水泥廠高壓變頻改造方案
1、窯尾高溫風機系統簡介
旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預熱機來的料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉動來促進料在旋窯內攪拌，使料互相混合、接觸進行反應，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內向前運動。窯內燃燒產生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進入窯尾前的生料進行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風機抽出進入廢氣處理（除塵及排出）。
均化好的生料預熱后在回轉窯內煅燒成熟料，回轉窯內需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時間進行充分燃燒，生料才能在窯內達到很好的熱處理。窯內因物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風機一方面用來調整窯內氣壓，另一方面回轉窯內鍛燒后的高溫熟料出來有廢氣，廢氣帶灰，通過窯尾高溫風機引出由電收塵器將灰塵進行處理，再將廢氣排掉。
荊門某水泥廠目前有三條干法懸窯生產線，日產為2000t、700t、2500t，分別為1995年、1998年、1999年投產，到現在已運行6～10年，并擁有一臺12MW中、低溫余熱發電機組，由于發電成本較高，余熱發電現已停運。
日產2500t的窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1600kW，日產2000t的窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1400kW。在高溫風機的電機與風機之間，配有液力耦合器對風機進行調速，整個工藝過程主要是通過DCS的控制來調節液力耦合器的速度從而調整風機的風量，達到控制窯內負壓。
由于設備使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，運行中每天需加油2～3次，以補充漏油，油面調整的控制回路失靈不能自動調節，在運行中靠手動調節置于固定轉速比。在運行是時仍靠風機擋板進行風量調節，當窯系統工況變化較大時，現場值班人員根據中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調節，運行操作非常不便。
2005年，水泥廠準備對于2000t、2500t的兩條生產線進行提產，但由于高溫風機中液力耦合器漏油嚴重，出力受到限制，不具備提產的條件，故提產一直未能實現。
2006年1～2月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產線的高溫風機及窯頭號EP風機進行了變頻調速改造，目前運行情況良好，2000t的生產線的產量目前達2300t，2500t的生產線的產量目前達2900t，而高溫風機變頻調節的耗電量還稍少于原液力耦合器調節的耗電量。
2、高溫風機變頻改造方案
經過對原系統進行分析，對原系統的風壓控制由原來的液力耦合器調節改為變頻器調節，即取消原液力耦合器，將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調速，最后達到調整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。
變頻器設備接入用戶側高壓開關和擬改造電機之間，如圖2所示，變頻器控制接入原有的DCS系統，由DCS系統來完成正常操作。
為了充分保證系統的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在變頻回路故障時將電機切換至工頻狀態下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風機轉速會升高，風壓會發生很大變化，影響窯內物料的煅燒質量，故此時應及時在DCS上對高溫風機的風門進行及時調節，降低風機輸出風量至工況要求值。變頻器及其工頻旁路開關由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設備。
為了充分保證系統的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在變頻回路故障時將電機切換至工頻狀態下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風機轉速會升高，風壓會發生很大變化，影響窯內物料的煅燒質量，故此時應及時在DCS上對高溫風機的風門進行及時調節，降低風機輸出風量至工況要求值。變頻器及其工頻旁路開關由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設備。
根據水泥廠提供的負載參數及運行工況，我公司為2000t的窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/1800，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開關柜容量400A。為2500t的窯尾高溫風機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開關柜容量400A。
3、改造過程簡述
由于原電機控制為液力耦合器調速，為了安裝變頻器，必須重新設計變頻器專用房。根據現場環境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設方便。
由于現場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間通風設計上，設計了大面積專用進風窗，房間不另設其它窗口，基本上是密閉設計。通風窗采用專用過濾棉濾網，這樣使進入變頻器室內的空氣經過通風窗濾灰，進入變頻器室內的灰塵大大減小。
由于本變頻器功率較大，為保證足夠的通風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風罩，與各自的出風口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風要求。
為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至變頻器，再重新由高壓柜到變頻器敷設一根動力電纜，由于變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。
變頻改造后，由于需要取消原液力耦合器，我們按照液力耦合器的聯接尺寸設計制作了一套直接連接軸來代替液耦。連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風機側的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時，僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現場僅作少量調整即可達到安裝要求，而不用對風機及電機作任何調整，安裝方便快捷。
4.高壓變頻器取代液力耦合器節能分析
1、)液耦調速與變頻調速的耗電分析
水泥廠原高溫風機帶有液力耦合器調速，現將液耦調速改造為變頻器調速。圖3為液力耦合器進行風機調整時的典型耗能曲線，表1為液耦與變頻調速的耗電特性對比。現根據曲線及對比表對液力耦合器改為變頻器調速的耗能情況進行對比分析。
η： 液力偶合器的效率
Ns：液力偶合器的損失功率
I： 液力偶合器的輸出與輸入轉速之比
Nd：電機功率
Ns：液力偶合器的損失功率
I： 液力偶合器的輸出與輸入轉速之比
Nd：電機功率
Nf：負載功率
表1 液耦與變頻調速的耗電特性
|
風量 % |
軸功率 |
液力偶合器 |
變頻調速 |
變頻比液耦節電率 | ||
|
電機輸入 |
總損失 |
電機輸入 |
總損失 | |||
|
100 |
100 |
108 |
8 |
108 |
8 |
0 |
|
90 |
72.9 |
86 |
13.1 |
79 |
6 |
8.3 |
|
80 |
51.2 |
68 |
16.8 |
55 |
3.8 |
19.1 |
|
70 |
34.3 |
52 |
17.7 |
38 |
3.7 |
26.9 |
|
60 |
21.6 |
39 |
17.4 |
25 |
3.4 |
35.9 |
|
50 |
12.5 |
29 |
16.5 |
15 |
2.5 |
48.3 |
|
40 |
6.4 |
21 |
14.6 |
9 |
2.6 |
57.1 |
|
30 |
2.7 |
15 |
12.3 |
5 |
2.3 |
66.7 |
變頻運行時高溫風機風量按85%計算，從表中查得對應的變頻比液耦節電率為：
19.1×（100-85.7）/（100-80）=13.6 %
節電功率為：13.6%×1550=210kW
2、)變頻改造實際節能情況
水泥廠高溫風要變頻改造前后，我們對相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析整理如下。
表2 2500t窯高溫風機改造前后對比表
|
項目 |
改造前 |
改造后 |
|
窯喂料量（t/h） |
170 |
195 |
|
窯日產量（t） |
2500 |
2900 |
|
起動調節方式 |
液耦 |
變頻 |
|
6kV側電流（A） |
180 |
150 |
|
電機電流（A） |
180 |
186 |
|
功率因素 |
0.83 |
0.96 |
|
平均耗電功率（kW） |
1550 |
1500 |
|
起動電流（A） |
500 |
50 |
|
運行速比/頻率 |
89% |
45Hz |
表3 2000t窯高溫風機改造前后對比表
|
|
改造前 |
改造后 |
|
窯喂料量（t/h） |
135 |
155 |
|
窯日產量（t） |
2000 |
2300 |
|
起動調節方式 |
液耦 |
變頻 |
|
6kV側電流（A） |
150 |
120 |
|
電機電流（A） |
150 |
142 |
|
功率因素 |
0.81 |
0.96 |
|
平均耗電功率（kW） |
1260 |
1200 |
|
起動電流（A） |
600 |
45 |
|
運行速比/頻率 |
89% |
46Hz |
上述數據為改造后窯系統產量增加的條件下風機耗電對比，由于現在產量提高，改造后比改造前風機耗電量下降不多，從上兩表中可計算出各風機相應的節電功率。
2500t窯高溫風機節電功率： 1550－1500＝50（kW）
2500t窯窯尾EP風機節電功率： 154－100＝54（kW）
2000t窯高溫風機節電功率： 1260－1200＝60（kW）
2000t窯窯尾EP風機節電功率： 138－70＝68（kW）
根據我們在設備調試和開窯過程中記錄的數據，2500t窯在額定2500t的產量下，高溫風機6kV側電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產量耗電功率下降約190kW。2000t窯在額定2000t的產量下，高溫風機6kV側電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產量耗電功率下降約200kW。由此可推算出兩臺高溫風機在額定產量下的節電量。
2500t窯高溫風機節電功率：1550－1360＝190（kW）
2000t窯高溫風機節電功率：1260－100＝200（kW）
此為估算節電值。變頻改造的另一大收益為提高了窯系統的產量達15%倍，由此而產生的增產效益是非常大的。
5.高壓變頻器在水泥廠使用中應注意的問題
水泥廠因生產線粉塵較大，調速機械大多安裝在室外或庫下，環境較其它行業相比較為惡劣，操作人員一般集中在中控室。而高壓變頻器作為較精密的儀器設備，對環境要求較高，而生產現場時常無人且環境較差，對變頻設備運行非常不利。故在水泥生產線上，高壓變頻器應安裝在配電室內，或專門建造房屋。
由于高壓變頻器一般采用強迫風冷，通過變頻器的空氣所帶的灰塵較多，因此，變頻器在水泥廠使用時，必須加強防塵設計和維護，有條件的場合，可設置變頻器專用室，采用空調冷卻。
變頻器頂部裝有散熱通風孔及風機，灰塵和金屬物易于由此進入裝置內部，應采取防護措施，防止內部短路，推薦使用整體風罩方案。
變頻器控制線必須采用屏蔽電纜，并且在布線范圍內必須與動力線相距一定距離，相交時必須轉90°角，千萬不要將控制線與動力線放在同一電纜托架(或線框)內，以避免變頻器控制信號受到干擾。變頻器負載輸出線也要采取屏蔽措施，選用鎧裝電纜，以避免變頻器對附近儀表產生干擾。
在變頻器接線時要特別注意電源的輸入線和輸出線絕不能接錯，將電源輸入線接上變頻器輸出位置，會立刻損壞設備。
通常變頻器連接到電機的電纜長度要求不要超過150m，使用屏蔽電纜不能超過150m，這就必須考慮變頻器到受控電機之間的距離問題，在水泥廠中一般會碰到超過規定距離的情況，因此在變頻器的房屋設計上需根據現場條件合理安排。
變頻器的控制一般需接入到DCS系統，而中控室到風機間有一定的距離，因此，變頻器接入DCS系統時，一般通過現地工作站進行轉接，在控制電纜接入時需注意抗干擾處理。
6、變頻改造總結
根據我公司對水泥廠高溫風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結變頻器改造有以下優點。
(1)安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。
(2)操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調整。
(3)能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。
(4)保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩，啟動電流小，可靠性高。
(5)電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節電效果顯著。
(6)由于變頻器取代了液耦調速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設備維護費用降低。
(7)電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動方面，對企業有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在該水泥廠對兩條生產線的四臺電機進行了成功的改造，不僅節能效果明顯，提高了整個系統的工藝性能，同時也使兩條生產線大大提高了產量，得到用戶的好評，并在當地水泥行業中產生了很大的影響。
7、結語
目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調速技術目前已經比較成熟，是水泥廠節能改造的理想設備，具有很高的推廣價值
8.成功案例
1.)杭州三獅水泥有限公司的窯尾排風機電機為6kV供電的三相異步電動機，功率為400kW
2.)浙江上峰水泥廠的窯尾排風機電機為10kV供電的三相異步電動機，功率為450kW
3.)葛州壩水泥廠日產2500t的5#窯生產線，高溫風機電機配置為6kV1600kW，窯尾EP風機配置為6kV280kW的高壓變頻改造
4.) 華新金貓水泥(蘇州)有限公司的風機電機為6kV，功率為500kW
5.)高壓變頻器在邯鄲鋼鐵集團一煉鋼廠混鐵爐除塵的應用
6.)中國大唐集團公司陡河電廠#2爐2臺吸風機電機上分別加裝一套某電氣技術有限公司生產的6 kV/1000 kW高壓變頻器裝置。
7.)葫蘆島平山水源泵站有4臺10KV、功率710KW的水泵機組
7.)葫蘆島平山水源泵站有4臺10KV、功率710KW的水泵機組
8.)高壓變頻調速系統在大冶特鋼四煉鋼電爐除塵風機上的應用
9.聯系方式:(0)13776552593--劉佳林
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
