變頻器在水泥廠中的應用

 　　根據(jù)水泥制造工藝要求，結(jié)合水泥廠所使用的生產(chǎn)設備，我們得到如下結(jié)論：大部分水泥廠的一些設備尤其是大功率設備在生產(chǎn)過程中絕大部分時間都不是滿負荷,設備運行的自動化程度相當?shù)?幾乎完全靠人工調(diào)節(jié),如立窯供風系統(tǒng)、成球預加水系統(tǒng)、生料均化給料系統(tǒng)、水泥選粉系統(tǒng)、機立窯卸料系統(tǒng)等。

　　我是多年從事變頻節(jié)能技術(shù)研究、開發(fā)與應用的專業(yè)公司，結(jié)合曾經(jīng)成功為多家企業(yè)進行節(jié)能改造項目的實踐經(jīng)驗，開發(fā)出比較成熟的水泥廠七大生產(chǎn)系統(tǒng)變頻調(diào)速控制的改造方案。此方案的優(yōu)點明顯，1、投資少；2、安裝、調(diào)試及控制方便；3、及時保護電機和其他設備，保證設備可靠運行；4、節(jié)電效果明顯，回收成本快；5、提高了生產(chǎn)過程的自動化程度；6、提高了生產(chǎn)過程的加工工藝精度。從總體的效果來看，改造后的實際系統(tǒng)在水泥制造行業(yè)深受客戶的普遍歡迎。為其取得了顯著的經(jīng)濟效益和良好的社會效應。

　　1、變頻器在立窯羅茨風機上的應用經(jīng)驗 

　　在水泥廠的立窯風機上，一般都是采用擋風板進行調(diào)節(jié)，其原理是調(diào)節(jié)閥門的開度，亦即利用風道的阻力特性調(diào)節(jié)風量，其缺點是：風機始終在全速運轉(zhuǎn)，無法根據(jù)需求準確地調(diào)節(jié)其風量，因此造成風量的跑、冒、漏嚴重，也使電機作為無用功而大量白白地消耗。

　　立窯煅燒熟料所耗的電能中，羅茨鼓風機的電耗一般占 60% 左右，隨著電價的調(diào)整，電費在水泥生產(chǎn)成本中所占的比例越來越高。因此，降低鼓風機的能耗成為提高企業(yè)經(jīng)濟效益的重要一環(huán)。 

　　一、節(jié)能原理簡介：

　　1、變頻節(jié)能功能

　　通常在設計中，用戶風機設計風量比實際需要的高出很多，這樣容易形成了人們常說的“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的浪費，而且無計可施，利用變頻器可以通過適當降低風機電機的運行頻率，恰到好處地滿足風量的需求，從而輕易地將此部分電能節(jié)約下來。

　　2、動態(tài)功率補償功能

　　無功功率不但增加線損和設備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低，降低了電網(wǎng)的有功功率，S2=P2+Q2，當COSФ≈1 時，Q=S×sinФ≈0,此時有功功率P≈S。變頻器的動態(tài)功率因數(shù)補償功能可使無功功率近似為0，從而增大電網(wǎng)的有功功率，減少了無功損耗。另外，功率因數(shù)的改善還可節(jié)省很大一部分電網(wǎng)容量，直觀的體現(xiàn)在風機電機溫升降低、噪音降低，供電發(fā)電機機組溫升降低、噪音降低、耗油量大幅度降低，大大地延長設備維修周期及使用壽命。

　　二、設備參數(shù)：

　　某廠有立窯羅茨風機185KW一臺，最大運行電流200A，最小運行電流160A,額定電流為355A,頻率50HZ，用風板調(diào)節(jié)風量最大調(diào)節(jié)60%,每天運行24 小時,每月運行20 天,每年需運行11個月,電費0.58 元/度。

　　三、改造方案： 

　　用變頻器帶動風機電動機傳動，對風機實現(xiàn)無級調(diào)速，放棄傳統(tǒng)的擋風板，既降低電機轉(zhuǎn)速，又達到節(jié)能目的。

　　四、投資分析

　　投資回收分析：

　　　對風機、泵類負載

　　　P（功率）=Q（流量）×H（揚程）

　　　當電機轉(zhuǎn)速從n 降至n’時，流量Q、揚程H 及軸功率P 的關系如下：

　　　Q’=Q（n/n）
　　　H’=H（n/n）2
　　　P’= P（n/n）3

　　顯然，當電機轉(zhuǎn)速下降時，流量按線性關系變化，而電功率卻按立方,根據(jù)我司長期的經(jīng)驗，我們認為該廠風機系統(tǒng)節(jié)能在30%以上是完全可能和可行的。即單臺185KW 風機系統(tǒng)按每年運行11 個月，每月20天，每天24 小時計算，每度電按0.58元計費，每年電費為：P= ×11×20×24×0.58=321552，按節(jié)電30%計算，每年節(jié)約電費為：321552×0.3=96465.6 元.工程改造費用需9.35 萬元.即12 個月左右即可收回全部投資。

　　五、系統(tǒng)特點：

　　1、由于采用電位器控制，因此可靠性高，穩(wěn)定性好，容易操作。

　　2、由于加裝變頻調(diào)速器，減小啟動時啟動電流對電機沖擊，延長機械使用壽命，減小維修工作強度。

　　3、提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，避免增加電網(wǎng)增容費。

　　在離心風機上的應用

　　有某些水泥廠是采用高壓離心式風機進行供風的，該種水泥窯的風量調(diào)節(jié)是通過風門開啟度對風量進行調(diào)節(jié)。對于離心式風機、水泵的變頻調(diào)速改造同樣有巨大的節(jié)能潛力。我們通過沸騰式鍋爐高壓離心式風機應用變頻調(diào)速的方法調(diào)節(jié)風量，實踐證明其節(jié)能效果在３０～５０％。對于水泵的變頻改造節(jié)能效果高達７０％。為什么離心式風機，泵類設備通過調(diào)速調(diào)節(jié)風量或流量有如此驚人的節(jié)能呢？在此將其原理加以闡明。離心式風機、泵類設備的流量與轉(zhuǎn)速成正比，如公式（３－１）壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，如公式（３－２）功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，如公式（３－３）       

　　　風量關系
　　　功率關系
　　　Q,H,P
　　?。选兀?nbsp; 　式３－１ Ｑ：表示流量    

　　　壓力關系
　　?。取兀危病∈剑常病。危罕硎巨D(zhuǎn)速             
　　?。小兀危场∈剑常场。龋罕硎緣毫Α?nbsp;    
         Ｐ：表示功率      
　　將經(jīng)上３個公式繪成一張圖， 壓力關系以清楚看到，改變轉(zhuǎn)速其流量線性變化的，而功耗則是立方關系變化，因此在調(diào)節(jié)風量或流量時如降低２０％的風量或流量，功耗(圖3-1)則會下降５０％。但是必須注意，轉(zhuǎn)速與壓力是平方關系，當轉(zhuǎn)速下降２０％壓力則會下降６４％，因此必須要注意工藝要求壓力范圍不能象羅茨風機那樣，不用考慮轉(zhuǎn)速與風壓的關系?！　　　　　　　　　　　　?/P>

　　風門控制
　　離心風機、泵類設備傳統(tǒng)的風量、流量                            

　　 風門控制控制的，大量的能源耗在風門或截流閥的阻力上，如公式（３－４），風門或截流閥控制流量的功耗與流量關系：變速控制
?。校剑校埃恕ぃ?nbsp;  式３－４變速控制
?。眩罕硎玖髁俊?nbsp; Ｋ：為系數(shù)   
　Ｐ：表示功耗　?。校埃罕硎净竟β?
　　由此比較風門或截流閥控制與變頻調(diào)速調(diào)節(jié)，可以看到在流量變化范圍，采用變頻調(diào)速的方法具有很大的節(jié)能潛力，因此在水泥廠的供水泵或其它離心風機上進行變頻器改造同樣會取得很大的節(jié)能效果?！　　?

　　3 在立窯卸料機上的應用 

　　立窯卸料機若采用滑差調(diào)速電機，其轉(zhuǎn)速通常控制在 300~1000rpm （工藝上根據(jù)窯的情況，對卸料速度進行控制的）。采用變頻調(diào)速的方法取代滑差電機，經(jīng)過多個廠家應用結(jié)果表明，平均節(jié)能達 40% 左右，這是因為滑差調(diào)速是一種耗能的低效調(diào)速方法。 

　　由下列公式可知： 
　　滑差電機主電機軸的輸出功率： P 0 = KM 0 N 0 （ P 0 表示輸出功率， M 0 表示負載轉(zhuǎn)速， N 0 表示電機轉(zhuǎn)速， K 為常數(shù)） 
　　滑差頭輸出功率 P 1 = KM 0 N 1 （ P 1 表示輸出功率 ， N 1 表示滑差頭轉(zhuǎn)速 ） 
　　滑差頭損耗功率： P = P 0- P 1= KM 0 （ N 0 — N 1 ） 
　　由此可見，滑差電機的轉(zhuǎn)速越低，浪費能源越大，而卸料機的轉(zhuǎn)速通常在 400rpm 左右運行，因此改用變頻調(diào)速的方法會有 50~60% 的節(jié)能效果。 

　　4 在空氣壓縮機上的節(jié)能應用 
　　氣壓縮機恒壓供氣使用變頻器與壓力控制構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使壓力波動減少 1.5% ，降低噪音 、 減少振動。保證設備長期穩(wěn)定運行，從而減少了設備維護工作量，延長了設備使用壽命。用變頻器后，空壓機可在任何壓力下隨意起動，打破了以前不允許帶壓起動的規(guī)定，起動電流也較以前大大降低。通過使用變頻器后的實例，多數(shù)壓縮機節(jié)電率約在 20% 左右，比節(jié)電率較大的風機低，但壓縮機的電動機功率都較大，從幾十瓦直到幾百瓦甚至幾千瓦，其節(jié)電量值較大，經(jīng)濟效益十分顯著，同時控制平質(zhì)大為提高，可使壓縮空氣的壓力始終保持恒定，用戶感到十分滿意?？傊畨嚎s機使用變頻實現(xiàn)節(jié)能計改項目使值得推廣的。

　　5 在預加水成球系統(tǒng)中的應用 
　　目前，預加水成球技術(shù)在立窯水泥廠中應用已相當普遍。它在提高成球質(zhì)量，改善煅燒操作條件，提高立窯熟料產(chǎn)量和質(zhì)量方面取得了比較明顯的效果。其結(jié)合微機雙回路調(diào)節(jié)器，就能實現(xiàn)水料比例自動跟蹤，自動調(diào)節(jié)，做到恒壓供水。調(diào)節(jié)及時，極大地減輕了工人的勞動強度，同時也改善了成球質(zhì)量，使預加水系統(tǒng)真正起到預濕成球的作用，為立窯生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的熟料創(chuàng)造了條件。 

　　6 在選粉機上的應用 
　　某水泥有限公司的旋風式選粉機，原設計由 JZT392-4 型 75KW 電磁調(diào)速異步電動機（滑差電機）拖動，其優(yōu)點是調(diào)速系統(tǒng)簡單。價格低廉，有一定的調(diào)速范圍，缺點也較多：電機本體噪音高 、 振動大能 、 耗高 、 無功損耗大 、 軸承故障率特別高，滑差控制儀安裝于粉塵飛揚的電機旁邊，多次出現(xiàn)帶負荷起 動 ,不能調(diào)速和突然失速 等故障，現(xiàn)場維護量大，影響整個系統(tǒng)的安全運行。 

　　針對上述問題，結(jié)合生料車間選粉機負荷轉(zhuǎn)速不超過 600r/min 的特點，對選粉機電氣部分進行變頻調(diào)速技術(shù)改造。經(jīng)實際測量，選粉機改造前，運行速度在 594r/min 時，輸入電壓 385V ，輸入電流 72A ，功率因數(shù) 0.82 ，故輸入功率為 40KW ；改造后，運行速度在 594r/min 時，輸入電壓 387V ，輸入電流 18A ，（熱繼電器也做了相應調(diào)整），功率因數(shù) 0.92 （變頻器加裝了直接電抗器）則輸入功率為 11KW 。改造后一年中，沒發(fā)生過任何故障，保證了系統(tǒng)的安全運行，大大減少了維護工作量和維修費用，而且節(jié)能效果十分顯著。變頻器在水泥廠的應用還不止這些，比如說回轉(zhuǎn)窯球磨機 、 卸料圓 、 盤給料機 、 雙管絞刀裙 、 板喂料機調(diào)速皮帶稱喂 、 煤絞刀 、 蓖冷機等一切需交流調(diào)速的設備都可以采用變頻調(diào)速器。 

　　從以上應用情況可以看出，水泥廠使用變頻器有以下突出優(yōu)點： 
　　A ．滿足調(diào)速的工藝要求，變頻調(diào)速器的調(diào)速范圍在 10 ： 1 以上，而水泥生產(chǎn)工藝過程中調(diào)速范圍在 10 ： 1 范圍內(nèi)即可滿足要求。 
　　B ． 便于實現(xiàn)自動化控制，由于變頻器本身是由一個 16 （或 32 ）位微處理器所控制，設有 RS485 （或 422 ）， A/D 輸入， D/A 輸出接口，為自動控制（與上位機聯(lián)網(wǎng)）創(chuàng)造了充分的條件。 
　　C ． 獲得可觀的節(jié)能效果。 
　　D ． 降低工人的勞動強度，由于調(diào)速系統(tǒng)整體可靠性提高，故障率低，免維護周期較長，可減輕有關維護人員的工作量。 
　　E ． 提高產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量。

　　7、在水泥粉磨工藝中應用
　　在水泥粉磨工藝中球磨機入磨物料粒度的大小，對其臺時產(chǎn)量影響較大，預破碎工藝作為提高磨機臺時產(chǎn)量、降低粉磨電耗的重要途徑，引起了許多水泥企業(yè)的重視。根據(jù)工藝要求，水泥立窯放料每次持續(xù)2～3 min，間隔2～3 min，但目前幾乎所有水泥企業(yè)中破碎機處于工頻恒速運行狀態(tài)，24 h連續(xù)運轉(zhuǎn)，造成電能的巨大浪費，并影響電機和破碎機的使用壽命。另一方面，由于破碎機具有十分大的慣性，不易頻繁啟停，所以即使使用變頻器也難以解決系統(tǒng)制動時產(chǎn)生的泵升電壓引起保護電路動作，使系統(tǒng)無法正常工作。  

　　針對系統(tǒng)的以上特點，利用系列變頻器實現(xiàn)破碎機的變頻調(diào)速和軟啟動；利用再生能量回饋單元克服破碎機制動過程中產(chǎn)生的過高的泵升電壓；利用PLC實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯閉環(huán)控制，使破碎機的工作與立窯放料同步，實現(xiàn)間歇運行。從而在改善工藝控制質(zhì)量的同時，最大限度地節(jié)約了電能，降低了生產(chǎn)成本?，F(xiàn)場調(diào)試和運行結(jié)果表明，系統(tǒng)運行可靠，節(jié)電率可達60%以上。  

　　上述系統(tǒng)已在某水泥廠投入實際運行。系統(tǒng)根據(jù)送料信號自動實現(xiàn)啟制動運行，破碎機運行速度連續(xù)可調(diào)。電機可以實現(xiàn)頻繁軟啟動，基本無啟動電流沖擊，啟動力矩足夠。系統(tǒng)在變頻運行條件下，若變頻器突然故障，則自動切換至“工頻”狀態(tài)繼續(xù)運行，同時發(fā)出聲光報警信號(內(nèi)部可選)。根據(jù)現(xiàn)場工況需要，將有放料信號時變頻運行給定頻率設為43 Hz，系統(tǒng)運行電流為27 A，運行電壓280 V，改造后的系統(tǒng)平均每年耗電5.7萬度。根據(jù)現(xiàn)場記錄，系統(tǒng)在改造前工作頻率為工頻50 Hz，運行電流為32 A，運行電壓400 V，平均每年耗電19.42萬度。改造后的節(jié)電率為70.6%。該系統(tǒng)的突出優(yōu)點如下：  

　　1、利用變頻調(diào)速技術(shù)改造了水泥熟料破碎機的拖動系統(tǒng)，滿足了破碎機的低速、間歇運行特點，保證了工藝控制質(zhì)量，節(jié)能效果明顯，并有利于延長破碎機和電機的使用壽命。 

　　2、利用能量回饋控制技術(shù)克服破碎機大慣性引起的泵升電壓，有效地保證了變頻器的安全運行。系統(tǒng)除了變頻器和能量回饋裝置所具有的20余種保護功能和故障自診斷功能外，還增設了電機過熱、控制回路保護及報警。  

　　3、利用可編程控制器PLC實現(xiàn)了各種邏輯控制、變頻器啟制動自動控制及手動/自動、工頻/變頻轉(zhuǎn)換和故障自切換等功能，使系統(tǒng)控制靈活方便，功能齊全

　　成功的經(jīng)驗充分說明了水泥行業(yè)變頻改造的巨大潛力，變頻改造后在短短幾個月的時間里僅僅靠節(jié)約電費就收回整體投資，在以后的生產(chǎn)經(jīng)營中也能夠以較低的生產(chǎn)成本在市場的競爭中處于更有力的位置。水泥制造的變頻改造勢在必行，一方面體現(xiàn)出公司強大的經(jīng)濟實力和公司領導層非凡的遠見卓識，另一方面能夠給公司帶來豐厚的利益回報，并提高了公司生產(chǎn)方面的自動化程度。