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1引言
　　在國務(wù)院提出加快建設節約型社會(huì )的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節約型制造和應用水平，建立節約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當前國內外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，以獲得較佳的經(jīng)濟效益和較高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。水泥生產(chǎn)企業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶(hù)，水泥行業(yè)已被列為國家節約資源的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。
　　在水泥的生產(chǎn)中，電動(dòng)機負載電耗就占成本近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機用的高壓電動(dòng)機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產(chǎn)線(xiàn)其中有25%～30%的電能是用于拖動(dòng)各種類(lèi)型風(fēng)機上，因此做好風(fēng)機電動(dòng)機的降耗增效工作就顯得極為重要。如果利用變頻調速技術(shù)改變設備的運行速度，以調節風(fēng)量的大小，可以既滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，又達到節約電能，同時(shí)減少因調節擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失。
　　隨著(zhù)電力電子技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)日趨成熟，國際上對于風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓調節已普遍摒棄靠調整配套的風(fēng)門(mén)開(kāi)度的手段，改而采用變速的電氣傳動(dòng)調節，變頻調速已成為風(fēng)機、泵類(lèi)節能降耗的較佳、首選的電氣傳動(dòng)方案。高壓變頻器器成為國家水泥節能設計規范標準要求的設備。我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執行的強制性標準《GB50443-2007水泥廠(chǎng)節能設計規范》中的第4.3.5條規定：“窯尾高溫風(fēng)機應采用變頻調速裝置”。
2 現場(chǎng)工藝情況及調速方式選擇
　　淄博魯中水泥有限公司經(jīng)過(guò)十年的持續健康發(fā)展，目前已初步形成集水泥制造、熱力發(fā)電和氟化鹽生產(chǎn)為一體的循環(huán)型經(jīng)濟實(shí)體，連續三年榮膺“淄博市百強工業(yè)企業(yè)”，并跨入中國水泥五十強。
　　淄博魯中水泥有限公司新上5000t/d新型干法水泥生產(chǎn)線(xiàn)，旋窯內燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機的作用下，通過(guò)預熱器對進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過(guò)高溫風(fēng)機抽出進(jìn)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(shí)間進(jìn)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(shí)氣壓變化頻繁。窯尾高溫風(fēng)機一方面用來(lái)調整窯內氣壓，另一方面回轉窯內鍛燒后的高溫熟料出來(lái)有廢氣，廢氣帶灰，通過(guò)窯尾高溫風(fēng)機引出由電收塵器將灰塵進(jìn)行處理，再將廢氣排掉。由于其工藝上的要求控制窯尾預熱器的壓力，通過(guò)DCS的控制來(lái)對高溫風(fēng)機的風(fēng)量進(jìn)行調節，高溫風(fēng)機的電機以前一般采用采用液力耦合器、繞線(xiàn)式電機轉子串水阻等方式進(jìn)行調速，水泥廠(chǎng)領(lǐng)導經(jīng)過(guò)慎重考察，比較液力耦合器調速與高壓變頻調速兩種高壓電機調速方式，認為：
　　⑴高壓變頻器調速范圍為0-100%,而液力耦合器的調速范圍一般為40-95%，即高速段造成的5%的速度損失，液力耦合器最低一般只能到額定速度的40%。
　　⑵高壓變頻器在整個(gè)調速范圍內都具有較高的效率（大于96%），而液力耦合器在調速越低時(shí)效率越低，本身帶來(lái)不小的損耗，調速的節能效果大打折扣。
　　⑶高壓變頻器對電機及負載機械實(shí)現真正的軟啟動(dòng)，如果工藝需要，電機可以在短時(shí)間內多次重復啟動(dòng)，液力耦合器不能解決電機啟動(dòng)問(wèn)題，電機仍然為直接啟動(dòng)，需要啟動(dòng)裝置，啟動(dòng)沖擊也大，并且不能頻繁啟動(dòng)。
　　⑷高壓變頻器是高科技產(chǎn)品，可靠性高，基本免維護，萬(wàn)一變頻器故障，電機還可以直接掛電網(wǎng)工頻運行，不會(huì )造成生產(chǎn)損失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系統，故障率高，液力耦合器一旦故障，負載機械將無(wú)法運行，只能停機維修。維修工作量大，造成有效工作時(shí)間的縮短。
　　⑸高壓變頻器不會(huì )因為電機速度的高低而增加成本，而低速大容量的電機用液力耦合器調速，成本將大大增加，有些時(shí)候甚至無(wú)法實(shí)現。
　　⑹用變頻調速取代液力耦合器初始投資大一些，投資回收期很短，從經(jīng)濟角度考慮是值得的，從節能減排的角度考慮更具有很大的社會(huì )效益。
　　由于變頻調速性能優(yōu)于其他調速技術(shù)，安裝現場(chǎng)條件又比較靈活。隨著(zhù)高壓變頻器的價(jià)格逐步下降，高壓變頻器的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢越來(lái)越突出，而且水泥行業(yè)變頻改造已非常普遍。經(jīng)過(guò)招標方式，選取山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-2500F型（2500KW/10KV）高壓變頻器對窯尾高溫風(fēng)機進(jìn)行變頻拖動(dòng)控制，改造取得了成功，本文對風(fēng)光牌JD-BP38-2500F型高壓變頻器在5000t/d窯尾高溫風(fēng)機的應用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
3現場(chǎng)窯尾高溫風(fēng)機及電機參數
3.1電機參數

3.2窯尾高溫風(fēng)機參數

4山東新風(fēng)光電子JD-BP38系列突出特點(diǎn)
　　山東新風(fēng)光是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻調速系統以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，可以使用普通的異步電機。產(chǎn)品2003年被列為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品，高壓提升機變頻調速系統2005年被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新基金項目資助。2007年，高壓變頻調速系統榮獲山東省重大節能成果獎。
　　（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。
　　（2）飛車(chē)啟動(dòng)功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉的情況下直接起動(dòng)。
　　（3）完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)：現在的高壓變頻調速系統一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機轉至工頻運行，旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式，手動(dòng)旁路需人工操作，時(shí)間較長(cháng)，適應于無(wú)備用裝置或不重要的運行工況，自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉換至工頻運行。我公司提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉換至工頻運行狀態(tài)，還可實(shí)現在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉換至變頻的功能，整個(gè)轉換過(guò)程不會(huì )對用戶(hù)設備的運行造成任何影響。
　　（4）旋轉中再啟動(dòng)功能：運行過(guò)程中高壓瞬時(shí)掉電三十秒鐘內恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動(dòng)運行到掉電前的頻率。
　　（5）線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)（星點(diǎn)漂移技術(shù)）：變頻器某相有單元故障后，為了使線(xiàn)電壓平衡，傳統的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線(xiàn)電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過(guò)調整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線(xiàn)電壓均衡輸出。
　　（6） 具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會(huì )導致重大事故。我公司的變頻器在發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。
5高壓變頻器在水泥行業(yè)應用中的主要問(wèn)題及應對措施
5.1  高溫風(fēng)機的管道“塌料”問(wèn)題導致電機過(guò)流甚至跳停問(wèn)題
　　窯尾高溫風(fēng)機是保證水泥生產(chǎn)線(xiàn)窯內負壓的重要負載，即使在以往工頻運行、采用液力耦合器調速的高溫風(fēng)機，也常見(jiàn)由于管道“塌料”導致高溫風(fēng)機電機過(guò)負荷跳閘，導致生產(chǎn)中斷。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過(guò)負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機過(guò)負荷導致的變頻器保護停機現象如無(wú)專(zhuān)業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線(xiàn)造成更多的損害。
　　高溫風(fēng)機由于“塌料”導致的過(guò)負荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時(shí)就會(huì )坍塌脫落，造成管道內粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風(fēng)機負荷增加或如果垂直煙道或預熱器內在清結皮或有物料塌料時(shí)，同樣也會(huì )造成氣流波動(dòng)，使排風(fēng)管內氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機過(guò)負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風(fēng)機電動(dòng)機造成損壞。在實(shí)際使用過(guò)程中的“塌料”現象，會(huì )不定期的導致電機運行電流在極短的時(shí)間內超出正常電流的數倍，如使用目前國內外一般廠(chǎng)家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過(guò)程中頻繁跳機，直接影響高溫風(fēng)機與水泥生產(chǎn)線(xiàn)的正常運行。
　　新風(fēng)光公司生產(chǎn)的水泥行業(yè)專(zhuān)用變頻器采用無(wú)速度矢量控制技術(shù)，技術(shù)人員針對水泥廠(chǎng)高溫風(fēng)機塌料引起的電機過(guò)載保護現象，采用矢量控制原理，在塌料發(fā)生時(shí)，變頻器能夠根據測量到電壓、電流信號的變化，以及事先測得的電機參數，根據內建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉矩和電機轉速。而后根據該轉速與給定轉速的偏差，對輸出轉矩進(jìn)行控制，使得即使塌料發(fā)生時(shí)變頻器照樣運行不過(guò)載，有效地避免了其他廠(chǎng)家的通用高壓變頻器載運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，保證了生產(chǎn)的連續運行。
5.2高溫風(fēng)機變頻的電源波動(dòng)與運行可靠性問(wèn)題
　　水泥行業(yè)連續生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠(chǎng)用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產(chǎn)。國內的許多企業(yè)往往裝備多條生產(chǎn)線(xiàn)，每條生產(chǎn)線(xiàn)均有主要輔機設備組成，每當大容量輔機設備啟動(dòng)時(shí)，電源母線(xiàn)電壓都有較大的跌落（超過(guò)-15%），會(huì )影響到同條母線(xiàn)上的其他設備正常運行，針對這種現象，風(fēng)光高壓變頻器在軟件上進(jìn)行了特殊設計，保證了電網(wǎng)電壓在-35%-15%波動(dòng)時(shí)變頻器維持運行，不停機。
5.3變頻器應用的環(huán)境與散熱問(wèn)題
　　由于水泥現場(chǎng)粉塵較大，環(huán)境相對惡劣，作為電子與電力電子設備，而且由于產(chǎn)生約3～4％的損耗發(fā)熱需要散熱，而一般采用風(fēng)冷散熱，新風(fēng)光公司生產(chǎn)的水泥行業(yè)專(zhuān)用變頻調速系統，系統的器件選型設計裕度大，單元布局獨特布局，優(yōu)化散熱器與風(fēng)道設計，提高單元散熱效果，以確保系統運行溫升低，環(huán)境適應能力強，實(shí)踐證明可以經(jīng)受住水泥廠(chǎng)惡劣環(huán)境的考驗。
6項目實(shí)施改造方案
　　根據用戶(hù)現場(chǎng)的實(shí)際情況，旁路柜采用了一拖一工變頻自動(dòng)轉換方案。如圖1所示。旁路柜中，共有2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)和2個(gè)真空接觸器，為了確保不向變頻器輸出端反送電，KM3與KM4采用電氣互鎖。當K1、K3、KM1和KM3閉合，KM4斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當KM1、KM3斷開(kāi)，KM4閉合時(shí)，電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。
　　旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時(shí)，絕對不允許操作變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

　　用戶(hù)選配自動(dòng)旁路柜，并且選擇“手動(dòng)”模式，則具體轉換過(guò)程如下：
　　Step1: 執行變頻調速系統停機操作。
　　Step2: 斷開(kāi)交流進(jìn)線(xiàn)斷路器。
　　Step3: 斷開(kāi)變頻調速系統的輸入側刀閘K1 。
　　Step4: 斷開(kāi)變頻調速系統的輸出側刀閘K3。
　　Step5: 合變頻調速系統的旁路開(kāi)關(guān)KM4。
　　Step6: 關(guān)閉所有的門(mén)（控制柜除外）。
　　Step7: 合交流進(jìn)線(xiàn)斷路器。
　　用戶(hù)選選擇“自動(dòng)”模式，則變頻調速系統根據故障情況自動(dòng)完成到工頻旁路運行的轉換。具體轉換過(guò)程如下：
　　JD-BP38系列變頻器在變頻運行中出現故障后，控制器發(fā)出節點(diǎn)信號控制進(jìn)線(xiàn)真空接觸器KM1和變頻器輸出真空接觸器KM3進(jìn)行分斷，然后控制器向PLC發(fā)送變頻轉工頻信號，延時(shí)一定時(shí)間后，旁路開(kāi)關(guān)KM4進(jìn)行合閘。
　　保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
　　風(fēng)光高壓變頻器調試非常方便，在確認現場(chǎng)接線(xiàn)正確無(wú)誤后，用變頻器人機界面設定基本參數后，即可完成設置。高壓變頻器一次安裝調試成功，2009年9月份投入正常使用，通過(guò)近半年的運行觀(guān)察，改造達到了預期目的。
7 運行效果
　　高壓變頻器控制窯尾高溫風(fēng)機，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　（1）運行穩定，安全可靠。
　　從變頻器順利投運以來(lái)，對變頻器輸入變壓器溫升、功率單元溫升、輸出電壓、輸出電流等各項參數定期巡檢，完全正常。變頻器運行一直十分穩定，為水泥廠(chǎng)安全可靠生產(chǎn)提供了強有力的保證。對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，只需定期對變頻器除塵，不用停機，保證了水泥生產(chǎn)的連續性。
　　（2）電機及機組運行平穩，各項指標滿(mǎn)足工藝要求。
　　在整個(gè)運行范圍內，電機始終運行平穩，溫升正常。風(fēng)機啟動(dòng)時(shí)的噪音和啟動(dòng)電流非常小，無(wú)任何異常振動(dòng)和噪音。
　　（3）變頻器的三相輸出波形完美，非常接近于標準正弦波。
　　經(jīng)過(guò)現場(chǎng)測試，變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標準，說(shuō)明變頻器完全可以控制一般的普通電動(dòng)機運行，對電機無(wú)任何特殊要求。
　　（4）運行工況改善，工人勞動(dòng)強度降低。
　　隨著(zhù)水泥廠(chǎng)高溫風(fēng)機生產(chǎn)工藝的需要，調節風(fēng)機的轉速，進(jìn)而調節風(fēng)機風(fēng)量，滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的需要，工作強度大大降低。獨有的飛車(chē)啟動(dòng)功能，可以使風(fēng)機電機在旋轉的狀態(tài)下，自動(dòng)識別電機轉向，跟蹤電機轉速直接啟動(dòng)，不必使電機停止后再啟動(dòng)，變頻啟動(dòng)非常方便。
　　（5）人機界面采用全中文界面，界面顯示電壓、電流、轉速、頻率、各種運行狀態(tài)指示，故障報警指示，操作簡(jiǎn)便直觀(guān)，方便國人使用習慣。
　　（6）節能效果明顯。
　　為了對窯尾高溫風(fēng)機系統變頻改造后的效果進(jìn)行評價(jià)，在系統投入正常運行后對設備實(shí)際使用和節電情況進(jìn)行了測定和數據分析。工、變頻生產(chǎn)工況基本相同，隨機抽取一個(gè)正常工作日，將系統切換工頻運行采用風(fēng)門(mén)調節風(fēng)量，網(wǎng)側記錄運行數據，然后將系統切換變頻運行，記錄運行數據，具體數據如下表3示：

　　采用工頻時(shí)所消耗功率：
　　P工頻=1.732*10.1*159*0.90=2503.3KW
　　采用變頻調速時(shí)所消耗功率：
　　P變頻=1.732*9.8*96.8*0.99=1627.1KW
　　節電率：η=（P工頻 - P變頻）/ P工頻 =（2503.3-1627.1）/2503.3=35%。
　　每年按運行300天，每天運行20小時(shí)，每度電按0.3元計算，每年可為用戶(hù)節約電費計算如下：（2503.3-1627.1）*20*300*0.3元=1577160元。
8結束語(yǔ)
　　淄博魯中水泥有限公司通過(guò)對窯尾高溫風(fēng)機的變頻調速改造，改善了生產(chǎn)工藝，取得了良好的經(jīng)濟效益。在水泥行業(yè)應用高壓變頻器節能降耗，是國家大力提倡節能降耗的技術(shù)手段。隨著(zhù)高壓變頻器技術(shù)的進(jìn)一步成熟，將會(huì )有越來(lái)越多的水泥廠(chǎng)加入改造之列。