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1概述
　　水泥生產(chǎn)行業(yè)是耗能大戶(hù)，我國水泥行業(yè)與國際水泥生產(chǎn)先進(jìn)能耗指標相比，還存在一定差距，節能空間較大。水泥生產(chǎn)能耗成本占總成本大約60%，做好節能工作，企業(yè)就抓住了降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，也抓住了增加利潤、提高競爭力的關(guān)鍵。在水泥行業(yè)推廣應用節能技術(shù)，具有十分重大的意義。
　　曲阜中聯(lián)水泥有限公司是以水泥生產(chǎn)為主業(yè)的中央企業(yè)，是中國聯(lián)合水泥下屬子公司。經(jīng)過(guò)50年的發(fā)展，曲阜中聯(lián)水泥已成為中國500家較大建材工業(yè)企業(yè)之一、全國水泥質(zhì)量百佳企業(yè)、全國水泥企業(yè)50強、國家60戶(hù)重點(diǎn)支持水泥工業(yè)結構調整大型企業(yè)、全國規模較大、設備較先進(jìn)的快硬硫鋁酸鹽水泥生產(chǎn)基地。
　　公司水泥年生產(chǎn)能力300萬(wàn)噸，固定資產(chǎn)10億元，年銷(xiāo)售收入逾6億元，實(shí)現利稅6000萬(wàn)元，是濟寧市較大的水泥企業(yè)。公司主導產(chǎn)品金魯城牌、魯城牌、華冠牌系列水泥通過(guò)了國家產(chǎn)品質(zhì)量認證，是國家免檢產(chǎn)品、消費者信得過(guò)產(chǎn)品、山東名牌產(chǎn)品。
　　公司現有一條日產(chǎn)5000t熟料生產(chǎn)線(xiàn)，水泥生產(chǎn)線(xiàn)上的風(fēng)機，存在“大馬拉小車(chē)”的現象，同時(shí)由于工況、產(chǎn)量的變化，所需的風(fēng)量也要隨之調整，以前通過(guò)調節進(jìn)、出口風(fēng)門(mén)的開(kāi)度來(lái)調整風(fēng)量，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機的效率來(lái)實(shí)現的，電能損耗嚴重。
　　經(jīng)過(guò)多方調研考察，比較性?xún)r(jià)比，曲阜中聯(lián)水泥有限公司選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37系列高壓變頻器2套對生產(chǎn)線(xiàn)上窯尾排風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機進(jìn)行變頻改造。
2 設備參數
　　窯尾高溫風(fēng)機
　　電機參數：
　　型號：YRKK630-6    功  率：1400kW
　　額定電壓：6kV       額定電流：160.8A
　　功率因數：0.875      絕緣等級：F
　　生產(chǎn)廠(chǎng)家：蘭州電機有限公司
　　窯尾排風(fēng)機：
　　電機參數：
　　型號：YRKK450-10      功率：280kW
　　額定電壓：6kV          電流：39.21A
　　功率因數：0.749         絕緣等級：F
　　生產(chǎn)廠(chǎng)家：蘭州電機有限公司
3 水泥生產(chǎn)工藝
　　如圖1所示是水泥廠(chǎng)生產(chǎn)工藝圖。水泥生產(chǎn)工藝主要包括：礦山開(kāi)采、原料破碎、原料均化與存貯、原料配料、原料粉磨與廢氣處理、生料均化與入窯、熟料燒成、熟料入庫與散裝發(fā)運、水泥配料及粉磨、水泥存貯等幾部分；在上述過(guò)程中原料粉磨與廢氣處理、煤粉制備、熟料燒成、水泥配料及粉磨工藝中設計有大功率的風(fēng)機，可進(jìn)行中高壓變頻改造。現結合實(shí)際工藝介紹一下變頻改造主要風(fēng)機的作用。
　　（1）廢氣處理風(fēng)機的主要作用是使在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過(guò)除塵后排入大氣；
　　（2）窯尾排風(fēng)機兼有生料磨循環(huán)風(fēng)機（指兩風(fēng)機系統）與廢氣處理風(fēng)機功能；
　　（3） 窯尾高溫風(fēng)機是熟料生產(chǎn)線(xiàn)上較為重要的負載，高溫風(fēng)機變頻改造是國家在水泥行業(yè)強制執行的標準。

　　圖1 水泥廠(chǎng)生產(chǎn)工藝圖

　　具體的生產(chǎn)流程是：
　　（1）水泥原料的破碎及預均化
　　①破碎：水泥生產(chǎn)過(guò)程中，大部分原料要進(jìn)行破碎，如石灰。
　　②原料預均化：使原料堆場(chǎng)同時(shí)具備貯存與均化的功能。
　　（2）水泥生料制備
　　水泥生產(chǎn)過(guò)程中，每生產(chǎn)1噸硅酸鹽水泥至少要粉磨3噸物料（包括各種原料、燃料、熟料、混合料、石膏），據統計，干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)粉磨作業(yè)需要消耗的動(dòng)力約占全廠(chǎng)動(dòng)力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占約3%，水泥粉磨約占40%。
　　（3）水泥生料均化
　　新型干法水泥生產(chǎn)過(guò)程中，穩定入窯生料成分是穩定熟料燒成熱工制度的前提，生料均化系統起著(zhù)穩定入窯生料成分的最后一道把關(guān)作用。
　　（4）水泥物料的預熱分解
　　把生料的預熱和部分分解由預熱器與分解爐來(lái)完成，代替回轉窯部分功能，達到縮短回轉窯長(cháng)度的目的，同時(shí)使窯內以堆積狀態(tài)進(jìn)行氣料換熱過(guò)程，移到預熱器內在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行，使生料能夠同窯內排出的熾熱氣體充分混合，增大了氣料接觸面積，傳熱速度快，熱交換效率高，達到提高窯系統生產(chǎn)效率、降低熟料燒成熱耗的目的。
　　（5）水泥熟料的燒成
　　生料在旋風(fēng)預熱器中完成預熱和預分解后，下一道工序是進(jìn)入回轉窯中進(jìn)行熟料的燒成。在回轉窯中碳酸鹽進(jìn)一步的迅速分解并發(fā)生一系列的固相反應。
　　（6）水泥粉磨
　　水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗電最多的工序。其主要功能在于將水泥熟料（及膠凝劑、性能調節材料等）粉磨至適宜的粒度（以細度、比表面積等表示），形成一定的顆粒級配，增大其水化面積，加速水化速度，滿(mǎn)足水泥漿體凝結、硬化要求。
　　（7）水泥包裝
　　水泥出廠(chǎng)有袋裝和散裝兩種發(fā)運方式。
　　水泥生產(chǎn)主要工藝過(guò)程簡(jiǎn)要包括為“兩磨一燒”。按主要生產(chǎn)環(huán)節論述為：礦山采運（自備礦山時(shí)，包括礦山開(kāi)采、破碎、均化）、生料制備（包括物料破碎、原料預均化、原料的配比、生料的粉磨和均化等）、熟料煅燒（包括煤粉制備、熟料煅燒和冷卻等）、水泥的粉磨（包括粉磨站）與水泥包裝（包括散裝）等。
4 變頻改造方案
　　（1）窯尾排風(fēng)機的改造方案：
　　原系統是采用繞線(xiàn)電機串電阻降壓?jiǎn)?dòng)，然后全壓運行的方式進(jìn)行控制的，如圖2示。

　　變頻改造后的系統主電路如圖3示，從變頻器的輸入隔離開(kāi)關(guān)QS1、輸出隔離開(kāi)關(guān)QS2各取一對動(dòng)斷觸點(diǎn)串入電阻柜內接觸器KM的合閘回路，保證變頻啟動(dòng)時(shí)切除電阻啟動(dòng)。

　　（2）高溫風(fēng)機電動(dòng)機改造方案
　　原系統主電路如圖4示，原系統電網(wǎng)通過(guò)真空斷路器直接進(jìn)電機，采用液力耦合器進(jìn)行調速。

        變頻改造后主電路如圖5示，把變頻器串在原系統的高壓真空斷路器與電動(dòng)機之間，采用三個(gè)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行工變頻轉換。變頻運行時(shí)閉合QS1、QS2，斷開(kāi)QS3，工頻運行時(shí)閉合QS3，斷開(kāi)QS1、QS2，QS2與QS3在電氣、機械方面雙互鎖，保證電氣回路的安全。考慮到變頻器調試期間的穩定性，先保留液力耦合器，變頻運行時(shí)將液力耦合器調到最大。

　　（3）變頻改造后實(shí)現的功能
　　①實(shí)現工變頻相互手動(dòng)切換。
　　②將變頻控制納入用戶(hù)的DCS系統，實(shí)現遠方/就地控制。
　　③用戶(hù)的以往的保護在變頻時(shí)退出，工頻時(shí)保留。
　　④變頻器除了對電動(dòng)機軟啟動(dòng)外，具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載等保護。

　　（4）高壓變頻器的特點(diǎn)
　　變頻器采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37系列高壓變頻器。該系列變頻器采用H橋單元級聯(lián)式結構，輸入端采用隔離變壓器多級移相疊加的整流方式改善網(wǎng)側的電流波形，減少輸入端的電流諧波成分，提高功率因數，一般可達到0.95以上。輸出側采用先進(jìn)的載波移相技術(shù)，減少輸出端的電壓諧波，實(shí)測輸入、輸出端的諧波都在4%以?xún)龋趪覙藴室蟮姆秶鷥取２⒉捎昧诵屈c(diǎn)漂移、飛車(chē)啟動(dòng)、三次諧波補償技術(shù)、針對高溫風(fēng)機的“塌料”功能等，使整套設備技術(shù)先進(jìn)，單元備份經(jīng)濟，更換方便，維護成本低，設備運行穩定，滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求。
5 高壓變頻器在水泥生產(chǎn)線(xiàn)風(fēng)機應用的主要問(wèn)題與解決措施
　　水泥廠(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)風(fēng)機從工藝上對風(fēng)量、風(fēng)壓的調節要求，對高壓變頻器有一定針對性要求，特別是現場(chǎng)環(huán)境惡劣，一般粉塵較大，而高壓變頻器作為電力、電子器件與較精密的電子控制系統組成的設備，對環(huán)境要求較高，因此在設計、安裝、運行、維護方面要有一定的針對性，主要表現在：
　　（1）高溫風(fēng)機的管道“塌料”導致電動(dòng)機過(guò)電流甚至跳停。
　　由于在旋窯生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的預熱器管壁上的粉塵黏附到一定厚度時(shí)就會(huì )坍塌滑落，造成管道內粉塵濃度加大，阻力增加，負壓升高，使排風(fēng)機負荷增加；如果垂直煙道或預熱器內在清潔皮或有物料塌陷時(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 )不定期的導致電動(dòng)機運行電流在極短的時(shí)間內超出正常電流的數倍，如使用目前通用型變頻器，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。
　　針對這一情況，山東新風(fēng)光電子的科研人員在總結高溫風(fēng)機大量實(shí)踐經(jīng)驗的技術(shù)上，推出了針對水泥生產(chǎn)線(xiàn)的窯尾高溫風(fēng)機的專(zhuān)用變頻技術(shù)，從設備的硬件、控制軟件設計等多方面對高溫風(fēng)機的不定期尖峰負荷運行進(jìn)行全方位有針對性的設計改進(jìn)。
　　①加大變頻器功率單元中IGBT功率器件的電流余量，以增加變頻器承受沖擊電流的能力。
　　②在過(guò)載保護時(shí)，提高保護電流的限值（2.5~3.0Ie），延長(cháng)保護設定時(shí)間（10s）以上，從而實(shí)現“塌料”期間不跳機，保證窯爐正常生產(chǎn)。
　　③“塌料”期間適當降低轉速，以降低電動(dòng)機的輸出軸功率，從而降低輸出電流。
　　采用以上技術(shù)后變頻器有效避免了通用變頻器在運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，與原來(lái)的工頻液力耦合器相比也降低了跳機的可能性，從而使該條水泥生產(chǎn)線(xiàn)達到既節能又增效，降低了電動(dòng)機和風(fēng)機設備的故障率，為水泥企業(yè)保證安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行提供了技術(shù)與設備保障。
　　（2）變頻改造后對原系統的主電路的處理。原來(lái)采用繞線(xiàn)式電動(dòng)機轉子串電阻調速的，可將轉子短接，使滑環(huán)不再流過(guò)電流，從而降低燒損，原來(lái)采用液力耦合器調速的，仍可以保留，只是在變頻運行時(shí)將其調到最大，以便在變頻故障或檢修時(shí)作為備用設備，緊急時(shí)投運。
　　（3）電網(wǎng)電壓的波動(dòng)等電源質(zhì)量對高壓變頻器的影響。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。高壓變頻器對電網(wǎng)的適應范圍寬（-85%~+115%Ue），采用單元故障線(xiàn)電壓均衡技術(shù)、工頻旁路、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)，包括相間短路保護等完善的保護措施，在提高啟動(dòng)力矩和轉速精度的同時(shí)，提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)和負載擾動(dòng)能力，大大提高了運行的可靠性。
　　（4）散熱問(wèn)題與環(huán)境條件。作為電力電子設備，變頻器自身?yè)p耗大約在3%~4%左右，由于高溫風(fēng)機功率較大，一般是1400~1800kW，其自身?yè)p耗約在56~70kW，因此必須做好變頻器室的散熱問(wèn)題。由于水泥廠(chǎng)環(huán)境比較惡劣，現場(chǎng)粉塵較大，可因地制宜的采用空調散熱與風(fēng)道散熱相結合的方式，并需加強防塵設計和日常維護，定期進(jìn)行濾網(wǎng)清潔，從而保證設備的正常運行。
6 應用情況
　　該系統自2012年1月份開(kāi)始進(jìn)行變頻器系統改造，在曲阜中聯(lián)水泥廠(chǎng)的窯尾排風(fēng)機、高溫風(fēng)機上進(jìn)行設備更新，到2012年2月10日投產(chǎn)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的試運行，收到了良好的效果。原來(lái)設備采用繞線(xiàn)電機轉子串電阻調速啟動(dòng)，然后全速運行，靠調整出口擋風(fēng)板的開(kāi)度調節風(fēng)量。這種調速方式存在明顯的缺點(diǎn)：風(fēng)門(mén)調節反應滯后，調節速度慢，調節精度不高；耗能?chē)乐兀瑔?dòng)過(guò)程復雜，電阻損耗大，維護工作量大。采用變頻器改造后，與其他調速方式相比具有巨大的優(yōu)勢。
　　（1）電動(dòng)機可實(shí)現軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流非常小，減輕了對電網(wǎng)及機械部分的沖擊，有利于保護電網(wǎng)及電機。
　　（2）先進(jìn)的“塌料”功能的實(shí)現，基本解決了高溫風(fēng)機由于“塌料”導致的跳閘停運、生產(chǎn)中斷的問(wèn)題，減少了對生產(chǎn)的影響，降低了電動(dòng)機設備的故障率，取得了節能增效的巨大效益，得到了用戶(hù)的好評。
　　（3）改善了工藝，調速精度高，變頻器可以平滑、穩定的調整風(fēng)量，提高了效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩定、可靠。
　　（4）設備運行與維護成本下降。采用變頻調速后，原來(lái)的轉子電阻滑環(huán)燒損、維護工作基本不再存在，避免了設備的維護造成的停產(chǎn)損失，運行的可靠性得到提高。
　　（5）延長(cháng)電機等設備的使用壽命。變頻器實(shí)現了低頻、低壓的軟啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)電流，避免了工頻下4~7倍或3~4倍的大電流，可延長(cháng)電動(dòng)機定子、轉子軸及軸承等電氣及機械壽命。
　　（6）變頻器采用液晶觸摸屏顯示，可隨時(shí)顯示輸入電壓、電流，輸出電壓、電流及運行頻率，非常直觀(guān)的顯示電機在任何時(shí)間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。
　　（7）變頻器具有通用的通訊接口，可以與PLC、工控機、用戶(hù)的DCS上位機等通訊，并可以與原控制設備相連接，構成閉環(huán)控制系統，實(shí)現數據交換與連鎖。
　　（8）節能效果明顯。
　　窯尾排風(fēng)機
　　運行參數：
　　運行頻率：44Hz
　　輸入電流：22A          輸出電流   34A
　　輸入電壓：5950V        輸出電壓  5593V
　　原工頻運行電流是35A，
　　則工頻用電量為：P1=1.732*6000*35*0.749=272.426kW
　　變頻用電量為：P2=1.732*6000*22*0.97=221.765kW
　　節約電量為：△P=P1-P2=272.426-221.765=50.661kW
　　節電率為：η=△P/ P1=50.661/272.426*100%=18.6%
　　高溫風(fēng)機
　　運行參數：
　　運行頻率：47Hz
　　輸入電流：114A          輸出電流   147A
　　輸入電壓：6050 V        輸出電壓  5324V
　　原工頻運行電流是145A
　　則工頻用電量為P1=1.732*6000*145*0.875=1318.485kW
　　變頻用電量為：P2=1.732*6000*114*0.97=1149.147kW
　　節電量為△P=P1-P2=1318.485-1149.147=169.338kW
　　節電率為：η=△P/ P1=169.338/1318.485*100%=12.8%
　　根據以上節能數據可以看出，節電率一般在15%左右，電費若以0.5元/kW·h計算，不到2年即可收回投資。除了節能降耗外，其他方面的效益也是非常明顯的。
7 結論
　　曲阜中聯(lián)水泥廠(chǎng)的變頻風(fēng)機改造結果表明，變頻器在水泥廠(chǎng)相關(guān)設備上的改造是非常成功的，水泥廠(chǎng)有很多的大功率設備，其電能的損耗也是非常嚴重的，可借鑒在風(fēng)機上改造的成功經(jīng)驗，進(jìn)行其他設備的變頻升級改造，其應用前景是非常樂(lè )觀(guān)的。