HARSVERT-A高壓變頻器在水泥回轉窯中的應用
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摘要：變頻調速技術現已被應用於各行各業，山水集團公司於2004年起開始將高壓變頻器應用於水泥行業的電機節能改造，至今已成功用於水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭煤磨風機、窯頭過剩風機、生料磨循環風機等的節能改造，取得了許多成功的改造經驗，並取得了顯著的經濟效益。
關鍵詞：變頻調速、液力耦合器 變頻改造
一、前言
變頻調速技術現已被應用於各行各業，我公司於2004年起開始將高壓變頻器應用於水泥行業的電機節能改造，至今已成功用於水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭煤磨風機、窯頭過剩風機，生料磨循環風機的節能改造，取得了許多成功的改造經驗，並取得了顯著的經濟效益。
典型應用案例：2007年6-7月，利德華福在山水集團中標18台設備，其中應用較多的是淄博山水水泥公司和平陰山水水泥公司的各兩條日產量5000T生產線的高溫風機、窯頭煤磨風機、窯頭過剩風機，生料磨循環風機等風機，進行變頻節能改造，都取得良好的節能效果，下麵對改造情況作一簡單介紹。
二、原來用液力耦合器缺陷
1．液力耦合器屬於一種機械調速設備。液力耦合器的原理決定了液力耦合器有5-8%的速度損失。同時功率損失變為熱量，使液壓油溫過高。需要大量冷卻水冷卻液壓油。
2. 在實際運行中油溫高於95℃以上，使冷卻器的水易結垢堵塞，造成故障。
3. 由於液力耦合器是用液壓油傳遞功率，因此速度控製不穩定、功率因數低、調速精度差。
4. 液力耦合器整機效率低，功率因數低，調速精度差，調速本身的損耗大、維護量大、二次成本過高，所以節能效果不明顯。
三、高壓變頻調速係統簡介
異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來(lai)改(gai)變(bian)同(tong)步(bu)轉(zhuan)速(su)而(er)實(shi)現(xian)調(tiao)速(su)的(de)，在(zai)調(tiao)速(su)中(zhong)從(cong)高(gao)速(su)到(dao)低(di)速(su)都(dou)可(ke)以(yi)保(bao)持(chi)較(jiao)小(xiao)的(de)轉(zhuan)差(cha)率(lv)，因(yin)而(er)消(xiao)耗(hao)轉(zhuan)差(cha)功(gong)率(lv)小(xiao)，效(xiao)率(lv)高(gao)，是(shi)異(yi)步(bu)電(dian)動(dong)機(ji)最(zui)為(wei)合(he)理(li)的(de)調(tiao)速(su)方(fang)法(fa)。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速範圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前，變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
高壓變頻調速具有如下顯著的優點：
（1）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻後不再存在；
（2）異步電動機功率因數由變頻前的0.85左右提高到變頻後的0.95以上；
（3）可實現零轉速啟動，無啟動衝擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了衝擊扭振。
（4）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。
對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
當dang風feng機ji風feng量liang需xu要yao改gai變bian時shi，如ru調tiao節jie風feng門men的de開kai度du，則ze會hui使shi大da量liang電dian能neng白bai白bai消xiao耗hao在zai閥fa門men及ji管guan路lu係xi統tong阻zu力li上shang。如ru采cai用yong變bian頻pin調tiao速su調tiao節jie風feng量liang，可ke使shi軸zhou功gong率lv隨sui流liu量liang的de減jian小xiao大da幅fu度du下xia降jiang。變bian頻pin調tiao速su時shi，當dang風feng機ji低di於yu額e定ding轉zhuan速su時shi，理li論lun節jie電dian為wei：
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW?h)
式中： n是額定轉速，n′是實際轉速，P是額定轉速時電機功率，T是工作時間。
可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。
四、變頻器和液力偶合器的比較
1.HARSVERT-A高壓變頻器調速範圍為0~100%；液力偶合器的調速範圍一般為40~95%，即高速段造成約5%的速度損失，影響機組的出力。液力偶合器最低一般隻能到額定速度的40%。
2.HARSVERT-A高壓變頻器在整個調速範圍內都具有較高的效率（大於96%），而液力偶合器在調速越低時效率越低，本身帶來不小的損耗，調速的節能效果大打折扣。
3.HARSVERT-A高gao壓ya變bian頻pin器qi對dui電dian機ji及ji負fu載zai機ji械xie實shi現xian真zhen正zheng的de軟ruan啟qi動dong，徹che底di解jie決jue了le啟qi動dong衝chong擊ji問wen題ti，如ru果guo工gong藝yi需xu要yao，電dian機ji可ke以yi在zai短duan時shi間jian內nei多duo次ci重zhong複fu啟qi動dong。液ye力li偶ou合he器qi不bu能neng解jie決jue電dian機ji啟qi動dong問wen題ti，電dian機ji仍reng然ran為wei直zhi接jie啟qi動dong，需xu要yao啟qi動dong裝zhuang置zhi，啟qi動dong衝chong擊ji也ye大da，並bing且qie不bu能neng頻pin繁fan啟qi動dong。
4.用HARSVERT-Agaoyabianpinqiduidianjijinxingtiaosugaizaoshi，zhixutuokaiyuanlaidekaiguanhedianjidelianjiedianlan，jiarugaoyabianpinqijike，budongdianjihejixiedelianjieguanxi，buyonggaidongrenhejichu，yebucunzaichangdixianzhiwenti。yongyeliouheqizuotiaosugaizao，bixujiangyeliouheqichuanrudianjihejixiedelianjiezhouzhong，xuyaoyidonghezhongxinjiaozhushebeijichu，youxiedifangkongjianyeweibiyunxu。
5.HARSVERT-A高壓變頻器是高科技設備，可靠性高，基本免維護。液力偶合器是機械設備，本身包含油路、水路等多套係統，故障率高，維修工作量大，造成有效生產時間的縮短。
五、高溫風機變頻改造方案
以水泥廠耗電量較高的高溫風機為例，日產5000t的生產線，高溫風機電機配置為6kV/2500kW，原來用液力耦合器調速，改造後在高溫風機的電機與風機之間由高壓變頻器對電機本身進行調速，最後達到調整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。
根據水泥廠提供的負載參數及運行工況，利德華福為窯尾高溫風機配置高壓變頻器型號是：HARSVERT-A06/300（額定電壓6kV，額定電流300A）。
六、窯尾高溫風機係統簡介
淄博山水水泥廠和平陰山水水泥生產線為幹法懸窯，其窯燒成係統流程簡圖如圖1所示：
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| 圖1：窯燒成係統流程簡圖 |
日產5000t旋窯是一個有4度斜角、直徑4.8m、長74m的耐熱鋼筒，內鑲各種耐火磚。從預熱器來的生料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉動來促進生料在旋窯內高溫下混合、煆duan燒shao，物wu料liao依yi靠kao窯yao筒tong體ti的de斜xie度du及ji窯yao的de轉zhuan動dong在zai窯yao內nei向xiang前qian運yun動dong。窯yao內nei燃ran燒shao產chan生sheng的de餘yu熱re廢fei氣qi，在zai窯yao尾wei高gao溫wen風feng機ji的de作zuo用yong下xia，通tong過guo預yu熱re器qi對dui進jin入ru窯yao尾wei前qian的de生sheng料liao進jin行xing預yu熱re均jun化hua，降jiang溫wen後hou的de餘yu熱re廢fei氣qi再zai通tong過guo高gao溫wen風feng機ji抽chou出chu進jin入ru廢fei氣qi處chu理li（除塵及排出）。
七、改造過程簡述
為(wei)減(jian)小(xiao)安(an)裝(zhuang)成(cheng)本(ben)，動(dong)力(li)電(dian)纜(lan)保(bao)留(liu)了(le)原(yuan)高(gao)壓(ya)櫃(gui)至(zhi)電(dian)機(ji)的(de)電(dian)纜(lan)，將(jiang)電(dian)纜(lan)原(yuan)接(jie)線(xian)由(you)高(gao)壓(ya)櫃(gui)牽(qian)至(zhi)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)，再(zai)重(zhong)新(xin)由(you)高(gao)壓(ya)櫃(gui)到(dao)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)敷(fu)設(she)一(yi)根(gen)動(dong)力(li)電(dian)纜(lan)，由(you)於(yu)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)房(fang)緊(jin)鄰(lin)高(gao)壓(ya)室(shi)，此(ci)電(dian)纜(lan)長(chang)度(du)較(jiao)短(duan)。
由(you)於(yu)此(ci)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)功(gong)率(lv)較(jiao)大(da)，發(fa)熱(re)量(liang)較(jiao)大(da)，為(wei)保(bao)證(zheng)足(zu)夠(gou)的(de)通(tong)風(feng)冷(leng)卻(que)效(xiao)果(guo)，在(zai)變(bian)壓(ya)器(qi)櫃(gui)頂(ding)和(he)功(gong)率(lv)櫃(gui)頂(ding)分(fen)別(bie)獨(du)立(li)安(an)裝(zhuang)了(le)一(yi)整(zheng)體(ti)風(feng)罩(zhao)，與(yu)各(ge)自(zi)的(de)出(chu)風(feng)口(kou)連(lian)成(cheng)整(zheng)體(ti)，把(ba)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)散(san)出(chu)的(de)熱(re)風(feng)排(pai)出(chu)室(shi)外(wai)，保(bao)證(zheng)高(gao)壓(ya)變(bian)頻(pin)器(qi)整(zheng)體(ti)冷(leng)卻(que)通(tong)風(feng)要(yao)求(qiu)。
八、變頻改造節能情況統計
變頻改造前後，我們對相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析整理如下。
1.淄博山水水泥1、2#窯風機改造前後對比表
淄博山水水泥有限公司改造設備，應用了利德華福共計8台高壓大功率變頻器，分別應用以下場合：
| 所用場合 |
電機功率
（kW） |
改造前電機功率
（kW） |
改造後電機功率
（kW） |
| 一線1#循環風機 |
1000 |
790 |
661 |
| 一線2#循環風機 |
1000 |
774 |
681 |
| 一線高溫風機 |
2500 |
2221 |
1777 |
| 一線煤磨風機 |
630 |
348 |
247 |
| 二線3#循環風機 |
1000 |
830 |
681 |
| 二線4#循環風機 |
1000 |
780 |
632 |
| 二線高溫風機 |
2500 |
2420 |
1866 |
| 二線煤磨風機 |
630 |
388 |
257 |
從上述數據可以明確看出改造後窯係統各風機相應的節電功率。
根據我們在設備調試和開窯過程中記錄的數據，按每天24小時，月運行28天，年運行11個月，即7392小時計算，可推算出風機的節電量及節電效益。
以1#窯所有風機為例計算節能效果：
節電功率：（790－661）+（774－681）+（2221－1777）+（348－247）＝767（kW），年節電量： 767kW×7392小時＝566.96萬kW?h，年節電效益：566.96萬kW?h×0.5元/kW?h＝283.48萬元。
2.平陰山水水泥1、2#窯風機改造前後對比表
平陰山水水泥有限公司改造設備，應用了利德華福共計5台高壓大功率變頻器，分別應用以下場合：
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所用場合 |
電機功率 |
改造前電機功率 |
改造後電機功率 |
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一線高溫風機 |
2500KW |
1920 |
1430 |
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一線過剩風機 |
630KW |
455 |
345 |
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二線高溫風機 |
2500KW |
1890 |
1380 |
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二線煤磨風機 |
630KW |
510 |
430 |
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二線過剩風機 |
630KW |
425 |
330 |
由you於yu平ping陰yin山shan水shui水shui泥ni窯yao的de密mi封feng較jiao好hao，所suo以yi節jie能neng效xiao果guo也ye比bi較jiao好hao，其qi中zhong尤you以yi高gao溫wen風feng機ji效xiao果guo最zui好hao，現xian簡jian單dan計ji算suan高gao溫wen風feng機ji節jie電dian量liang，根gen據ju我wo們men在zai設she備bei調tiao試shi和he開kai窯yao過guo程cheng中zhong記ji錄lu的de數shu據ju，平ping陰yin山shan水shui1#窯在5500T/D的產量下，高溫風機6kV側電流約為156A，耗電功率約為1430kW，比改造前同產量耗電功率下降約490kW。2#窯在5500t的產量下，高溫風機6kV側電流約為148A，耗電功率約為1380kW，比改造前同產量耗電功率下降約510kW。
按每天24小時，月運行28天，年運行11個月，即7392小時計算，可推算出兩台高溫風機的節電量及節電效益。
1#窯高溫風機：
節電功率： 1920－1430＝490（kW），年節電量：490 kW×7392小時＝362.2萬kW?h，年節電效益：362.2萬kW?h×0.64元/kW?h＝231.8萬元。
2#窯高溫風機：
節電功率： 1890－1380＝510（kW），年節電量：510 kW×7392小時＝377萬kW?h，年節電效益：377萬kW?h×0.64元/kW?h＝241.3萬元。
此數據為估算節電值，變頻改造的另一大收益是提高了窯係統的產量近19%，由此而產生的增產效益也是非常大的。
九、變頻改造總結
根據我公司在山水水泥廠各個風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結高壓變頻器改造有以下優點：
1.安裝簡單，即將原高壓開關櫃與電動機之間插入安裝高壓變頻器，對原有接線改動不大。
2.操作使用方便，高壓變頻器操作隻有簡單的開機、停機和頻率調整。
3.能進行無級調速，調速範圍廣，且調速精度高，適用性強。
4.保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩，啟動電流小，可靠性高。
5.電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節電效果顯著。
6.由於高壓變頻器取代了液耦調速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設備維護費用降低。
7.電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
8.交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、節電、軟啟動方麵，對企業有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在這兩個水泥廠共對13台tai電dian機ji進jin行xing了le成cheng功gong的de改gai造zao，其qi節jie能neng效xiao果guo明ming顯xian，且qie同tong時shi提ti高gao了le整zheng個ge係xi統tong的de工gong藝yi性xing能neng，得de到dao用yong戶hu的de好hao評ping，並bing在zai當dang地di水shui泥ni行xing業ye中zhong產chan生sheng了le很hen大da的de影ying響xiang。
十、結束語
目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是製造成本的競爭，而電動機電耗就占成本近30％，ertuodongfengjiyongdegaoyadiandongjizaidianjizhongzhanyouhendadebizhong，yincizuohaodiandongjidejianghaozengxiaogongzuojiuxiandejiweizhongyao。gaoyabianpinqijishumuqianyijingbijiaochengshu，guzhanglvjiaoxiao，shishuinichangjienenggaizaodelixiangshebei，juyouhengaodeyingyongjiazhi。
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