曹漢紅

高壓變頻節(jié)能技術(shù)在水泥生產(chǎn)線的應(yīng)用

Application of Energy-saving High-pressure Frequency Conversion Technology in the Cement Production Line

曹漢紅

1 概述

水泥生產(chǎn)中電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗占成本近30%，而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，對(duì)一條水泥生產(chǎn)線，其中有25%～30%的電能是用于拖動(dòng)各種類型風(fēng)機(jī)上，因此做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。

目前我國(guó)水泥廠工藝生產(chǎn)線中有許多大型風(fēng)機(jī)，包括窯尾高溫風(fēng)機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)、煤磨排風(fēng)機(jī)，以往這些設(shè)備大多采用異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)定速運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)容量按最大負(fù)載來(lái)選擇。而上述五大風(fēng)機(jī)在正常生產(chǎn)時(shí)并不用以全速運(yùn)行，采用傳統(tǒng)風(fēng)門調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差損耗大、效率低,造成資源浪費(fèi)。例如原來(lái)窯尾高溫風(fēng)機(jī)都采用液力耦合器加液體變阻器的起動(dòng)調(diào)速方式，由于液力耦合器調(diào)速范圍窄，過(guò)大的調(diào)速比會(huì)引起工作介質(zhì)發(fā)熱嚴(yán)重，同時(shí)效率下降，經(jīng)常無(wú)法正常工作。而采用變頻調(diào)速可以合理地調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，大大提高電動(dòng)機(jī)的效率，減少運(yùn)行成本和降低設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中的故障率。

2 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

河北燕趙水泥有限公司5000t/d生產(chǎn)線五臺(tái)大型風(fēng)機(jī)全部采用高壓變頻控制裝置。生產(chǎn)線投產(chǎn)兩年來(lái)，該裝置一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

高壓電機(jī)及風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1、2。

根據(jù)上述技術(shù)參數(shù)，河北燕趙水泥有限公司工程選用北京某公司的高壓變頻設(shè)備，技術(shù)參數(shù)見表3。

3 本工程采用的高壓變頻器的特性

3.1 高質(zhì)量電源輸入

變頻設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染主要取決于整流電路的結(jié)構(gòu)和特性，目前減少電網(wǎng)諧波污染的主要方式有兩種：多重化整流和PWM整流。通常單元串聯(lián)多電平高壓變頻器整流脈沖數(shù)較多，對(duì)電網(wǎng)諧波污染較小。

本工程變頻裝置采用輸入側(cè)隔離變壓器二次線圈經(jīng)過(guò)移相，為功率單元提供電源，對(duì)6kV而言，相當(dāng)于30脈沖二極管整流輸入，消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，大大抑制了網(wǎng)側(cè)諧波（尤其是低次諧波）的產(chǎn)生。變頻器引起的電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流含量滿足IEEE 519-1992《電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程和要求》和GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)諧波含量的最嚴(yán)格的要求，無(wú)需安裝輸入濾波器即可保護(hù)周邊設(shè)備免受諧波干擾。

表1 高壓電機(jī)參數(shù)

表2 風(fēng)機(jī)參數(shù)

表3 高壓變頻器參數(shù)

變頻器額定輸入功率因數(shù)大于0.96，無(wú)需功率因數(shù)補(bǔ)償電容，減少無(wú)功輸入，降低供電容量。

3.2 完美的輸出性能

變頻設(shè)備輸出諧波對(duì)電機(jī)的影響主要有：引起電機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電機(jī)額外升溫，電機(jī)往往要降額使用，諧波還會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，噪音增加。dv/dt和共模電壓會(huì)影響電機(jī)絕緣。

本工程變頻器采用的是單元串聯(lián)脈寬調(diào)制疊波（或稱功率單元多重化）輸出，6kV系列每相6個(gè)單元，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形為幾近完美的正弦波。高壓變頻裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

·無(wú)需輸出濾波裝置；

·可以驅(qū)動(dòng)普通高壓電動(dòng)機(jī)，而不會(huì)增加電機(jī)溫升，降低電機(jī)容量；

·電機(jī)電纜無(wú)任何長(zhǎng)度限制；

·保護(hù)電機(jī)絕緣不受dv/dt應(yīng)力的損害；

·不會(huì)因?yàn)橹C波力矩而降低設(shè)備使用壽命。

3.3 友好的用戶界面

（HIVERT）變頻裝置采用全中文LCD顯示，面板輕觸按鈕直接操作，更適合國(guó)人使用習(xí)慣。

·全中文文字表述，易學(xué)易用；·大屏幕顯示，沒(méi)有煩瑣的參數(shù)代碼號(hào)，參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確、直觀、便捷；

·運(yùn)行參數(shù)同屏顯示，一覽無(wú)余；·狀態(tài)顯示；·可記錄保存多達(dá)十個(gè)歷次故障；·閉環(huán)運(yùn)行時(shí)PID參數(shù)可在線調(diào)整。

3.4 其他特性

·高可靠性；

·高效率，在額定工況下，系統(tǒng)總效率高達(dá)96%以上，其中變頻部分效率＞98%；

·功率單元模塊化結(jié)構(gòu)，可以互換；

·限流功能；

·旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)功能；

·輸出電壓自動(dòng)調(diào)整；

·瞬時(shí)停電功能；

·寬廣的輸入電壓范圍，更適合國(guó)內(nèi)電網(wǎng)條件；

·功率單元光纖通訊控制，完全電氣隔離；

·內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行；

·隔離RS485接口，采用MODBUS通訊規(guī)約；

·具有本地、遠(yuǎn)程、上位等三種控制方式；

·全面的故障監(jiān)測(cè)電路、及時(shí)的故障報(bào)警和保護(hù)、準(zhǔn)確的故障記錄。

同時(shí)針對(duì)水泥行業(yè)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)需要，變頻器設(shè)備廠家還為每臺(tái)變頻器增設(shè)了工頻旁路的設(shè)計(jì)，通過(guò)自動(dòng)旁路柜與DCS之間的互相連動(dòng)，在系統(tǒng)檢測(cè)到變頻器故障后，通過(guò)DCS控制將變頻器直接切換到工頻狀態(tài)下運(yùn)行，待變頻器維修完成后，通過(guò)飛車啟動(dòng)功能，在不需要停機(jī)的情況下自動(dòng)跟蹤風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，將變頻器調(diào)到相應(yīng)的頻率投入運(yùn)行，保證整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程不間斷。

4 節(jié)電及效益分析

4.1 高溫風(fēng)機(jī)

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況采集到的相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 高溫風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)

不使用變頻調(diào)速高溫風(fēng)機(jī)正常工作時(shí)轉(zhuǎn)速為993 r/min左右，電機(jī)電流為258.1A，閥門開度給定為90%。

風(fēng)機(jī)電機(jī)所消耗的有功功率為：

高溫風(fēng)機(jī)使用變頻調(diào)速正常工作時(shí)轉(zhuǎn)速為830 r/min左右，電機(jī)電流為245A，閥門開度100%。

風(fēng)機(jī)電機(jī)所消耗的功率：

變頻器的輸入功率為：

風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)電機(jī)的輸入功率與變頻器輸入功率比較，節(jié)約的電功率：

按0.5元/kWh，全年按7000h計(jì)算，年節(jié)約資金：

4.2 窯尾廢氣排風(fēng)機(jī)(以下設(shè)備計(jì)算過(guò)程同上，部分過(guò)程簡(jiǎn)略)

風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)的輸入功率與變頻器輸入功率比較，節(jié)約的電功率：

按0.5元/kWh，全年按7000h計(jì)算，年節(jié)約資金：282.9×0.5×7000=99.02萬(wàn)元

4.3 生料循環(huán)風(fēng)機(jī)排風(fēng)機(jī)

風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)的輸入功率與變頻器輸入功率比較，節(jié)約的電功率：

按0.5元/kWh，全年按7000h計(jì)算，年節(jié)約資金：

4.4 窯頭廢氣風(fēng)機(jī)排風(fēng)機(jī)

風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)的輸入功率與變頻器輸入功率比較，節(jié)約的電功率：

按0.5元/kWh，全年按7000h計(jì)算，年節(jié)約資金：

4.5 煤磨通風(fēng)機(jī)

風(fēng)門調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)的輸入功率與變頻器輸入功率比較，節(jié)約的電功率：

按0.5元/kWh，全年按7000h計(jì)算，年節(jié)約資金：

五臺(tái)風(fēng)機(jī)一年節(jié)電共計(jì)：

節(jié)省資金為：

五臺(tái)高壓變頻設(shè)備總費(fèi)用為528萬(wàn)，以此計(jì)算，不到3年就可收回投資。

TM921.51

A

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2011-01-17；

沈 穎