高壓變頻器在水泥行業(yè)中的應(yīng)用

　　大連小野田水泥有限公司是中日合資的大型水泥生產(chǎn)企業(yè)，成立于1989年7月28日，總投資1.88億美元，現(xiàn)有員工400人。該公司日產(chǎn)熟料4000噸，年產(chǎn)水泥137萬噸，是國內(nèi)規(guī)模較大，設(shè)備最先進(jìn)的水泥生產(chǎn)企業(yè)之一。生產(chǎn)線匯集了當(dāng)今世界水泥制造業(yè)最先進(jìn)的RSP五級窯外分解技術(shù)以及德國、法國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家先進(jìn)的水泥制造設(shè)備。該公司注重挖掘企業(yè)自身潛力，強(qiáng)化節(jié)能意識(shí)，并付諸于實(shí)施，對其窯尾EP羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻器改造，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 

　　一、窯尾EP羅茨風(fēng)機(jī)改高壓變頻器拖動(dòng)的必要性 
　　大連小野田水泥廠冷卻機(jī)EP羅茨風(fēng)機(jī)（電除塵風(fēng)機(jī)）為日本安川轉(zhuǎn)子繞線異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，原有的運(yùn)行方式為電機(jī)全速運(yùn)行，依靠調(diào)整出口擋風(fēng)板的開度來調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機(jī)不允許全壓直接啟動(dòng)，因此選用轉(zhuǎn)子繞線式異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)方式是轉(zhuǎn)子串水電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后再自動(dòng)短接轉(zhuǎn)子滑環(huán)，電機(jī)全速運(yùn)行（項(xiàng)目初期運(yùn)行時(shí)，是采用水電阻調(diào)速運(yùn)行方式，但是投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)這種調(diào)速方式反而比風(fēng)門調(diào)節(jié)更加不經(jīng)濟(jì)，索性其只作為啟動(dòng)時(shí)使用），這樣的運(yùn)行方式存在如下弊端： 

　　1、風(fēng)門調(diào)節(jié)反應(yīng)滯后，調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)精度不高。 
　　依靠風(fēng)門調(diào)節(jié)執(zhí)行器來調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，本身是一個(gè)不得已的舉措，因風(fēng)門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)含有相當(dāng)一部分的機(jī)械機(jī)構(gòu)，受機(jī)械部分限制調(diào)節(jié)速度有限，調(diào)節(jié)精度亦受到影響，往往對現(xiàn)場的風(fēng)量控制不是很到位，甚至滿足不了現(xiàn)場工藝的要求 。 

　　2、風(fēng)門調(diào)節(jié)浪費(fèi)電能，不科學(xué)，不經(jīng)濟(jì)。 
　　采用風(fēng)門調(diào)節(jié)固然結(jié)構(gòu)簡單，投資較小，但是在節(jié)能意識(shí)日益加強(qiáng)的今天顯然不合適，水泥廠初期投建的時(shí)候，出于后續(xù)可能擴(kuò)建及運(yùn)行安全的角度，電機(jī)及風(fēng)機(jī)的裕量選用較大，存在嚴(yán)重的大馬拉小車的現(xiàn)象。事實(shí)上，電機(jī)額定電流為45A，而電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流平均僅為35A 左右，采用風(fēng)門調(diào)節(jié)，人為改變了風(fēng)道的阻力曲線，大量的能源白白浪費(fèi)在了風(fēng)門上，在能源日益緊缺的今天，顯然已經(jīng)嚴(yán)重落伍，改造勢在必行。 

　　3、電機(jī)全速運(yùn)行受到考驗(yàn)，維護(hù)周期短。 
　　因電機(jī)全速運(yùn)行，電機(jī)軸承等機(jī)械部分磨損嚴(yán)重，另外，由于是轉(zhuǎn)子繞線式異步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子的高速運(yùn)行對于其機(jī)械部分一樣有百害無一益，轉(zhuǎn)子滑環(huán)上的碳刷磨損相當(dāng)嚴(yán)重，更換周期短。 

　　4、啟動(dòng)過程復(fù)雜，水電阻裝置維護(hù)工作量大。 
　　由于企業(yè)自身電網(wǎng)容量有限，電機(jī)不允許全壓直接啟動(dòng)，因此選用轉(zhuǎn)子繞線式異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)方式是轉(zhuǎn)子串水電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后再自動(dòng)短接轉(zhuǎn)子滑環(huán)，這樣的啟動(dòng)方式附帶了很多電氣二次回路，啟動(dòng)過程復(fù)雜，而且本身水電阻裝置維護(hù)工作量就比較大，只有在啟動(dòng)過程的20幾秒內(nèi)投入使用，使用效率不高，然而卻不可缺，顯然已經(jīng)屬于落后工藝。 
綜上所述，窯尾EP羅茨風(fēng)機(jī)改造勢在必行，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(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的，以此來滿足現(xiàn)場工藝的要求。 

　　二、調(diào)速方式的選擇 
　　目前，大功率高壓異步電動(dòng)機(jī)的主要調(diào)速方式有以下幾種：串級調(diào)速、內(nèi)反饋串級調(diào)速、液力耦合器調(diào)速及變頻調(diào)速等。 

　　1、串級調(diào)速—優(yōu)點(diǎn)是可以回收轉(zhuǎn)差功率，所以調(diào)速效率比較高，但存在的問題也很多：它不適合于現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子繞線式異步電機(jī)，必須更換電機(jī)：不能實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)過程非常復(fù)雜；啟動(dòng)電流大；調(diào)速范圍有限；響應(yīng)慢，不易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；功率因數(shù)和效率低，并隨著轉(zhuǎn)速的調(diào)低急劇下降；很難實(shí)現(xiàn)同PLC和DCS等控制系統(tǒng)的配合，對提高裝置的整體自動(dòng)化程度和實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制無益；同時(shí)因控制裝置比較復(fù)雜、諧波污染大對電網(wǎng)有較大干擾；進(jìn)一步限制了它的使用，屬落后技術(shù)。 

　　2、內(nèi)反饋串級調(diào)速—內(nèi)反饋串級調(diào)速是在串級調(diào)速基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它在普通繞線電動(dòng)機(jī)的定子繞組（稱主繞組）同槽放置一套繞組（稱調(diào)節(jié)繞組）而制造成的內(nèi)反饋串級調(diào)速電機(jī)，將該電動(dòng)機(jī)部分轉(zhuǎn)子能量取出以改變電動(dòng)機(jī)用以產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使主繞組從電網(wǎng)吸收的能量下降來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。優(yōu)點(diǎn)：具有串級調(diào)速的全部優(yōu)點(diǎn)，體積小。缺點(diǎn)：需更換專用電機(jī)，滑環(huán)處理不當(dāng)容易出現(xiàn)事故；雖采用頻敏變阻器啟動(dòng)，但啟動(dòng)電流仍很大（3-4Ie）,對電機(jī)和電網(wǎng)的沖擊很大，啟動(dòng)復(fù)雜；調(diào)速范圍很?。惠斎牍β室驍?shù)和效率低；電機(jī)側(cè)由于可控硅的逆變衍生出大量的高次諧波，對電機(jī)的絕緣造成老化，引起電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、附加發(fā)熱和噪聲污染，所以電纜要求加粗使用；電機(jī)喘振現(xiàn)象無法消除。仍屬于落后技術(shù)。 

　　3、液力耦合器調(diào)速—屬低效調(diào)速方式，調(diào)速范圍有限，高速丟轉(zhuǎn)約5%-10%，低速轉(zhuǎn)差損耗大，最高可達(dá)額定功率的15%，因效率與轉(zhuǎn)速成正比，低速時(shí)效率極低，精度低、線性度差、響應(yīng)慢、啟動(dòng)電流大、裝置大，必須加裝在設(shè)備和電機(jī)之間，不適合改造；無法軟啟動(dòng)，耦合器故障時(shí)，無法切換運(yùn)行，維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用大，不能滿足提高裝置整體自動(dòng)化水平的需要。 

　　4、高壓變頻調(diào)速—由于應(yīng)用了先進(jìn)的電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和高壓電氣、電機(jī)拖動(dòng)等綜合性領(lǐng)域的學(xué)科技術(shù)，因此具有其他調(diào)速方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)： 
　?。?）變頻器采用液晶顯示數(shù)字界面，調(diào)整觸摸式面板，可隨時(shí)顯示電壓、電流、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速，可非常直觀地顯示電機(jī)在任何時(shí)間的實(shí)時(shí)狀態(tài)。 
　?。?）精確的頻率分辨率和高的調(diào)速精度，完全可以滿足各種生產(chǎn)工藝工況的需要。 
　?。?）高壓變頻器具有國際通用的外部接口，可以同可編程控制器（PLC）和工控機(jī)等各種儀表連接，并可以與原設(shè)備控制回路相連接，構(gòu)成部分閉環(huán)系統(tǒng)，如與原DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和聯(lián)鎖控制。 
　　（4）具有電力電子保護(hù)和工業(yè)電氣保護(hù)功能，保證變頻器和電機(jī)在正常運(yùn)行和故障時(shí)安全可靠。 
　?。?）電機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟制動(dòng)；啟動(dòng)電流小，小于電機(jī)的額定電流；電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)間可連續(xù)可調(diào)，減少了對電網(wǎng)的影響。 
　?。?）具有就地和異地操作功能，另可通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。 
　?。?）減少配件損耗，延長設(shè)備使用壽命，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。 

　　通過對幾種調(diào)速方式的比較，最終，大連小野田水泥廠決定采用高壓變頻器對EP風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，對比了國內(nèi)外的所有廠家，基于以下幾點(diǎn)原因，選用了利德華福生產(chǎn)的高壓變頻器： 
　?、賴鴥?nèi)高壓變頻器廠家中業(yè)績最多； 
　　②系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定； 
　?、廴形慕缑骘@示，適合國內(nèi)用戶； 
　?、茚槍鴥?nèi)用戶量身定做，盡量考慮國內(nèi)電網(wǎng)的綜合因素，在其可靠性，安全性方面有其獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢； 
　?、輧?nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要。 

　　三、改造項(xiàng)目具體實(shí)施方案及過程 
　　根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，旁路柜采用了一拖一手動(dòng)方案。此結(jié)構(gòu)是手動(dòng)旁路的典型方案,原理是由3個(gè)高壓隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3組成（見圖1，其中QF為原高壓開關(guān)柜內(nèi)的斷路器）。要求QS2和QS3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。變頻運(yùn)行時(shí)，QS1和QS2閉合，QS3斷開；工頻運(yùn)行時(shí)，QS3閉合，QS1和QS2斷開。 

圖1：高壓變頻器工頻旁路原理圖 

優(yōu)點(diǎn)是:在檢修高壓變頻器時(shí)，有明顯斷電點(diǎn)，能夠保證人身安全，同時(shí)也可手動(dòng)使負(fù)載投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行等。缺點(diǎn)：高壓變頻器故障時(shí)，不能自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)為工頻。 

　　現(xiàn)場原有的水電阻裝置繼續(xù)保留，高壓變頻器安裝后，與原有的水電阻二次回路結(jié)合，取高壓變頻器的變頻狀態(tài)信號（QS1,QS2閉合后輸出變頻狀態(tài)信號）送至水電阻二次回         路，該信號有效后通過原有水電阻二次回路，直接短接電機(jī)轉(zhuǎn)子滑環(huán)，切除水電阻裝置，由高壓變頻器對電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)；取高壓變頻器工頻旁路信號（QS3閉合后輸出工頻旁路狀態(tài)信號），該信號有效后通過原有水電阻二次回路，恢復(fù)高壓電機(jī)的串水電阻調(diào)速功能，以備高壓變頻器故障期間，用戶仍可以通過原有啟動(dòng)回路啟動(dòng)設(shè)備工頻運(yùn)行。 

　　小野田水泥廠目前高壓網(wǎng)絡(luò)共有兩條線路，一用一備，當(dāng)一條線路出現(xiàn)故障斷電時(shí)，可以在2秒鐘內(nèi)自動(dòng)切換為備用高壓線路，期間負(fù)荷高壓開關(guān)并不分?jǐn)啵谶M(jìn)行高壓變頻器改造前，因風(fēng)機(jī)的慣性比較大，斷電2秒鐘，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速稍有下降，2秒鐘后即恢復(fù)全速運(yùn)行，對現(xiàn)場工藝影響可以說是微乎其微，進(jìn)行高壓變頻器改造后，這樣的切換對由功率器件組成的高壓變頻器而言則凸現(xiàn)隱患，這就需要高壓變頻器具備三秒不停機(jī)功能，滿足現(xiàn)場要求?，F(xiàn)場配備的高壓變頻器為5級功率單元多電平串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其每個(gè)功率單元內(nèi)部的控制單元電源取自移相變壓器的二次側(cè)，當(dāng)高壓掉電瞬間，該控制單元隨即失電，高壓變頻器主控器所有的控制指令無法通過功率單元控制單元作用于各個(gè)功率單元，因此高壓變頻器將作為高壓失電作停機(jī)處理。基于此種情況，現(xiàn)場對原有的高壓變頻器內(nèi)部控制邏輯進(jìn)行適當(dāng)修改，即當(dāng)高壓電斷電瞬間，通過變頻器內(nèi)置PLC，對高壓變頻器主控器進(jìn)行復(fù)位，屏蔽所有功率單元在高壓掉電時(shí)所報(bào)的所有單元故障，直到高壓再次在3秒鐘內(nèi)正常，功率單元帶電正常后，記憶高壓斷電前的運(yùn)行頻率，執(zhí)行飛車啟動(dòng)，因風(fēng)機(jī)慣性較大，此過程對風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速影響微乎其微，現(xiàn)場調(diào)試期間，曾經(jīng)做過類似的實(shí)驗(yàn)，高壓變頻器拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，在高壓開關(guān)就地人為分?jǐn)喔邏洪_關(guān)，三秒鐘內(nèi)再合開關(guān)，高壓變頻器運(yùn)行正常，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降，結(jié)論表明，這樣的處理方式完全滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求。 
現(xiàn)場設(shè)備名牌參數(shù)如下： 

高壓變頻器參數(shù)  

    
電機(jī)名牌參數(shù) 

　　四、改造效果 

　　1、節(jié)能效果相當(dāng)明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著 
小野田水泥廠EP風(fēng)機(jī)變頻改造后，取得了顯著的節(jié)能效果，改造前風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開度經(jīng)常在40%左右，電機(jī)全速運(yùn)行，改造后，風(fēng)機(jī)變速運(yùn)行，因現(xiàn)場工況變化不是很大，變頻調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在31赫茲左右，與調(diào)節(jié)檔板時(shí)的消耗功率大大減小，節(jié)電效果與經(jīng)濟(jì)效益顯著。變頻改造前后，電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)如下表所示 

　　上述表格中，改造前電機(jī)平均功率計(jì)算方法為： 
　　32×1.732×6×0.8=266kW 

　　改造后電機(jī)平均功率計(jì)算方法為： 
　　7.5×1.732×6×0.95=74kW 
　　注：變頻運(yùn)行時(shí)，變頻輸入的功率因數(shù)為0.95；電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)為電機(jī)功率因數(shù)0.80。 

　　根據(jù)以上實(shí)際數(shù)據(jù)，可以得出，改造后EP風(fēng)機(jī)的節(jié)電率為： 
　　（266-74）/266=72.2% 
　　該設(shè)備每年檢修一次，檢修時(shí)間為30天，其余時(shí)間均運(yùn)行，我們按一年運(yùn)行300天，實(shí)際電費(fèi)按一度電0.5元計(jì)算，則一年節(jié)省電費(fèi)為： 
　?。?66-74）×300×24×0.5=69.1萬元。 

　　2．改善工藝。 
現(xiàn)將改造前及改造后現(xiàn)場工況列表如下： 

  參考上述表格，可以看出： 

　　EP電除塵風(fēng)機(jī)變頻改造后，取得的間接效果也是十分明顯的，因?yàn)樽冾l調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)常運(yùn)行在30赫茲左右，電機(jī)及風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度降低，電機(jī)及風(fēng)機(jī)的軸溫降低，噪音降低，整體維護(hù)周期大大縮短；運(yùn)行人員在DCS側(cè)通過監(jiān)控界面很方便的調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行頻率，高壓變頻器的頻率分辨率精確到0.01赫茲，調(diào)節(jié)及時(shí)，調(diào)節(jié)精度高。 

　　改造前用戶曾經(jīng)擔(dān)心電機(jī)降速后，自身冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)散熱效果不好，電機(jī)可能會(huì)有過熱的問題，實(shí)際該問題并沒有出現(xiàn)。因?yàn)殡姍C(jī)降速后，雖然自身冷卻效果下降，但是電機(jī)降速后輸出功率大大降低（電機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比），事實(shí)表明，改造后，電機(jī)的溫升不但沒有升高，反而有所下降。 

　　五、結(jié)論 

　　節(jié)約能源是我國的基本國策，國家制定了“節(jié)能中長期專項(xiàng)規(guī)劃”，為落實(shí)此規(guī)劃目標(biāo)，國家發(fā)改委最近啟動(dòng)了十大重點(diǎn)節(jié)能工程，作為耗能大戶的水泥行業(yè)是國家宏觀調(diào)控的重點(diǎn)，也是節(jié)能的重點(diǎn)行業(yè)，通過各種措施，如果能把生產(chǎn)每噸水泥電耗控制在100kW·h內(nèi)，按我國水泥年產(chǎn)12億噸計(jì)算，如達(dá)到節(jié)能指標(biāo)，則每年可節(jié)約百萬噸煤，節(jié)電百億度，并且可使廢氣排放量降低，有利于保護(hù)環(huán)境，同時(shí)也降低了企業(yè)成本。大連小野田水泥廠EP電除塵風(fēng)機(jī)的變頻改造，達(dá)到了節(jié)電和改善工藝的效果，取得了圓滿成功。目前在我國，水泥行業(yè)相對于其它如冶金、電力等行業(yè)，高壓變頻器改造的進(jìn)度相對緩慢，如果中國大多數(shù)水泥制造企業(yè)都能如大連小野田水泥廠，合理、深度挖掘自身潛力，那么有理由相信，中國的天將會(huì)更藍(lán)，水會(huì)更清，節(jié)能型的和諧社會(huì)美好前景定會(huì)展現(xiàn)在我們的面前！