摘要：本文介紹了ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在5000t/d新型干法線上的高溫風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造技術(shù)方案和節(jié)能效果等應(yīng)用情況，為高壓變頻在水泥行業(yè)高溫風(fēng)機(jī)節(jié)能改造應(yīng)用提供一定的經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵字：高壓變頻器 高溫風(fēng)機(jī) 節(jié)能
1、引言
水泥企業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的能源消耗大戶，水泥行業(yè)已被列為國家節(jié)約資源的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節(jié)約型制造和應(yīng)用水平，建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當(dāng)前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，水泥行業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和最高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。水泥生產(chǎn)中電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗就占成本近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。
新型干法水泥生產(chǎn)線的旋窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機(jī)的作用下，通過預(yù)熱器對(duì)進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風(fēng)機(jī)抽出進(jìn)入廢氣處理（除塵及排出）。均化好的生料預(yù)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(shí)間進(jìn)行充分燃燒，生料才能在窯內(nèi)達(dá)到很好的熱處理。窯內(nèi)因物料的堆積變化很大，所以瞬時(shí)氣壓變化頻繁。窯尾高溫風(fēng)機(jī)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，廢氣帶灰，通過窯尾高溫風(fēng)機(jī)引出由電收塵器將灰塵進(jìn)行處理，再將廢氣排掉。由于其工藝上的要求控制窯尾預(yù)熱器的壓力，通過DCS的控制來對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此一般高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)一般采用調(diào)速控制。前些年一般采用液力耦合器、繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串水阻等方式進(jìn)行調(diào)速，而目前基本發(fā)展趨勢是在90年代迅速發(fā)展起來并在近幾年成熟的高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)的技術(shù)和性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過以前采用的調(diào)速方式，在經(jīng)過大量成功的現(xiàn)場應(yīng)用并顯示其巨大的節(jié)能效益后，高壓變頻器器成為國家水泥節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備。我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執(zhí)行的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《GB50443-2007水泥廠節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》中的第4.3.5條規(guī)定：“窯尾高溫風(fēng)機(jī)應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置”。
高壓變頻器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，廣州智光公司的ZINVERT系列高壓變頻器從2005年起開始應(yīng)用于水泥行業(yè)的電機(jī)節(jié)能改造，至今已成功用于幾十條水泥生產(chǎn)線的窯尾高溫風(fēng)機(jī)、窯頭風(fēng)機(jī)、生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、水泥磨風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)的節(jié)能改造，創(chuàng)造了顯著的節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益，取得了許多成功的改造經(jīng)驗(yàn)。本文特別對(duì)ZINVERT系列高壓變頻器在5000t/d高溫風(fēng)機(jī)的應(yīng)用技術(shù)與應(yīng)用情況進(jìn)行簡要介紹。
2、高壓變頻器在窯尾高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)應(yīng)用的主要問題與應(yīng)對(duì)措施
2．1高溫風(fēng)機(jī)的管道“塌料”問題導(dǎo)致電機(jī)過流甚至跳停問題
窯尾高溫風(fēng)機(jī)是保證水泥生產(chǎn)線窯內(nèi)負(fù)壓的重要負(fù)載，即使在在以往工頻運(yùn)行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風(fēng)機(jī)，也常見由于管道“塌料”導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)過負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而對(duì)于由于變頻器裝置的電力電子器件的過負(fù)荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機(jī)過負(fù)荷導(dǎo)致的變頻器保護(hù)停機(jī)現(xiàn)象如無專業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。
高溫風(fēng)機(jī)由于“塌料”導(dǎo)致的過負(fù)荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時(shí)就會(huì)坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負(fù)壓升高，使排風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加或如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清結(jié)皮或有物料塌料時(shí)，同樣也會(huì)造成氣流波動(dòng)，使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機(jī)過負(fù)荷停機(jī)，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對(duì)高溫風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)造成損壞。在實(shí)際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象，會(huì)不定期的導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電流在極短的時(shí)間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用目前國內(nèi)外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導(dǎo)致變頻器運(yùn)行過程中頻繁跳機(jī)，直接影響高溫風(fēng)機(jī)與水泥生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。
廣州智光作為目前國內(nèi)水泥行業(yè)高壓變頻器的專業(yè)生產(chǎn)制造商，其研制的ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)從2005年投入水泥生產(chǎn)線的變頻改造，特別針對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工藝情況進(jìn)行了大量的研究分析并針對(duì)性地研制出針對(duì)性的專業(yè)技術(shù)。技術(shù)研發(fā)技術(shù)人員經(jīng)過深入應(yīng)用現(xiàn)場，了解掌握現(xiàn)場工藝情況，總結(jié)現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，推出了針對(duì)水泥生產(chǎn)線窯尾高溫風(fēng)機(jī)的專用變頻器技術(shù)，采用自主研發(fā)的“瞬態(tài)尖峰負(fù)荷差分控制技術(shù)”，從設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)、控制軟件設(shè)計(jì)等多方面對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的不定期的尖峰負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行全方位針對(duì)性的設(shè)計(jì)改進(jìn)。具有這種技術(shù)的ZINVERT系列高壓變頻器成為“高溫風(fēng)機(jī)的專用變頻器”，有效地避免了其他廠家的通用高壓變頻器在運(yùn)行中由于“塌料”所導(dǎo)致的反復(fù)跳機(jī)，與工頻液耦運(yùn)行相比也降低了跳機(jī)的可能性，從而使安裝了廣州智光高溫風(fēng)機(jī)專用變頻器的水泥生產(chǎn)線達(dá)到節(jié)能又增效，降低電機(jī)、風(fēng)機(jī)設(shè)備故障率，為水泥企業(yè)保證生產(chǎn)安全性、經(jīng)濟(jì)性作出技術(shù)與設(shè)備保證。ZINVERT系列高壓變頻器目前已在多條5000t/d旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)得到實(shí)際應(yīng)用，基本解決了高溫風(fēng)機(jī)變頻器由于“塌料”導(dǎo)致的跳閘停運(yùn)、生產(chǎn)中斷的問題，大大由于高溫風(fēng)機(jī)停運(yùn)對(duì)生產(chǎn)造成的影響，降低電機(jī)設(shè)備故障率，取得節(jié)能、增效的巨大效益，得到用戶普遍認(rèn)可。
2．2高溫風(fēng)機(jī)變頻的電源波動(dòng)與運(yùn)行可靠性問題
水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產(chǎn)。Zinvert系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用主流的功率單元串聯(lián)技術(shù)方案，而不是功率器件直接串聯(lián)，避免了器件直接串聯(lián)帶來的均壓問題，本質(zhì)上保證了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，產(chǎn)品具有的對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬（－65％～115％Un）、單元故障自動(dòng)旁路、工頻旁路、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)功能、包括相間短路保護(hù)功能的完善的保護(hù)功能等技術(shù)在提高起動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時(shí)，提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)能力，大大提高了可靠性，Zinvert系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在幾十條生產(chǎn)線的運(yùn)行證明國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)的成熟。
2．3變頻器應(yīng)用的諧波與干擾影響的問題
這一方面是變頻器輸入諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，如果變頻器輸入電流諧波較大(比如傳統(tǒng)的電流源型變頻器)，會(huì)產(chǎn)生如下危害：供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，可能導(dǎo)致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計(jì)量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機(jī)，變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)過熱或燒損。Zinvert系列高壓變頻器采用的輸入多重化移相整流技術(shù)、單元級(jí)聯(lián)多電平的輸出技術(shù)，輸入、輸出電流諧波失真極小，滿足IEEE滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)的要求，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)產(chǎn)生超標(biāo)的諧波污染。大、中型水泥廠自動(dòng)化水平高，大多數(shù)采用自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)用電系統(tǒng)的諧波要求很高，Zinvert系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在方面有很大的優(yōu)勢。
諧波影響問題的另一方面是外部諧波對(duì)高壓變頻器的影響，由于旋窯的旋轉(zhuǎn)采用直流電機(jī)，因此可能產(chǎn)生較大的諧波，必須采取相應(yīng)的治理措施，以保證高壓變頻器的輸入電壓穩(wěn)態(tài)總諧波含量THD不超過10%，其中任何奇次諧波均不超過5%,任何偶次諧波均不超過2%,短時(shí)(持續(xù)時(shí)間小于30s)出現(xiàn)的任意一次諧波含量不超過10%。否則對(duì)母線其他設(shè)備、高壓變頻器等均可能造成運(yùn)行中的影響與損害。還有為避免干擾，變頻器的控制線須采用屏蔽電纜，單端接地，并且在布線時(shí)注意與動(dòng)力線的距離，避免控制線與動(dòng)力線并行敷設(shè)在同一電纜托架(或線框)內(nèi)；變頻器負(fù)載輸出線需采取屏蔽鎧裝電纜，單端接地，以避免變頻器對(duì)附近儀表產(chǎn)生干擾。
2．4變頻器應(yīng)用的環(huán)境與散熱問題
由于水泥現(xiàn)場粉塵較大，環(huán)境相對(duì)惡劣，作為電子與電力電子設(shè)備，而且由于產(chǎn)生約3～4％的損耗發(fā)熱需要散熱，而一般采用風(fēng)冷散熱，因此水泥生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)的高壓變頻器一般應(yīng)安裝在配電室內(nèi)，或?qū)ｉT建造房屋。并加強(qiáng)防塵設(shè)計(jì)和日常維護(hù)，定期進(jìn)行濾網(wǎng)清潔。ZINVERT系列高壓變頻器采用國內(nèi)獨(dú)一無二的單元與柜體結(jié)構(gòu)專利設(shè)計(jì)，器件布局結(jié)構(gòu)合理，散熱器與風(fēng)道設(shè)計(jì)提高散熱效率，柜體采用前后進(jìn)風(fēng)方式提高風(fēng)速、減小體積，環(huán)境適應(yīng)能力大大提高，經(jīng)受了南方夏季炎熱的天氣、春季的潮濕空氣的影響，特別經(jīng)受了水泥廠惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。
3、5000t/d生產(chǎn)線高溫風(fēng)機(jī)高壓變頻應(yīng)用案例與節(jié)能情況簡介
3．1ZINVERT系列高壓變頻器在5000t/d旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)投運(yùn)業(yè)績
ZINVERT系列高壓變頻器目前已在多條5000t/d旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)得到實(shí)際應(yīng)用，下表是ZINVERT系列高壓變頻器5000t/d生產(chǎn)線高溫風(fēng)機(jī)變頻改造投產(chǎn)業(yè)績表。
下面以三獅水泥5000t/d水泥生產(chǎn)線的窯尾高溫風(fēng)機(jī)變頻改造為例說明高溫風(fēng)機(jī)高壓變頻器改造的方案及節(jié)能效果。
3．2ZINVERT系列高壓變頻器在5000t/d旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)方案簡介
安徽和德三獅水泥的5000t/d生產(chǎn)線分別采用10kV電壓的2500kW電機(jī)拖動(dòng)高溫風(fēng)機(jī)，原采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速，但是運(yùn)行中經(jīng)常由于漏油故障進(jìn)行維護(hù)導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)停運(yùn)。決定采用ZINVERT系列高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速改造后，拆除液力耦合器，采用連軸器替代原液力耦合器將電機(jī)與風(fēng)機(jī)的軸連接，同時(shí)采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的一拖一手動(dòng)旁路方案，設(shè)備的一次接線如下圖所示。
圖1ZINVERT高壓變頻器手動(dòng)旁路一次接線圖
10kV高壓動(dòng)力電源經(jīng)變頻裝置刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)刀閘K2送至電動(dòng)機(jī)；高壓動(dòng)力電源還可經(jīng)刀閘K2切換至工頻側(cè)直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開輸入側(cè)高壓進(jìn)線開關(guān)及刀閘K1，將變頻裝置隔離，切換刀閘K2至工頻側(cè)，在工頻電源下起動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。刀閘K1、K2之間具有閉鎖和防止誤操作功能。
ZINVERT型智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主控制部分以新型電機(jī)控制專用雙DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）為控制核心，輔以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷瑢?shí)現(xiàn)SPWM波形控制及各種信號(hào)的檢測、分析判斷和處理?？刂破骱凸β蕟卧渲g通過光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，可有效避免電磁干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)控制系統(tǒng)具有豐富的模擬、數(shù)字接口，可用于與用戶中控DCS連接和擴(kuò)展，以滿足現(xiàn)場各種運(yùn)行與控制的需要。用戶在后臺(tái)可以監(jiān)控變頻各種狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和頻率設(shè)定調(diào)節(jié)。
3．3ZINVERT系列高壓變頻器在5000t/d旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)改造節(jié)電效益：
三獅和德在進(jìn)行變頻改造的同時(shí)，也在進(jìn)行低溫余熱發(fā)電的建設(shè)，在變頻投運(yùn)后，余熱鍋爐也開始投入。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄，變頻改造前，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行功率為2600kW，變頻裝置和余熱鍋爐投入后，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)運(yùn)行在43Hz，運(yùn)行功率約為2350kW。變頻投入運(yùn)行后，減小的輸入功率為：250kW。按平均每天運(yùn)行24小時(shí)，電價(jià)0.5元/度，一年運(yùn)行300天保守計(jì)算，每年可以節(jié)約電費(fèi)約為：V=250×24×300×0.5=90（萬元）。下表為和德三獅5000t/d生產(chǎn)線窯尾高溫風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速改造前后的運(yùn)行與節(jié)能情況。
和德三獅水泥5000t/d高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)及變頻改造前后運(yùn)行參數(shù)列表：
高溫風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速的其他效果：
采用變頻調(diào)速控制后，其他方面的效益也是明顯的，如：
(1)改善了工藝，調(diào)速精度得到保證，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定并可提高產(chǎn)量。投入變頻器后可以平滑穩(wěn)定地調(diào)整風(fēng)量風(fēng)壓，提高了效率；變頻改造前產(chǎn)量約為340t/h，改造后可達(dá)350—360t/h，甚至曾高達(dá)380t/h。由于ZINVERT高壓變頻器的特殊技術(shù)，減少甚至避免了由于塌料產(chǎn)生的停機(jī)，使生產(chǎn)線設(shè)備利用率得到保證，保證了順產(chǎn)，進(jìn)一步提高了產(chǎn)量。
(2)設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用下降：采用變頻調(diào)節(jié)后，避免了原來采用液力耦合器調(diào)節(jié)的需經(jīng)常進(jìn)行油路、漏油的維護(hù)（平均每年節(jié)約維護(hù)費(fèi)用十幾萬元），若打壞齒輪一次維護(hù)費(fèi)用要幾十萬元，并導(dǎo)致停產(chǎn)的損失；高壓變頻器一年多的運(yùn)行實(shí)踐證明，其可靠性得到證明，避免由于液力耦合器維修導(dǎo)致生產(chǎn)線停產(chǎn)的發(fā)生。
(3)延長電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速后，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生沖擊，避免液力耦合器啟動(dòng)時(shí)的4～7倍的沖擊電流，可大大延長電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣與機(jī)械壽命。
(4)ZINVERT型高壓變頻器的輸入電流諧波含量大大小于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的4％，功率因數(shù)保證在0.95以上，與采用液力耦合器相比，輸入功率大大提高，再無需投資功率補(bǔ)償設(shè)備，并可降低設(shè)備的進(jìn)相機(jī)等設(shè)備與維護(hù)費(fèi)用。
4、結(jié)語
目前ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)特別適于窯尾高溫風(fēng)機(jī)的變頻應(yīng)用，實(shí)際上在國內(nèi)幾十條5000T、4000T、2500T、1500T、1000T新型干法水泥生產(chǎn)線的生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、煤磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)廣泛應(yīng)用表明，設(shè)備運(yùn)行性能穩(wěn)定、節(jié)能顯著，在水泥行業(yè)中推廣的潛力巨大。
參考文獻(xiàn)
[1]泵與風(fēng)機(jī)（第三版），郭立君，何川，北京，中國電力出版社。
[2]ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)培訓(xùn)教材，廣州，廣州智光電機(jī)有限公司。
