摘要：為了降低廠用電率和提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平, 河南大地水泥有限公司對(duì)一期生產(chǎn)線的主要高壓電機(jī)進(jìn)行了變頻改造，并在之后新建的二期生產(chǎn)線上直接采用高壓變頻拖動(dòng)技術(shù)。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(yīng)用情況，特別是在二期4500KW原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)大功率電機(jī)上的成功應(yīng)用,并總結(jié)了在水泥廠中各風(fēng)機(jī)采用變頻裝置的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞：高壓變頻器；水泥廠；大功率電機(jī)；優(yōu)勢(shì)。![]()
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一、 前言
我國(guó)經(jīng)濟(jì)目前正處于高速發(fā)展時(shí)期，隨著年工業(yè)生產(chǎn)總值的不斷提高，能源消耗也隨之大幅度上升，由于國(guó)內(nèi)工業(yè)發(fā)展比例失調(diào)，目前在工業(yè)生產(chǎn)中缺電和電價(jià)居高不下的局面已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)此國(guó)家提出節(jié)能減排的政策方略。在全國(guó)工業(yè)生產(chǎn)總能耗中，建材工業(yè)能耗約占9%，占全國(guó)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(guó)家節(jié)能降耗的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域之一。在當(dāng)前能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過(guò)各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和最高的勞動(dòng)生產(chǎn)率，從而提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在水泥產(chǎn)品的制程中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗就占成本近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，對(duì)于一條水泥生產(chǎn)線而言，其中有25%～30%的電能是用于拖動(dòng)各種類型風(fēng)機(jī)上，因此做好風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)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(diǎn)大型工業(yè)企業(yè)之一，并且在2010年6月8日榮膺為國(guó)家大型企業(yè)。公司總資產(chǎn)18億元，現(xiàn)有國(guó)際領(lǐng)先的日產(chǎn)5500噸的新型干法水泥生產(chǎn)線二條，年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)干法水泥500萬(wàn)噸，熟料產(chǎn)能400萬(wàn)噸。實(shí)現(xiàn)年銷售收入12.8億元，利稅2.6億元。公司主導(dǎo)產(chǎn)品為“豫寶牌“、“巨坤牌”、42．5級(jí)、32．5級(jí)普通硅酸鹽水泥其性能、技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品在省內(nèi)市場(chǎng)享有很高信譽(yù)。
大地水泥有限公司一期生產(chǎn)線的原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)（YRKK900—6，10kV，4500kW) 為轉(zhuǎn)子繞線異步電機(jī)拖動(dòng)，采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣的運(yùn)行方式存在如下弊端：
液力耦合器調(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；無(wú)法軟啟動(dòng)，耦合器故障時(shí)，無(wú)法切換運(yùn)行，維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用大。
窯尾排風(fēng)機(jī)（YRKK710—6，10kV，1600kW)、窯頭排風(fēng)機(jī)（YRKK560—6，10kV，1000kW)為轉(zhuǎn)子繞線異步電機(jī)拖動(dòng)，運(yùn)行方式為電機(jī)全速運(yùn)行，依靠風(fēng)門(mén)對(duì)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，啟動(dòng)方式是轉(zhuǎn)子串水電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后自動(dòng)短接轉(zhuǎn)子滑環(huán)，電機(jī)全速運(yùn)行，這樣的運(yùn)行方式存在如下弊端：
1.風(fēng)機(jī)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(mén)調(diào)節(jié)執(zhí)行器來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，受機(jī)械部分限制調(diào)節(jié)速度有限，調(diào)節(jié)精度亦受影響，往往對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)量控制不是很到位。并且，隨使用年限增加，擋板開(kāi)度指示出現(xiàn)偏差，造成調(diào)節(jié)的誤差增加。
2.風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)浪費(fèi)電能，不科學(xué)，不經(jīng)濟(jì)。
實(shí)際運(yùn)行中閥門(mén)開(kāi)啟僅為70%左右，采用風(fēng)門(mén)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)在風(fēng)門(mén)上。
3.電機(jī)全速運(yùn)行受到考驗(yàn)，電機(jī)和風(fēng)機(jī)維護(hù)周期短。
因電機(jī)全速運(yùn)行，電機(jī)軸瓦和風(fēng)機(jī)等機(jī)械部分磨損較快，轉(zhuǎn)子滑環(huán)的碳刷磨損也較快，更換周期短。
4．啟動(dòng)過(guò)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)子串水電阻啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式附帶了很多電氣二次回路，啟動(dòng)過(guò)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(guò)程的幾十秒內(nèi)投入使用，使用效率不高。
綜上所述，該水泥廠以上高壓電機(jī)的技改勢(shì)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(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)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(lái)滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝的要求。同時(shí)大地水泥有限公司已經(jīng)深刻的意識(shí)到這方面的問(wèn)題，不僅著手逐步對(duì)一期生產(chǎn)線進(jìn)行高壓變頻改造，還在二期生產(chǎn)線設(shè)計(jì)建造時(shí)直接將高壓變頻器列為配套設(shè)備。
三、 設(shè)備改造方案
1、設(shè)備參數(shù)及設(shè)備選型
2、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)均采用一拖一手動(dòng)旁路的結(jié)構(gòu)，變頻器同時(shí)加裝工頻旁路裝置。變頻器異常時(shí)，電機(jī)可以手動(dòng)切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行，以保證生產(chǎn)的需要，其原理圖如下：
QF為甲方側(cè)高壓開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)柜高壓開(kāi)關(guān)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(dòng)機(jī)；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。進(jìn)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(kāi)出線刀閘QS2，再斷進(jìn)線刀閘QS1，將變頻裝置隔離，手動(dòng)合旁路刀閘QS3，在工頻電源下起動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。QS1、QS2、QS3安裝在一個(gè)刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過(guò)機(jī)械閉鎖，防止誤操作。電機(jī)及用戶側(cè)高壓斷路器QF保留甲方原有設(shè)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(jiàn)常用散熱方式有：
1、空調(diào)密閉冷卻：
該方法主要是為高壓變頻器提供一個(gè)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(jì)算出空調(diào)的制冷量，從而配備一定數(shù)量的空調(diào)，利用空調(diào)的制冷對(duì)對(duì)高壓變頻器進(jìn)行散熱冷卻。
2、空-水冷卻：
高壓變頻器產(chǎn)生的熱量通過(guò)風(fēng)道直接進(jìn)入空冷裝置進(jìn)行熱交換，由冷卻水將高壓變頻器產(chǎn)生的熱量帶走，經(jīng)過(guò)降溫的冷風(fēng)循環(huán)至室內(nèi)，從而保證了高壓變頻器室內(nèi)良好的運(yùn)行環(huán)境。冷卻水與循環(huán)風(fēng)完全分離，水管線在高壓變頻器室外與高壓設(shè)備明確分離，確保高壓設(shè)備室不會(huì)受到防水、絕緣破壞等安全威脅和事故。
3、風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻：
變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的熱量由其頂部的數(shù)臺(tái)風(fēng)機(jī)抽走，經(jīng)由風(fēng)道排至室外，同時(shí)室內(nèi)的空氣由變頻器柜底進(jìn)入變頻器內(nèi)，在柜內(nèi)形成一個(gè)至下而上的空氣循環(huán)，從而達(dá)到散熱的目的。
另外還有空調(diào)風(fēng)機(jī)混合冷卻的方式，顧名思義就是同時(shí)采用空調(diào)冷卻與風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷，從而達(dá)到散熱效果。
在河南大地水泥項(xiàng)目中，由于高壓變頻器與其他電氣柜置于同一電氣室內(nèi)，沒(méi)有為高壓變頻器獨(dú)立建筑房屋， 故不宜采用空調(diào)密閉冷卻方式；空－水冷卻雖然在理論上散熱效果優(yōu)于強(qiáng)制風(fēng)冷，但是在使用應(yīng)用中面臨著冷卻設(shè)備故障較高、熱交換介質(zhì)泄漏、風(fēng)路應(yīng)急旁路設(shè)計(jì)、實(shí)際操作復(fù)雜等各方面問(wèn)題，并且初期投資較高，故經(jīng)過(guò)各方面因素的均衡與考量，最終決定選用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻的散熱方式。
五、 10kV/4500kW高壓變頻器現(xiàn)場(chǎng)散熱方案介紹
1、變頻器通風(fēng)量
10kV/4500kW高壓變頻器散熱風(fēng)機(jī)選用德國(guó)施樂(lè)百公司生產(chǎn)的離心風(fēng)機(jī)8臺(tái)，此風(fēng)機(jī)可靠性高，性能優(yōu)異。風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量為4700 m3/h。變頻器總的排風(fēng)量為4700×8=37600m3/h
2、變頻器發(fā)熱量
當(dāng)變頻器滿負(fù)荷工作時(shí)，其總損耗（轉(zhuǎn)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(yùn)行在40Hz，其總損耗（轉(zhuǎn)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(nèi)，將會(huì)使室內(nèi)溫度迅速升高，嚴(yán)重影響變頻器的正常運(yùn)行。
3、進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口溫差計(jì)算
根據(jù)風(fēng)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(jìn)口與出口的溫差；
Qf：總的通風(fēng)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(jì)算出△t（空氣進(jìn)口與出口的溫差）?！鱰≈11℃，此溫升為變頻器運(yùn)行在額定功率時(shí)的溫升，如果環(huán)境溫度為40℃，則出風(fēng)口溫度在51℃左右，能夠滿足變頻器正常運(yùn)行的需要。
4、進(jìn)風(fēng)口面積計(jì)算
進(jìn)風(fēng)口的面積需要根據(jù)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行確定，并且風(fēng)口應(yīng)設(shè)置空氣過(guò)濾網(wǎng)。系統(tǒng)的通風(fēng)量Qf，假定進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速V不超過(guò)3 m/s，由Qf =S×V可知，進(jìn)風(fēng)口的面積S≈Qf /V。
系統(tǒng)的通風(fēng)量Qf=37600m3/h=10.44 m3/S
進(jìn)風(fēng)口的面積S≈Qf /V=(10.44 m3/S)/ (3 m/s)=3.48m2
六、 設(shè)備運(yùn)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(yùn)的第一臺(tái)設(shè)備到目前總共安裝運(yùn)行了4臺(tái)高壓變頻裝置，據(jù)用戶反映，設(shè)備運(yùn)行一切正常，達(dá)到了用戶預(yù)期設(shè)計(jì)的效果，提高了大地水泥的生產(chǎn)工藝自動(dòng)化水平、降低了廠用電率。特別是二期原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)4500KW電機(jī)在采用變頻調(diào)速后，相對(duì)一期采用液耦調(diào)速的原料磨風(fēng)機(jī)4500KW電機(jī)（暫未進(jìn)行高壓變頻改造），不僅調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、運(yùn)行更加安全可靠，并且節(jié)能效果高達(dá)15%，為大地水泥有限公司取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
七、 改造后效益分析
1、直接效益分析
通過(guò)對(duì)大地水泥有限公司一、二期水泥生產(chǎn)線的高壓變頻改造，取得了相當(dāng)可觀的節(jié)能收益。跟據(jù)用戶節(jié)能統(tǒng)計(jì)，每臺(tái)設(shè)備相對(duì)一期改造前（一、二期生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)日產(chǎn)量及設(shè)備配置完全相同，二期建設(shè)時(shí)直接加裝了高壓變頻器）的平均節(jié)電率都在10%以上，從設(shè)備投入運(yùn)行開(kāi)始到現(xiàn)在已經(jīng)為用戶節(jié)約大量電費(fèi)，為大地水泥的健康長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)、做出了巨大的貢獻(xiàn)。
2、間接效益分析
1、變頻改造后，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流小于額定電流值，啟動(dòng)更平滑。
2、電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)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(duì)設(shè)備的維護(hù)量，節(jié)約了人力物力資源。
3、由于電機(jī)以及負(fù)載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后，工作特性改變，設(shè)備工況得到改善，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
4、功率因數(shù)由原來(lái)的0.85左右提高到0.95以上，不僅省去了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，而且減少了線路損耗。
5、廠房設(shè)備噪聲污染將降低。
6、能提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)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(hù)了環(huán)境。
8、負(fù)載改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除47次以下諧波。由于實(shí)際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2％以內(nèi)，電流諧波總含量小于2％。延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
9、變頻輸出采用PWM技術(shù)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(biāo)均滿足IEEE-519國(guó)際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
