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1、KT仟億高壓變頻節(jié)能設計方案北京仟億達科技有限公司一、前言高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是90年代迅速發(fā)展起來的一種新型電力傳動調(diào)速技術(shù)，主要用于交流電機的變頻調(diào)速，其技術(shù)和性能遠遠勝過以前采用的調(diào)速方式（如串級調(diào)速、液力耦合器調(diào)速、轉(zhuǎn)子水阻調(diào)速等）。高壓變頻以其顯著的節(jié)能效益、高的調(diào)速精度、寬的調(diào)速范圍、完善的保護功能、方便的通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的確認，成為企業(yè)電機節(jié)電方式的首選方案。變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已被應用于各行各業(yè)，我公司將高壓變頻器應用于水泥行業(yè)的電機節(jié)能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭EP風機、生料磨循環(huán)風機的節(jié)能改造，取得了許多成功的改造經(jīng)驗，并取得了顯著的2、經(jīng)濟效益，現(xiàn)以荊門某水泥廠的窯尾高溫風機變頻改造為例，對高壓變頻應用于水泥行業(yè)的節(jié)能改造進行分析與總結(jié)。二、變頻調(diào)速節(jié)電原理異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動機的最為合理的調(diào)速方法。由式 n60f/p（1s）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(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調(diào)速已成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：（1）由設備設計余量而導致“大馬拉小3、車”現(xiàn)象，因電機定速旋轉(zhuǎn)不可調(diào)節(jié)，這樣運行自然浪費很大，而變頻調(diào)節(jié)徹底解決了這一問題；（2）由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)導致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；（3）某些工況負載需頻繁調(diào)節(jié)，而檔板調(diào)節(jié)線性太差，跟不上工況變化速度，故能耗很高，而變頻調(diào)節(jié)響應極快，基本與工況變化同步；（4）異步電動機功率因數(shù)由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上；（5）可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。（6）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(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比；即：Q1/4、Q2n1/n2H1/H2(n1/n2)2P1/P2(n1/n2)3當風機風量需要改變時，如調(diào)節(jié)風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當風機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為 E=1-( n/n)3PT(kWh)式中：n額定轉(zhuǎn)速n 實際轉(zhuǎn)速P額定轉(zhuǎn)速時電機功率 T工作時間可見，通過變頻對風機進行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。三、水泥廠高溫風機高壓變頻改造1、窯尾高溫風機系統(tǒng)簡介目前水泥廠生產(chǎn)線一般均為干法懸窯，其窯燒成系統(tǒng)流程簡圖如圖6所示。圖6 窯燒成系統(tǒng)流程簡5、圖旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預熱機來的料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動來促進料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進行反應，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動在窯內(nèi)向前運動。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進入窯尾前的生料進行預熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風機抽出進入廢氣處理（除塵及排出）。均化好的生料預熱后在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒成熟料，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)需要合適的氣壓及溫度，才能使煤粉有一定的懸浮時間進行充分燃燒，生料才能在窯內(nèi)達到很好的熱處理。窯內(nèi)因物料的堆積變化很大，所以瞬時氣壓變化頻繁。窯尾高溫風機一方面用來調(diào)整窯內(nèi)氣壓，另一方面回轉(zhuǎn)窯內(nèi)鍛燒后的高溫熟料出來有廢氣，廢氣帶6、灰，通過窯尾高溫風機引出由電收塵器將灰塵進行處理，再將廢氣排掉。荊門某水泥廠目前有三條干法懸窯生產(chǎn)線，日產(chǎn)為2000t、700t、2500t，分別為1995年、1998年、1999年投產(chǎn)，到現(xiàn)在已運行610年，并擁有一臺12MW中、低溫余熱發(fā)電機組，由于發(fā)電成本較高，余熱發(fā)電現(xiàn)已停運。日產(chǎn)2500t的窯生產(chǎn)線，高溫風機電機配置為6kV1600kW，日產(chǎn)2000t的窯生產(chǎn)線，高溫風機電機配置為6kV1400kW。在高溫風機的電機與風機之間，配有液力耦合器對風機進行調(diào)速，整個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)整風機的風量，達到控制窯內(nèi)負壓。由于設備使用年限較長，目前液力耦合7、器漏油嚴重，運行中每天需加油23次，以補充漏油，油面調(diào)整的控制回路失靈不能自動調(diào)節(jié)，在運行中靠手動調(diào)節(jié)置于固定轉(zhuǎn)速比。在運行是時仍靠風機擋板進行風量調(diào)節(jié)，當窯系統(tǒng)工況變化較大時，現(xiàn)場值班人員根據(jù)中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調(diào)節(jié)，運行操作非常不便。2005年，水泥廠準備對于2000t、2500t的兩條生產(chǎn)線進行提產(chǎn)，但由于高溫風機中液力耦合器漏油嚴重，出力受到限制，不具備提產(chǎn)的條件，故提產(chǎn)一直未能實現(xiàn)。2006年12月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產(chǎn)線的高溫風機及窯頭號EP風機進行了變頻調(diào)速改造，目前運行情況良好，2000t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達2300t，2500t的8、生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達2900t，而高溫風機變頻調(diào)節(jié)的耗電量還稍少于原液力耦合器調(diào)節(jié)的耗電量。2、高溫風機變頻改造方案經(jīng)過對原系統(tǒng)進行分析，對原系統(tǒng)的風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)，即取消原液力耦合器，將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調(diào)速，最后達到調(diào)整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。變頻器設備接入用戶側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機之間，如圖7所示，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)來完成正常操作。圖7 變頻器連接圖為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在變頻回路故障時將電機切換至工頻狀態(tài)下運行，且切換方式為9、自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風機轉(zhuǎn)速會升高，風壓會發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時應及時在DCS上對高溫風機的風門進行及時調(diào)節(jié)，降低風機輸出風量至工況要求值。變頻器及其工頻旁路開關(guān)由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設備。根據(jù)水泥廠提供的負載參數(shù)及運行工況，我公司為2000t的窯尾高溫風機配置KT系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號KT-06/1800B，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開關(guān)柜容量400A。為2500t的窯尾高溫風機配置KT系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號KT-06/2000B，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開10、關(guān)柜容量400A。3、改造過程簡述用戶觸摸屏由于原電機控制為液力耦合器調(diào)速，為了安裝變頻器，必須重新設計變頻器專用房。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，動力電纜敷設方便。由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內(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，在房間通風設計上，設計了大面積專用進風窗，房間不另設其它窗口，基本上是密閉設計。通風窗采用專用過濾棉濾網(wǎng)，這樣使進入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過通風窗濾灰，進入變頻器室內(nèi)的灰塵大大減小。由于本變頻器功率較大，為保證足夠的通風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風罩，與各自的出風口連成11、整體，保證變頻器整體冷卻通風要求。為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，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一根動力電纜，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聯(lián)接尺寸設計制作了一套直接連接軸來代替液耦。連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風機側(cè)的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時，僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現(xiàn)場僅作少量調(diào)整即可達到安裝要求，而不用對風機及電機作任何調(diào)整，安裝方便快捷。四、高壓變頻器取代液力耦合器節(jié)能分析1、液耦調(diào)速與變頻調(diào)速的耗電分析水泥廠原高溫12、風機帶有液力耦合器調(diào)速，現(xiàn)將液耦調(diào)速改造為變頻器調(diào)速。圖8為液力耦合器進行風機調(diào)整時的典型耗能曲線，表1為液耦與變頻調(diào)速的耗電特性對比。現(xiàn)根據(jù)曲線及對比表對液力耦合器改為變頻器調(diào)速的耗能情況進行對比分析。：液力偶合器的效率Ns：液力偶合器的損失功率I：液力偶合器的輸出與輸入轉(zhuǎn)速之比Nd：電機功率Nf：負載功率圖8 液力偶合器的功率損失圖表1 液耦與變頻調(diào)速的耗電特性風量 %軸功率 液力偶合器變頻調(diào)速變頻比液耦節(jié)電率電機輸入總損失電機輸入總損失1001001088108809072.98613.17968.38051.26816.8553.819.17034.35217.7383.726.96013、21.63917.4253.435.95012.52916.5152.548.3406.42114.692.657.1302.71512.352.366.7變頻運行時高溫風機風量按85%計算，從表中查得對應的變頻比液耦節(jié)電率為：19.1（100-85.7）/（100-80）=13.6 %節(jié)電功率為：13.6%1550=210kW2、變頻改造實際節(jié)能情況水泥廠高溫風要變頻改造前后，我們對相應的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)分析整理如下。表2 2500t窯高溫風機改造前后對比表項目改造前改造后窯喂料量（t/h）170195窯日產(chǎn)量（t）25002900起動調(diào)節(jié)方式液耦變頻6kV側(cè)電流（A）18014、150電機電流（A）180186功率因素0.830.96平均耗電功率（kW）15501500起動電流（A）50050運行速比/頻率89%45Hz表3 2000t窯高溫風機改造前后對比表改造前改造后窯喂料量（t/h）135155窯日產(chǎn)量（t）20002300起動調(diào)節(jié)方式液耦變頻6kV側(cè)電流（A）150120電機電流（A）150142功率因素0.810.96平均耗電功率（kW）12601200起動電流（A）60045運行速比/頻率89%46Hz上述數(shù)據(jù)為改造后窯系統(tǒng)產(chǎn)量增加的條件下風機耗電對比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，改造后比改造前風機耗電量下降不多，從上兩表中可計算出各風機相應的節(jié)電功率。2500t窯15、高溫風機節(jié)電功率： 1550150050（kW）2500t窯窯尾EP風機節(jié)電功率： 15410054（kW）2000t窯高溫風機節(jié)電功率： 1260120060（kW）2000t窯窯尾EP風機節(jié)電功率： 1387068（kW）根據(jù)我們在設備調(diào)試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，2500t窯在額定2500t的產(chǎn)量下，高溫風機6kV側(cè)電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約190kW。2000t窯在額定2000t的產(chǎn)量下，高溫風機6kV側(cè)電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約200kW。由此可推算出兩臺高溫風機在額定產(chǎn)量下的節(jié)電量。2500t16、窯高溫風機節(jié)電功率：15501360190（kW）2000t窯高溫風機節(jié)電功率：1260100200（kW）此為估算節(jié)電值。變頻改造的另一大收益為提高了窯系統(tǒng)的產(chǎn)量達15%倍，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益是非常大的。五、高壓變頻器在水泥廠使用中應注意的問題水泥廠因生產(chǎn)線粉塵較大，調(diào)速機械大多安裝在室外或庫下，環(huán)境較其它行業(yè)相比較為惡劣，操作人員一般集中在中控室。而高壓變頻器作為較精密的儀器設備，對環(huán)境要求較高，而生產(chǎn)現(xiàn)場時常無人且環(huán)境較差，對變頻設備運行非常不利。故在水泥生產(chǎn)線上，高壓變頻器應安裝在配電室內(nèi)，或?qū)ｉT建造房屋。由于高壓變頻器一般采用強迫風冷，通過變頻器的空氣所帶的灰塵較多，因此，變頻器在17、水泥廠使用時，必須加強防塵設計和維護，有條件的場合，可設置變頻器專用室，采用空調(diào)冷卻。變頻器頂部裝有散熱通風孔及風機，灰塵和金屬物易于由此進入裝置內(nèi)部，應采取防護措施，防止內(nèi)部短路，推薦使用整體風罩方案。變頻器控制線必須采用屏蔽電纜，并且在布線范圍內(nèi)必須與動力線相距一定距離，相交時必須轉(zhuǎn)90角，千萬不要將控制線與動力線放在同一電纜托架(或線框)內(nèi)，以避免變頻器控制信號受到干擾。變頻器負載輸出線也要采取屏蔽措施，選用鎧裝電纜，以避免變頻器對附近儀表產(chǎn)生干擾。在變頻器接線時要特別注意電源的輸入線和輸出線絕不能接錯，將電源輸入線接上變頻器輸出位置，會立刻損壞設備。通常變頻器連接到電機的電纜長度要求不18、要超過150m，使用屏蔽電纜不能超過150m，這就必須考慮變頻器到受控電機之間的距離問題，在水泥廠中一般會碰到超過規(guī)定距離的情況，因此在變頻器的房屋設計上需根據(jù)現(xiàn)場條件合理安排。變頻器的控制一般需接入到DCS系統(tǒng)，而中控室到風機間有一定的距離，因此，變頻器接入DCS系統(tǒng)時，一般通過現(xiàn)地工作站進行轉(zhuǎn)接，在控制電纜接入時需注意抗干擾處理。六、變頻改造總結(jié)施工現(xiàn)場根據(jù)我公司對水泥廠高溫風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結(jié)變頻器改造有以下優(yōu)點。(1) 安裝簡單，即將原高壓開關(guān)柜與電動機之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。(2) 操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調(diào)整。(3) 能進19、行無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，且調(diào)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(wěn)，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(jié)電效果顯著。(6) 由于變頻器取代了液耦調(diào)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。交流變頻調(diào)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(diào)速、節(jié)電、軟啟動方面，對企業(yè)有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在該水泥廠對兩條生產(chǎn)線的四臺電機進行了成功的改造，不僅節(jié)能效果明顯，提高了整個系統(tǒng)的工藝性能，同時也使兩條生產(chǎn)線大大提高了產(chǎn)量，得到用戶的好評，并在當?shù)厮嘈袠I(yè)中產(chǎn)生了很大的影響。七、結(jié)束語目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗就占成本近30，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調(diào)速技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設備，具有很高的推廣價值。