是一種“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

  眾所周知，電動機的最佳運行效率一般發(fā)生在負荷率0.7~0.85之間，過高和過低的負荷率，不僅會降低電機的使用效率，而且對電機本身也會造成很大的傷害，從而增加維修成本和維護費用。

  曾經(jīng)在某個水泥廠某個車間的負荷計算中，依據(jù)工藝所提電機功率，理論計算選配變壓器的負荷率在0.75左右，可在實際運行中其負荷率僅在0.6以下，這種嚴重的“大馬拉小車”的現(xiàn)象不僅浪費了設(shè)備資源，同時也浪費了寶貴的電力。

  尤其在目前有些水泥廠資金不足甚至短缺的情況下，給企業(yè)造成了很大的資金和生存壓力，同時企業(yè)也丟失了再發(fā)展的寶貴機遇。

  在設(shè)計過程中，合理選配電動機的功率，不僅符合國家節(jié)能政策，也減少了企業(yè)的資金壓力，更重要的是為企業(yè)今后的生存和發(fā)展創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟基礎(chǔ)和發(fā)展環(huán)境，合理選配負載所需電動機的功率任重道遠。

  3、結(jié)語

  推廣變頻調(diào)速等先進電機調(diào)速技術(shù)，改善電機系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節(jié)流調(diào)節(jié)方式。重點對傳統(tǒng)水泥廠電動機進行系統(tǒng)改造，選擇合適的調(diào)速方式；合理選配電動機，使電機運行在最佳效率狀態(tài)；新建或改擴建水泥廠設(shè)計時要認真核算，力爭做到電機功率與負載的最佳匹配，逐步消除或減少“大馬拉小車”現(xiàn)象；設(shè)計選型時優(yōu)先采用高效節(jié)能電動機拖動負載，從根本上真正實現(xiàn)電機的節(jié)能。