5000t/d生产线窑尾高温风机变频改造

摘  要：本文主要介绍了高压变频器在淄博鲁中水泥有限公司窑尾高温风机上的应用情况，并对节能效果进行了分析。
关键词：高压变频器 高温风机  效率
Summary: This text mainly introduces the application situation of high voltage inverter at the high-temperature air blower of kiln end of Zibo Middle Areas in Shandong Province Cement Co., Ltd., and analyzes the energy-conserving result.
Key words: High voltage inverter   High-temperature air blower   Efficiency
1引言
    在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，提高水泥行业的节约型制造和应用水平，建立节约型水泥工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下，水泥生产企业必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。水泥生产企业是国民经济生产中的能源消耗大户，水泥行业已被列为国家节约资源的重点领域之一。                   
    在水泥的生产中，电动机负载电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，对于一条水泥生产线其中有25%～30%的电能是用于拖动各种类型风机上，因此做好风机电动机的降耗增效工作就显得极为重要。如果利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。
随着电力电子技术及电子技术的发展，变频技术日趋成熟，国际上对于风机的风量、风压调节已普遍摒弃靠调整配套的风门开度的手段，改而采用变速的电气传动调节，变频调速已成为风机、泵类节能降耗的最佳、首选的电气传动方案。高压变频器器成为国家水泥节能设计规范标准要求的设备。我国在2007年10月25日颁布、2008年5月1日起执行的强制性标准《GB50443-2007水泥厂节能设计规范》中的第4.3.5条规定：“窑尾高温风机应采用变频调速装置”。
2 现场工艺情况及调速方式选择
    淄博鲁中水泥有限公司经过十年的持续健康发展,目前已初步形成集水泥制造、热力发电和氟化盐生产为一体的循环型经济实体，连续三年荣膺“淄博市百强工业企业”，并跨入中国水泥五十强。图1为厂区场景。

图1  厂区场景

淄博鲁中水泥有限公司新上5000t/d新型干法水泥生产线,旋窑内燃烧产生的余热废气，在窑尾高温风机的作用下，通过预热器对进入窑尾前的生料进行预热均化，降温后的余热废气再通过高温风机抽出进入废气处理（除尘及排出）。均化好的生料预热后在回转窑内煅烧成熟料，回转窑内需要合适的气压及温度，才能使煤粉有一定的悬浮时间进行充分燃烧，生料才能在窑内达到很好的热处理。窑内因物料的堆积变化很大，所以瞬时气压变化频繁。窑尾高温风机一方面用来调整窑内气压，另一方面回转窑内锻烧后的高温熟料出来有废气，废气带灰，通过窑尾高温风机引出由电收尘器将灰尘进行处理，再将废气排掉。由于其工艺上的要求控制窑尾预热器的压力，通过DCS的控制来对高温风机的风量进行调节，高温风机的电机以前一般采用采用液力耦合器、绕线式电机转子串水阻等方式进行调速，水泥厂领导经过慎重考察，比较液力耦合器调速与高压变频调速两种高压电机调速方式，认为：
⑴高压变频器调速范围为0-100%,而液力耦合器的调速范围一般为40-95%，即高速段造成的5%的速度损失，液力耦合器最低一般只能到额定速度的40%。
⑵高压变频器在整个调速范围内都具有较高的效率（大于96%），而液力耦合器在调速越低时效率越低，本身带来不小的损耗，调速的节能效果大打折扣。
⑶高压变频器对电机及负载机械实现真正的软启动，如果工艺需要，电机可以在短时间内多次重复启动，液力耦合器不能解决电机启动问题，电机仍然为直接启动，需要启动装置，启动冲击也大，并且不能频繁启动。
⑷高压变频器是高科技产品，可靠性高，基本免维护，万一变频器故障，电机还可以直接挂电网工频运行，不会造成生产损失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系统，故障率高，液力耦合器一旦故障，负载机械将无法运行，只能停机维修。维修工作量大，造成有效工作时间的缩短。
⑸高压变频器不会因为电机速度的高低而增加成本，而低速大容量的电机用液力耦合器调速，成本将大大增加，有些时候甚至无法实现。
⑹用变频调速取代液力耦合器初始投资大一些，投资回收期很短，从经济角度考虑是值得的，从节能减排的角度考虑更具有很大的社会效益。
    由于变频调速性能优于其他调速技术，安装现场条件又比较灵活。随着高压变频器的价格逐步下降，高压变频器的性价比优势越来越突出，而且水泥行业变频改造已非常普遍。经过招标方式，选取山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-2500F型（2500KW/10KV）高压变频器对窑尾高温风机进行变频拖动控制，改造取得了成功，本文对风光牌JD-BP38-2500F型高压变频器在5000t/d窑尾高温风机的应用情况进行简要介绍。
3现场窑尾高温风机及电机参数
3.1电机参数
 

3.2窑尾高温风机参数
 

4山东新风光电子JD-BP38系列突出特点
    2007年9月，风光牌JD-BP38系列高压变频调速系统荣获“中国名牌”称号，山东新风光是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP38系列高压变频调速系统以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。产品2003年被列为国家重点新产品，高压提升机变频调速系统2005年被列为国家火炬计划项目，获科技部中小企业技术创新基金项目资助。2007年，高压变频调速系统荣获山东省重大节能成果奖。
(1)采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，让控制更精准。
(2)飞车启动功能：能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
(3)完整的工频/变频自动互切技术：现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜，变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行，旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式，手动旁路需人工操作，时间较长，适应于无备用装置或不重要的运行工况，自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。我公司提供的自动旁路切换柜，不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态，还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频的功能，整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
(4)旋转中再启动功能：运行过程中高压瞬时掉电三十秒钟内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
(5)线电压自动均衡技术（星点漂移技术）：变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
(6) 具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。我公司的变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。
5高压变频器在水泥行业应用中的主要问题及应对措施
5.1  高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停问题
窑尾高温风机是保证水泥生产线窑内负压的重要负载，即使在以往工频运行、采用液力耦合器调速的高温风机，也常见由于管道“塌料”导致高温风机电机过负荷跳闸，导致生产中断。而对于由于变频器装置的电力电子器件的过负荷能力的限制，以上由于塌料造成的高温风机过负荷导致的变频器保护停机现象如无专业技术是不可避免的，将给水泥生产线造成更多的损害。 
    高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加或如果垂直烟道或预热器内在清结皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前国内外一般厂家的通用型高压变频器，可能导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。
    新风光公司生产的水泥行业专用变频器采用无速度矢量控制技术，技术人员针对水泥厂高温风机塌料引起的电机过载保护现象，采用矢量控制原理，在塌料发生时，变频器能够根据测量到电压、电流信号的变化，以及事先测得的电机参数，根据内建的电机模型，计算出电机的磁通位置、磁通幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差，对输出转矩进行控制，使得即使塌料发生时变频器照样运行不过载，有效地避免了其他厂家的通用高压变频器载运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，保证了生产的连续运行。
5.2高温风机变频的电源波动与运行可靠性问题 
    水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证安全生产。国内的许多企业往往装备多条生产线，每条生产线均有主要辅机设备组成，每当大容量辅机设备启动时，电源母线电压都有较大的跌落（超过-15%），会影响到同条母线上的其他设备正常运行，针对这种现象，风光高压变频器在软件上进行了特殊设计，保证了电网电压在-35%-15%波动时变频器维持运行，不停机。
5.3变频器应用的环境与散热问题 
    由于水泥现场粉尘较大，环境相对恶劣，作为电子与电力电子设备，而且由于产生约3～4％的损耗发热需要散热，而一般采用风冷散热，新风光公司生产的水泥行业专用变频调速系统，系统的器件选型设计裕度大，单元布局独特布局，优化散热器与风道设计，提高单元散热效果，以确保系统运行温升低，环境适应能力强，实践证明可以经受住水泥厂恶劣环境的考验。
6项目实施改造方案
    根据用户现场的实际情况，旁路柜采用了一拖一工变频自动转换方案。如下图2所示。旁路柜中，共有2个高压隔离开关和2个真空接触器，为了确保不向变频器输出端反送电，KM3与KM4采用电气互锁。当K1、K3、KM1和KM3闭合，KM4断开时，电机变频运行；当KM1、KM3断开，KM4闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
    旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁， DL合闸时，绝对不允许操作变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

用户选配自动旁路柜，并且选择“手动”模式，则具体转换过程如下：
Step1: 执行变频调速系统停机操作。
Step2: 断开交流进线断路器。
Step3: 断开变频调速系统的输入侧刀闸K1 （参阅图2）。
Step4: 断开变频调速系统的输出侧刀闸K3。
Step5: 合变频调速系统的旁路开关KM4。
Step6: 关闭所有的门（控制柜除外）。
Step7: 合交流进线断路器。
用户选选择“自动”模式，则变频调速系统根据故障情况自动完成到工频旁路运行的转换。具体转换过程如下：
JD-BP38系列变频器在变频运行中出现故障后，控制器发出节点信号控制进线真空接触器KM1和变频器输出真空接触器KM3进行分断，然后控制器向PLC发送变频转工频信号，延时一定时间后，旁路开关KM4进行合闸。
保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。
风光高压变频器调试非常方便，在确认现场接线正确无误后，用变频器人机界面设定基本参数后，即可完成设置。高压变频器一次安装调试成功，09年9月份投入正常使用，通过近半年的运行观察，改造达到了预期目的。
7 运行效果
高压变频器控制窑尾高温风机,主要有以下优点:
(1) 运行稳定,安全可靠。
从变频器顺利投运以来,对变频器输入变压器温升、功率单元温升、输出电压、输出电流等各项参数定期巡检，完全正常。变频器运行一直十分稳定，为水泥厂安全可靠生产提供了强有力的保证。对于用户来说,只需定期对变频器除尘,不用停机,保证了水泥生产的连续性。
(2)电机及机组运行平稳,各项指标满足工艺要求。
在整个运行范围内,电机始终运行平稳,温升正常。风机启动时的噪音和启动电流非常小,无任何异常振动和噪音。
(3)变频器的三相输出波形完美,非常接近于标准正弦波。
经过现场测试,变频器的三相输出电压波形、电流波形非常标准,说明变频器完全可以控制一般的普通电动机运行,对电机无任何特殊要求。
(4)运行工况改善,工人劳动强度降低。
随着水泥厂高温风机生产工艺的需要,调节风机的转速,进而调节风机风量,满足生产工艺的需要,工作强度大大降低。独有的飞车启动功能，可以使风机电机在旋转的状态下，自动识别电机转向，跟踪电机转速直接启动，不必使电机停止后再启动，变频启动非常方便。
（5）人机界面采用全中文界面，界面显示电压、电流、转速、频率、各种运行状态指示，故障报警指示，操作简便直观，方便国人使用习惯。
（6）节能效果明显。
    为了对窑尾高温风机系统变频改造后的效果进行评价，在系统投入正常运行后对设备实际使用和节电情况进行了测定和数据分析。工、变频生产工况基本相同，随机抽取一个正常工作日，将系统切换工频运行采用风门调节风量，网侧记录运行数据，然后将系统切换变频运行，记录运行数据，具体数据如下表3示：

采用工频时所消耗功率：
P工频=1.732*10.1*159*0.90=2503.3KW
采用变频调速时所消耗功率：
P变频=1.732*9.8*96.8*0.99=1627.1KW
节电率：η=（P工频 - P变频）/ P工频 =（2503.3-1627.1）/2503.3=35%。
     每年按运行300天，每天运行20小时，每度电按0.3元计算，每年可为用户节约电费计算如下：（2503.3-1627.1）*20*300*0.3元=1577160元。
8结束语
    淄博鲁中水泥有限公司通过对窑尾高温风机的变频调速改造，改善了生产工艺，取得了良好的经济效益。在水泥行业应用高压变频器节能降耗，是国家大力提倡节能降耗的技术手段。随着高压变频器技术的进一步成熟，将会有越来越多的水泥厂加入改造之列。
参考文献
 [1]山东新风光电子使用手册[Z]. 山东新风光电子科技发展有限公司。
作者简介
王磊 男 技术支持工程师，供职于山东新风光电子科技发展有限公司