1引言
水泥生產(chǎn)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)約資源的重點領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會的政策環(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,,水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過各種途徑降低能耗,以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益和較高的勞動生產(chǎn)率,。
在水泥的生產(chǎn)中,,電動機(jī)負(fù)載電耗就占成本近30%,而拖動風(fēng)機(jī)用的高壓電動機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重,,對于一條水泥生產(chǎn)線其中有25%~30%的電能是用于拖動各種類型風(fēng)機(jī)上,,因此做好風(fēng)機(jī)電動機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要,。
目前很多水泥廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重,同時由于工況,、產(chǎn)量的變化,,系統(tǒng)所需求的風(fēng)量也隨之變化,大部分風(fēng)機(jī)采用傳統(tǒng)做法,,即調(diào)節(jié)進(jìn),、出風(fēng)口閥門的開度來實現(xiàn),而該方法是以增加風(fēng)阻,、犧牲風(fēng)機(jī)的效率來達(dá)到要求的,,損耗嚴(yán)重。如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運(yùn)行速度,,以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小,,可以既滿足生產(chǎn)要求,又達(dá)到節(jié)約電能,,同時減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失,。隨著電力電子技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展,變頻技術(shù)日趨成熟,,國際上對于風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,、風(fēng)壓調(diào)節(jié)已普遍摒棄靠調(diào)整配套的風(fēng)門開度的手段,改而采用變速的電氣傳動調(diào)節(jié),,變頻調(diào)速已成為風(fēng)機(jī),、泵類節(jié)能降耗的選用較多的電氣傳動方案。
2高壓變頻節(jié)能原理
異步電動機(jī)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(jī)較為合理的調(diào)速方法,。
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(jī)的同步轉(zhuǎn)速,。異步電動機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高,、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點,,目前,變頻調(diào)速已成為異步電動機(jī)較主要的調(diào)速方式,,在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用,。
高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點:
(1)由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失,,在變頻改造后不再有節(jié)流損失,。
?。?)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高。
?。?)可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動,,避免啟動沖擊電流,減輕了沖擊扭振,。
?。?)高壓變頻器本身損耗極小,整機(jī)效率在97%以上,。
對離心式風(fēng)機(jī)而言,,流體力學(xué)有以下原理:輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,;輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比,;即:
Q1/Q2=n1/n2,H1/H2=(n1/n2)2,,P1/P2=(n1/n2)3
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時,,如調(diào)節(jié)風(fēng)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(fēng)量,,可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時,,當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時,,理論節(jié)電為:
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h)
式中: n是額定轉(zhuǎn)速,n′是實際轉(zhuǎn)速,,P是額定轉(zhuǎn)速時電機(jī)功率,,T是工作時間。
可見,,通過變頻對風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造,,不但節(jié)能,而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能,。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù),。
3風(fēng)光公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點
風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心,采用無速度矢量控制技術(shù),、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù),,屬高-高電壓源型變頻器,其諧波指標(biāo)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn),,輸入功率因數(shù)高,輸出波形質(zhì)量好,,不必采用輸入諧波濾波器,、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器,;不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音,、輸出dv/dt,、共模電壓等問題,可以使用普通的異步電機(jī),。產(chǎn)品2003年被列為國家重點新產(chǎn)品,,高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2005年被列為國家火炬計劃項目,獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目資助,。具體來說,,風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外,還具有以下突出特點:
?。?)采用高速DSP作為中央處理器,,運(yùn)算速度更快,控制更精準(zhǔn),。
?。?)飛車啟動功能。能夠識別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動,。
?。?)完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)。現(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜,,變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行,,旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式,手動旁路需人工操作,,適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運(yùn)行工況,,自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜,,不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài),,還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能,整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響,。
?。?)旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。運(yùn)行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù),,高壓變頻器不停機(jī),,高壓恢復(fù)后變頻自動運(yùn)行到掉電前的頻率。
?。?)線電壓自動均衡技術(shù)(星點漂移技術(shù)),。變頻器某相有單元故障后,為了使線電壓平衡,傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓,,而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角,,在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
?。?)單元直流電壓檢測:實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓,,從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制,降低諧波含量,,保證輸出電壓的精度,,提升系統(tǒng)控制性能,并可使保證運(yùn)行維護(hù)人員實現(xiàn)對功率單元運(yùn)行狀況的全面把握,。
?。?)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù),可以將其使用壽命提高1倍,。
?。?) 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu),,IGBT承受的電壓較低,,可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue),設(shè)備可靠性更高,。
?。?) 具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路,,此時如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能,,將會導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出,,保護(hù)設(shè)備不受損害,,避免事故的發(fā)生。
?。?0) 限流功能:當(dāng)變頻器輸出電流超過設(shè)定值,,變頻器將自動限制電流輸出,避免變頻器在加減速過程中或因負(fù)載突然變化而引起的過流保護(hù),,最大限度減少停機(jī)次數(shù),。
(11) 故障自復(fù)位功能:當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變造成單元或是整機(jī)過電流保護(hù)時,,可自動復(fù)位,,繼續(xù)運(yùn)行。
4 高壓變頻器在水泥行業(yè)應(yīng)用中的主要問題與應(yīng)對措施
4.1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)是保證熟料生產(chǎn)線物料預(yù)分解的重要負(fù)載,,即使在以往工頻運(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就會坍塌脫落,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,,同樣也會造成氣流波動,,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)對高溫風(fēng)機(jī)電動機(jī)造成損壞,。在實際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象,會不定期的導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電流在極短的時間內(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,。
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司作為目前國內(nèi)水泥行業(yè)高壓變頻器的專業(yè)生產(chǎn)制造商,,其研制的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)特別針對高溫風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工藝情況進(jìn)行了大量的研究分析,并研制出相應(yīng)的專業(yè)技術(shù),。技術(shù)研發(fā)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)應(yīng)用經(jīng)驗,,推出了針對水泥生產(chǎn)線窯尾高溫風(fēng)機(jī)的專用技術(shù),,從設(shè)備的硬件設(shè)計、控制軟件設(shè)計等多方面對高溫風(fēng)機(jī)的不定期的尖峰負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行全方位的設(shè)計改進(jìn),,有效地避免了一般高壓變頻器在運(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,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,。風(fēng)光牌高壓變頻器目前已在多條旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)得到實際應(yīng)用,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,,大大降低了由于高溫風(fēng)機(jī)停運(yùn)對生產(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。
4.2電機(jī)在旋轉(zhuǎn)情況下啟動的問題
由于風(fēng)門擋板在未關(guān)嚴(yán)或其他原因,,受風(fēng)機(jī)的拖動,,電機(jī)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài),啟動在旋轉(zhuǎn)中的電機(jī)時,,變頻器可自動搜索跟蹤電動機(jī)轉(zhuǎn)速并按照設(shè)定加減速時間恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)(即飛車啟動問題),,保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行不跳閘。
對旋轉(zhuǎn)中再啟動功能的需求,,系統(tǒng)提供完備的參數(shù)設(shè)定功能,,保證系統(tǒng)動作有效,保護(hù)得當(dāng),,真正適應(yīng)現(xiàn)場運(yùn)行工況要求,。
4.3多種控制保證措施,保證產(chǎn)品可靠運(yùn)行
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),。水泥廠一般地處偏遠(yuǎn),供電質(zhì)量相對不高,,對設(shè)備的電網(wǎng)適應(yīng)性問題突出,。相對適應(yīng)進(jìn)口品牌高壓變頻器,風(fēng)光牌高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)方案,,產(chǎn)品具有對電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬(-65%~115%Un),,單元故障自動旁路、工頻旁路,、瞬時停電再啟動功能,、相間短路等多項完善的保護(hù)功能技術(shù),提高了抗電網(wǎng)波動和負(fù)載擾動能力,,大大提高產(chǎn)品在水泥應(yīng)用現(xiàn)場的可靠性,。
5 高壓變頻改造實例
淄博市淄川寶山水泥廠是淄博市優(yōu)秀民營企業(yè),淄川區(qū)經(jīng)濟(jì)50強(qiáng)企業(yè),。固定資產(chǎn)5億元,,企業(yè)擁有世界先進(jìn)水平的干法旋窯生產(chǎn)線一條。日產(chǎn)水泥熟料6000噸,,年產(chǎn)水泥270萬噸,,生產(chǎn)的“建磊”牌被評為山東名牌,中國建材行業(yè)知名品牌,。水泥質(zhì)量穩(wěn)定,,產(chǎn)品深受用戶的好評和信賴。
經(jīng)過調(diào)查和比較,,在2009年寶山公司技改工程中,,高溫風(fēng)機(jī),、生料循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī),、窯尾排風(fēng)機(jī)和煤磨排風(fēng)機(jī)采用山東新風(fēng)光公司的6臺高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速,。
6 高壓變頻器主回路控制方案
在風(fēng)機(jī)改造過程中,高溫風(fēng)機(jī)(2500kW/10kV,、1套)采用“一拖一”控制加自動旁路柜,,窯頭排風(fēng)機(jī)(560kW/10kV、1套),、窯尾排風(fēng)機(jī)(1400kW/10kV,、1套)、煤磨排風(fēng)機(jī)(710kW/10kV,、1套和循環(huán)風(fēng)機(jī)(1800kW/10kV、2套)采用“一拖一”控制加手動旁路柜,。
6.1自動旁路柜
圖1 自動旁路柜
圖1旁路柜在變頻器進(jìn),、出線端增加了兩個隔離刀閘,以便在變頻器退出而電機(jī)運(yùn)行于旁路時,,能安全地進(jìn)行變頻器的故障處理或維護(hù)工作,。
旁路柜主要配置:三個高壓斷路器(KM1、KM2,、KM3)和兩個刀閘隔離開關(guān)K1,、K2。KM2與KM3實現(xiàn)電氣互鎖,,當(dāng)KM1,、KM2閉合,KM3斷開時,,電機(jī)變頻運(yùn)行,;當(dāng)KM1、KM2斷開,,KM3閉合時,,電機(jī)工頻運(yùn)行。另外,,KM1閉合時,,K1操作手柄被鎖死,不能操作,;KM2閉合時,,K2操作手柄被鎖死,不能操作,。
電機(jī)工頻運(yùn)行時,,若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù),,切記在KM1、KM2分閘狀態(tài)下,,將隔離刀閘K1和K2斷開,。
合閘閉鎖:將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于KM1、KM2合閘回路,。在變頻器故障或不就緒時,,高壓斷路器KM1、KM2合閘不允許,;在KM1,、KM2合閘狀態(tài)下,若變頻器出現(xiàn)故障,,則“合閘允許”斷開,,KM1、KM2跳閘,,分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入電源,。
旁路投入:將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于KM3合閘回路。變頻運(yùn)行狀態(tài)下,,若變頻器出現(xiàn)故障且自動投入允許,,或者需要將電機(jī)從變頻投入到工頻狀態(tài)運(yùn)行(按下“工頻投切”按鈕),系統(tǒng)將首先分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入,、輸出開關(guān)KM1和KM2,,經(jīng)過一定延時后,“旁路投入”閉合,,即工頻旁路開關(guān)KM3合閘,,電機(jī)投入電網(wǎng)工頻運(yùn)行。
6.2手動旁路柜
圖2 手動旁路柜
圖2旁路柜中,,共有3個高壓隔離開關(guān),,為了確保不向變頻器輸出端反送電,K2與K3采用電磁互鎖操動機(jī)構(gòu),,實現(xiàn)電磁互鎖,。當(dāng)K1、K3閉合,,K2斷開時,,電機(jī)變頻運(yùn)行;當(dāng)K1,、K3斷開,,K2閉合時,電機(jī)工頻運(yùn)行,,此時變頻器從高壓中隔離出來,,便于檢修,、維護(hù)和調(diào)試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖,, DL合閘時,,絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān),以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象,,確保操作人員和設(shè)備的安全,。
故障分閘:將變頻器“高壓分?jǐn)唷毙盘柵c旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后,并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路,。在變頻投入狀態(tài)下,,當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時,分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入,;旁路投入狀態(tài)下,,變頻器故障分閘無效。
保護(hù):保持原有對電機(jī)的保護(hù)及其整定值不變,。
7變頻改造節(jié)能情況
為了對比變頻改造節(jié)能情況,,在相同產(chǎn)量下,對工頻,、變頻相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計,現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析整理如下,。
7.1 設(shè)備概況
7.2水泥生產(chǎn)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
7.3水泥生產(chǎn)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
7.4 直接效益
從上述數(shù)據(jù)可以明確看出改造后各風(fēng)機(jī)相應(yīng)的節(jié)電功率,。按月運(yùn)行30天,年運(yùn)行10個月,,即300天計算,,可推算出風(fēng)機(jī)節(jié)電量及節(jié)電效益。
變頻時風(fēng)機(jī)日節(jié)電量:12547+9857.4+3539.4+1797.3+11153.6+11577.2=50471.9kW·h年節(jié)電量: 50471.9kW·h×300天=1514.16萬kW·h,。
年節(jié)電效益:1514.16萬kW·h×0.35元/kW·h=529.96萬元,。
7.5間接效益
(1)變頻改造后,,實現(xiàn)電機(jī)軟啟動,,啟動電流小于額定電流值,啟動更平滑,。
?。?)有效地改善了現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境,由于電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降,,大大降低了設(shè)備噪聲污染,,現(xiàn)場操作人員非常歡迎。
?。?)功率因數(shù)提高到0.95以上,,減少了線路損耗,。
(4)減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用,,延長了設(shè)備的使用壽命,。
采用變頻技術(shù)調(diào)速后,設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運(yùn)行,,大大降低了設(shè)備負(fù)荷率,,延長了風(fēng)機(jī)、電機(jī)等設(shè)備的使用壽命,。
?。?)變頻器具有多項保護(hù)功能,十分完善,。
與原來舊系統(tǒng)相比較,,變頻器具有過流、短路,、過壓,、欠壓、缺相,、溫升保護(hù)等多項保護(hù)功能,,更精確地保護(hù)了電機(jī)。
?。?)調(diào)速范圍寬,,調(diào)速精度高。
與過去擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量相比較,,采用變頻拖動風(fēng)機(jī)可以在0~50Hz范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié),,調(diào)節(jié)精度高,調(diào)節(jié)頻率波動可保持在0.1~0.01Hz范圍內(nèi),,便于實現(xiàn)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)自動化控制,。
8 結(jié)束語
由此可見,山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器在寶山公司水泥生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)上取得了良好的使用效果,。在迄今一年多的運(yùn)行過程中,,高壓變頻器系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,維護(hù)量小,,節(jié)能效果顯著,,為寶山水泥公司的正常生產(chǎn)和節(jié)能降耗做出了貢獻(xiàn)。