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引言
水泥工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位，水泥產(chǎn)品是建筑工程不可或缺的建筑材料，被稱為建筑業(yè)的基礎(chǔ)。2016年我國(guó)水泥產(chǎn)量約24億t，耗電近2400億kW?h。相當(dāng)于30個(gè)裝機(jī)容量為120萬(wàn)kw(1200MW)的發(fā)電廠為全國(guó)水泥企業(yè)輸送的電能。水泥生產(chǎn)采用新型干法技術(shù)裝備與先進(jìn)的管理，實(shí)現(xiàn)水泥單位電耗降低10(kw?h)/t已成可能，節(jié)省的電量就是3個(gè)上述電廠的發(fā)電量。按近年火力發(fā)電的主要生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)計(jì)算，可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤1944萬(wàn)t，減排二氧化碳4820萬(wàn)t，社會(huì)效益十分顯著。水泥行業(yè)可降低生產(chǎn)成本144億元，平均每個(gè)水泥企業(yè)降低成本415萬(wàn)元，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。故此節(jié)能成為企業(yè)發(fā)展所需。
1、變頻技術(shù)是水泥生產(chǎn)電氣節(jié)能一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)
水泥生產(chǎn)工藝過(guò)程高度概括為“兩磨一燒”，由礦山開(kāi)采，材料處理，生料制備，熟料煅燒，水泥制成，產(chǎn)品包裝發(fā)運(yùn)等工序組成。水泥生產(chǎn)過(guò)程中，電費(fèi)在水泥生產(chǎn)成本中占比約為30%，節(jié)電至關(guān)重要。水泥工業(yè)節(jié)能體現(xiàn)在采用先進(jìn)的水泥生產(chǎn)技術(shù)和方法，合理選擇的工藝流程及優(yōu)化所配置的機(jī)械、電氣設(shè)備，確定產(chǎn)品品種、品質(zhì)與材料的性能指標(biāo)及生產(chǎn)科學(xué)管理等各個(gè)方面。其中電氣節(jié)能尤為關(guān)鍵，它能夠提高機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行效率。水泥廠節(jié)電體現(xiàn)在工藝、技術(shù)、裝備、材料與管理各個(gè)方面，本文僅就電氣節(jié)電技術(shù)的變頻技術(shù)進(jìn)行論述。眾所周知，水泥廠電力系統(tǒng)的構(gòu)成及在供電、配電、使用電能的環(huán)節(jié)中，須科學(xué)實(shí)施的電氣節(jié)能技術(shù)有以下幾個(gè)方面：供配電系統(tǒng)的優(yōu)化，包括電壓的選擇;變壓器的選擇;無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用;合理選擇導(dǎo)線截面及節(jié)能型金具的使用。還有節(jié)能型電氣設(shè)備的應(yīng)用：選用高效節(jié)能型電動(dòng)機(jī);變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用;其中變頻技術(shù)是水泥生產(chǎn)電氣節(jié)能一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
2、變頻調(diào)速節(jié)電技術(shù)的節(jié)電效果
水泥廠的主要拖動(dòng)設(shè)備是電動(dòng)機(jī)，其分布在各個(gè)生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，因此電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量能夠超過(guò)總裝機(jī)容量的90%。故此電動(dòng)機(jī)節(jié)能至關(guān)重要，電動(dòng)機(jī)本體的節(jié)能與其相關(guān)設(shè)備如磨機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵是聯(lián)系在一起的。減少電動(dòng)機(jī)能耗的主要途徑是提高電動(dòng)機(jī)的效率與功率因數(shù)，而在水泥廠的設(shè)計(jì)選型，尤其在已經(jīng)運(yùn)行的生產(chǎn)線電動(dòng)機(jī)，一般是工藝專業(yè)按現(xiàn)行慣例對(duì)機(jī)械設(shè)備配套傳動(dòng)設(shè)備，電機(jī)的功率與減速機(jī)的傳動(dòng)功率、機(jī)械設(shè)備的軸功率按儲(chǔ)備系數(shù)計(jì)算取值，修正后對(duì)照樣本選取確定，由設(shè)備制造廠生產(chǎn)供貨。因此，水泥生產(chǎn)企業(yè)電氣專業(yè)的電動(dòng)機(jī)節(jié)電只能在生產(chǎn)運(yùn)行中體現(xiàn)，包括電動(dòng)機(jī)就地補(bǔ)償，減少低效的電動(dòng)機(jī)的輕載和空載運(yùn)行，為提高這種狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的效率，切實(shí)可行的方法是采用變頻器控制調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。在水泥行業(yè)，風(fēng)機(jī)類負(fù)載約占全部負(fù)荷40%左右。水泥生產(chǎn)線的窯尾廢氣系統(tǒng)，生料粉磨系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)機(jī)及煤磨系統(tǒng)、窯頭除塵、水泥磨除塵器風(fēng)機(jī)，冷卻機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)是負(fù)荷較大的風(fēng)機(jī)，這些風(fēng)機(jī)在使用時(shí)進(jìn)行風(fēng)壓、風(fēng)量調(diào)節(jié)是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)節(jié)能所必須的。風(fēng)壓風(fēng)量的調(diào)節(jié)方式主要有三種：
第一種傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法是改變風(fēng)門大小、檔板的開(kāi)度;
第二種方法是使用液力耦合器;
第三種方法采用變頻調(diào)速技術(shù)。
前兩種方法會(huì)使負(fù)荷運(yùn)行效率低下，節(jié)流或機(jī)械傳動(dòng)浪費(fèi)大量電能。風(fēng)機(jī)類負(fù)載應(yīng)用第三種方法對(duì)風(fēng)壓、風(fēng)量實(shí)施控制，可以降低能耗，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)及保證生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。調(diào)節(jié)生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)類負(fù)載工況所需的風(fēng)壓、風(fēng)量大小，通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行速度就可以實(shí)現(xiàn)，這是目前普遍采用的調(diào)速技術(shù)。同時(shí)，其在提高生產(chǎn)線自動(dòng)化程度，節(jié)約電能，安全啟動(dòng)等方面亦能顯示出優(yōu)勢(shì)。目前在大中型水泥廠，高壓、中壓、低壓各類變頻器的應(yīng)用為節(jié)電做出貢獻(xiàn)。2500t/d以上的新型干法水泥生產(chǎn)線，主要工藝設(shè)備如生料立磨或輥壓機(jī)配置循環(huán)機(jī)、廢氣風(fēng)機(jī)，水泥窯、預(yù)熱器分解爐配置的窯尾高溫風(fēng)機(jī)、窯頭除塵風(fēng)機(jī)、冷卻機(jī)風(fēng)機(jī)及煤磨、水泥磨的除塵風(fēng)機(jī)等，其功率約占全廠設(shè)備總功率的38%~42%。電耗是構(gòu)成水泥生產(chǎn)成本主要因數(shù)，風(fēng)機(jī)電耗約占總電耗的10%~15%，占比相當(dāng)大。所以，對(duì)上述風(fēng)機(jī)配置的電機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造是十分必要的，采用高壓變頻器技術(shù)當(dāng)為首選。某生產(chǎn)線立磨循環(huán)風(fēng)機(jī)軸功率為4000kW，配置相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)。50Hz工頻運(yùn)行，風(fēng)量控制采用調(diào)節(jié)風(fēng)門的方式進(jìn)行，電耗高，因此節(jié)電技術(shù)改造的關(guān)鍵是取消風(fēng)門，取而代之是高壓變頻技術(shù)，進(jìn)行調(diào)速，控制風(fēng)量。電動(dòng)機(jī)與高壓變頻器連接，非工頻運(yùn)行，當(dāng)頻率為43.6Hz時(shí)，節(jié)電率約為20%，還可根據(jù)生產(chǎn)工況可以適當(dāng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，取得理想的節(jié)電效果。又如LB公司生料循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯尾風(fēng)機(jī)、窯頭風(fēng)機(jī)煤磨風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行節(jié)電數(shù)據(jù)見(jiàn)下表1.注：工頻調(diào)速方式，循環(huán)風(fēng)機(jī)：水阻;窯尾風(fēng)機(jī)：液力耦合器開(kāi)度55%;窯頭風(fēng)機(jī)、煤磨風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)風(fēng)門。從表1中風(fēng)機(jī)的工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，水泥生產(chǎn)線的主要大功率工藝設(shè)備并非都是滿負(fù)荷運(yùn)行，電機(jī)在工頻下運(yùn)行時(shí)，若是采用機(jī)械調(diào)節(jié)方法如調(diào)節(jié)擋風(fēng)板開(kāi)度或調(diào)節(jié)閥門開(kāi)啟角度達(dá)到風(fēng)機(jī)(水泵)風(fēng)(水)量，其缺點(diǎn)是：電機(jī)及風(fēng)機(jī)或水泵的轉(zhuǎn)速高，負(fù)荷強(qiáng)度重，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。變頻技術(shù)是改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)風(fēng)量和壓力的變化滿足生產(chǎn)均衡穩(wěn)定的需要，又可取得節(jié)電降低成本，提高效益的效果。
3、變頻技術(shù)與節(jié)電原理
3.1平滑調(diào)速
電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n公式：n=60f/p(1-s)(1)式中：n-電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;f-電機(jī)定子頻率即工頻(電網(wǎng)頻率);p-電機(jī)定子的繞組極對(duì)數(shù);s-滑差(轉(zhuǎn)差率)。由式(1)看出：(1)配置的電動(dòng)機(jī)定子的繞組極P對(duì)數(shù)是固定的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速是相對(duì)固定的;(2)滑差(轉(zhuǎn)差率)S不太大時(shí)，忽略其對(duì)轉(zhuǎn)速n的影響，則轉(zhuǎn)速n與f成正比，表明了改變電源頻率，就可以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)在一定范圍的連續(xù)平滑調(diào)速。對(duì)已配置的電動(dòng)機(jī)而言P是一定的，通過(guò)改變s進(jìn)行調(diào)速可以忽略不計(jì)。因此，異步電動(dòng)機(jī)合理的調(diào)速方法是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速，通過(guò)變頻調(diào)速則可實(shí)現(xiàn)。依據(jù)生產(chǎn)工況，適宜地改變供電頻率f，即可改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。在調(diào)速操作過(guò)程中，從高速(工頻下的速度)到低速(選擇的頻率)調(diào)速具有范圍寬、平滑性較高的優(yōu)點(diǎn)，能夠保持很小的s滑差(轉(zhuǎn)差率)，消耗很小的滑差(轉(zhuǎn)差率)功率。目前異步電動(dòng)機(jī)合理的調(diào)速方式就是變頻調(diào)速，在水泥企業(yè)風(fēng)機(jī)負(fù)載調(diào)速節(jié)能獲得了廣泛的應(yīng)用。水泥熟料生產(chǎn)線，全部風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率約占全廠總功率的35%，其中主要工藝風(fēng)機(jī)約占風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率的60%，風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)節(jié)電舉足輕重，故此探討變頻器節(jié)電技術(shù)的原理須與風(fēng)機(jī)(泵)的特性參數(shù)結(jié)合起來(lái)。
3.2風(fēng)機(jī)(泵)轉(zhuǎn)速n與流量
Q壓力H功率P的關(guān)系流體力學(xué)相似原理定律表明：Q1/Q2=(n1/n2)(2)由(2)式可以看出輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;H1/H2=(n1/n2)2(3)由(3)式可以看出輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2成正比;P1/P2=(n1/n2)3(4)由(4)式可以看出輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3成正比。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)電量可以計(jì)算得出[1]。3.3理論節(jié)電量采用變頻調(diào)速，風(fēng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電量由下式計(jì)算。E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(5)式中：n—額定轉(zhuǎn)速;n′—實(shí)際轉(zhuǎn)速;P—額定轉(zhuǎn)速下的電機(jī)功率;T—工作時(shí)間。式(5)是進(jìn)行變頻改造計(jì)算節(jié)電數(shù)量理論依據(jù)。
4、變頻技術(shù)應(yīng)用
在探討變頻節(jié)能技術(shù)時(shí)，應(yīng)注意到水泥廠的實(shí)際，如5500t/d水泥熟料生產(chǎn)線，全廠總裝機(jī)功率33500kw，全部風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率約13250kw，占全廠總功率的35%，其中主要工藝風(fēng)機(jī)如窯頭、窯尾、生料廢氣處理，煤磨系統(tǒng)、水泥磨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)，冷卻機(jī)系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)，窯頭燃燒器羅茨風(fēng)機(jī)的裝機(jī)功率約7870kw，約占風(fēng)機(jī)裝機(jī)功率的60%，風(fēng)機(jī)變頻技術(shù)節(jié)能尤為重要。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，恒功率負(fù)載三類負(fù)載涵蓋水泥廠的各種機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩類型，而生料磨機(jī)、水泥磨機(jī)、輥壓機(jī)、煤磨機(jī)等工藝設(shè)備因功率大，少有討論變頻技術(shù)的應(yīng)用，同樣是球磨機(jī)，陶瓷廠使用的球磨機(jī)可以采用變頻技術(shù)。水泥廠的變頻技術(shù)的功能還體現(xiàn)在優(yōu)異的電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)及制動(dòng)方面。變頻器在水泥工業(yè)的應(yīng)用比較普遍，鑒于發(fā)展過(guò)程中的技術(shù)進(jìn)步歷程，針對(duì)現(xiàn)在有些企業(yè)變頻器技術(shù)須更新?lián)Q代的情況，結(jié)合以往的變頻器應(yīng)用取得的效果、經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)的實(shí)踐，介紹變頻技術(shù)應(yīng)用案例以資說(shuō)明變頻器的節(jié)電效果，更為重要的是為企業(yè)尋求拓展變頻技術(shù)的應(yīng)用范圍、為企業(yè)采用先進(jìn)變頻技術(shù)提供節(jié)能決策的思路。
4.1高壓變頻器在煤磨排風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
3000t/d生產(chǎn)線，采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)煤磨排風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速1480rpm。電動(dòng)機(jī)型號(hào)YRKK500-4，630kw，10kv，43A。電機(jī)啟動(dòng)方式為液體電阻啟動(dòng)，即轉(zhuǎn)子串接液體電阻啟動(dòng)。啟動(dòng)后電機(jī)立即轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)子滑環(huán)自動(dòng)短接，至此電動(dòng)機(jī)則在工頻下全速運(yùn)行。風(fēng)門開(kāi)度56%時(shí)，電動(dòng)機(jī)平均電流27.5A，功率381.6kw，采用變頻調(diào)速兼啟動(dòng)，變頻頻數(shù)31.6Hz，電流16.2A。變頻器額定容量790kVA，電流45A，輸入電壓10kv，變頻器輸出電壓10kv。節(jié)電率40%。
4.2高壓變頻器-窯尾高溫風(fēng)機(jī)節(jié)能改造效果
窯尾高溫風(fēng)機(jī)型號(hào)W6-2-29-1No19.5，溫度450℃，介質(zhì)密度1.4kg/m3，進(jìn)口風(fēng)量170000m3/h,軸功率556kw，風(fēng)壓8400Pa，風(fēng)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速1450rpm。拖動(dòng)電機(jī)y500-4，額定功率630kw，額定電流43.3A，額定電壓10kv，額定轉(zhuǎn)速1490rpm，額定頻率50Hz,功率因數(shù)0.885，接線方法Y，絕緣等級(jí)F，電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間采用液力耦合器傳遞能量與調(diào)速。變頻器為電壓源型，高-高變換方式。內(nèi)置移相式變壓器，10kv輸入，不設(shè)輸出變壓器、濾波器，適配高壓電動(dòng)機(jī)。變頻器功率單元為多電平串聯(lián)的主控器件。變頻器功率800kw，工頻輸入、頻率范圍50±5Hz，輸入額定電壓10kv，其波動(dòng)范圍±10%，輸入功率因數(shù)0.98。輸出電流50A，輸出頻率范圍0～50Hz，輸出電壓10kv，頻率分辨率0.01Hz，防護(hù)等級(jí)IP20，過(guò)載能力100%～160%連續(xù)1min，160%～220%允許1.5s。加速時(shí)間300s，減速時(shí)間300s。改造前后的工藝參數(shù)相當(dāng)，五級(jí)預(yù)熱器C1出口負(fù)壓4500Pa，轉(zhuǎn)速1170rpm。改造工程中，取消液力耦合器，電機(jī)與風(fēng)機(jī)采用聯(lián)軸器連接。電機(jī)轉(zhuǎn)速比為0.8，改后的輸出轉(zhuǎn)矩為改前的70%，取得節(jié)能效果。
4.3中壓變頻器在水泥廠的應(yīng)用實(shí)踐
風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓風(fēng)量控制有兩種基本方式，擋板控制與液力耦合器控制。采用擋板控制配置繞線式異步電動(dòng)機(jī)，采用液力耦合器為鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。工頻運(yùn)轉(zhuǎn)水電阻啟動(dòng)。采用中壓變頻器，可以保留原電動(dòng)機(jī)，對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，短封轉(zhuǎn)子，定子與變頻器輸出相直接連接，去掉水電阻，啟動(dòng)由變頻器承擔(dān)。去掉擋板，減少了擋板控制的阻力，去掉液力耦合器的機(jī)械損失和容積損失。電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流為額定電流的4～7倍。A水泥廠采用變頻調(diào)速、B水泥廠采用液力耦合器調(diào)速，兩水泥廠生產(chǎn)線規(guī)模相同為5000t/d，相關(guān)節(jié)電數(shù)據(jù)見(jiàn)表2：5000t/t熟料生產(chǎn)線年生產(chǎn)熟料150000t，年節(jié)電量4200000kw?h，降低成本約210萬(wàn)元。水泥企業(yè)應(yīng)用變頻器取得節(jié)電的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低運(yùn)行電流;二是利用變頻器對(duì)電機(jī)的軟啟動(dòng)功能，降低電機(jī)的啟動(dòng)電流，并防止的電網(wǎng)的沖擊。這樣就可使水泥企業(yè)的電力系統(tǒng)及電機(jī)相關(guān)聯(lián)的機(jī)械設(shè)備如減速機(jī)、聯(lián)軸器等，在電機(jī)啟動(dòng)與運(yùn)行中的負(fù)荷強(qiáng)度降低，保護(hù)了電網(wǎng)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用年限。
4.4低壓變頻器用于水泥磨風(fēng)機(jī)的節(jié)電運(yùn)行
水泥磨規(guī)格Φ4.2m×13.5m，產(chǎn)量160t/h。磨機(jī)配置的通風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)風(fēng)量138024m3/h，風(fēng)壓10340Pa，溫度80℃，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速730rpm,風(fēng)門開(kāi)度34%，電機(jī)輸入功率205.9kw。風(fēng)機(jī)配置的電動(dòng)機(jī)型號(hào)YFKK500-8，355kw，10kv，29.1A，745rpm。風(fēng)機(jī)效率低，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷低，經(jīng)過(guò)分析，采用變頻技術(shù)，可以更換新的低壓380v的電機(jī)。電機(jī)型號(hào)YVF2-355L-10，額定功率160kw，額定電壓380v，額定電流333A?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)：風(fēng)量157500m3/h，壓力1426Pa，溫度80℃，轉(zhuǎn)速475～540rpm時(shí)新電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)列入表3。電動(dòng)機(jī)輸入功率在90～110kw可以滿足生產(chǎn)要求[2]，運(yùn)行頻率在30～35之間。
5、結(jié)語(yǔ)
變頻調(diào)速節(jié)能的三大優(yōu)點(diǎn)是：減少電能損耗，降低成本，節(jié)約電能;拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性;改變了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式，真正實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，延長(zhǎng)了它們的使用壽命。文中做了系統(tǒng)的試論。對(duì)于變頻器的功能、性能指標(biāo)及選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：即型號(hào)、電壓級(jí)別、最大適配電機(jī)、電源、控制特性。同時(shí)結(jié)合水泥企業(yè)的規(guī)模、生產(chǎn)實(shí)際、環(huán)境條件、變頻技術(shù)的性價(jià)比進(jìn)行綜合考量，選擇適用變頻節(jié)能技術(shù)。
