风光 高压变频器在水泥厂风机节能改造中的应用
- 关键词：高压变频器,,,水泥,,,风机,,,节能
- 作者：蔡磊 石凯 陶金文
- 摘要：本文介绍了山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压变频器在淄博市淄川宝山水泥厂风机中的应用情况。通过改造，实现了水泥生产线风机的高效运行，达到了节能降耗的目的。
Abstract: This article introduces Shandong WindSun Electronics Science ＆ Technology Co.,Ltd. produced high voltage inverters in Zibo Zichuan Paoshan cement plant air blower application situation.Through the transformation,it has realized the cement production line air blower highly effective movement, had achieved the energy conservation falls the goal which consumes.
Key words: High voltage inverter Cement Fan Energy-saving
1引言
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。
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。
目前很多水泥厂的风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化，大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口阀门的开度来实现，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重。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。
2高压变频节能原理
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机最为合理的调速方法。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前，变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。
高压变频调速具有如下显著的优点：
（1）由负载档板或阀门调节导致的大量节流损失，在变频改造后不再有节流损失。
（2）网侧功率因数明显提高。
（3）可实现零转速启动，避免启动冲击电流，减轻了冲击扭振。
（4）高压变频器本身损耗极小，整机效率在97％以上。
对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H与转速n的平方成正比；输出轴功率P与转速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3
当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机低于额定转速时，理论节电为：
E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW�h）
式中： n是额定转速，n′是实际转速，P是额定转速时电机功率，T是工作时间。
可见，通过变频对风机进行改造，不但节能，而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
3风光公司高压变频调速系统技术特点
风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速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，高压变频器被评为中国名牌产品，是国内高压变频器行业为数不多的两个名牌产品之一。具体来说，风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外，还具有以下突出特点：
（1）采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，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，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。新风光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运行的功能，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3s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）单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。
（7）单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍。
（8） 散热结构设计合理，单元串联多重化并联结构，IGBT承受的电压较低，可以有较宽的过压范围（≥1.15Ue），设备可靠性更高。
（9） 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。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。
（10） 限流功能：当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数。
（11） 故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。
4 高压变频器在水泥行业应用中的主要问题与应对措施
4.1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熟料生产线物料预分解的重要负载，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。
山东新风光电子科技发展有限公司作为目前国内水泥行业高压变频器的专业生产制造商，其研制的高压变频调速系统特别针对高温风机的运行工艺情况进行了大量的研究分析，并研制出相应的专业技术。技术研发人员经过深入应用现场，了解掌握现场工艺情况，总结应用经验，推出了针对水泥生产线窑尾高温风机的专用技术，从设备的硬件设计、控制软件设计等多方面对高温风机的不定期的尖峰负荷运行进行全方位的设计改进，有效地避免了一般高压变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，与工频液耦运行相比也降低了跳机的可能性，为水泥企业保证生产安全性、经济性作出技术与设备保证。风光牌高压变频器目前已在多条旋窑生产线的高温风机得到实际应用，解决了高温风机变频器由于 “塌料”导致的跳闸停运、生产中断的问题，大大降低了由于高温风机停运对生产造成的影响，降低电机设备故障率，取得节能、增效的巨大效益，得到用户普遍认可。
4.2电机在旋转情况下启动的问题
由于风门挡板在未关严或其他原因，受风机的拖动，电机处于旋转状态，启动在旋转中的电机时，变频器可自动搜索跟踪电动机转速并按照设定加减速时间恢复正常运行状态（即飞车启动问题），保证风机安全运行不跳闸。
对旋转中再启动功能的需求，系统提供完备的参数设定功能，保证系统动作有效，保护得当，真正适应现场运行工况要求。
4.3多种控制保证措施，保证产品可靠运行
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。水泥厂一般地处偏远，供电质量相对不高，对设备的电网适应性问题突出。相对适应进口品牌高压变频器，风光牌高压变频器拓扑结构采用功率单元串联技术方案，产品具有对电网电压的适应范围宽（－65％～115％Un），单元故障自动旁路、工频旁路、瞬时停电再启动功能、相间短路等多项完善的保护功能技术，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高产品在水泥应用现场的可靠性。
5 高压变频改造实例
淄博市淄川宝山水泥厂是淄博市优秀民营企业，淄川区经济50强企业。固定资产5亿元，企业拥有世界先进水平的干法旋窑生产线一条。日产水泥熟料6000吨，年产水泥270万吨，生产的“建磊”牌被评为山东名牌，中国建材行业知名品牌。水泥质量稳定，产品深受用户的好评和信赖。
经过调查和比较，在2009年宝山公司技改工程中，高温风机、生料循环风机、窑头排风机、窑尾排风机和煤磨排风机采用山东新风光公司的6台高压变频器进行调速。
6 高压变频器主回路控制方案
在风机改造过程中，高温风机（2500kW/10kV、1套）采用“一拖一”控制加自动旁路柜，窑头排风机（560kW/10kV、1套）、窑尾排风机（1400kW/10kV、1套）、煤磨排风机（710kW/10kV、1套和循环风机（1800kW/10kV、2套）采用“一拖一”控制加手动旁路柜。
6.1自动旁路柜
图1 自动旁路柜
图1旁路柜在变频器进、出线端增加了两个隔离刀闸，以便在变频器退出而电机运行于旁路时，能安全地进行变频器的故障处理或维护工作。
旁路柜主要配置：三个高压断路器（KM1、KM2、KM3）和两个刀闸隔离开关K1、K2。KM2与KM3实现电气互锁，当KM1、KM2闭合，KM3断开时，电机变频运行；当KM1、KM2断开，KM3闭合时，电机工频运行。另外，KM1闭合时，K1操作手柄被锁死，不能操作；KM2闭合时，K2操作手柄被锁死，不能操作。
电机工频运行时，若需对变频器进行故障处理或维护，切记在KM1、KM2分闸状态下，将隔离刀闸K1和K2断开。
合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号串联于KM1、KM2合闸回路。在变频器故障或不就绪时，高压断路器KM1、KM2合闸不允许；在KM1、KM2合闸状态下，若变频器出现故障，则“合闸允许”断开，KM1、KM2跳闸，分断变频器高压输入电源。
旁路投入：将变频器“旁路投入”信号并联于KM3合闸回路。变频运行状态下，若变频器出现故障且自动投入允许，或者需要将电机从变频投入到工频状态运行（按下“工频投切”按钮），系统将首先分断变频器高压输入、输出开关KM1和KM2，经过一定延时后，“旁路投入”闭合，即工频旁路开关KM3合闸，电机投入电网工频运行。
6.2手动旁路柜
图2 手动旁路柜
图2旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2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，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。
保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。
7变频改造节能情况
为了对比变频改造节能情况，在相同产量下，对工频、变频相应的运行数据进行了统计，现将部分数据分析整理如下。
7.1 设备概况
7.2水泥生产风机工频运行数据统计表
7.3水泥生产风机变频运行数据统计表
7.4 直接效益
从上述数据可以明确看出改造后各风机相应的节电功率。按月运行30天，年运行10个月，即300天计算，可推算出风机节电量及节电效益。
变频时风机日节电量：12547＋9857.4＋3539.4＋1797.3＋11153.6+11577.2=50471.9kW�h年节电量： 50471.9kW�h×300天＝1514.16万kW�h。
年节电效益：1514.16万kW�h×0.35元/kW�h＝529.96万元。
7.5间接效益
（1）变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。
（2）有效地改善了现场运行环境，由于电机以及负载转速下降，大大降低了设备噪声污染，现场操作人员非常欢迎。
（3）功率因数提高到0.95以上，减少了线路损耗。
（4）减少了维护工作量和维护费用，延长了设备的使用寿命。
采用变频技术调速后，设备随生产工艺变负荷运行，大大降低了设备负荷率，延长了风机、电机等设备的使用寿命。
（5）变频器具有多项保护功能，十分完善。
与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能，更精确地保护了电机。
（6）调速范围宽，调速精度高。
与过去挡板调节风量相比较，采用变频拖动风机可以在0～50Hz范围内任意调节，调节精度高，调节频率波动可保持在0.1～0.01Hz范围内，便于实现风机系统自动化控制。
8 结束语
由此可见，山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器在宝山公司水泥生产线风机上取得了良好的使用效果。在迄今一年多的运行过程中，高压变频器系统运行稳定，维护量小，节能效果显著，为宝山水泥公司的正常生产和节能降耗做出了贡献。