摘要：為了降低廠用電率和提高系統(tǒng)自動化水平, 河南大地水泥有限公司對一期生產線的主要高壓電機進行了變頻改造，并在之后新建的二期生產線上直接采用高壓變頻拖動技術。本文主要介紹了高壓變頻器在河南大地水泥有限公司的應用情況，特別是在二期4500KW原料磨循環(huán)風機大功率電機上的成功應用,并總結了在水泥廠中各風機采用變頻裝置的優(yōu)勢。
關鍵詞：高壓變頻器；水泥廠；大功率電機；優(yōu)勢。![]()
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一、 前言
我國經(jīng)濟目前正處于高速發(fā)展時期，隨著年工業(yè)生產總值的不斷提高，能源消耗也隨之大幅度上升，由于國內工業(yè)發(fā)展比例失調，目前在工業(yè)生產中缺電和電價居高不下的局面已經(jīng)嚴重制約了我國經(jīng)濟的發(fā)展，對此國家提出節(jié)能減排的政策方略。在全國工業(yè)生產總能耗中，建材工業(yè)能耗約占9%，占全國工業(yè)能耗的13%左右。而水泥行業(yè)是建材工業(yè)的資源、能源消耗大戶，其能源消耗占建材行業(yè)總能源消耗的50%以上，資源消耗占建材行業(yè)資源消耗的30%左右，已被列為國家節(jié)能降耗的重點關注領域之一。在當前能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產企業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟效益和最高的勞動生產率，從而提高其市場競爭力。在水泥產品的制程中，電動機負載電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產線而言，其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風機上，因此做好風機電動機的降耗增效工作顯得極為重要。
二、 概述
河南省大地水泥有限公司位于寶豐縣西5公里，距南洛高速寶豐站10公里，交通便利。占地面積1000多畝，現(xiàn)有員工1000多人。是平頂山重點大型工業(yè)企業(yè)之一，并且在2010年6月8日榮膺為國家大型企業(yè)。公司總資產18億元，現(xiàn)有國際領先的日產5500噸的新型干法水泥生產線二條，年產優(yōu)質干法水泥500萬噸，熟料產能400萬噸。實現(xiàn)年銷售收入12.8億元，利稅2.6億元。公司主導產品為“豫寶牌“、“巨坤牌”、42．5級、32．5級普通硅酸鹽水泥其性能、技術指標均優(yōu)于國家標準。產品在省內市場享有很高信譽。
大地水泥有限公司一期生產線的原料磨循環(huán)風機（YRKK900—6，10kV，4500kW) 為轉子繞線異步電機拖動，采用液力耦合器進行調節(jié)，這樣的運行方式存在如下弊端：
液力耦合器調速范圍有限，高速丟轉約5%-10%，低速轉差損耗大，最高可達額定功率的15%，因效率與轉速成正比，低速時效率極低，精度低、線性度差、響應慢、啟動電流大；無法軟啟動，耦合器故障時，無法切換運行，維護復雜、費用大。
窯尾排風機（YRKK710—6，10kV，1600kW)、窯頭排風機（YRKK560—6，10kV，1000kW)為轉子繞線異步電機拖動，運行方式為電機全速運行，依靠風門對風量進行調節(jié)，啟動方式是轉子串水電阻啟動，啟動結束后自動短接轉子滑環(huán)，電機全速運行，這樣的運行方式存在如下弊端：
1.風機調節(jié)反應滯后，調節(jié)速度慢，調節(jié)精度不高。
依靠風門調節(jié)執(zhí)行器來調節(jié)風門開度，受機械部分限制調節(jié)速度有限，調節(jié)精度亦受影響，往往對現(xiàn)場的風量控制不是很到位。并且，隨使用年限增加，擋板開度指示出現(xiàn)偏差，造成調節(jié)的誤差增加。
2.風門調節(jié)浪費電能，不科學，不經(jīng)濟。
實際運行中閥門開啟僅為70%左右，采用風門調節(jié)，人為改變了風道的阻力曲線，大量的能源白白浪費在風門上。
3.電機全速運行受到考驗，電機和風機維護周期短。
因電機全速運行，電機軸瓦和風機等機械部分磨損較快，轉子滑環(huán)的碳刷磨損也較快，更換周期短。
4．啟動過程復雜，水電阻裝置維護工作量大。
由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機不允許全壓直接啟動，因此選用轉子串水電阻啟動，這種啟動方式附帶了很多電氣二次回路，啟動過程復雜，而且本身水電阻裝置維護工作量就比較大，只有在啟動過程的幾十秒內投入使用，使用效率不高。
綜上所述，該水泥廠以上高壓電機的技改勢在必行，要想徹底改變現(xiàn)有工藝，必須從源頭上下功夫，即通過改變電機轉速來調節(jié)風機轉速，從而達到調節(jié)風量的目的，以此來滿足現(xiàn)場工藝的要求。同時大地水泥有限公司已經(jīng)深刻的意識到這方面的問題，不僅著手逐步對一期生產線進行高壓變頻改造，還在二期生產線設計建造時直接將高壓變頻器列為配套設備。
三、 設備改造方案
1、設備參數(shù)及設備選型
2、設計方案
1）為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，大地水泥高壓變頻器方案設計均采用一拖一手動旁路的結構，變頻器同時加裝工頻旁路裝置。變頻器異常時，電機可以手動切換到工頻運行狀態(tài)下運行，以保證生產的需要，其原理圖如下：
QF為甲方側高壓開關柜，由甲方提供；QS1、QS2、QS3由乙方與變頻器配套提供。高壓電源經(jīng)用戶開關柜高壓開關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；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動電動機。進出線刀閘QS1、QS2和旁路刀閘QS3的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開出線刀閘QS2，再斷進線刀閘QS1，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運行。QS1、QS2、QS3安裝在一個刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過機械閉鎖，防止誤操作。電機及用戶側高壓斷路器QF保留甲方原有設備。
四、 大功率高壓變頻器的散熱方式選擇
目前高壓變頻器常見常用散熱方式有：
1、空調密閉冷卻：
該方法主要是為高壓變頻器提供一個固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據(jù)高壓變頻器的發(fā)熱量和房間面積大小計算出空調的制冷量，從而配備一定數(shù)量的空調，利用空調的制冷對對高壓變頻器進行散熱冷卻。
2、空-水冷卻：
高壓變頻器產生的熱量通過風道直接進入空冷裝置進行熱交換，由冷卻水將高壓變頻器產生的熱量帶走，經(jīng)過降溫的冷風循環(huán)至室內，從而保證了高壓變頻器室內良好的運行環(huán)境。冷卻水與循環(huán)風完全分離，水管線在高壓變頻器室外與高壓設備明確分離，確保高壓設備室不會受到防水、絕緣破壞等安全威脅和事故。
3、風機強制冷卻：
變頻器運行產生的熱量由其頂部的數(shù)臺風機抽走，經(jīng)由風道排至室外，同時室內的空氣由變頻器柜底進入變頻器內，在柜內形成一個至下而上的空氣循環(huán)，從而達到散熱的目的。
另外還有空調風機混合冷卻的方式，顧名思義就是同時采用空調冷卻與風機強制風冷，從而達到散熱效果。
在河南大地水泥項目中，由于高壓變頻器與其他電氣柜置于同一電氣室內，沒有為高壓變頻器獨立建筑房屋， 故不宜采用空調密閉冷卻方式；空－水冷卻雖然在理論上散熱效果優(yōu)于強制風冷，但是在使用應用中面臨著冷卻設備故障較高、熱交換介質泄漏、風路應急旁路設計、實際操作復雜等各方面問題，并且初期投資較高，故經(jīng)過各方面因素的均衡與考量，最終決定選用風機強制冷卻的散熱方式。
五、 10kV/4500kW高壓變頻器現(xiàn)場散熱方案介紹
1、變頻器通風量
10kV/4500kW高壓變頻器散熱風機選用德國施樂百公司生產的離心風機8臺，此風機可靠性高，性能優(yōu)異。風機額定風量為4700 m3/h。變頻器總的排風量為4700×8=37600m3/h
2、變頻器發(fā)熱量
當變頻器滿負荷工作時，其總損耗（轉變?yōu)闊崃浚┘s為系統(tǒng)額定功率的3%，10kV/4500kW損耗約為135kW。變頻器如果運行在40Hz，其總損耗（轉變?yōu)闊崃浚┘s為系統(tǒng)額定功率的2%，如此大的熱量如果全部排放到安裝變頻器的室內，將會使室內溫度迅速升高，嚴重影響變頻器的正常運行。
3、進風口與出風口溫差計算
根據(jù)風冷系統(tǒng)的散熱原理，△Q=△t×Qf×Cp×ρ,其中：
△Q：系統(tǒng)總的損耗功率；為135kW，即135000W
△t：空氣進口與出口的溫差；
Qf：總的通風量；為37600m3/h，即10.44 m3/S
Cp：空氣的比熱：1005J/kg℃ 水的比熱：4200J/kg℃
ρ：空氣的密度：1.165kg/m3 水的密度：1000kg/m3
根據(jù)以上條件計算出△t（空氣進口與出口的溫差）。△t≈11℃，此溫升為變頻器運行在額定功率時的溫升，如果環(huán)境溫度為40℃，則出風口溫度在51℃左右，能夠滿足變頻器正常運行的需要。
4、進風口面積計算
進風口的面積需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況進行確定，并且風口應設置空氣過濾網(wǎng)。系統(tǒng)的通風量Qf，假定進風口的風速V不超過3 m/s，由Qf =S×V可知，進風口的面積S≈Qf /V。
系統(tǒng)的通風量Qf=37600m3/h=10.44 m3/S
進風口的面積S≈Qf /V=(10.44 m3/S)/ (3 m/s)=3.48m2
六、 設備運行情況
大地水泥有限公司所安裝的高壓變頻器，從2010年5月底安裝投運的第一臺設備到目前總共安裝運行了4臺高壓變頻裝置，據(jù)用戶反映，設備運行一切正常，達到了用戶預期設計的效果，提高了大地水泥的生產工藝自動化水平、降低了廠用電率。特別是二期原料磨循環(huán)風機4500KW電機在采用變頻調速后，相對一期采用液耦調速的原料磨風機4500KW電機（暫未進行高壓變頻改造），不僅調速范圍寬、調速精度高、響應速度快、運行更加安全可靠，并且節(jié)能效果高達15%，為大地水泥有限公司取得了顯著的經(jīng)濟效益。
七、 改造后效益分析
1、直接效益分析
通過對大地水泥有限公司一、二期水泥生產線的高壓變頻改造，取得了相當可觀的節(jié)能收益。跟據(jù)用戶節(jié)能統(tǒng)計，每臺設備相對一期改造前（一、二期生產線的設計日產量及設備配置完全相同，二期建設時直接加裝了高壓變頻器）的平均節(jié)電率都在10%以上，從設備投入運行開始到現(xiàn)在已經(jīng)為用戶節(jié)約大量電費，為大地水泥的健康長遠發(fā)展奠定了堅實的基礎、做出了巨大的貢獻。
2、間接效益分析
1、變頻改造后，實現(xiàn)電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。
2、電機以及負載轉速下降，系統(tǒng)效率得到提高，取得節(jié)能效果。大大減少了對設備的維護量，節(jié)約了人力物力資源。
3、由于電機以及負載采用轉速調節(jié)后，工作特性改變，設備工況得到改善，延長設備使用壽命。
4、功率因數(shù)由原來的0.85左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補償裝置，而且減少了線路損耗。
5、廠房設備噪聲污染將降低。
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，保護了環(huán)境。
8、負載改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術，因此在理論上可以消除47次以下諧波。由于實際制造工藝的限制，網(wǎng)側電壓諧波總含量可以控制在2％以內，電流諧波總含量小于2％。延長了電機的使用壽命。
9、變頻輸出采用PWM技術控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于2％，上述指標均滿足IEEE-519國際電能質量諧波標準要求。延長了電機的使用壽命。
