摘要：
黔桂興義年產(chǎn)240萬噸水泥廠生產(chǎn)線技改項目于2012年10月初點火投入試生產(chǎn)。該項目綜合利用興義電廠粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)廢渣而實施的改擴(kuò)建項目，每年可綜合利用粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)廢棄物80多萬噸，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.5萬噸，減少二氧化碳排放量2.4萬噸。黔桂金州4500t/d的水泥生產(chǎn)線中的窯頭排風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、生料磨循環(huán)風(fēng)機、煤磨排風(fēng)機、水泥磨循環(huán)風(fēng)機、水泥磨排風(fēng)機原來采用風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量與風(fēng)壓，在負(fù)壓發(fā)生變化時，需要人工調(diào)節(jié)風(fēng)門，由于人調(diào)節(jié)不準(zhǔn)，造成電能嚴(yán)重的浪費。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家已廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，在我國也是國家重點推廣的節(jié)電新技術(shù)。本工程利用成熟、先進(jìn)、可靠的技術(shù)進(jìn)行風(fēng)機系統(tǒng)變頻節(jié)能改造，是典型的節(jié)能改造項目，符合國家的環(huán)保節(jié)能政策。
關(guān)鍵詞：變頻 節(jié)能 改造
一.設(shè)備改造背景
現(xiàn)場中的生料磨循環(huán)風(fēng)機等高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨生產(chǎn)負(fù)荷變化而變化，只有通過改變風(fēng)門、檔板的開度來調(diào)整，這導(dǎo)致負(fù)載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節(jié)流損失中。
為了提高水泥生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、降低能耗以及系統(tǒng)的綜合可靠性，生料磨循環(huán)風(fēng)機等設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)擬采用全數(shù)字交流高壓變頻器實施控制。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是直接串聯(lián)于高壓電源與高壓電機之間的變頻調(diào)速設(shè)備，以其現(xiàn)場改造、安裝方便以及安全、良好的運行性能正快速的替代其它調(diào)速產(chǎn)品，全面的進(jìn)入到水泥行業(yè)的節(jié)能改造項目中。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的目的是改變設(shè)備的運行速度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況所需風(fēng)壓、風(fēng)量的大小，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，既滿足了生產(chǎn)要求，又達(dá)到了節(jié)約電能，并且減少了因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損以及因經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時使維護(hù)量大大降低，為水泥廠帶來了可觀的效益，切實響應(yīng)了國家節(jié)能降耗的號召。
二.主設(shè)備概況
1)生料磨循環(huán)風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共1臺)
2)、窯尾風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共1臺)
3)、窯頭風(fēng)機參數(shù)-目前用水電阻啟動(共1臺)
4)、水泥磨排風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共2臺)
5)、水泥磨循環(huán)風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共2臺)
6)、煤磨通風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共1臺)
三、改造前、后設(shè)備控制方式
1.改造前控制方式(水電阻啟動)
液體電阻起動控制器是采用特種介質(zhì)的水溶液作為電阻，在特別設(shè)計的液體電阻箱中引入極板做電極串入電機轉(zhuǎn)子回路中，當(dāng)電動機起動時，由一小功率伺服電機帶動極板移動來改變極板的相對位置，使液體電阻(串入轉(zhuǎn)子回路的)由大到小作無級變化，從而使電機低電流平滑起動。
2. 改造后控制方式
由于原水阻柜安裝在轉(zhuǎn)子側(cè)，因此在變頻改造時，保持原水阻柜的接線方式即可。并配置如下圖所示的短接柜，當(dāng)變頻器故障時手動切換到旁路運行，通過原水阻柜系統(tǒng)工頻啟動。
手動旁路柜中有三個隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3，其中QS2和QS3為一個雙刀雙投的隔離開關(guān)。雙刀雙投隔離開關(guān)的特點是兩個方向只能合其一，實現(xiàn)機械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側(cè)而導(dǎo)致變頻器損壞。
變頻運行：QS1、QS3閉合，QS2斷開，由合閘斷路器QF為變頻器供電，再通過變頻器本地或遠(yuǎn)程啟動電機變頻運行;
工頻運行：QS1、QS3斷開，QS2閉合，由合閘斷路器QF直接啟動電機運行;
變頻器維護(hù)、修理：QS1、QS3斷開，變頻器與高壓電源完全隔離。
旁路柜與上級高壓斷路器QF有聯(lián)鎖關(guān)系，旁路柜隔離開關(guān)未合到位時，不允許QF合閘，QF合閘時，絕對不允許操作隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。隔離開關(guān)與QF的聯(lián)鎖通過操作手柄上的電磁鎖實現(xiàn)，在QF合閘狀態(tài)下，操作手柄被鎖死。
為了保護(hù)變頻器，在變頻器與斷路器QF之間還有電氣聯(lián)鎖，聯(lián)鎖信號有：
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯(lián)后，串聯(lián)于高壓開關(guān)合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，變頻器故障或不就緒時，斷路器QF合閘不允許;旁路投入狀態(tài)時，合閘閉鎖無效。
故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入;旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。
QF保護(hù)整定：保持原有對電機的保護(hù)及其整定值不變。
短接柜：短接柜主要是為了實現(xiàn)旁路柜工頻旁路時能投運原系統(tǒng)，將原水阻串入回路。短接柜中有一個真空接觸器KM1，變頻運行時：KM1閉合;工頻運行：KM1斷開。
五. 參數(shù)對比
5.1 節(jié)能分析
5.1.1 變頻調(diào)速的方法
交流異步電動機的輸出轉(zhuǎn)速由下式確定：
n=60f(1—S)/p
式中 n——電動機的輸出轉(zhuǎn)速;
f——輸入的電源頻率;
S——電動機的轉(zhuǎn)差率;
p——電機的極對數(shù)。
由公式(1)可知，變頻調(diào)速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)交流電動機的輸出轉(zhuǎn)速的目的。
變頻調(diào)速系統(tǒng)是從電網(wǎng)直接接收工頻50Hz的交流電，經(jīng)過交-直-交變頻方式，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電直接輸出到交流電動機，實現(xiàn)交流電動機的變速運行。
5.1.2 變頻調(diào)速的節(jié)能原理
風(fēng)機(水泵)類負(fù)載設(shè)備的工作特性圖如下：
曲線①為負(fù)載按轉(zhuǎn)速N1工作時的特性曲線，曲線②為負(fù)載按轉(zhuǎn)速N2工作時的特性曲線，③④為管網(wǎng)的阻力曲線。
在第一種負(fù)載工況下，負(fù)載工作在A點，流量為Q1，壓力為H1。如果負(fù)載仍然按N1速度定速運行，用擋板將流量調(diào)節(jié)為Q2時，壓力將上升到H3，負(fù)載工作點移到B點。由于擋板的截流作用，管網(wǎng)阻力曲線由③變?yōu)棰堋?/P>
在A、B兩點，負(fù)載功率分別為PA=H1×Q1，PB=H3×Q2，雖然Q2H1，實際減小的功率有限。
如果不采用擋板調(diào)節(jié)，這時管網(wǎng)阻力特性保持曲線③不變，改用調(diào)節(jié)負(fù)載速度來減小流量，負(fù)載改按速度N2運行，工作特性為曲線②，負(fù)載工作在C點，流量仍然為Q2，但壓力為H2。
相比B、C兩點，負(fù)載減少的軸功率為：ΔP=PB- PC=(H3 –H2)×Q2
在風(fēng)道阻力特性不變的情況下，離心式風(fēng)機的風(fēng)量Q、壓力H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間滿足如下關(guān)系(相似定理)：
Q∝N，H∝N2,P∝N3
所以有：
就是說，通過調(diào)速方式改變風(fēng)機風(fēng)量，風(fēng)量下降一半時，在不考慮到效率的情況下，風(fēng)機軸功率將下降87.5%。這也是為什么變頻調(diào)速在風(fēng)機應(yīng)用上節(jié)能十分顯著的原因。
另外，工頻50Hz電網(wǎng)直接啟動，對電網(wǎng)和機械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動一次的損耗:Ws=0.5Jwo2(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，風(fēng)機、水泵類負(fù)載的平方轉(zhuǎn)矩特性與異步電動機起動時的機械特性曲線部分相似，可以Tm/Tm-TL=1計。而變頻軟起動損耗很小，只有上述Ws十分之一，則每年的起動節(jié)能也是很可觀的。
當(dāng)采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(shù)為接近l,工作電流比電機額定電流值要低許多,這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用,可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。
5.2實際節(jié)能
在同樣產(chǎn)能情況下(生料投料385T/h，水泥磨150T/h)，以通過該設(shè)備高壓開關(guān)實際電流測算。
六、總結(jié)
采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作，通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低電機的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命;同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費用。
工作強度降低。由于調(diào)速系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制，機組實現(xiàn)自動運行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。
減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。
【作者：貴州黔桂金州建材有限公司 李恒剛 黃菲】
摘要：
黔桂興義年產(chǎn)240萬噸水泥廠生產(chǎn)線技改項目于2012年10月初點火投入試生產(chǎn)。該項目綜合利用興義電廠粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)廢渣而實施的改擴(kuò)建項目，每年可綜合利用粉煤灰、脫硫石膏等工業(yè)廢棄物80多萬噸，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2.5萬噸，減少二氧化碳排放量2.4萬噸。黔桂金州4500t/d的水泥生產(chǎn)線中的窯頭排風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、生料磨循環(huán)風(fēng)機、煤磨排風(fēng)機、水泥磨循環(huán)風(fēng)機、水泥磨排風(fēng)機原來采用風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量與風(fēng)壓，在負(fù)壓發(fā)生變化時，需要人工調(diào)節(jié)風(fēng)門，由于人調(diào)節(jié)不準(zhǔn)，造成電能嚴(yán)重的浪費。目前工業(yè)發(fā)達(dá)國家已廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，在我國也是國家重點推廣的節(jié)電新技術(shù)。本工程利用成熟、先進(jìn)、可靠的技術(shù)進(jìn)行風(fēng)機系統(tǒng)變頻節(jié)能改造，是典型的節(jié)能改造項目，符合國家的環(huán)保節(jié)能政策。
關(guān)鍵詞：變頻 節(jié)能 改造
一.設(shè)備改造背景
現(xiàn)場中的生料磨循環(huán)風(fēng)機等高能耗設(shè)備，其輸出功率不能隨生產(chǎn)負(fù)荷變化而變化，只有通過改變風(fēng)門、檔板的開度來調(diào)整，這導(dǎo)致負(fù)載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節(jié)流損失中。
為了提高水泥生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、降低能耗以及系統(tǒng)的綜合可靠性，生料磨循環(huán)風(fēng)機等設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)擬采用全數(shù)字交流高壓變頻器實施控制。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是直接串聯(lián)于高壓電源與高壓電機之間的變頻調(diào)速設(shè)備，以其現(xiàn)場改造、安裝方便以及安全、良好的運行性能正快速的替代其它調(diào)速產(chǎn)品，全面的進(jìn)入到水泥行業(yè)的節(jié)能改造項目中。利用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的目的是改變設(shè)備的運行速度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場工況所需風(fēng)壓、風(fēng)量的大小，大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，既滿足了生產(chǎn)要求，又達(dá)到了節(jié)約電能，并且減少了因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損以及因經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失，同時使維護(hù)量大大降低，為水泥廠帶來了可觀的效益，切實響應(yīng)了國家節(jié)能降耗的號召。
二.主設(shè)備概況
1)生料磨循環(huán)風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共1臺)
2)、窯尾風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共1臺)
3)、窯頭風(fēng)機參數(shù)-目前用水電阻啟動(共1臺)
4)、水泥磨排風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共2臺)
5)、水泥磨循環(huán)風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共2臺)
6)、煤磨通風(fēng)機-目前用水電阻啟動(共1臺)
三、改造前、后設(shè)備控制方式
1.改造前控制方式(水電阻啟動)
液體電阻起動控制器是采用特種介質(zhì)的水溶液作為電阻，在特別設(shè)計的液體電阻箱中引入極板做電極串入電機轉(zhuǎn)子回路中，當(dāng)電動機起動時，由一小功率伺服電機帶動極板移動來改變極板的相對位置，使液體電阻(串入轉(zhuǎn)子回路的)由大到小作無級變化，從而使電機低電流平滑起動。
2. 改造后控制方式
由于原水阻柜安裝在轉(zhuǎn)子側(cè)，因此在變頻改造時，保持原水阻柜的接線方式即可。并配置如下圖所示的短接柜，當(dāng)變頻器故障時手動切換到旁路運行，通過原水阻柜系統(tǒng)工頻啟動。
手動旁路柜中有三個隔離開關(guān)QS1、QS2和QS3，其中QS2和QS3為一個雙刀雙投的隔離開關(guān)。雙刀雙投隔離開關(guān)的特點是兩個方向只能合其一，實現(xiàn)機械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側(cè)而導(dǎo)致變頻器損壞。
變頻運行：QS1、QS3閉合，QS2斷開，由合閘斷路器QF為變頻器供電，再通過變頻器本地或遠(yuǎn)程啟動電機變頻運行;
工頻運行：QS1、QS3斷開，QS2閉合，由合閘斷路器QF直接啟動電機運行;
變頻器維護(hù)、修理：QS1、QS3斷開，變頻器與高壓電源完全隔離。
旁路柜與上級高壓斷路器QF有聯(lián)鎖關(guān)系，旁路柜隔離開關(guān)未合到位時，不允許QF合閘，QF合閘時，絕對不允許操作隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。隔離開關(guān)與QF的聯(lián)鎖通過操作手柄上的電磁鎖實現(xiàn)，在QF合閘狀態(tài)下，操作手柄被鎖死。
為了保護(hù)變頻器，在變頻器與斷路器QF之間還有電氣聯(lián)鎖，聯(lián)鎖信號有：
合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯(lián)后，串聯(lián)于高壓開關(guān)合閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，變頻器故障或不就緒時，斷路器QF合閘不允許;旁路投入狀態(tài)時，合閘閉鎖無效。
故障分閘：將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入;旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。
QF保護(hù)整定：保持原有對電機的保護(hù)及其整定值不變。
短接柜：短接柜主要是為了實現(xiàn)旁路柜工頻旁路時能投運原系統(tǒng)，將原水阻串入回路。短接柜中有一個真空接觸器KM1，變頻運行時：KM1閉合;工頻運行：KM1斷開。
五. 參數(shù)對比
5.1 節(jié)能分析
5.1.1 變頻調(diào)速的方法
交流異步電動機的輸出轉(zhuǎn)速由下式確定：
n=60f(1—S)/p
式中 n——電動機的輸出轉(zhuǎn)速;
f——輸入的電源頻率;
S——電動機的轉(zhuǎn)差率;
p——電機的極對數(shù)。
由公式(1)可知，變頻調(diào)速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)交流電動機的輸出轉(zhuǎn)速的目的。
變頻調(diào)速系統(tǒng)是從電網(wǎng)直接接收工頻50Hz的交流電，經(jīng)過交-直-交變頻方式，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調(diào)節(jié)的交流電直接輸出到交流電動機，實現(xiàn)交流電動機的變速運行。
5.1.2 變頻調(diào)速的節(jié)能原理
風(fēng)機(水泵)類負(fù)載設(shè)備的工作特性圖如下：
曲線①為負(fù)載按轉(zhuǎn)速N1工作時的特性曲線，曲線②為負(fù)載按轉(zhuǎn)速N2工作時的特性曲線，③④為管網(wǎng)的阻力曲線。
在第一種負(fù)載工況下，負(fù)載工作在A點，流量為Q1，壓力為H1。如果負(fù)載仍然按N1速度定速運行，用擋板將流量調(diào)節(jié)為Q2時，壓力將上升到H3，負(fù)載工作點移到B點。由于擋板的截流作用，管網(wǎng)阻力曲線由③變?yōu)棰堋?/p>
在A、B兩點，負(fù)載功率分別為PA=H1×Q1，PB=H3×Q2，雖然Q2H1，實際減小的功率有限。
如果不采用擋板調(diào)節(jié)，這時管網(wǎng)阻力特性保持曲線③不變，改用調(diào)節(jié)負(fù)載速度來減小流量，負(fù)載改按速度N2運行，工作特性為曲線②，負(fù)載工作在C點，流量仍然為Q2，但壓力為H2。
相比B、C兩點，負(fù)載減少的軸功率為：ΔP=PB- PC=(H3 –H2)×Q2
在風(fēng)道阻力特性不變的情況下，離心式風(fēng)機的風(fēng)量Q、壓力H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間滿足如下關(guān)系(相似定理)：
Q∝N，H∝N2,P∝N3
所以有：
?
?
就是說，通過調(diào)速方式改變風(fēng)機風(fēng)量，風(fēng)量下降一半時，在不考慮到效率的情況下，風(fēng)機軸功率將下降87.5%。這也是為什么變頻調(diào)速在風(fēng)機應(yīng)用上節(jié)能十分顯著的原因。
另外，工頻50Hz電網(wǎng)直接啟動，對電網(wǎng)和機械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動一次的損耗:Ws=0.5Jwo2(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，風(fēng)機、水泵類負(fù)載的平方轉(zhuǎn)矩特性與異步電動機起動時的機械特性曲線部分相似，可以Tm/Tm-TL=1計。而變頻軟起動損耗很小，只有上述Ws十分之一，則每年的起動節(jié)能也是很可觀的。
當(dāng)采用變頻調(diào)速時，50Hz滿載時功率因數(shù)為接近l,工作電流比電機額定電流值要低許多,這是由于變頻裝置的內(nèi)濾波電容產(chǎn)生的改善功率因數(shù)的作用,可以為電網(wǎng)節(jié)約容量20%左右。
5.2實際節(jié)能
在同樣產(chǎn)能情況下(生料投料385T/h，水泥磨150T/h)，以通過該設(shè)備高壓開關(guān)實際電流測算。
六、總結(jié)
采用變頻調(diào)速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)在接近額定狀態(tài)下工作，通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低電機的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件的壽命;同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護(hù)開支，節(jié)約大量維護(hù)費用。
工作強度降低。由于調(diào)速系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備之間實現(xiàn)計算機聯(lián)鎖控制，機組實現(xiàn)自動運行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報警，操作工作由手動轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運營提供了可靠保證。
減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實現(xiàn)軟啟動，電機啟動電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流，啟動時間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了起動機械轉(zhuǎn)矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。
【作者：貴州黔桂金州建材有限公司 李恒剛 黃菲】