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烏蘭察布中聯(lián)水泥有限公司是中國建材集團水泥業(yè)務(wù)平臺中國聯(lián)合水泥集團有限公司旗下的核心企業(yè)，是中國建材在香港H股上市成員企業(yè)之一。公司總部位于烏蘭察布市察哈爾右翼后旗紅格爾圖鎮，于1996年10月成立，注冊資金5.6億元。下設有呼和浩特中聯(lián)水泥有限公司（位于呼和浩特金川開(kāi)發(fā)區臺閣牧鎮霍寨村）和集寧分公司（位于烏蘭察布市集寧區福新東路19號），目前以形成水泥生產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)和純低溫發(fā)電為一體的大型企業(yè)，是國家重點(diǎn)支持產(chǎn)業(yè)調整的60家大型水泥企業(yè)之一。

公司依托中央企業(yè)的政策優(yōu)勢、規模優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢、品牌優(yōu)勢，本著(zhù)“平等合作、互利共贏(yíng)”的原則，與更多的客戶(hù)、供應商和行業(yè)同仁在多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展合作，實(shí)現互惠共贏(yíng)，努力將公司建設成為資源節約型、環(huán)境友好型、創(chuàng )新績(jì)效型、社會(huì )責任型的現代化企業(yè)。
2現場(chǎng)設備工況

烏蘭察布中聯(lián)水泥集寧分公司有一條5000t/d熟料生產(chǎn)線(xiàn)，于2008年投產(chǎn)，生產(chǎn)線(xiàn)高溫風(fēng)機采用水電阻軟啟動(dòng)設備啟動(dòng)運行。風(fēng)量調節通過(guò)液力耦合器及改變風(fēng)門(mén)、檔板的開(kāi)度來(lái)實(shí)現，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節流損失中，還有液力耦合器運行運轉效率比較低，液力偶合器目前故障率高，軸封、軸承等部件經(jīng)常更換，維護工作量大，致使大量人力、物力的浪費。水泥廠(chǎng)領(lǐng)導經(jīng)過(guò)多方考察，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：
（1）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，液力耦合器下限一般只能到額定速度的40%。
（2）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。
（3）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)。
（4）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。
所以變頻調速技術(shù)各方面遠遠高于液力耦合器調速，根據設備現場(chǎng)狀況，變頻調速優(yōu)于其他調速技術(shù)，還有水泥行業(yè)變頻改造已非常普遍，技術(shù)非常成熟。水泥廠(chǎng)經(jīng)過(guò)招標方式，選取新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-3150F型（3150kW/6kV）高壓變頻器對窯尾高溫風(fēng)機進(jìn)行改造，2015年7月20日變頻器一次性投入使用，至今運行正常，改造取得了成功。改造后的高壓變頻器現場(chǎng)運行如圖1所示。本文對風(fēng)光牌JD-BP37-3150F型高壓變頻器在5000t/d窯尾高溫風(fēng)機的改造情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

 
圖1 高壓變頻器現場(chǎng)運行圖

3現場(chǎng)窯尾高溫風(fēng)機及電機參數

4風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻系統技術(shù)特點(diǎn)

新風(fēng)光電子公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無(wú)速度傳感器矢量控制技術(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IEEE519-1992的諧波標準，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。
4.1 JD-BP37-3150F高壓變頻器技術(shù)指標

JD-BP37-3150F高壓變頻器技術(shù)指標如表3所示。
  
4.2 JD-BP37-3150F高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)

具體來(lái)說(shuō)，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
(1)高性能矢量控制，啟動(dòng)轉矩大，轉矩動(dòng)態(tài)響應快，調速精度高，帶負載能力強，提高設備運行的平穩性；
(2)振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作；
(3)快速飛車(chē)啟動(dòng)技術(shù)，特別適用于變頻保護后的重新啟動(dòng)，可實(shí)現變頻器在0.1s之內從保護狀態(tài)復位重新帶載運行；
(4)電網(wǎng)瞬時(shí)掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動(dòng)重啟，可提供最長(cháng)60s的等待時(shí)間；
(5)星點(diǎn)漂移技術(shù)，檢測到單元故障后，可在100us之內將單元旁路，執行星點(diǎn)漂移技術(shù)，保持輸出線(xiàn)電壓平衡，最大程度提高電壓利用率；
(6)工、變頻無(wú)擾切換技術(shù)，該技術(shù)可滿(mǎn)足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動(dòng)的需要；可以實(shí)現大容量電機雙向無(wú)擾動(dòng)投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行；
(7)輸出電壓自動(dòng)穩壓技術(shù)，變頻器實(shí)時(shí)檢測各單元母線(xiàn)電壓，根據母線(xiàn)電壓調整輸出電壓，從而實(shí)現自動(dòng)穩壓功能；
(8)故障單元熱復位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時(shí)可在運行中對故障單元進(jìn)行復位，不必等變頻器停機；
(9)多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設定可以現場(chǎng)給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能；
(10)單元直流電壓檢測：實(shí)時(shí)顯示檢測系統的直流電壓，從而實(shí)現輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實(shí)現對功率單元運行狀況的全面把握；
(11)單元內電解電容因采取了公司專(zhuān)利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍；
(12)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。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；
(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過(guò)設定值，變頻器將自動(dòng)限制電流輸出，避免變頻器在加減速過(guò)程中或因負載突然變化而引起的過(guò)流保護，最大限度減少停機次數；
(14)故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過(guò)電流保護時(shí)，可自動(dòng)復位，繼續運行。
5改造系統方案介紹

水泥廠(chǎng)領(lǐng)導在高溫風(fēng)機改造中，在處理液力偶合器的問(wèn)題上，考慮到該設備故障率高，決定拆除液力耦合器，將電機前移與風(fēng)機直接相連接；改造后，現場(chǎng)電機如圖2所示。變頻器接入風(fēng)機側高壓開(kāi)關(guān)和擬改造電機之間，變頻器控制接入原有的DCS系統。為了充分保證系統的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置，保留了原有管道上的擋板（閥門(mén)）。高溫風(fēng)機現有的控制設備和運行方式仍將保留，控制回路上設計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實(shí)現高溫風(fēng)機在工頻或變頻運行。
改造后，高溫風(fēng)機的控制根據生產(chǎn)工藝需求風(fēng)量的大小，通過(guò)高壓變頻器實(shí)時(shí)調整風(fēng)機電機頻率來(lái)實(shí)現調節風(fēng)量。采用變頻器后保持進(jìn)擋板全開(kāi)，系統可隨時(shí)隨意改變風(fēng)量以適應變化，保持風(fēng)機的有效運行。

通過(guò)目前已有的DCS系統可顯示變頻器的運行數據和當前狀態(tài)，實(shí)時(shí)監控系統運行。操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調，并且可以根據用戶(hù)的需要擴展控制開(kāi)關(guān)量，增強了系統的靈活性。利用高壓變頻器根據實(shí)際需要對高溫風(fēng)機進(jìn)行變負荷運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。

 
圖2  改造后電機現場(chǎng)照片

6 改造主回路方案

高溫風(fēng)機是水泥生產(chǎn)線(xiàn)正常運行的關(guān)鍵設備之一，如果不能保證高溫風(fēng)機正常運行，將迫使水泥生產(chǎn)線(xiàn)停運。因此，高溫風(fēng)機變頻改造要在選擇可靠性高的變頻器產(chǎn)品的基礎上，還應該配備工頻旁路柜。配備工頻旁路柜的作用是，如果發(fā)生變頻器故障跳閘，能夠切換為工頻旁路運行。變頻器故障消除恢復投運時(shí)，可以先切除高溫風(fēng)機旁路開(kāi)關(guān)，依托變頻器的飛車(chē)啟動(dòng)功能，在高溫風(fēng)機高速惰走的情況下恢復變頻器設備運行，從而大大減小風(fēng)壓波動(dòng)的時(shí)間。其主回路如圖3所示，采用一拖一手動(dòng)旁路帶星點(diǎn)柜控制方案。

 
圖3  手動(dòng)旁路柜帶星點(diǎn)柜一次回路圖（利用原有星點(diǎn)柜及軟起柜）

高溫風(fēng)機原配置帶星點(diǎn)柜配置液阻啟動(dòng)柜，本次改造保留原有星點(diǎn)柜和液阻柜保持不變。需要將星點(diǎn)柜斷路器的一組常開(kāi)點(diǎn)引至變頻器。需要變頻拖動(dòng)電機時(shí)，液阻柜按原控制方式啟動(dòng)。即上級高壓開(kāi)關(guān)柜給變頻器送電后，液阻柜得到開(kāi)關(guān)柜閉合狀態(tài)信號后就啟動(dòng)。星點(diǎn)柜閉合后，變頻器檢測到閉合信號后方具備開(kāi)機條件，然后根據實(shí)際情況給變頻器啟動(dòng)信號，變頻投入運行。工頻運行時(shí)，閉合K3，斷開(kāi)K1，K2，液阻柜按原先工頻方式啟動(dòng)，完成星點(diǎn)柜和液阻柜的啟動(dòng)，達到電機軟啟動(dòng)。
保持現有運行狀態(tài)不變。

旁路柜中，共有3個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用機械互鎖操動(dòng)機構，實(shí)現機械互鎖。當K1、K2閉合，K3斷開(kāi)時(shí)，電機變頻運行；當K1、K2斷開(kāi)，K3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)，絕對不允許操作旁路隔離開(kāi)關(guān)與變頻輸出隔離開(kāi)關(guān)，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開(kāi)關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現故障時(shí)，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無(wú)效。

保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。對于差動(dòng)保護，在變頻運行期間不可用，可以通過(guò)后臺控制退出保        護壓板，在旁路運行時(shí)投入保護壓板。
7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
7.1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，采用矢量控制技術(shù)，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。
7.2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。
7.3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。
8 變頻改造后效果

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，具體數據如表4所示。

 

電價(jià)按0.5元/ kW·h，一年運行時(shí)間24×300h，一年節電量W為：W=(P工-P變)×7200小時(shí)=(2802.7kW -2240.5kW)×7200小時(shí)=4047840kW·h。
一年可節省電費W×0.5=202.3萬(wàn)元。
9結束語(yǔ)

烏蘭察布中聯(lián)水泥集寧分公司通過(guò)對窯尾高溫風(fēng)機進(jìn)行變頻改造，工作電流大幅度下降，電動(dòng)機運行振動(dòng)及噪聲明顯下降，提高了設備運轉率、降低了維護費用。既滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求，又達到了節約電能，為水泥廠(chǎng)可帶來(lái)了可觀(guān)的效益，切實(shí)響應了國家節能降耗的號召。