風(fēng)光高壓變頻器在水泥廠(chǎng)風(fēng)機節能改造中的應用
發(fā)布時(shí)間：2014-04-11 作者：新風(fēng)光
1引言
水泥生產(chǎn)企業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶(hù)，水泥行業(yè)已被列為國家節約資源的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設節約型社會(huì )的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節約型制造和應用水平，建立節約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當前國內外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過(guò)各種途徑降低能耗，以獲得良好的經(jīng)濟效益和較高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。
在水泥的生產(chǎn)中，電動(dòng)機負載電耗就占成本近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機用的高壓電動(dòng)機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產(chǎn)線(xiàn)其中有25%～30%的電能是用于拖動(dòng)各種類(lèi)型風(fēng)機上，因此做好風(fēng)機電動(dòng)機的降耗增效工作就顯得極為重要。
目前很多水泥廠(chǎng)的風(fēng)機大馬拉小車(chē)現象嚴重，同時(shí)由于工況、產(chǎn)量的變化，系統所需求的風(fēng)量也隨之變化，大部分風(fēng)機采用傳統做法，即調節進(jìn)、出風(fēng)口閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)實(shí)現，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機的效率來(lái)達到要求的，損耗嚴重。如果利用變頻調速技術(shù)改變設備的運行速度，以調節風(fēng)量的大小，可以既滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，又達到節約電能，同時(shí)減少因調節擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失。隨著(zhù)電力電子技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)日趨成熟，國際上對于風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓調節已普遍摒棄靠調整配套的風(fēng)門(mén)開(kāi)度的手段，改而采用變速的電氣傳動(dòng)調節，變頻調速已成為風(fēng)機、泵類(lèi)節能降耗的選用較多的電氣傳動(dòng)方案。
2高壓變頻節能原理
異步電動(dòng)機的變頻調速是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉速而實(shí)現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機較為合理的調速方法。
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(dòng)機的同步轉速。異步電動(dòng)機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前，變頻調速已成為異步電動(dòng)機較主要的調速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用。
高壓變頻調速具有如下顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：
（1）由負載檔板或閥門(mén)調節導致的大量節流損失，在變頻改造后不再有節流損失。
（2）網(wǎng)側功率因數明顯提高。
（3）可實(shí)現零轉速啟動(dòng)，避免啟動(dòng)沖擊電流，減輕了沖擊扭振。
（4）高壓變頻器本身?yè)p耗極小，整機效率在97％以上。
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與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3
當風(fēng)機風(fēng)量需要改變時(shí)，如調節風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，則會(huì )使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時(shí)，當風(fēng)機低于額定轉速時(shí)，理論節電為：
E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW·h）
式中： n是額定轉速，n′是實(shí)際轉速，P是額定轉速時(shí)電機功率，T是工作時(shí)間。
可見(jiàn)，通過(guò)變頻對風(fēng)機進(jìn)行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
3風(fēng)光公司高壓變頻調速系統技術(shù)特點(diǎn)
風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。產(chǎn)品2003年被列為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品，高壓提升機變頻調速系統2005年被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新基金項目資助。具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
（2）飛車(chē)啟動(dòng)功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動(dòng)。
（3）完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)。現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，適應于無(wú)備用裝置或不重要的運行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉換至工頻運行狀態(tài)，還可實(shí)現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻運行的功能，整個(gè)轉換過(guò)程不會(huì )對用戶(hù)設備的運行造成任何影響。
（4）旋轉中再啟動(dòng)功能。運行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電3s內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動(dòng)運行到掉電前的頻率。
（5）線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線(xiàn)電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線(xiàn)電壓均衡輸出。
（6）單元直流電壓檢測：實(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實(shí)現對功率單元運行狀況的全面把握。
（7）單元內電解電容因采取了公司專(zhuān)利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。
（8） 散熱結構設計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結構，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過(guò)壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
（9） 具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。
（10） 限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)流保護，最大限度減少停機次數。
（11） 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)復位，繼續運行。
4 高壓變頻器在水泥行業(yè)應用中的主要問(wèn)題與應對措施
4.1高溫風(fēng)機的管道“塌料”問(wèn)題導致電機過(guò)流甚至跳停問(wèn)題
窯尾高溫風(fēng)機是保證熟料生產(chǎn)線(xiàn)物料預分解的重要負載，即使在以往工頻運行、采用液力耦合器調速的高溫風(fēng)機，也常見(jiàn)由于管道“塌料”導致高溫風(fēng)機電機過(guò)負荷跳閘，導致生產(chǎn)中斷。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過(guò)負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機過(guò)負荷導致的變頻器保護停機現象如無(wú)專(zhuān)業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線(xiàn)造成更多的損害。
高溫風(fēng)機由于“塌料”導致的過(guò)負荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時(shí)就會(huì )坍塌脫落，造成管道內粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風(fēng)機負荷增加或如果垂直煙道或預熱器內在清結皮或有物料塌料時(shí)，同樣也會(huì )造成氣流波動(dòng)，使排風(fēng)管內氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機過(guò)負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風(fēng)機電動(dòng)機造成損壞。在實(shí)際使用過(guò)程中的“塌料”現象，會(huì )不定期的導致電機運行電流在極短的時(shí)間內超出正常電流的數倍，如使用目前國內外一般廠(chǎng)家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過(guò)程中頻繁跳機，直接影響高溫風(fēng)機與水泥生產(chǎn)線(xiàn)的正常運行。
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司作為目前國內水泥行業(yè)高壓變頻器的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)制造商，其研制的高壓變頻調速系統特別針對高溫風(fēng)機的運行工藝情況進(jìn)行了大量的研究分析，并研制出相應的專(zhuān)業(yè)技術(shù)。技術(shù)研發(fā)人員經(jīng)過(guò)深入應用現場(chǎng)，了解掌握現場(chǎng)工藝情況，總結應用經(jīng)驗，推出了針對水泥生產(chǎn)線(xiàn)窯尾高溫風(fēng)機的專(zhuān)用技術(shù)，從設備的硬件設計、控制軟件設計等多方面對高溫風(fēng)機的不定期的尖峰負荷運行進(jìn)行全方位的設計改進(jìn)，有效地避免了一般高壓變頻器在運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，與工頻液耦運行相比也降低了跳機的可能性，為水泥企業(yè)保證生產(chǎn)安全性、經(jīng)濟性作出技術(shù)與設備保證。風(fēng)光牌高壓變頻器目前已在多條旋窯生產(chǎn)線(xiàn)的高溫風(fēng)機得到實(shí)際應用，解決了高溫風(fēng)機變頻器由于 “塌料”導致的跳閘停運、生產(chǎn)中斷的問(wèn)題，大大降低了由于高溫風(fēng)機停運對生產(chǎn)造成的影響，降低電機設備故障率，取得節能、增效的巨大效益，得到用戶(hù)普遍認可。
4.2電機在旋轉情況下啟動(dòng)的問(wèn)題
由于風(fēng)門(mén)擋板在未關(guān)嚴或其他原因，受風(fēng)機的拖動(dòng)，電機處于旋轉狀態(tài)，啟動(dòng)在旋轉中的電機時(shí)，變頻器可自動(dòng)搜索跟蹤電動(dòng)機轉速并按照設定加減速時(shí)間恢復正常運行狀態(tài)（即飛車(chē)啟動(dòng)問(wèn)題），保證風(fēng)機安全運行不跳閘。
對旋轉中再啟動(dòng)功能的需求，系統提供完備的參數設定功能，保證系統動(dòng)作有效，保護得當，真正適應現場(chǎng)運行工況要求。
4.3多種控制保證措施，保證產(chǎn)品可靠運行
水泥行業(yè)連續生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠(chǎng)用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產(chǎn)。水泥廠(chǎng)一般地處偏遠，供電質(zhì)量相對不高，對設備的電網(wǎng)適應性問(wèn)題突出。相對適應進(jìn)口品牌高壓變頻器，風(fēng)光牌高壓變頻器拓撲結構采用功率單元串聯(lián)技術(shù)方案，產(chǎn)品具有對電網(wǎng)電壓的適應范圍寬（－65％～115％Un），單元故障自動(dòng)旁路、工頻旁路、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能、相間短路等多項完善的保護功能技術(shù)，提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)和負載擾動(dòng)能力，大大提高產(chǎn)品在水泥應用現場(chǎng)的可靠性。
5 高壓變頻改造實(shí)例
淄博市淄川寶山水泥廠(chǎng)是淄博市優(yōu)秀民營(yíng)企業(yè)，淄川區經(jīng)濟50強企業(yè)。固定資產(chǎn)5億元，企業(yè)擁有世界先進(jìn)水平的干法旋窯生產(chǎn)線(xiàn)一條。日產(chǎn)水泥熟料6000噸，年產(chǎn)水泥270萬(wàn)噸，生產(chǎn)的“建磊”牌被評為山東名牌，中國建材行業(yè)知名品牌。水泥質(zhì)量穩定，產(chǎn)品深受用戶(hù)的好評和信賴(lài)。
經(jīng)過(guò)調查和比較，在2009年寶山公司技改工程中，高溫風(fēng)機、生料循環(huán)風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機和煤磨排風(fēng)機采用山東新風(fēng)光公司的6臺高壓變頻器進(jìn)行調速。
6 高壓變頻器主回路控制方案
在風(fēng)機改造過(guò)程中，高溫風(fēng)機（2500kW/10kV、1套）采用“一拖一”控制加自動(dòng)旁路柜，窯頭排風(fēng)機（560kW/10kV、1套）、窯尾排風(fēng)機（1400kW/10kV、1套）、煤磨排風(fēng)機（710kW/10kV、1套和循環(huán)風(fēng)機（1800kW/10kV、2套）采用“一拖一”控制加手動(dòng)旁路柜。
6.1自動(dòng)旁路柜
圖1 自動(dòng)旁路柜
圖1旁路柜在變頻器進(jìn)、出線(xiàn)端增加了兩個(gè)隔離刀閘，以便在變頻器退出而電機運行于旁路時(shí)，能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護工作。
旁路柜主要配置：三個(gè)高壓斷路器（KM1、KM2、KM3）和兩個(gè)刀閘隔離開(kāi)關(guān)K1、K2。KM2與KM3實(shí)現電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當KM1、KM2斷開(kāi)，KM3閉合時(shí)，電機工頻運行。另外，KM1閉合時(shí)，K1操作手柄被鎖死，不能操作；KM2閉合時(shí)，K2操作手柄被鎖死，不能操作。
電機工頻運行時(shí)，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護，切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開(kāi)。
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于KM1、KM2合閘回路。在變頻器故障或不就緒時(shí)，高壓斷路器KM1、KM2合閘不允許；在KM1、KM2合閘狀態(tài)下，若變頻器出現故障，則“合閘允許”斷開(kāi)，KM1、KM2跳閘，分斷變頻器高壓輸入電源。
旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于KM3合閘回路。變頻運行狀態(tài)下，若變頻器出現故障且自動(dòng)投入允許，或者需要將電機從變頻投入到工頻狀態(tài)運行（按下“工頻投切”按鈕），系統將首先分斷變頻器高壓輸入、輸出開(kāi)關(guān)KM1和KM2，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開(kāi)關(guān)KM3合閘，電機投入電網(wǎng)工頻運行。
6.2手動(dòng)旁路柜
圖2 手動(dòng)旁路柜
圖2旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用電磁互鎖操動(dòng)機構，實(shí)現電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當K1、K3斷開(kāi)，K2閉合時(shí)，電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時(shí)，絕對不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現故障時(shí)，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無(wú)效。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
7變頻改造節能情況
為了對比變頻改造節能情況，在相同產(chǎn)量下，對工頻、變頻相應的運行數據進(jìn)行了統計，現將部分數據分析整理如下。
7.1 設備概況
7.2水泥生產(chǎn)風(fēng)機工頻運行數據統計表
7.3水泥生產(chǎn)風(fēng)機變頻運行數據統計表
7.4 直接效益
從上述數據可以明確看出改造后各風(fēng)機相應的節電功率。按月運行30天，年運行10個(gè)月，即300天計算，可推算出風(fēng)機節電量及節電效益。
變頻時(shí)風(fēng)機日節電量：12547＋9857.4＋3539.4＋1797.3＋11153.6+11577.2=50471.9kW·h年節電量： 50471.9kW·h×300天＝1514.16萬(wàn)kW·h。
年節電效益：1514.16萬(wàn)kW·h×0.35元/kW·h＝529.96萬(wàn)元。
7.5間接效益
（1）變頻改造后，實(shí)現電機軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑。
（2）有效地改善了現場(chǎng)運行環(huán)境，由于電機以及負載轉速下降，大大降低了設備噪聲污染，現場(chǎng)操作人員非常歡迎。
（3）功率因數提高到0.95以上，減少了線(xiàn)路損耗。
（4）減少了維護工作量和維護費用，延長(cháng)了設備的使用壽命。
采用變頻技術(shù)調速后，設備隨生產(chǎn)工藝變負荷運行，大大降低了設備負荷率，延長(cháng)了風(fēng)機、電機等設備的使用壽命。
（5）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
與原來(lái)舊系統相比較，變頻器具有過(guò)流、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
（6）調速范圍寬，調速精度高。
與過(guò)去擋板調節風(fēng)量相比較，采用變頻拖動(dòng)風(fēng)機可以在0～50Hz范圍內任意調節，調節精度高，調節頻率波動(dòng)可保持在0.1～0.01Hz范圍內，便于實(shí)現風(fēng)機系統自動(dòng)化控制。
8 結束語(yǔ)
由此可見(jiàn)，山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器在寶山公司水泥生產(chǎn)線(xiàn)風(fēng)機上取得了良好的使用效果。在迄今一年多的運行過(guò)程中，高壓變頻器系統運行穩定，維護量小，節能效果顯著(zhù)，為寶山水泥公司的正常生產(chǎn)和節能降耗做出了貢獻。
