高壓變頻器在水泥行業(yè)風機中的應用

摘要：本文結(jié)合水泥行業(yè)的生產(chǎn)情況，介紹了山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器在安徽菲達水泥有限公司窯頭排風機的應用情況。通過改造，實現(xiàn)了排風機的高效運行，達到了節(jié)能降耗的目的。
關鍵詞：高壓變頻器   水泥   窯頭排風機
Abstract: This article unifies the cement profession the production situation,  introduces the application of the high voltage inverter produced by Shandong WindSun Electronics Science &Technology Co., Ltd.based on kiln exhaust blower in Anhui Feida cement Limited company. The reconstruction implements the efficient running of kiln exhaust blower, reached the objective of saving energy.
Key words: High voltage inverter   Cement   Kiln exhaust blower
1引言
    近年來隨著煤炭和電力價格的不斷上漲，水泥生產(chǎn)的低成本時代已經(jīng)一去不復返了，而市場競爭卻越來越激烈，水泥企業(yè)的利潤空間也壓縮的越來越小，在國家政策《中華人民共和國節(jié)約能源法》和強制性標準《GB50443-2007水泥廠節(jié)能設計規(guī)范》及時引導下，水泥行業(yè)企業(yè)節(jié)能降耗工作被放到了非常重要的位置。
    據(jù)有關報道，水泥廠電動機電耗占成本近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，在水泥的生產(chǎn)中，風機大馬拉小車現(xiàn)象嚴重，同時由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需求的風量也隨之變化，大部分風機采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進、出風口閥門的開度來實現(xiàn)，風機效率低，損耗嚴重。因此，在水泥廠風機采用調(diào)速技術，節(jié)約大量能源，提高生產(chǎn)效率，為水泥廠帶來較大的效益。
    風機電動機特別利用調(diào)速技術改變設備的運行速度，以調(diào)節(jié)風量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達到節(jié)約電能，同時減少管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失。
2工礦簡介
    安徽菲達水泥有限公司由浙江天基實業(yè)有限公司（浙江能源集團子公司）、菲達集團有限公司（國家環(huán)保骨干企業(yè)、上市公司）、浙江天潔水泥有限公司（浙江省諸暨市大型民營企業(yè)）和浙江華陽科技有限公司共同出資組建而成的規(guī)范化公司，2007年底被南方水泥有限公司資產(chǎn)重組。
    公司地處安徽省廣德縣新杭鎮(zhèn)，是蘇浙皖三省八縣（市）交界處，東臨杭嘉湖、北倚蘇錫常，交通便捷，運輸發(fā)達。公司擁有二條日產(chǎn)2500噸新型干法水泥熟料生產(chǎn)線，總投資超過4億元，兩條熟料生產(chǎn)線年產(chǎn)能力155萬噸，產(chǎn)品主要銷往浙江、江蘇、上海等地。
    水泥廠1#、2#窯頭排風機采用異步電動機拖動，原來的電機運行方式為全速運行，風量調(diào)節(jié)采用擋板控制開度，電能白白消耗在擋板上，風機效率低下，針對這種狀況，水泥廠領導下決心對窯頭排風機進行調(diào)速改造。

圖1 用戶廠區(qū)

3 窯頭排風機調(diào)速方案選擇
目前，大功率異步電動機調(diào)速方式，主要采用以下幾種方式：
（1）液力耦合器方式。即在電機和負載之間串入一個液力耦合裝置，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機和負載之間耦合力的大小，實現(xiàn)負載的速度調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍有限，高速丟轉(zhuǎn)約5%-10%，低速轉(zhuǎn)差損耗大，精度低、線性度差、響應慢。這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，其主要缺點是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低、維護工作量大，屬低效調(diào)速方式。
（2）串級調(diào)速。串級調(diào)速必須采用繞線式異步電動機，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網(wǎng)，而現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場幾乎都采用鼠籠式異步電動機，更換電機非常麻煩。這種調(diào)速方式的調(diào)速范圍一般在70%-95%左右，調(diào)速范圍窄。容易造成對電網(wǎng)的諧波污染，功率因數(shù)低；串級調(diào)速電機受轉(zhuǎn)子滑環(huán)的影響，維護工作量大，屬于落后技術。
（3）變頻調(diào)速技術是20世紀年代末興起的一種新型電力傳動調(diào)速技術，它以轉(zhuǎn)矩大、精度高、功能強、可靠性高，操作方便，便于通訊等功能優(yōu)于以往的傳統(tǒng)調(diào)速方式（如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速等）。變頻調(diào)速運行，是根據(jù)負載轉(zhuǎn)速的變化要求，改變供電電流的頻率，并配合電壓的調(diào)節(jié)，以獲得合理的點擊運行工況。在不同的轉(zhuǎn)速情況下，均保持較高的運行效率。變頻控制技術的應用，不僅降低了電能消耗，同時能改善啟動性能，保護電動機及負載設備免受瞬時啟動沖擊，延長其工作壽命，還提高電動機及負載設備的工作精確度。
通過對以上高壓電機調(diào)速方式比較，水泥廠領導決定采用高壓變頻器對1#、2#窯頭排風機進行改造。
    經(jīng)過多方比較性價比，通過招標方式，選用了中國名牌產(chǎn)品-山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-280F型高壓變頻器，一拖一控制，共計2臺高壓變頻器。改造取得了成功。現(xiàn)對改造作一介紹。
4現(xiàn)場窯頭排風機及電機參數(shù)
4.1電機參數(shù)

圖2 用戶現(xiàn)場設備圖

5山東新風光電子JD-BP37系列突出特點
(1)采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，讓控制更精準。
(2)飛車啟動功能：能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。
(3)完整的工頻/變頻自動互切技術：現(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，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，時間較長，適應于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。我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)換至變頻的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設備的運行造成任何影響。
(4)旋轉(zhuǎn)中再啟動功能：運行過程中高壓瞬時掉電三十秒鐘內(nèi)恢復，高壓變頻器不停機，高壓恢復后變頻自動運行到掉電前的頻率。
(5)線電壓自動均衡技術（星點漂移技術）：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。
(6)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)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，并保證運行維護人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。
(7)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高一倍。
(8) 通過控制器可實現(xiàn)對各單元直流濾波電容壽命的檢測，實現(xiàn)在年檢中對單元電解電容器進行檢測，根據(jù)出廠時電解電容器的特性的比較與趨勢，可得出對電解電容器壽命的猜測，提前預知電解電容器是否可繼續(xù)運行，避免由于電容器運行出現(xiàn)非預期的系統(tǒng)故障，并實現(xiàn)運行維護人員對功率單元設備狀況的及時把握。
(9) 散熱結(jié)構(gòu)設計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)， IGBT承受電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設備可靠性更高。
(10) 具有雙路控制電，一路為干式變壓器變壓以后的電源，一路為外部控制電源，這樣在調(diào)試過程中，無需加入高壓主電，就可以檢測輸出波形的正常與否。對于在現(xiàn)場安裝調(diào)試以及人員培訓很方便，大大提高了安全性。
(11) 具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設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功能，將會導致重大事故。我公司的變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發(fā)生。
(12) 限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，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載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數(shù)。
(13) 故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護，自動復位，繼續(xù)運行。
6項目實施改造方案
根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，旁路柜采用了一拖一手動方案。此結(jié)構(gòu)是手動旁路的典型方案手動旁路柜。如下圖3所示。旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，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構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當K1、K3閉合，K2斷開時，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(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與變頻輸出隔離開關，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設備的安全。

圖3 手動旁路柜一次回路圖

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。

保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。
風光高壓變頻器調(diào)試非常方便，在確認現(xiàn)場接線正確無誤后，用變頻器人機界面設定基本參數(shù)后，即可完成設置。人機界面采用全中文界面，方便國人使用習慣。下圖為高壓變頻器在現(xiàn)場使用照片。

圖4 高壓變頻器現(xiàn)場照片

圖5 人機界面運行時監(jiān)控界面

改造注意事項：由于現(xiàn)場灰塵太多，而變頻器為強迫風冷，為避免灰塵對變頻器造成影響，在房間通風設計上，采用大面積專用進風窗，房間不設其他窗戶，基本上是密閉設計，通風窗采用專用過濾網(wǎng)，最大限度地減少進入變頻器室內(nèi)的灰塵，過濾網(wǎng)定期除塵，保證變頻器長期安全運行。

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，供電質(zhì)量相對不高，對設備的電網(wǎng)適應性問題突出。相對適應進口品牌高壓變頻器，風光牌高壓變頻器拓撲結(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)技術方案，產(chǎn)品具有對電網(wǎng)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、相間短路等多項完善的保護功能技術，提高了抗電網(wǎng)波動和負載擾動能力，大大提高應用的可靠性。
7改造效果
（1）節(jié)能效果明顯。
    改造前，風機擋板開度為50%左右，安裝高壓變頻器后，風機擋板開度為100%，改造前，運行電流一般為18A左右,平均每小時耗電230.7KW•h,變頻器改造后，變頻器運行頻率一般為34.7Hz,運行電流下降到6A左右，平均每小時耗電93.5KW•h，每小時省電137.2KW•h，年按7000小時計算，年節(jié)省電量960400KW•h。
（2）安裝簡單，安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。
（3）提高了窯頭排風機系統(tǒng)運行效率，實現(xiàn)了風機系統(tǒng)的最佳工況運行。
（4）減少了維護工作量和維護費用，延長了設備的使用壽命。
    原窯頭排風機在運行過程中，風機和電機始終滿負荷運行，維護工作量大，檢修費用高。采用變頻技術調(diào)速后，設備隨生產(chǎn)工藝變負荷運行，大大降低了設備負荷率，延長了風機、電機等設備的使用壽命。
（5）變頻器具有多項保護功能，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、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
（6）調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。
    與過去擋板調(diào)節(jié)風量相比較，采用變頻拖動風機可以在2～50Hz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)風機系統(tǒng)自動化控制。
8結(jié)束語
    總之，山東新風光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-280F高壓大功率變頻器在安徽菲達水泥有限公司窯頭排風機上的改造是成功的，它不僅滿足了風機系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的要求，節(jié)能效果顯著，而且性能穩(wěn)定，運行可靠。鑒于風光牌JD-BP37型高壓大功率變頻器的出色表現(xiàn)，同時改造的2#窯頭排風機系統(tǒng)，該公司也采用我公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器。
參考文獻
山東新風光電子使用手冊[Z] 山東新風光電子科技發(fā)展有限公司。
作者簡介
陳建行，男，技術支持工程師，供職于山東新風光電子科技發(fā)展有限公司