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1引言
　　在國務院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節(jié)約型制造和應用水平，建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當前國內(nèi)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，水泥行業(yè)已被列為國家節(jié)約資源的重點領(lǐng)域之一。
　　在水泥的生產(chǎn)中，電動機負載電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產(chǎn)線其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風機上，因此做好風機電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度，以調(diào)節(jié)風量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達到節(jié)約電能，同時減少因調(diào)節(jié)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，國際上對于風機的風量、風壓調(diào)節(jié)已普遍摒棄靠調(diào)整配套的風門開度的手段，改而采用變速的電氣傳動調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速已成為風機、泵類節(jié)能降耗的較佳、首選的電氣傳動方案。高壓變頻器器成為國家水泥節(jié)能設(shè)計規(guī)范標準要求的設(shè)備。我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執(zhí)行的強制性標準《GB50443-2007水泥廠節(jié)能設(shè)計規(guī)范》中的第4.3.5條規(guī)定：“窯尾高溫風機應采用變頻調(diào)速裝置”。
2 現(xiàn)場工藝情況及調(diào)速方式選擇
　　淄博魯中水泥有限公司經(jīng)過十年的持續(xù)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)濟實體，連續(xù)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，旋窯內(nèi)燃燒產(chǎn)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(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒成熟料，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)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(nèi)達到很好的熱處理。窯內(nèi)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(diào)整窯內(nèi)氣壓，另一方面回轉(zhuǎn)窯內(nèi)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。由于其工藝上的要求控制窯尾預熱器的壓力，通過DCS的控制來對高溫風機的風量進行調(diào)節(jié)，高溫風機的電機以前一般采用采用液力耦合器、繞線式電機轉(zhuǎn)子串水阻等方式進行調(diào)速，水泥廠領(lǐng)導經(jīng)過慎重考察，比較液力耦合器調(diào)速與高壓變頻調(diào)速兩種高壓電機調(diào)速方式，認為：
　?、鸥邏鹤冾l器調(diào)速范圍為0-100%,而液力耦合器的調(diào)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%。
　?、聘邏鹤冾l器在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率（大于96%），而液力耦合器在調(diào)速越低時效率越低，本身帶來不小的損耗，調(diào)速的節(jié)能效果大打折扣。
　?、歉邏鹤冾l器對電機及負載機械實現(xiàn)真正的軟啟動，如果工藝需要，電機可以在短時間內(nèi)多次重復啟動，液力耦合器不能解決電機啟動問題，電機仍然為直接啟動，需要啟動裝置，啟動沖擊也大，并且不能頻繁啟動。
　　⑷高壓變頻器是高科技產(chǎn)品，可靠性高，基本免維護，萬一變頻器故障，電機還可以直接掛電網(wǎng)工頻運行，不會造成生產(chǎn)損失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系統(tǒng)，故障率高，液力耦合器一旦故障，負載機械將無法運行，只能停機維修。維修工作量大，造成有效工作時間的縮短。
　?、筛邏鹤冾l器不會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(diào)速，成本將大大增加，有些時候甚至無法實現(xiàn)。
　?、视米冾l調(diào)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(jié)能減排的角度考慮更具有很大的社會效益。
　　由于變頻調(diào)速性能優(yōu)于其他調(diào)速技術(shù)，安裝現(xiàn)場條件又比較靈活。隨著高壓變頻器的價格逐步下降，高壓變頻器的性價比優(yōu)勢越來越突出，而且水泥行業(yè)變頻改造已非常普遍。經(jīng)過招標方式，選取山東新風光電子科技發(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機進行變頻拖動控制，改造取得了成功，本文對風光牌JD-BP38-2500F型高壓變頻器在5000t/d窯尾高溫風機的應用情況進行簡要介紹。
3現(xiàn)場窯尾高溫風機及電機參數(shù)
3.1電機參數(shù)

3.2窯尾高溫風機參數(shù)

4山東新風光電子JD-BP38系列突出特點
　　山東新風光是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風光牌JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(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(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)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(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。產(chǎn)品2003年被列為國家重點新產(chǎn)品，高壓提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速系統(tǒng)榮獲山東省重大節(jié)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。
　?。?）飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。
　?。?）完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)：現(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，時間較長，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。我公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。
　　（4）旋轉(zhuǎn)中再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三十秒鐘內(nèi)恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
　　（5）線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(shù)）：變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)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，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)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電壓均衡輸出。
　?。?） 具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。我公司的變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設(shè)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)應用中的主要問題及應對措施
5.1  高溫風機的管道“塌料”問題導致電機過流甚至跳停問題
　　窯尾高溫風機是保證水泥生產(chǎn)線窯內(nèi)負壓的重要負載，即使在以往工頻運行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風機，也常見由于管道“塌料”導致高溫風機電機過負荷跳閘，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負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風機過負荷導致的變頻器保護停機現(xiàn)象如無專業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。
　　高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加或如果垂直煙道或預熱器內(nèi)在清結(jié)皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用目前國內(nèi)外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與水泥生產(chǎn)線的正常運行。
　　新風光公司生產(chǎn)的水泥行業(yè)專用變頻器采用無速度矢量控制技術(shù)，技術(shù)人員針對水泥廠高溫風機塌料引起的電機過載保護現(xiàn)象，采用矢量控制原理，在塌料發(fā)生時，變頻器能夠根據(jù)測量到電壓、電流信號的變化，以及事先測得的電機參數(shù)，根據(jù)內(nèi)建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速。而后根據(jù)該轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的偏差，對輸出轉(zhuǎn)矩進行控制，使得即使塌料發(fā)生時變頻器照樣運行不過載，有效地避免了其他廠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(xù)運行。
5.2高溫風機變頻的電源波動與運行可靠性問題
　　水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠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(nèi)的許多企業(yè)往往裝備多條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線均有主要輔機設(shè)備組成，每當大容量輔機設(shè)備啟動時，電源母線電壓都有較大的跌落（超過-15%），會影響到同條母線上的其他設(shè)備正常運行，針對這種現(xiàn)象，風光高壓變頻器在軟件上進行了特殊設(shè)計，保證了電網(wǎng)電壓在-35%-15%波動時變頻器維持運行，不停機。
5.3變頻器應用的環(huán)境與散熱問題
　　由于水泥現(xiàn)場粉塵較大，環(huán)境相對惡劣，作為電子與電力電子設(shè)備，而且由于產(chǎn)生約3～4％的損耗發(fā)熱需要散熱，而一般采用風冷散熱，新風光公司生產(chǎn)的水泥行業(yè)專用變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的器件選型設(shè)計裕度大，單元布局獨特布局，優(yōu)化散熱器與風道設(shè)計，提高單元散熱效果，以確保系統(tǒng)運行溫升低，環(huán)境適應能力強，實踐證明可以經(jīng)受住水泥廠惡劣環(huán)境的考驗。
6項目實施改造方案
　　根據(jù)用戶現(xiàn)場的實際情況，旁路柜采用了一拖一工變頻自動轉(zhuǎn)換方案。如圖1所示。旁路柜中，共有2個高壓隔離開關(guān)和2個真空接觸器，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斷開時，電機變頻運行；當KM1、KM3斷開，KM4閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。
　　旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖， DL合閘時，絕對不允許操作變頻輸出隔離開關(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。

　　用戶選配自動旁路柜，并且選擇“手動”模式，則具體轉(zhuǎn)換過程如下：
　　Step1: 執(zhí)行變頻調(diào)速系統(tǒng)停機操作。
　　Step2: 斷開交流進線斷路器。
　　Step3: 斷開變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸入側(cè)刀閘K1 。
　　Step4: 斷開變頻調(diào)速系統(tǒng)的輸出側(cè)刀閘K3。
　　Step5: 合變頻調(diào)速系統(tǒng)的旁路開關(guān)KM4。
　　Step6: 關(guān)閉所有的門（控制柜除外）。
　　Step7: 合交流進線斷路器。
　　用戶選選擇“自動”模式，則變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)故障情況自動完成到工頻旁路運行的轉(zhuǎn)換。具體轉(zhuǎn)換過程如下：
　　JD-BP38系列變頻器在變頻運行中出現(xiàn)故障后，控制器發(fā)出節(jié)點信號控制進線真空接觸器KM1和變頻器輸出真空接觸器KM3進行分斷，然后控制器向PLC發(fā)送變頻轉(zhuǎn)工頻信號，延時一定時間后，旁路開關(guān)KM4進行合閘。
　　保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
　　風光高壓變頻器調(diào)試非常方便，在確認現(xiàn)場接線正確無誤后，用變頻器人機界面設(shè)定基本參數(shù)后，即可完成設(shè)置。高壓變頻器一次安裝調(diào)試成功，2009年9月份投入正常使用，通過近半年的運行觀察，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機，主要有以下優(yōu)點：
　?。?）運行穩(wěn)定，安全可靠。
　　從變頻器順利投運以來，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(shù)定期巡檢，完全正常。變頻器運行一直十分穩(wěn)定，為水泥廠安全可靠生產(chǎn)提供了強有力的保證。對于用戶來說，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(xù)性。
　?。?）電機及機組運行平穩(wěn)，各項指標滿足工藝要求。
　　在整個運行范圍內(nèi)，電機始終運行平穩(wěn)，溫升正常。風機啟動時的噪音和啟動電流非常小，無任何異常振動和噪音。
　?。?）變頻器的三相輸出波形完美，非常接近于標準正弦波。
　　經(jīng)過現(xiàn)場測試，變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標準，說明變頻器完全可以控制一般的普通電動機運行，對電機無任何特殊要求。
　　（4）運行工況改善，工人勞動強度降低。
　　隨著水泥廠高溫風機生產(chǎn)工藝的需要，調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速，進而調(diào)節(jié)風機風量，滿足生產(chǎn)工藝的需要，工作強度大大降低。獨有的飛車啟動功能，可以使風機電機在旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，自動識別電機轉(zhuǎn)向，跟蹤電機轉(zhuǎn)速直接啟動，不必使電機停止后再啟動，變頻啟動非常方便。
　?。?）人機界面采用全中文界面，界面顯示電壓、電流、轉(zhuǎn)速、頻率、各種運行狀態(tài)指示，故障報警指示，操作簡便直觀，方便國人使用習慣。
　　（6）節(jié)能效果明顯。
　　為了對窯尾高溫風機系統(tǒng)變頻改造后的效果進行評價，在系統(tǒng)投入正常運行后對設(shè)備實際使用和節(jié)電情況進行了測定和數(shù)據(jù)分析。工、變頻生產(chǎn)工況基本相同，隨機抽取一個正常工作日，將系統(tǒng)切換工頻運行采用風門調(diào)節(jié)風量，網(wǎng)側(cè)記錄運行數(shù)據(jù)，然后將系統(tǒng)切換變頻運行，記錄運行數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如下表3示：

　　采用工頻時所消耗功率：
　　P工頻=1.732*10.1*159*0.90=2503.3KW
　　采用變頻調(diào)速時所消耗功率：
　　P變頻=1.732*9.8*96.8*0.99=1627.1KW
　　節(jié)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，每度電按0.3元計算，每年可為用戶節(jié)約電費計算如下：（2503.3-1627.1）*20*300*0.3元=1577160元。
8結(jié)束語
　　淄博魯中水泥有限公司通過對窯尾高溫風機的變頻調(diào)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(jié)能降耗，是國家大力提倡節(jié)能降耗的技術(shù)手段。隨著高壓變頻器技術(shù)的進一步成熟，將會有越來越多的水泥廠加入改造之列。