HARSVERT-A高壓變頻器在水泥回轉(zhuǎn)窯中的應(yīng)用
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摘要：變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于各行各業(yè)，山水集團(tuán)公司于2004年起開始將高壓變頻器應(yīng)用于水泥行業(yè)的電機(jī)節(jié)能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、窯頭煤磨風(fēng)機(jī)、窯頭過剩風(fēng)機(jī)、生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)等的節(jié)能改造，取得了許多成功的改造經(jīng)驗(yàn)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速、液力耦合器 變頻改造
一、前言
變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于各行各業(yè)，我公司于2004年起開始將高壓變頻器應(yīng)用于水泥行業(yè)的電機(jī)節(jié)能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、窯頭煤磨風(fēng)機(jī)、窯頭過剩風(fēng)機(jī)，生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造，取得了許多成功的改造經(jīng)驗(yàn)，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
典型應(yīng)用案例：2007年6-7月，利德華福在山水集團(tuán)中標(biāo)18臺(tái)設(shè)備，其中應(yīng)用較多的是淄博山水水泥公司和平陰山水水泥公司的各兩條日產(chǎn)量5000T生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)、窯頭煤磨風(fēng)機(jī)、窯頭過剩風(fēng)機(jī)，生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)，進(jìn)行變頻節(jié)能改造，都取得良好的節(jié)能效果，下面對(duì)改造情況作一簡單介紹。
二、原來用液力耦合器缺陷
1．液力耦合器屬于一種機(jī)械調(diào)速設(shè)備。液力耦合器的原理決定了液力耦合器有5-8%的速度損失。同時(shí)功率損失變?yōu)闊崃浚挂簤河蜏剡^高。需要大量冷卻水冷卻液壓油。
2. 在實(shí)際運(yùn)行中油溫高于95℃以上，使冷卻器的水易結(jié)垢堵塞，造成故障。
3. 由于液力耦合器是用液壓油傳遞功率，因此速度控制不穩(wěn)定、功率因數(shù)低、調(diào)速精度差。
4. 液力耦合器整機(jī)效率低，功率因數(shù)低，調(diào)速精度差，調(diào)速本身的損耗大、維護(hù)量大、二次成本過高，所以節(jié)能效果不明顯。
三、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)簡介
異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機(jī)最為合理的調(diào)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(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前，變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
（1）由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；
（2）異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上；
（3）可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，無啟動(dòng)沖擊電流，從而降低了啟動(dòng)負(fù)載，減輕了沖擊扭振。
（4）高壓變頻器本身損耗極小，整機(jī)效率在97％以上。
對(duì)離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為：
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW?h)
式中： n是額定轉(zhuǎn)速，n′是實(shí)際轉(zhuǎn)速，P是額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率，T是工作時(shí)間。
可見，通過變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，不但節(jié)能，而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
四、變頻器和液力偶合器的比較
1.HARSVERT-A高壓變頻器調(diào)速范圍為0~100%；液力偶合器的調(diào)速范圍一般為40~95%，即高速段造成約5%的速度損失，影響機(jī)組的出力。液力偶合器最低一般只能到額定速度的40%。
2.HARSVERT-A高壓變頻器在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率（大于96%），而液力偶合器在調(diào)速越低時(shí)效率越低，本身帶來不小的損耗，調(diào)速的節(jié)能效果大打折扣。
3.HARSVERT-A高壓變頻器對(duì)電機(jī)及負(fù)載機(jī)械實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，徹底解決了啟動(dòng)沖擊問題，如果工藝需要，電機(jī)可以在短時(shí)間內(nèi)多次重復(fù)啟動(dòng)。液力偶合器不能解決電機(jī)啟動(dòng)問題，電機(jī)仍然為直接啟動(dòng)，需要啟動(dòng)裝置，啟動(dòng)沖擊也大，并且不能頻繁啟動(dòng)。
4.用HARSVERT-A高壓變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速改造時(shí)，只需脫開原來的開關(guān)和電機(jī)的連接電纜，加入高壓變頻器即可，不動(dòng)電機(jī)和機(jī)械的連接關(guān)系，不用改動(dòng)任何基礎(chǔ)，也不存在場(chǎng)地限制問題。用液力偶合器做調(diào)速改造，必須將液力偶合器串入電機(jī)和機(jī)械的連接軸中，需要移動(dòng)和重新澆注設(shè)備基礎(chǔ)，有些地方空間也未必允許。
5.HARSVERT-A高壓變頻器是高科技設(shè)備，可靠性高，基本免維護(hù)。液力偶合器是機(jī)械設(shè)備，本身包含油路、水路等多套系統(tǒng)，故障率高，維修工作量大，造成有效生產(chǎn)時(shí)間的縮短。
五、高溫風(fēng)機(jī)變頻改造方案
以水泥廠耗電量較高的高溫風(fēng)機(jī)為例，日產(chǎn)5000t的生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV/2500kW，原來用液力耦合器調(diào)速，改造后在高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間由高壓變頻器對(duì)電機(jī)本身進(jìn)行調(diào)速，最后達(dá)到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機(jī)入口）的壓力為工況要求值。
根據(jù)水泥廠提供的負(fù)載參數(shù)及運(yùn)行工況，利德華福為窯尾高溫風(fēng)機(jī)配置高壓變頻器型號(hào)是：HARSVERT-A06/300（額定電壓6kV，額定電流300A）。
六、窯尾高溫風(fēng)機(jī)系統(tǒng)簡介
淄博山水水泥廠和平陰山水水泥生產(chǎn)線為干法懸窯，其窯燒成系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示：
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| 圖1：窯燒成系統(tǒng)流程簡圖 |
日產(chǎn)5000t旋窯是一個(gè)有4度斜角、直徑4.8m、長74m的耐熱鋼筒，內(nèi)鑲各種耐火磚。從預(yù)熱器來的生料從窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動(dòng)來促進(jìn)生料在旋窯內(nèi)高溫下混合、煅燒，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動(dòng)在窯內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機(jī)的作用下，通過預(yù)熱器對(duì)進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風(fēng)機(jī)抽出進(jìn)入廢氣處理（除塵及排出）。
七、改造過程簡述
為減小安裝成本，動(dòng)力電纜保留了原高壓柜至電機(jī)的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至高壓變頻器，再重新由高壓柜到高壓變頻器敷設(shè)一根動(dòng)力電纜，由于高壓變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。
由于此高壓變頻器功率較大，發(fā)熱量較大，為保證足夠的通風(fēng)冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨(dú)立安裝了一整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，把高壓變頻器散出的熱風(fēng)排出室外，保證高壓變頻器整體冷卻通風(fēng)要求。
八、變頻改造節(jié)能情況統(tǒng)計(jì)
變頻改造前后，我們對(duì)相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析整理如下。
1.淄博山水水泥1、2#窯風(fēng)機(jī)改造前后對(duì)比表
淄博山水水泥有限公司改造設(shè)備，應(yīng)用了利德華福共計(jì)8臺(tái)高壓大功率變頻器，分別應(yīng)用以下場(chǎng)合：
| 所用場(chǎng)合 |
電機(jī)功率
（kW） |
改造前電機(jī)功率
（kW） |
改造后電機(jī)功率
（kW） |
| 一線1#循環(huán)風(fēng)機(jī) |
1000 |
790 |
661 |
| 一線2#循環(huán)風(fēng)機(jī) |
1000 |
774 |
681 |
| 一線高溫風(fēng)機(jī) |
2500 |
2221 |
1777 |
| 一線煤磨風(fēng)機(jī) |
630 |
348 |
247 |
| 二線3#循環(huán)風(fēng)機(jī) |
1000 |
830 |
681 |
| 二線4#循環(huán)風(fēng)機(jī) |
1000 |
780 |
632 |
| 二線高溫風(fēng)機(jī) |
2500 |
2420 |
1866 |
| 二線煤磨風(fēng)機(jī) |
630 |
388 |
257 |
從上述數(shù)據(jù)可以明確看出改造后窯系統(tǒng)各風(fēng)機(jī)相應(yīng)的節(jié)電功率。
根據(jù)我們?cè)谠O(shè)備調(diào)試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，按每天24小時(shí)，月運(yùn)行28天，年運(yùn)行11個(gè)月，即7392小時(shí)計(jì)算，可推算出風(fēng)機(jī)的節(jié)電量及節(jié)電效益。
以1#窯所有風(fēng)機(jī)為例計(jì)算節(jié)能效果：
節(jié)電功率：（790－661）+（774－681）+（2221－1777）+（348－247）＝767（kW），年節(jié)電量： 767kW×7392小時(shí)＝566.96萬kW?h，年節(jié)電效益：566.96萬kW?h×0.5元/kW?h＝283.48萬元。
2.平陰山水水泥1、2#窯風(fēng)機(jī)改造前后對(duì)比表
平陰山水水泥有限公司改造設(shè)備，應(yīng)用了利德華福共計(jì)5臺(tái)高壓大功率變頻器，分別應(yīng)用以下場(chǎng)合：
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所用場(chǎng)合 |
電機(jī)功率 |
改造前電機(jī)功率 |
改造后電機(jī)功率 |
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一線高溫風(fēng)機(jī) |
2500KW |
1920 |
1430 |
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一線過剩風(fēng)機(jī) |
630KW |
455 |
345 |
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二線高溫風(fēng)機(jī) |
2500KW |
1890 |
1380 |
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二線煤磨風(fēng)機(jī) |
630KW |
510 |
430 |
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二線過剩風(fēng)機(jī) |
630KW |
425 |
330 |
由于平陰山水水泥窯的密封較好，所以節(jié)能效果也比較好，其中尤以高溫風(fēng)機(jī)效果最好，現(xiàn)簡單計(jì)算高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電量，根據(jù)我們?cè)谠O(shè)備調(diào)試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，平陰山水1#窯在5500T/D的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機(jī)6kV側(cè)電流約為156A，耗電功率約為1430kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約490kW。2#窯在5500t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機(jī)6kV側(cè)電流約為148A，耗電功率約為1380kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約510kW。
按每天24小時(shí)，月運(yùn)行28天，年運(yùn)行11個(gè)月，即7392小時(shí)計(jì)算，可推算出兩臺(tái)高溫風(fēng)機(jī)的節(jié)電量及節(jié)電效益。
1#窯高溫風(fēng)機(jī)：
節(jié)電功率： 1920－1430＝490（kW），年節(jié)電量：490 kW×7392小時(shí)＝362.2萬kW?h，年節(jié)電效益：362.2萬kW?h×0.64元/kW?h＝231.8萬元。
2#窯高溫風(fēng)機(jī)：
節(jié)電功率： 1890－1380＝510（kW），年節(jié)電量：510 kW×7392小時(shí)＝377萬kW?h，年節(jié)電效益：377萬kW?h×0.64元/kW?h＝241.3萬元。
此數(shù)據(jù)為估算節(jié)電值，變頻改造的另一大收益是提高了窯系統(tǒng)的產(chǎn)量近19%，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益也是非常大的。
九、變頻改造總結(jié)
根據(jù)我公司在山水水泥廠各個(gè)風(fēng)機(jī)的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結(jié)高壓變頻器改造有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.安裝簡單，即將原高壓開關(guān)柜與電動(dòng)機(jī)之間插入安裝高壓變頻器，對(duì)原有接線改動(dòng)不大。
2.操作使用方便，高壓變頻器操作只有簡單的開機(jī)、停機(jī)和頻率調(diào)整。
3.能進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣，且調(diào)速精度高，適用性強(qiáng)。
4.保護(hù)功能完善，故障率低，排風(fēng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流小，可靠性高。
5.電動(dòng)機(jī)不需長期高速運(yùn)行，工作電流大幅度下降，節(jié)電效果顯著。
6.由于高壓變頻器取代了液耦調(diào)速，消除了機(jī)械及液壓高故障率的缺陷，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用降低。
7.電動(dòng)機(jī)運(yùn)行振動(dòng)及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
8.交流變頻調(diào)速器，以適用性強(qiáng)、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應(yīng)用在調(diào)速、節(jié)電、軟啟動(dòng)方面，對(duì)企業(yè)有很大的實(shí)用價(jià)值。我公司高壓變頻器在這兩個(gè)水泥廠共對(duì)13臺(tái)電機(jī)進(jìn)行了成功的改造，其節(jié)能效果明顯，且同時(shí)提高了整個(gè)系統(tǒng)的工藝性能，得到用戶的好評(píng)，并在當(dāng)?shù)厮嘈袠I(yè)中產(chǎn)生了很大的影響。
十、結(jié)束語
目前，水泥行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競(jìng)爭(zhēng)，而電動(dòng)機(jī)電耗就占成本近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，因此做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻器技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，故障率較小，是水泥廠節(jié)能改造的理想設(shè)備，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
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