高壓變頻器在高溫風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用

    原高溫風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓控制由液力耦合器調(diào)節(jié)，改用高壓變頻器調(diào)節(jié)后，消除了機(jī)械、液壓較高故障的缺陷，運(yùn)轉(zhuǎn)率提高，維護(hù)費(fèi)用降低；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行振動(dòng)及噪聲明顯下降；電動(dòng)機(jī)不需長期高速運(yùn)行，節(jié)電效果顯著，節(jié)電率在20％以上。

　　高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動(dòng)調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電機(jī)的變頻調(diào)速，其技術(shù)和性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過以前采用的調(diào)速方式（如串級(jí)調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、轉(zhuǎn)子水阻調(diào)速等）。高壓變頻器以其顯著的節(jié)能效益、較高的調(diào)速精度、較寬的調(diào)速范圍、完善的保護(hù)功能、方便的通訊功能，得到了廣大用戶的認(rèn)可，現(xiàn)在已經(jīng)成為企業(yè)電機(jī)節(jié)能方式的首選方案。但在2000年前后，由于當(dāng)時(shí)高壓變頻器是洋品牌占?jí)艛嗟匚?，且大都價(jià)格不菲，所以水泥企業(yè)采用高壓變頻器的用戶并不多。隨著國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)的成熟，從2005年起，山水集團(tuán)在所有新建生產(chǎn)線的大功率風(fēng)機(jī)類設(shè)備全部采用高壓變頻器的同時(shí)，對(duì)原有生產(chǎn)線的大功率風(fēng)機(jī)類設(shè)備，也全部實(shí)施了高壓變頻器改造，共有近百臺(tái)之多，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　在改造過程中，其中的高溫風(fēng)機(jī)功率大，節(jié)電效果顯著，但工藝、設(shè)備狀況相對(duì)復(fù)雜一些，進(jìn)行高壓變頻技術(shù)改造時(shí)，在技術(shù)方案的確定、設(shè)備選型、安裝調(diào)試等方面，我們都有一些成功的經(jīng)驗(yàn)，在此作一介紹，以供同行參考。

變頻節(jié)能的技術(shù)原理

　　建設(shè)初期，在對(duì)通風(fēng)機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)的功率是根據(jù)最大需求量來選擇的，存在較大的富裕量。實(shí)際生產(chǎn)中，所需的風(fēng)量是不可能長久處于最大狀態(tài)的，要經(jīng)常變化，這樣就存在"大馬拉小車"的情況，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)的方式通常都是通過調(diào)節(jié)管道上擋板與閥門的開度來實(shí)現(xiàn)的。

　　對(duì)離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方正比：輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速，z的立方正比；即：

　　Q1/Q2=n1/n2 （1）

　　H1/H2= （n1/n2）2 （2）

　　P1/P2 = （n1/n2）3 （3）

　　當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如采用調(diào)節(jié)風(fēng)門開度的方式，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為：

　　E=〔1-（n′／n）3〕×P×T（kWh） （4）

　　式中： n-額定轉(zhuǎn)速；

　　n′ -實(shí)際轉(zhuǎn)速；

　　P-額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率；

　　T-工作時(shí)間。

　　可見，如果通過變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，調(diào)節(jié)風(fēng)量改為通過調(diào)節(jié)速度來實(shí)現(xiàn)，具有較大的節(jié)能潛力。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。

工況簡介

　　回轉(zhuǎn)窯是一個(gè)有一定斜度的圓筒狀物，均化好的生料預(yù)熱后由窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動(dòng)來促進(jìn)料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)，物料依靠窯簡體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動(dòng)在窯內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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)行充分的燃燒，生料才能在窯內(nèi)得到很好的煅燒，形成高質(zhì)量的熟料產(chǎn)品。窯內(nèi)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(jī)一方面用來調(diào)整窯內(nèi)氣壓，另一方面將回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒時(shí)產(chǎn)生的廢氣（含塵）引出，進(jìn)入收塵器將灰塵進(jìn)行處理后，再將廢氣排到大氣中。我集團(tuán)的山東水泥廠目前有兩條新型干法生產(chǎn)線，日產(chǎn)量分別為1700t、2300t，并擁有一臺(tái)7．5MW中、低溫余熱發(fā)電機(jī)組，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV、1250kW。在高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間，配有液力耦合器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，整個(gè)工藝過程主要是通過DCS的控制來調(diào)節(jié)液力耦合器的速度，從而調(diào)整風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。在生產(chǎn)中依靠風(fēng)機(jī)擋板進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。

　　液力耦合器是通過控制工作腔內(nèi)工作油液的動(dòng)量矩變化，來傳遞電動(dòng)機(jī)能量并改變輸出轉(zhuǎn)速的，電動(dòng)機(jī)通過液力耦合器的輸入軸拖動(dòng)其主動(dòng)工作輪，對(duì)工作油進(jìn)行加速，被加速的工作油再帶動(dòng)液力耦合器的從動(dòng)工作渦輪，把能量傳遞到輸出軸和負(fù)載，這樣，可以通過控制工作腔內(nèi)參與能量傳遞的工作油多少來控制輸出軸的力矩，達(dá)到控制負(fù)載的轉(zhuǎn)速的目地。因此液力耦合器也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)速無級(jí)調(diào)節(jié)。但由于液力耦合器在調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率損耗、容積損耗、機(jī)械損耗高達(dá)10％以上，所產(chǎn)生的熱量需要油泵及冷卻水等輔助運(yùn)行，故障率較高，特別是在夏季因耦合器產(chǎn)生熱量較大，需要加入四組冷油器，用循環(huán)水強(qiáng)降溫，水消耗量大，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

高溫風(fēng)機(jī)變頻改造方案

　　經(jīng)過對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)過程中，風(fēng)機(jī)擋板開度大都在80％左右，根據(jù)公式（4）可見，節(jié)電空間較大，我們決定對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，將風(fēng)壓控制由原來的液力耦合器調(diào)節(jié)改為變頻器調(diào)節(jié)：取消原液力耦合器，將電機(jī)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(duì)電機(jī)本身進(jìn)行調(diào)速，最后達(dá)到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機(jī)人口）的壓力為工況要求值；變頻器設(shè)備接人風(fēng)機(jī)側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機(jī)之間，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)。電機(jī)、高壓斷路仍采用原有設(shè)備。為了充分保證系統(tǒng)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）。這樣，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，可將電機(jī)切換至工頻狀態(tài)下運(yùn)行，仍舊利用風(fēng)門進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。

　　根據(jù)負(fù)載參數(shù)及運(yùn)行工況，我們?yōu)楦邷仫L(fēng)機(jī)配置了HIVERT系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號(hào)HIVERT-Y06／173，隔離變壓器容量1 800kVA，旁路開關(guān)柜容量400A。

改造過程

　　為了安裝變頻器，必須重新設(shè)計(jì)變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)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(dòng)力電纜敷設(shè)方便。

　　由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強(qiáng)迫風(fēng)冷，設(shè)備內(nèi)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(fēng)設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)了兩扇大面積專用進(jìn)風(fēng)窗，房間不另設(shè)其它窗口，基本上是密閉設(shè)計(jì)。通風(fēng)窗采用專用過濾棉濾網(wǎng)，這樣使進(jìn)入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過通風(fēng)窗濾灰，進(jìn)入變頻器室內(nèi)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(fēng)冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨(dú)立安裝了一整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，形成所謂的"風(fēng)道"，保證變頻器整體冷卻通風(fēng)要求，即使在夏季高溫季節(jié)也不需要開空調(diào)進(jìn)行降溫。

　　為減小安裝成本，動(dòng)力電纜保留了原高壓柜至電機(jī)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(shè)一根動(dòng)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連接尺寸設(shè)計(jì)制作了一套直接連接軸來代替之。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(jī)及風(fēng)機(jī)側(cè)的連接靠背輪均與原液力耦合器一致。安裝時(shí)，僅需將原液力耦合器拆除，將連接軸代替液力耦合器，現(xiàn)場僅作少量調(diào)整即可達(dá)到安裝要求，而不用對(duì)風(fēng)機(jī)及電機(jī)作任何調(diào)整，安裝方便快捷。

　　安裝高壓變頻器，原繞線電機(jī)對(duì)滑環(huán)進(jìn)行短接，廢除原水阻啟動(dòng)器，每年對(duì)碳刷及水阻啟動(dòng)器和電機(jī)的維護(hù)減少，綜合成本大幅度下降，且高壓變頻器啟動(dòng)時(shí)間任意可調(diào)，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行起到良好的保護(hù)。

變頻改造效果

　　我公司于2006年開始將高壓變頻器應(yīng)用于窯頭引風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)等大功率風(fēng)機(jī)電機(jī)上，平均節(jié)電20％以上，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。表1為兩高溫風(fēng)機(jī)安裝高壓變頻器前后的數(shù)據(jù)對(duì)比。

　　我們對(duì)水泥熟料生產(chǎn)線高溫風(fēng)機(jī)等大功率風(fēng)機(jī)進(jìn) 行高壓變頻技改，在技術(shù)方案的制訂、設(shè)備選型、安 裝調(diào)試等方面，有以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì)：

　?。?）制定方案前，要充分了解生產(chǎn)工藝和操作過 程，了解風(fēng)量、風(fēng)壓的調(diào)節(jié)方式，做好改造前各種工 藝參數(shù)（臺(tái)時(shí)、風(fēng)量、風(fēng)壓等）、設(shè)備參數(shù)（閥門開 度、運(yùn)行電流等）的統(tǒng)計(jì)工作，為節(jié)能效果的估算、技術(shù)方案的制訂提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　?。?）了解運(yùn)行負(fù)荷狀況和特點(diǎn)，確定變頻器的選 型。對(duì)于水泥熟料線的高溫風(fēng)機(jī)等設(shè)備，建議變頻器 選用電壓源型、高一高結(jié)構(gòu)，可免除輸出升壓變壓 器；對(duì)于容量選擇，可適當(dāng)放大一級(jí)。

　?。?）由于水泥行業(yè)的粉塵相對(duì)而言較大，通風(fēng)窗專用過濾棉濾網(wǎng)需要經(jīng)常清理，所以建議變頻器的冷卻方式采用風(fēng)一水冷方式，這樣可大大減少室內(nèi)與室外的空氣流通，既可保證室內(nèi)空氣的潔凈，又可保證變頻器所需的運(yùn)行溫度。

　　4）實(shí)踐證明，變頻器需要工頻旁路運(yùn)行的機(jī)會(huì)很少，完全可以去掉旁路裝置，節(jié)省電力室空間，減少投資，從而可進(jìn)一步去掉管道內(nèi)的閥門支架，減小管道阻力。

　?。?）采用變頻器后，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，取消了液力耦合器調(diào)速，消除了機(jī)械、液壓較高故障率的缺陷，運(yùn)轉(zhuǎn)率提高、維護(hù)費(fèi)用降低；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行振動(dòng)及噪聲明顯下降；電動(dòng)機(jī)不需長期高速運(yùn)行，工作電流大幅度下降，節(jié)電效果顯著。