水泥廠高壓變頻改造方案
1、窯尾高溫風(fēng)機系統(tǒng)簡介
旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預(yù)熱機來的料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動來促進料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進行反應(yīng)，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動在窯內(nèi)向前運動。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機的作用下，通過預(yù)熱器對進入窯尾前的生料進行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風(fēng)機抽出進入廢氣處理（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間進行充分燃燒，生料才能在窯內(nèi)達到很好的熱處理。窯內(nèi)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(fēng)機一方面用來調(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)機引出由電收塵器將灰塵進行處理，再將廢氣排掉。
荊門某水泥廠目前有三條干法懸窯生產(chǎn)線，日產(chǎn)為2000t、700t、2500t，分別為1995年、1998年、1999年投產(chǎn)，到現(xiàn)在已運行6～10年，并擁有一臺12MW中、低溫余熱發(fā)電機組，由于發(fā)電成本較高，余熱發(fā)電現(xiàn)已停運。
日產(chǎn)2500t的窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機電機配置為6kV1600kW，日產(chǎn)2000t的窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機電機配置為6kV1400kW。在高溫風(fēng)機的電機與風(fēng)機之間，配有液力耦合器對風(fēng)機進行調(diào)速，整個工藝過程主要是通過DCS的控制來調(diào)節(jié)液力耦合器的速度從而調(diào)整風(fēng)機的風(fēng)量，達到控制窯內(nèi)負壓。
由于設(shè)備使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，運行中每天需加油2～3次，以補充漏油，油面調(diào)整的控制回路失靈不能自動調(diào)節(jié)，在運行中靠手動調(diào)節(jié)置于固定轉(zhuǎn)速比。在運行是時仍靠風(fēng)機擋板進行風(fēng)量調(diào)節(jié)，當窯系統(tǒng)工況變化較大時，現(xiàn)場值班人員根據(jù)中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調(diào)節(jié)，運行操作非常不便。
2005年，水泥廠準備對于2000t、2500t的兩條生產(chǎn)線進行提產(chǎn)，但由于高溫風(fēng)機中液力耦合器漏油嚴重，出力受到限制，不具備提產(chǎn)的條件，故提產(chǎn)一直未能實現(xiàn)。
2006年1～2月，我公司為該水泥廠2000t、2500t兩條生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機及窯頭號EP風(fēng)機進行了變頻調(diào)速改造，目前運行情況良好，2000t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達2300t，2500t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達2900t，而高溫風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)的耗電量還稍少于原液力耦合器調(diào)節(jié)的耗電量。
2、高溫風(fēng)機變頻改造方案
經(jīng)過對原系統(tǒng)進行分析，對原系統(tǒng)的風(fēng)壓控制由原來的液力耦合器調(diào)節(jié)改為變頻器調(diào)節(jié)，即取消原液力耦合器，將電機與液力耦合器之間用一連接軸取代液力耦合器連通，而由變頻器對電機本身進行調(diào)速，最后達到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機入口）的壓力為工況要求值。
變頻器設(shè)備接入用戶側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機之間，如圖2所示，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)來完成正常操作。
為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在變頻回路故障時將電機切換至工頻狀態(tài)下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風(fēng)機轉(zhuǎn)速會升高，風(fēng)壓會發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時應(yīng)及時在DCS上對高溫風(fēng)機的風(fēng)門進行及時調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機輸出風(fēng)量至工況要求值。變頻器及其工頻旁路開關(guān)由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設(shè)備。
為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器同時加裝工頻旁路裝置，可在變頻回路故障時將電機切換至工頻狀態(tài)下運行，且切換方式為自動切換。變頻器故障時，電機自動切換到工頻運行，這時風(fēng)機轉(zhuǎn)速會升高，風(fēng)壓會發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時應(yīng)及時在DCS上對高溫風(fēng)機的風(fēng)門進行及時調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機輸出風(fēng)量至工況要求值。變頻器及其工頻旁路開關(guān)由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保留了用戶原有設(shè)備。
根據(jù)水泥廠提供的負載參數(shù)及運行工況，我公司為2000t的窯尾高溫風(fēng)機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/1800，隔離變壓器容量1800KVA，旁路開關(guān)柜容量400A。為2500t的窯尾高溫風(fēng)機配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開關(guān)柜容量400A。
3、改造過程簡述
由于原電機控制為液力耦合器調(diào)速，為了安裝變頻器，必須重新設(shè)計變頻器專用房。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，我們選擇在高壓配電室旁另建一變頻器專用房，此地方距高壓室較近，動力電纜敷設(shè)方便。
由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強迫風(fēng)冷，設(shè)備內(nèi)空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間通風(fēng)設(shè)計上，設(shè)計了大面積專用進風(fēng)窗，房間不另設(shè)其它窗口，基本上是密閉設(shè)計。通風(fēng)窗采用專用過濾棉濾網(wǎng)，這樣使進入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過通風(fēng)窗濾灰，進入變頻器室內(nèi)的灰塵大大減小。
由于本變頻器功率較大，為保證足夠的通風(fēng)冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風(fēng)罩，與各自的出風(fēng)口連成整體，保證變頻器整體冷卻通風(fēng)要求。
為減小安裝成本，動力電纜保留了原高壓柜至電機的電纜，將電纜原接線由高壓柜牽至變頻器，再重新由高壓柜到變頻器敷設(shè)一根動力電纜，由于變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。
變頻改造后，由于需要取消原液力耦合器，我們按照液力耦合器的聯(lián)接尺寸設(shè)計制作了一套直接連接軸來代替液耦。連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風(fēng)機側(cè)的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時，僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現(xiàn)場僅作少量調(diào)整即可達到安裝要求，而不用對風(fēng)機及電機作任何調(diào)整，安裝方便快捷。
4.高壓變頻器取代液力耦合器節(jié)能分析
1、)液耦調(diào)速與變頻調(diào)速的耗電分析
水泥廠原高溫風(fēng)機帶有液力耦合器調(diào)速，現(xiàn)將液耦調(diào)速改造為變頻器調(diào)速。圖3為液力耦合器進行風(fēng)機調(diào)整時的典型耗能曲線，表1為液耦與變頻調(diào)速的耗電特性對比?，F(xiàn)根據(jù)曲線及對比表對液力耦合器改為變頻器調(diào)速的耗能情況進行對比分析。
η： 液力偶合器的效率
Ns：液力偶合器的損失功率
I： 液力偶合器的輸出與輸入轉(zhuǎn)速之比
Nd：電機功率
Ns：液力偶合器的損失功率
I： 液力偶合器的輸出與輸入轉(zhuǎn)速之比
Nd：電機功率
Nf：負載功率
表1 液耦與變頻調(diào)速的耗電特性
|
風(fēng)量 % |
軸功率 |
液力偶合器 |
變頻調(diào)速 |
變頻比液耦節(jié)電率 | ||
|
電機輸入 |
總損失 |
電機輸入 |
總損失 | |||
|
100 |
100 |
108 |
8 |
108 |
8 |
0 |
|
90 |
72.9 |
86 |
13.1 |
79 |
6 |
8.3 |
|
80 |
51.2 |
68 |
16.8 |
55 |
3.8 |
19.1 |
|
70 |
34.3 |
52 |
17.7 |
38 |
3.7 |
26.9 |
|
60 |
21.6 |
39 |
17.4 |
25 |
3.4 |
35.9 |
|
50 |
12.5 |
29 |
16.5 |
15 |
2.5 |
48.3 |
|
40 |
6.4 |
21 |
14.6 |
9 |
2.6 |
57.1 |
|
30 |
2.7 |
15 |
12.3 |
5 |
2.3 |
66.7 |
變頻運行時高溫風(fēng)機風(fēng)量按85%計算，從表中查得對應(yīng)的變頻比液耦節(jié)電率為：
19.1×（100-85.7）/（100-80）=13.6 %
節(jié)電功率為：13.6%×1550=210kW
2、)變頻改造實際節(jié)能情況
水泥廠高溫風(fēng)要變頻改造前后，我們對相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)分析整理如下。
表2 2500t窯高溫風(fēng)機改造前后對比表
|
項目 |
改造前 |
改造后 |
|
窯喂料量（t/h） |
170 |
195 |
|
窯日產(chǎn)量（t） |
2500 |
2900 |
|
起動調(diào)節(jié)方式 |
液耦 |
變頻 |
|
6kV側(cè)電流（A） |
180 |
150 |
|
電機電流（A） |
180 |
186 |
|
功率因素 |
0.83 |
0.96 |
|
平均耗電功率（kW） |
1550 |
1500 |
|
起動電流（A） |
500 |
50 |
|
運行速比/頻率 |
89% |
45Hz |
表3 2000t窯高溫風(fēng)機改造前后對比表
|
|
改造前 |
改造后 |
|
窯喂料量（t/h） |
135 |
155 |
|
窯日產(chǎn)量（t） |
2000 |
2300 |
|
起動調(diào)節(jié)方式 |
液耦 |
變頻 |
|
6kV側(cè)電流（A） |
150 |
120 |
|
電機電流（A） |
150 |
142 |
|
功率因素 |
0.81 |
0.96 |
|
平均耗電功率（kW） |
1260 |
1200 |
|
起動電流（A） |
600 |
45 |
|
運行速比/頻率 |
89% |
46Hz |
上述數(shù)據(jù)為改造后窯系統(tǒng)產(chǎn)量增加的條件下風(fēng)機耗電對比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，改造后比改造前風(fēng)機耗電量下降不多，從上兩表中可計算出各風(fēng)機相應(yīng)的節(jié)電功率。
2500t窯高溫風(fēng)機節(jié)電功率： 1550－1500＝50（kW）
2500t窯窯尾EP風(fēng)機節(jié)電功率： 154－100＝54（kW）
2000t窯高溫風(fēng)機節(jié)電功率： 1260－1200＝60（kW）
2000t窯窯尾EP風(fēng)機節(jié)電功率： 138－70＝68（kW）
根據(jù)我們在設(shè)備調(diào)試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，2500t窯在額定2500t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機6kV側(cè)電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約190kW。2000t窯在額定2000t的產(chǎn)量下，高溫風(fēng)機6kV側(cè)電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約200kW。由此可推算出兩臺高溫風(fēng)機在額定產(chǎn)量下的節(jié)電量。
2500t窯高溫風(fēng)機節(jié)電功率：1550－1360＝190（kW）
2000t窯高溫風(fēng)機節(jié)電功率：1260－100＝200（kW）
此為估算節(jié)電值。變頻改造的另一大收益為提高了窯系統(tǒng)的產(chǎn)量達15%倍，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益是非常大的。
5.高壓變頻器在水泥廠使用中應(yīng)注意的問題
水泥廠因生產(chǎn)線粉塵較大，調(diào)速機械大多安裝在室外或庫下，環(huán)境較其它行業(yè)相比較為惡劣，操作人員一般集中在中控室。而高壓變頻器作為較精密的儀器設(shè)備，對環(huán)境要求較高，而生產(chǎn)現(xiàn)場時常無人且環(huán)境較差，對變頻設(shè)備運行非常不利。故在水泥生產(chǎn)線上，高壓變頻器應(yīng)安裝在配電室內(nèi)，或?qū)ｉT建造房屋。
由于高壓變頻器一般采用強迫風(fēng)冷，通過變頻器的空氣所帶的灰塵較多，因此，變頻器在水泥廠使用時，必須加強防塵設(shè)計和維護，有條件的場合，可設(shè)置變頻器專用室，采用空調(diào)冷卻。
變頻器頂部裝有散熱通風(fēng)孔及風(fēng)機，灰塵和金屬物易于由此進入裝置內(nèi)部，應(yīng)采取防護措施，防止內(nèi)部短路，推薦使用整體風(fēng)罩方案。
變頻器控制線必須采用屏蔽電纜，并且在布線范圍內(nèi)必須與動力線相距一定距離，相交時必須轉(zhuǎn)90°角，千萬不要將控制線與動力線放在同一電纜托架(或線框)內(nèi)，以避免變頻器控制信號受到干擾。變頻器負載輸出線也要采取屏蔽措施，選用鎧裝電纜，以避免變頻器對附近儀表產(chǎn)生干擾。
在變頻器接線時要特別注意電源的輸入線和輸出線絕不能接錯，將電源輸入線接上變頻器輸出位置，會立刻損壞設(shè)備。
通常變頻器連接到電機的電纜長度要求不要超過150m，使用屏蔽電纜不能超過150m，這就必須考慮變頻器到受控電機之間的距離問題，在水泥廠中一般會碰到超過規(guī)定距離的情況，因此在變頻器的房屋設(shè)計上需根據(jù)現(xiàn)場條件合理安排。
變頻器的控制一般需接入到DCS系統(tǒng)，而中控室到風(fēng)機間有一定的距離，因此，變頻器接入DCS系統(tǒng)時，一般通過現(xiàn)地工作站進行轉(zhuǎn)接，在控制電纜接入時需注意抗干擾處理。
6、變頻改造總結(jié)
根據(jù)我公司對水泥廠高溫風(fēng)機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結(jié)變頻器改造有以下優(yōu)點。
(1)安裝簡單，即將原高壓開關(guān)柜與電動機之間插入安裝變頻器，對原有接線改動不大。
(2)操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調(diào)整。
(3)能進行無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，且調(diào)速精度高，適用性強。
(4)保護功能完善，故障率低，排風(fēng)機啟動平穩(wěn)，啟動電流小，可靠性高。
(5)電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節(jié)電效果顯著。
(6)由于變頻器取代了液耦調(diào)速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設(shè)備維護費用降低。
(7)電動機運行振動及噪聲明顯下降，軸承溫度也有很大的下降。
交流變頻調(diào)速器，以適用性強、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應(yīng)用在調(diào)速、節(jié)電、軟啟動方面，對企業(yè)有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在該水泥廠對兩條生產(chǎn)線的四臺電機進行了成功的改造，不僅節(jié)能效果明顯，提高了整個系統(tǒng)的工藝性能，同時也使兩條生產(chǎn)線大大提高了產(chǎn)量，得到用戶的好評，并在當?shù)厮嘈袠I(yè)中產(chǎn)生了很大的影響。
7、結(jié)語
目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗就占成本近30％，而拖動風(fēng)機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調(diào)速技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設(shè)備，具有很高的推廣價值
8.成功案例
1.)杭州三獅水泥有限公司的窯尾排風(fēng)機電機為6kV供電的三相異步電動機，功率為400kW
2.)浙江上峰水泥廠的窯尾排風(fēng)機電機為10kV供電的三相異步電動機，功率為450kW
3.)葛州壩水泥廠日產(chǎn)2500t的5#窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機電機配置為6kV1600kW，窯尾EP風(fēng)機配置為6kV280kW的高壓變頻改造
4.) 華新金貓水泥(蘇州)有限公司的風(fēng)機電機為6kV，功率為500kW
5.)高壓變頻器在邯鄲鋼鐵集團一煉鋼廠混鐵爐除塵的應(yīng)用
6.)中國大唐集團公司陡河電廠#2爐2臺吸風(fēng)機電機上分別加裝一套某電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的6 kV/1000 kW高壓變頻器裝置。
7.)葫蘆島平山水源泵站有4臺10KV、功率710KW的水泵機組
7.)葫蘆島平山水源泵站有4臺10KV、功率710KW的水泵機組
8.)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在大冶特鋼四煉鋼電爐除塵風(fēng)機上的應(yīng)用
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