高壓變頻在5000t/d水泥新型干法線高溫風機上的應用

　　1、引言
　　水泥企業是國民經濟生產中的能源消耗大戶，水泥行業已被列為國家節約資源的重點領域之一。在國務院提出加快建設節約型社會的政策環境下，提高水泥行業的節約型制造和應用水平，建立節約型水泥工業體系意義重大。在當前國內外能源供需矛盾突出的情況下，水泥行業必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經濟效益和最高的勞動生產率。水泥生產中電動機負載電耗就占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對一條水泥生產線，其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風機上，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。
　　新型干法水泥生產線的旋窯內燃燒產生的余熱廢氣，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窯內煅燒成熟料，回轉窯內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，生料才能在窯內達到很好的熱處理。窯內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整窯內氣壓，另一方面回轉窯內鍛燒后的高溫熟料出來有廢氣，廢氣帶灰，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。由于其工藝上的要求控制窯尾預熱器的壓力，通過DCS的控制來對高溫風機的風量進行調節，因此一般高溫風機的電機一般采用調速控制。前些年一般采用液力耦合器、繞線式電機轉子串水阻等方式進行調速，而目前基本發展趨勢是在90年代迅速發展起來并在近幾年成熟的高壓交流變頻調速技術的技術和性能遠遠勝過以前采用的調速方式，在經過大量成功的現場應用并顯示其巨大的節能效益后，高壓變頻器器成為國家水泥節能設計規范標準要求的設備。我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執行的強制性標準《GB50443-2007水泥廠節能設計規范》中的第4.3.5條規定：“窯尾高溫風機應采用變頻調速裝置”。
　　高壓變頻器現已被廣泛應用于各行各業，廣州智光電氣股份有限公司的ZINVERT系列高壓變頻器從2005年起開始應用于水泥行業的電機節能改造，至今已成功用于幾十條水泥生產線的窯尾高溫風機、窯頭風機、生料磨循環風機、水泥磨風機等風機的節能改造，創造了顯著的節電經濟效益，取得了許多成功的改造經驗。本文特別對ZINVERT系列高壓變頻器在5000t/d高溫風機的應用技術與應用情況進行簡要介紹。
　　2、高壓變頻器在窯尾高溫循環風機應用的主要問題與應對措施
　　2．1高溫風機的管道“塌料”問題導致電機過流甚至跳停問題
　　窯尾高溫風機是保證水泥生產線窯內負壓的重要負載，即使在在以往工頻運行、采用液力耦合器調速的高溫風機，也常見由于管道“塌料”導致高溫風機電機過負荷跳閘，導致生產中斷。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風機過負荷導致的變頻器保護停機現象如無專業技術是不可避免的，將給水泥生產線造成更多的損害。
　　高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產線生產過程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加或如果垂直煙道或預熱器內在清結皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內超出正常電流的數倍，如使用目前國內外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與水泥生產線的正常運行。
　　廣州智光電氣股份有限公司作為目前國內水泥行業高壓變頻器的專業生產制造商，其研制的ZINVERT系列高壓變頻調速系統從2005年投入水泥生產線的變頻改造，特別針對高溫風機的運行工藝情況進行了大量的研究分析并針對性地研制出針對性的專業技術。技術研發技術人員經過深入應用現場，了解掌握現場工藝情況，總結現場應用經驗，推出了針對水泥生產線窯尾高溫風機的專用變頻器技術，采用自主研發的“瞬態尖峰負荷差分控制技術”，從設備的硬件設計、控制軟件設計等多方面對高溫風機的不定期的尖峰負荷運行進行全方位針對性的設計改進。具有這種技術的ZINVERT系列高壓變頻器成為“高溫風機的專用變頻器”，有效地避免了其他廠家的通用高壓變頻器在運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，與工頻液耦運行相比也降低了跳機的可能性，從而使安裝了廣州智光高溫風機專用變頻器的水泥生產線達到節能又增效，降低電機、風機設備故障率，為水泥企業保證生產安全性、經濟性作出技術與設備保證。ZINVERT系列高壓變頻器目前已在多條5000t/d旋窯生產線的高溫風機得到實際應用，基本解決了高溫風機變頻器由于“塌料”導致的跳閘停運、生產中斷的問題，大大由于高溫風機停運對生產造成的影響，降低電機設備故障率，取得節能、增效的巨大效益，得到用戶普遍認可。
　　2．2高溫風機變頻的電源波動與運行可靠性問題
　　水泥行業連續生產的性質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。Zinvert系列智能高壓變頻調速系統采用主流的功率單元串聯技術方案，而不是功率器件直接串聯，避免了器件直接串聯帶來的均壓問題，本質上保證了系統的可靠性。同時，產品具有的對電網電壓的適應范圍寬（－65％～115％Un）、單元故障自動旁路、工頻旁路、瞬時停電再啟動功能、包括相間短路保護功能的完善的保護功能等技術在提高起動力矩和轉速精度的同時，提高了抗電網波動和負載擾動能力，大大提高了可靠性，Zinvert系列智能高壓變頻調速系統在幾十條生產線的運行證明國產高壓變頻調速技術的成熟。
　　2．3變頻器應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電網的影響，如果變頻器輸入電流諧波較大(比如傳統的電流源型變頻器)，會產生如下危害：供電系統的繼電保護裝置誤動作，可能導致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計算機系統及通信設備的正常工作。諧波使電機，變壓器和電容器等用電設備損耗增大，嚴重時會過熱或燒損。Zinvert系列高壓變頻器采用的輸入多重化移相整流技術、單元級聯多電平的輸出技術，輸入、輸出電流諧波失真極小，滿足IEEE滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93標準的要求，不會對電網、電機產生超標的諧波污染。大、中型水泥廠自動化水平高，大多數采用自動化儀表和計算機控制系統，對用電系統的諧波要求很高，Zinvert系列智能高壓變頻調速系統在方面有很大的優勢。
　　諧波影響問題的另一方面是外部諧波對高壓變頻器的影響，由于旋窯的旋轉采用直流電機，因此可能產生較大的諧波，必須采取相應的治理措施，以保證高壓變頻器的輸入電壓穩態總諧波含量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(持續時間小于30s)出現的任意一次諧波含量不超過10%。否則對母線其他設備、高壓變頻器等均可能造成運行中的影響與損害。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，并且在布線時注意與動力線的距離，避免控制線與動力線并行敷設在同一電纜托架(或線框)內；變頻器負載輸出線需采取屏蔽鎧裝電纜，單端接地，以避免變頻器對附近儀表產生干擾。
　　2．4變頻器應用的環境與散熱問題
　　由于水泥現場粉塵較大，環境相對惡劣，作為電子與電力電子設備，而且由于產生約3～4％的損耗發熱需要散熱，而一般采用風冷散熱，因此水泥生產線風機的高壓變頻器一般應安裝在配電室內，或專門建造房屋。并加強防塵設計和日常維護，定期進行濾網清潔。ZINVERT系列高壓變頻器采用國內獨一無二的單元與柜體結構專利設計，器件布局結構合理，散熱器與風道設計提高散熱效率，柜體采用前后進風方式提高風速、減小體積，環境適應能力大大提高，經受了南方夏季炎熱的天氣、春季的潮濕空氣的影響，特別經受了水泥廠惡劣環境的考驗。
　　3、5000t/d生產線高溫風機高壓變頻應用案例與節能情況簡介
　　3．1ZINVERT系列高壓變頻器在5000t/d旋窯生產線的高溫風機投運業績
　　ZINVERT系列高壓變頻器目前已在多條5000t/d旋窯生產線的高溫風機得到實際應用，下表是ZINVERT系列高壓變頻器5000t/d生產線高溫風機變頻改造投產業績表。

　　下面以三獅水泥5000t/d水泥生產線的窯尾高溫風機變頻改造為例說明高溫風機高壓變頻器改造的方案及節能效果。

　　3．2ZINVERT系列高壓變頻器在5000t/d旋窯生產線的高溫風機方案簡介
　　安徽和德三獅水泥的5000t/d生產線分別采用10kV電壓的2500kW電機拖動高溫風機，原采用液力耦合器進行調速，但是運行中經常由于漏油故障進行維護導致高溫風機停運。決定采用ZINVERT系列高壓變頻器進行調速改造后，拆除液力耦合器，采用連軸器替代原液力耦合器將電機與風機的軸連接，同時采用高壓變頻調速系統的一拖一手動旁路方案，設備的一次接線如下圖所示。

圖1ZINVERT高壓變頻器手動旁路一次接線圖

　　10kV高壓動力電源經變頻裝置刀閘K1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經刀閘K2送至電動機；高壓動力電源還可經刀閘K2切換至工頻側直接起動電動機。一旦變頻裝置出現故障，即可馬上斷開輸入側高壓進線開關及刀閘K1，將變頻裝置隔離，切換刀閘K2至工頻側，在工頻電源下起動電機運行。刀閘K1、K2之間具有閉鎖和防止誤操作功能。
　　ZINVERT型智能高壓變頻調速系統主控制部分以新型電機控制專用雙DSP（數字信號處理器）為控制核心，輔以大規模可編程邏輯器件，實現SPWM波形控制及各種信號的檢測、分析判斷和處理。控制器和功率單元箱之間通過光纖進行信號傳輸，可有效避免電磁干擾，增強系統的可靠性。同時控制系統具有豐富的模擬、數字接口，可用于與用戶中控DCS連接和擴展，以滿足現場各種運行與控制的需要。用戶在后臺可以監控變頻各種狀態并對其進行遠程控制和頻率設定調節。
　　3．3ZINVERT系列高壓變頻器在5000t/d旋窯生產線的高溫風機改造節電效益：
　　三獅和德在進行變頻改造的同時，也在進行低溫余熱發電的建設，在變頻投運后，余熱鍋爐也開始投入。根據數據記錄，變頻改造前，高溫風機電機運行功率為2600kW，變頻裝置和余熱鍋爐投入后，高溫風機電機運行在43Hz，運行功率約為2350kW。變頻投入運行后，減小的輸入功率為：250kW。按平均每天運行24小時，電價0.5元/度，一年運行300天保守計算，每年可以節約電費約為：V=250×24×300×0.5=90（萬元）。下表為和德三獅5000t/d生產線窯尾高溫風機變頻調速改造前后的運行與節能情況。
　　和德三獅水泥5000t/d高溫風機電機及變頻改造前后運行參數列表

　　高溫風機采用變頻調速的其他效果：
　　采用變頻調速控制后，其他方面的效益也是明顯的，如：
　　(1)改善了工藝，調速精度得到保證，提高了產品質量的穩定并可提高產量。投入變頻器后可以平滑穩定地調整風量風壓，提高了效率；變頻改造前產量約為340t/h，改造后可達350—360t/h，甚至曾高達380t/h。由于ZINVERT高壓變頻器的特殊技術，減少甚至避免了由于塌料產生的停機，使生產線設備利用率得到保證，保證了順產，進一步提高了產量。
　　(2)設備運行與維護費用下降：采用變頻調節后，避免了原來采用液力耦合器調節的需經常進行油路、漏油的維護（平均每年節約維護費用十幾萬元），若打壞齒輪一次維護費用要幾十萬元，并導致停產的損失；高壓變頻器一年多的運行實踐證明，其可靠性得到證明，避免由于液力耦合器維修導致生產線停產的發生。

　　（3）延長電機等設備的使用壽命。采用變頻調速后，可以實現軟起動和軟制動，幾乎不產生沖擊，避免液力耦合器啟動時的4～7倍的沖擊電流，可大大延長電機定子、轉子軸及軸承等電氣與機械壽命。
　　（4）ZINVERT型高壓變頻器的輸入電流諧波含量大大小于國家標準要求的4％，功率因數保證在0.95以上，與采用液力耦合器相比，輸入功率大大提高，再無需投資功率補償設備，并可降低設備的進相機等設備與維護費用。
　　4、結語
　　目前ZINVERT系列高壓變頻調速系統特別適于窯尾高溫風機的變頻應用，實際上在國內幾十條5000T、4000T、2500T、1500T、1000T新型干法水泥生產線的生料磨循環風機、煤磨循環風機、窯頭排風機、窯尾高溫風機、窯尾排風機、水泥磨循環風機廣泛應用表明，設備運行性能穩定、節能顯著，在水泥行業中推廣的潛力巨大。