水泥厂生产设备的变频调速控制的节能降耗改造方案（精选7篇）
【中国水泥网】 作者: 单位: 【2008-04-16】
摘要：通过了解水泥制造工艺，及对一些水泥厂生产设备的实际考察，大部分水泥厂的一些设备尤其是一些大功率设备在生产过程中绝大部分时间都是不满负荷,设备运行的自动化程度相当低,几乎完全靠人工调节,如机立窑供风系统、成球预加水系统、生料均化给料系统、水泥选粉系统、机立窑卸料系统等。普传公司和该有限公司的工程技术人员通过对以上系统的长期跟踪研究，并结合改造几十条水泥生产线的实践经验，开发出比较成熟的水泥厂五大生产系统变频调速控制的改造方案，此方案投资少，安装、调试及控制方便，运行可靠，节电效果明显，并提高了生产过程的自动化程度和加工工艺精度，受到水泥制造行业的欢迎。
该公司共有三条水泥生产线，我们首先从2002年四月份开始对一台132kW选粉风机进行变频改造，经过一段时间的测试证明节能效果特别明显，所以从去年下半年年开始，陆续对立窑上的送风机（245kW一台，215kW两台）、选粉机、选粉风机及盘塔送料等电机进行了变频改造，至今已投资约130万元，改造了从1.5KW到250KW大小共130台电机。改造后的实际测试情况证明在几个月的时间里靠节约的电费就收回整体投资，在以后的生产经营中也能够以较低的生产成本在市场的竞争中处于更有力的位置。下面就该公司公司的改造情况来分析上述各系统变频改造方案的实际效果。
一、机立窑供风系统系统变频改造装置
该公司像其它的老水泥企业一样，机立窑供风系统是通过调节挡风板的开启角度的落后的机械调节方法来满足烧结时不同的用风量，这种操作方式的缺点是明显的：
1、电能浪费严重；
2、调节精度差；
3、启动电流对电网冲击大；
4、电机及风机的转速高，负荷强度重；
5、起动时机械冲击大,设备使用寿命低;
6、噪声大，粉尘污染严重等。改造后的变频供风系统是在保留原供风系统的基础上增加一套变频回路与原回路并联，形成双回路可转换控制系统，并将变频器的调速装置安装在窑上，通过调节电机（风机）的转速来调节烧结时的用风量。其特点：
1、节电效果好（由于电机消耗的功率跟电机转速的三次方成正比，改造后电机大部分时间运行在35-40Hz左右既可满足用风量，节电率大于百分之二十）；
2、具有软起功能，降低负荷强度，延长设备使用寿命，启动电流小，相当于增加电网容量；
3、调节风量精度准确、方便；
4、无需旁通放风，减少水泥粉尘污染等。
二、成球供水系统
生料成球工序是影响水泥熟料烧结质量的关键工序之一，其中水、料比例直接影响成球好坏。应用变频器后能通过跟踪生料供给量对成球预加水泵的转速进行无级调速，从而实现全自动化的闭环控制，料水配合稳定，成球效果良好，大大提高水泥烧结质量。此系统改造主要为提高自动化程度和制造工艺水平考虑，由于功率较小省电效果还在其次。
三、生料均化给料系统
此系统用变频改造后，将所有送料口处的送料电机用变频器进行同步无机调速，等比例送料，提高均化效果，此点也是从制造工艺角度考虑。
四、水泥选粉系统
水泥选粉系统的工作原理是根据所生产的水泥的标号的不同，调节选粉机和选粉风机的转速，从而选出不同细度的水泥制品。
老式选粉机要调整风机轴上的扇叶的数量和角度，经过对比试验达到所要求的选粉细度；新式选粉系统分选粉机和选粉风机两部分，选粉机由滑差电机调速，选粉风机靠调节挡风板角度调节用风量。这两种系统都存在操作工艺复杂、调节精度差、浪费电能严重的缺点，特别是滑差点机不但费电，由于水泥制造环境粉尘严重，因此滑差头骨胀率特别高，维修困难。变频改造后，不管是老式系统还是新式系统，只要将电机调节到一个特定的转速就能选出所需要的细度的颗粒，在节约电能的同时还做到了连续化、自动化生产，既提高了劳动效率，又降低了劳动强度，综合效益明显。
五、立窑卸料系统
为使水泥烧结过程中加料、供风、卸料三平衡，立窑普遍采用滑差电机（电磁调速电机）做为盘塔式卸料装置的动力，该电机不但防护等级满足不了水泥生产现场环境的需要，而且在相同输出转速的条件下消耗的功率也比系列电机高出百分之二十左右，在降低转速时相差更多，因此采用变频调速系统代替滑差调速后，解决以上所诉的缺点，且调速性能远远高于滑差调速电机，在节电的同时维修费用也大大降低，在各行业得到普遍应用。
应用变频器对可以调速的电机进行控制，在节约大量电能的同时，还具有软起功能，同时降低了电机的起动电流和运行电流，降低整个电力系统和机械系统启动和工作时的负荷强度，延长了机械部件的使用寿命。另外对滑差电机的变频改造提高了电机的防护等级，减少了因环境恶劣而造成的电机故障率。
六、意外收获
由于变频器工作和启动时电流的下降，为其他设备的启动提供了必要的保证，无形中增加了工厂的电力容量，这对电网电压不稳和电力容量偏小的场合尤为有利。象天马水泥有限公司这样整体改造后,可省下200KVA的变压器容量,新上设备时变电所可暂不增容,可节省大量投资。
当然，经过变频改造后还应加强生产工艺方面的管理，再生产允许的条件下合理的调节电机的转速，以达到理想的节能结果。这有待于在以后的工作中加以不断的完善。
七、结论
1 变频器节电基本原理
1.1 风量裕度和风压裕度
根据火电设计规程SDJ-79中关于风量裕度和风压裕度是这样描述的:“送、引风机的风量裕度分别为5%和5%~10%, 风压裕度分别为10%和10%~15%”。但是我们在实践过程中难以准确的计算管网阻力的精确数值, 为了保证裕度的可靠性一般的选择是设计裕度>实际裕度20%-30%。风机水泵一般采取以下两种方式来调节送风和供水的量度。一是节流调节。既采用机械的方法通过风门或者阀门来调节风量、流量。这样的做法是通过增加管路阻力的方法, 在保持风机和水泵驱动电机转速不变的情况下, 仅仅增大或者减少小风门、挡板或阀门的开度来达到调整的目的, 这样做是不利于节能的。二是调速控制。这种方法是通过改变驱动电机的转速来调整风机、水泵的转速, 从而改变风机风量, 水泵流量, 来满足生产工艺的需要, 这种方式减少了能耗提高了综合效益。
1.2 风机水泵节电原理
风机是一种平方转矩负载, 其转速n与风量Q、压力H及风机的轴功率P的关系如下式所示:
上面的等式说明:风量与其转速成正比;风压与其转速的平方成正比;轴功率与其转速的立方成正比。
如图示为离心风机水泵的风压、 (水压) H-风量 (流量) Q曲线特性图见图1。
n1-代表风机水泵在工频转速运行时的特性;
n2-代表风机水泵降速运行时的特性;
R1-代表风机水泵管路阻力最小时的阻力特性;
R2-代表风机水泵管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。
1.3 节流调节功耗说明
风机水泵在特性曲线R1上工作, 假设工作点选择为A, 此时, 对应的流量Q1和压力H1, 此时P1正比于AH1OQ1的面积。
根据生产工艺要求, 风量 (流量) 减小到Q2, 实际工作中是通过增加管网管阻, 使风机水泵的工作点移到R2高网管管阻上的B点, 压力增大到H2, 这时风机水泵所需的功率正比H2Q2的面积, 即正比于BH2OQ2的面积。把AH1OQ1的面积和BH2OQ2的面积相比, 风机水泵所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功耗大, 不利于节能。
1.4 变频调速功耗说明
变频器工作后电源频率改变, 驱动电机转速降低, 风机水泵转速由n1下降到n2, 这时工作点由A点移到C点, 流量仍是Q2, 压力由H1降到H3, 这时变频调速后风机 (水泵) 所需的功率正比于H3与Q2的乘积, 即正比于CH3OQ2的面积, 由图可见功率的减少是明显的。
2 实际案例节能效果分析
我国在2007年10月25日颁布, 2008年5月1日起执行的强制性标准《GB50443-2007水泥厂节能设计规范》中的第4.3.5条规定:“窑尾高温风机应采用变频调速装置”。高压变频器成为国家水泥节能设计规范标准要求的设备, 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。
该水泥厂是全省大型水泥厂之一, 现有2500t/d和5000t/d生产线各一条, 属于技术先进、管理规范的优秀企业, 根据企业的需求, 我们对该厂进行了详细调研, 通对该厂1#、2#线的窑尾高温风机、窑头排风机、收尘风机、废气处理风机、循环风机和煤尘排风机的数据分析, 从现场采集的数据来看, 我们认为该企业的节电潜力十分巨大, 运用变频技术可以为企业带来可观的经济效益。
我们挑选了四台设备进行节能分析, 这四台设备总的额定功率是3315KW, 经初步测算, 如果采用变频改造, 则改造后每年节约的电费约349.5万元 (按每度电0.5元计算) 。
下面是设备的实测数据和节能量的计算数据。
2.1 1#线窑尾高温风机
2.1.1 目前工频能耗计算 (用电机励磁电流算法)
计算依据说明:电网电压6k W;每天24小时;每年工作300天;每度电为0.5元。
2.1.2 变频改造后能耗计算
此电机安装了液力耦合器, 假设变频器按照原设备液力偶合器的转速进行调速, 设平均转速为770r/min, 额定转速为993 r/min, 电机输出电流140A, 采用变频调速时电机的输出功率为:1400k W× (770/993) 3=652.75k W, 同时若考虑变频器的效率为3%, 则变频器自身损耗为:652.75×3%=19.58k W;系统总耗电为:652.75k W+19.58k W=672.3k W。变频改造后年耗电为:672.3k Wh×24×300=4840856k Wh
2.1.3 节电计算
年节电:8903880k Wh-4840856k Wh=4063024k Wh
每年节约电费: (每度电=0.5元) 0.5×4063024=2031511元
2.2 1#线循环风机
2.2.1 目前工频能耗计算 (用电机励磁电流算法)
计算依据说明:电网电压6k W;每天24小时;每年工作300天;每度电为0.5元。
2.2.2 变频改造后能耗计算
该电机没有安装液力耦合器, 风门开度为70%, 额定功率为1000k W, 采用变频调速时电机的输出功率为:1000k W× (0.7) ³=343k W;同时若考虑变频器的效率为3%, 则变频器自身损耗为:343k W×3%=10.3k W。所以系统总耗电为:343k W+10.3k W=353.3k W
变频改造后年耗电为:353.3k Wh×24×300=2543760k Wh
2.2.3 节电计算
年节电:3960000k Wh-2543760k Wh=1416240k Wh
每年节约电费: (每度电=0.5元) 0.5×1416240=708120元
2.3 2#线煤尘排风机
2.3.1 目前工频能耗计算 (用电机励磁电流算法)
计算依据说明:电网电压6k W;每天17小时;每年工作300天;每度电为0.5元。
2.3.2 变频改造后能耗计算
该电机没有安装液力耦合器, 风门开度为75%, 额定功率为560k W, 采用变频调速时电机的输出功率为:560k W× (0.75) ³=236.25k W, 同时若考虑变频器的效率为3%, 则变频器自身损耗为:236.25k W×3%=7.1k W。所以系统总耗电为:236.25k W+7.1k W=243.35k W, 变频改造后年耗电为:243.35k Wh×17×300=1241085k Wh2.3.3节电计算
年节电:2096100k Wh-1241085k Wh=855015k Wh
每年节约电费: (每度电=0.5元) 0.5×855015=427500元
3 设备选型及设备指标说明
3.1 设备选型
本案分析了企业的实际情况, 考察了市面上流行的相关厂家的设备, 在充分调查研究和对设备参数表的分析基础上, 决定选择西门子 (罗宾康) 高压变频器作为变频改造的装备。
美国罗宾康公司是单元串联高压变频器技术的先驱, 西门子与2005年7月正式合并了罗宾康公司, 两公司合并后西门子获得了罗宾康完美无谐波高压变频器这一全球市场技术领先的产品。该变频器正弦波输入无需滤波器, 输入谐波由于IEEE519-1992标准和国家标准GB/T14549-93, 输入功率因数0.95以上, 无需功率因数补偿器, 高压直接输出, 高-高结构, 没有升压变压器, 单元串联多电平PWM专利技术, 完美正弦输出波形, 适合国产普通电极, 内部干式变压器和功率单元模块化设计, 维护方便, 矢量控制技术, 恒转矩特性97%系统总体效率。体积小, 可靠性高, 拥有技术专利的中心点漂移功率单元旁路技术, 最大限度地保持了变频器的输出容量。
3.2 主要技术数据 (略)
3.3 产品结构
所有的单元功能模块是可以相互替换。输入侧的隔离变压器是用来保护电机不受共模电压的影响。高性能开关频率的IGBT器件用于逆变器侧, 从而保证了良好的输出波形, 变频系统正面开门, 可靠墙布置, 整个变频系统采用空冷。
3.4 保护功能
变频装置有过压, 过流, 欠压, 缺相、变频器过载、变频器过热、电机过载、输出接地输出短路等保护功能, 变频装置有隔离变压器的各种保护, 变频器带转速跟踪再起动功能。
4 项目实施
4.1 主回路概述
1) 变频器正常状况。变频器满足运行条件, 可以变频运行电机, 操作如下:断开旁路柜的旁路刀闸K2;闭合变频器进线刀闸K1与出线刀闸K3;闭合6KV高压开关;启动变频器, 此时变频器输出0-50Hz、0-6000V可调的电压, 实现变频驱动电机以达到调节风机风量的目的。
2) 变频器异常状况。变频器不满足运行条件, 为确保系统持续运行, 应工频运行电机。具体操作如下:断开变频器进线刀闸K1与出线刀闸K3 (使变频器退出系统) ;闭合旁路柜的旁路刀闸K2;闭合6KV高压开关;此时6KV电网直接驱动电机, 电机工频运行。
3) 接口及安装。与现场传感装置配合等PLC信号接口实现控制, 可以安装在现在的风机房低压配电室。
4.2 基础准备要求
建议选择房高3.5米以上, 采用前后通风防雨、少尘、无腐蚀性气体干净清洁环境的房间做为变频器机房。做设备基础时应预留电缆沟或电缆槽, 基础结构可以选用100*48*5.3规格 (腰高100mm, 宽48mm, 厚5.3mm) 的槽钢, 基础型钢应预埋在基础里并可靠接地, 每台变频器的基础结构要焊接成一个整体, 柜体应安装或点焊接在基础型钢上, 保证基础钢和变频器柜体可靠连接。
4.3 进线方式说明
高压变频器的动力和控制电缆的开口都在变压器柜的前顶部或底部, 变频器可靠墙安装以节省空间, 如果电缆从底部进入, 则应在座基下预留电缆沟。下图是一种可行的安装实例。
4.4 变频器输入输出接口
高压接口:高压三相输入L1、L2、L3——接用户输入三相交流电源6KV, 50Hz。高压三相输出T1、T2、T3——接用户三相6KV异步电动机。
低压控制接口:1路4-20m A模拟量输入信号, 用于转速给定。4路4-20m A模拟量输出信号, 用于输出电机电压、电流、转速和功率指示信号 (可编程配置) 。5点开关量无源输入 (使用VFD内部电源220VAC, 用户不需要外加电源;实际可提供12点) , 用于变频器故障、变频器运行、变频器停止、变频器允许起动、变频器报警。3点开关量无源输出 (干接点, 容量为220VAC/1A;实际可提供8点) , 用于变频器起动、变频器停止、变频器复位状态指示。变频器跳6KV高压无源输出 (容量为220VDC/5A) 。进线刀闸、出线刀闸, 分闸时为闭合;旁路刀闸, 分闸时闭合 (旁路刀闸与出线刀闸保证互锁) 。
4.5 变频器电气设备接线
高压动力电缆采用6千伏铠装屏蔽高压电缆控制电缆, 采用5平方毫米屏蔽电缆, 变频器输出跳高压用电缆, 采用2.5平方毫米的屏蔽电缆。
4.6 变频器电源要求、接地要求
电源要求:高压输入电源:6KV, 50Hz正负10%。低压控制电源:380V, 20A, 三相, 供冷却风扇用低压220V UPS电源, 1路, 500VA;
接地要求:变频器的总接地点应与接地网可靠相接, 接地电阻小于4欧姆。输入输出电缆的屏蔽层 (或铠装层) 接地点与变频器的总接地点相连。
4.7 控制方案
控制方式:从现有的风门调节方式转向变频调速控制方式, 且无需改变现有运行工况。变频器完全由用户的DCS或PLC等来控制, 以4-20m A信号传输, 通过变频器调节电机转速, 从而调节风量, 维持系统压力, 我们可提供足够的模拟量及数字量接口。
5 结束语
西门子罗宾康高压变频器具有其较大的技术优势, 电路简单, 技术成熟, 设备工作稳定, 故障较低, 节能效果也十分显著, 值得大力推广, 目前国内有许多水泥成产企业普遍采用。其主要缺点是价格比较昂贵, 目前变频技术不仅解决了大功率风机、水泵的软起动和调速问题, 而且满足生产工艺过程对电机调速控制的要求, 以提高产品的质量, 又可大幅度节约能源, 降低生产成本节能显著, 具有有较大的应用市场和广阔的发展空间。
参考文献
[1]周志敏, 周纪海, 纪爱华.变频器[M].北京:电子工业出版社, 2005.12:171-174,
[2]唐英伟.中高压变频器在水泥行业中的运用[M].北京:中国建材工业出版社, 2012.1.41-52
[3]中华人民共和国国家标准GB 50443-2007水泥厂节能设计规范.4.3.5
[4]火电设计规程SDJ-79
关键词：高压变频器；水泥厂；节能降耗
中图分类号： TM92 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）13-196-2
0 引言
水泥厂对能源的消耗一直较大，并且这一行业已被国家列入重点节能目录；由于在水泥生产过程中所消耗的电能源、水能源和污染物的排放量，相对于其他工业产业来说，都是比较突出的，所以为了减轻这一现象，建立起一个完善的节约型水泥生产体系，有利于减少能源的消耗，优化生态环境。通过现有的科学技术手段，对系统、设备进行相应的改良，是改善水泥生产所带来的能源消耗的根本所在；寻求节能与生产之间的最大平衡点，从而获取更高的经济效益。
在水泥生产的过程中，每个工艺环节都具有一定的能源消耗量，其中电动机负载消耗在生产线上占有较大的能源消耗量，比例在30%左右；高压电动机主要的功能是拖动电机进行运转生产，其占得比重也是同样的多，在实际的生产线上，由于整个系统的设置，使得在生产运行的过程中，各种风机所消耗的能源占比25%-30%，这样的耗能比例在整个生产过程中属于较大的，降低了整体的节能效果，所以对风机电动机方面的降耗工作，要引起高度的重视。这样的现象不是个别的，而是普遍存在的；根据各个生产厂家的设备、工况和产量的不同，所消耗的电能、风能也都各不相同，由于传统的风机的设计制作上，通过对进出风口的调节来实现所需风量的调节，这一工作原理是建立在增加风阻、牺牲风机的工作效率的基础上而实现的，也就是说传统的风机在使用的过程中，带来了较大的能源损耗量，不利于节能减排工作的开展；所以对其进行适当的技术改造，将生产效率低的、耗能大的风量调节设备，升级为变频调速技术来实现对风量的控制，这样的调节管控方式在满足厂家所需的生产要求的基础上，又可以实现减少电能消耗的目的；经过相应技术改造后，使得原有的一些运行故障得以有效减少，从而获取更好的经济效益。
随着相关的电子技术的发展和应用成熟，变频技术的使用变得越来越普遍，将传统的依靠调整配套的风门大小而实现对用风量的调整，转变为采用变速的电气传动调节；目前变频调速在我国的水泥制造生产过程中，已经成为了风机、泵类的电气传动调节，并且其节能降耗效果也被广泛认可，成为业内使用范围最广、效果最佳的电气传动方案。
1 高压变频的节能原理分析
对高压变频的调节，在生产过程中具有一定的节能作用，一步电动机的变频调速是通过改变电子供电频率f来改变同步转速而实现调速的；在进行调速的时候，速度之间的转换、调频都具有很小的转差率，可以更好的实现节能的效果，因为在进行速度转换的过程中，其转差功率小、效率高，同时也是异步电动机最为合理有效的调速方法。
进行高压变频调速具有几点较为明显的优点：一是传统意义上由档板进行调节方式所带来的能源损耗，在经过技术改造后，对能源的消耗有了明显的减少，高效的实现了节能的目的；二是网侧功率因数有了明显的提高，这对水泥的生产也有较好的节能作用；三是改造后的设备在开启时可以采用零转速的频度，减少了开启过程中带来的电流的消耗流失，同时也减轻了冲击扭振；四是设备自身的能源消耗量有了明显的减少，高压变频器在改造后，整体的机能效率至少能达到97%；可见高压变频器在水泥生产中所起到的节能效果是较为明显的。
2 高压变频器在水泥厂节能应用中的问题及改善对策
2.1 电流机过流或跳停的问题
通常情况下，出现电流机过流或跳停现象，多是由于高温风机的管道“塌料”而引起的；因为在水泥生产过程中，高温风机是保证熟料生产线所使用的物料进行预分解的重要负载，所以在运行的过程中会由于运行时间较长、负荷较大等问题而引起管道“塌料”，导致电流机产生中断运行的情况。水泥生产厂家使用的变频器装置，通产都会有一些电力电子器件，然而对这些电子器件的负荷能力也会做相应的限制，所以会出现跳停的现象；如果不对这样的情况进行限制和改进，出现这样的现象是在所难免的，长时间下来，对水泥生产带来更多的损害和损失。
通过对管道“塌料”而引起的电流机过流或跳停的问题进行分析，通过对现场数据、情况的采集和观察，对实施的工艺进行具体的研究了解，推出了水泥生产中窑尾高温风机专用的改良技术，从多方面进行技术改进，避免这一现象的频发，而给生产厂家带来更过的能源损耗和经济效益的流失。改良后的高压变频器在水泥生产中的应用，解决了由于“塌料”导致的高温风机变频器在生产中中断的问题，有效降低了由于出现这一故障对产销率的影响。
2.2 电机在旋转情况下启动的问题
出现电机在旋转情况下启动的现象，大多时候是由于风门档板在未关严的状态下，受到风机的拖动，使电机处于旋转的状态；当出现这一问题时，变频器会根据生产线的实际情况，进行自动搜索跟踪电动机转速，同时还具有可以根据系统设定的加速或减速时间护肤到正常的运行状态下的功能，通过这样的运行原理设计，来保证风机安全运行不中断。如果处于旋转中的电机需要重新激动，将会根据系统提供的具体参数进行具体的运行与操作，保证系统动作有效，以更高效率适应现场运行状况的需要和要求。
由于水泥生产线自身具备的特殊性，比如连续生产等特点，这就要求所使用的设备具有较高的稳定性和可靠性，其中高压变频器是重要的设备器件之一，因为只有设备原件符合需求具有相应的高性能，才能在生产中正常运行，以保证生产的质量和效率。又由于水泥生产的场地大多地处较为偏远的地带，容易出现的问题就是供电量较低、对设备的电网的影响较差等；对高压变频器进行相应的技术改良后，采用拓扑结构，通过功率单元串联技术等方案，使新技术产品具备更高更好的功能，比如带有具体的适应范围宽、单元故障自动旁路、突然中断再启动功能、工频旁路等功能，通过一系列功能的开发和改善，可以有效提高抗电网波动和负载扰动能力，使得高压变频器在水泥生产线中的可靠性和稳定性增强。
2.3 高压变频器的电机选择和使用
对于新设计的生产线，根据实际情况需要，选择高压变频器后，选高压电机的选择可以使用较为常见普通的异步电动机，不是说对设备进行技术改良，就要对所有器件选用高速变频的，异步电机就是这样的应用原理，当普通的设备可以满足生产需求时，就没有必要再去选择“变频电机”了。在水泥生产线中，“变频电机”是一种在原有的电机基础上增设了绝缘和散热措施的电动机，因为在传统的生产过程中，经常使用到的输出谐波含量较大、电压变化率dv/dt较大的低压变频器，和一些进口国外的电路结构不同的品牌高压变频器；由于在功能上有较大的提升，相应的价格也就比之前使用的电机价格高出许多。但是传统的高压变频器电机可以满足日常的生产需求，并且所耗能源成本并不是很高，基本上在可控制的范围之内。所以在电机的选择方面，根据实际生产情况，并且从经济成本的角度来考虑，普通电机就可以满足生产，而不必选择“变频电机”。
3 结语
基于我国目前具有的变频调速技术较为成熟，并且使用较为广泛，结合相应的生产情况对高压变频器在水泥厂节能应用中存在的一些问题进行具体的分析，并提出相应的改善对策；高压变频器的设备在实际的生产运行中，具备较高的稳定性和可靠性，并且相应的节能效果也较为明显，同时也得到了业内的广泛认可，是在水泥生产行业值得大力推广的技术和新型产品，可以更好的保证并提高水泥的生产质量和效率。
参 考 文 献
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[3] 孙彩丽.变频器的安装与故障处理分析[J].电子制作，2012，12：57.
1.蒸饭:使用1套燃油热水炉,产生蒸汽供2套蒸饭柜蒸饭;2.炒菜炉:经常性使用6个(直径1米的燃油大炒炉;3.炒菜炉每天共需耗时:6×6=36小时/天(以单炉来计算 4.耗时费油: 380L/天×30.5天/月=11600L/月×5.6元/L≈65000元/月 5.油价上涨风险: 石油作为不可再生资源,其稀缺性和投资性必然导致使用成本上升。6.厨房环境: 使用明火而产生大量的油烟、热量及噪音,污染室内外环境,影响工作人员身体健康。
7.安全隐患: 燃油炉点火困难、明火容易产生火灾及爆炸等安全隐患,威胁人身及财产安全。
说明:
1、此柴油月用量及单价是贵司某先生提供的
2、此月耗油量已是贵司实际耗油量的近似平均值(即已经过使用中大小火力调节的结果
二.节能改造建议
采用我司提供的“欧宝”商用电磁炉具替代贵司现有的燃油炉具,能够达到节能、环保、安全、便捷的效果。具体分析如下: 前提:经实用经验考证,用电设备的各项功用(如使用功能、热力大小、加工速度等与传统明火煮食设备相比,只有进步或提高的事实,绝无勉强或将就的可能！“欧宝”电磁炉优势: 1安全可靠:多重防漏电装置杜绝漏电;完全屏蔽杜绝磁力场外泄。2健康环保:“0”污染、无任何排放,安静无噪音。
3高效节能:直接作用使锅体自身发热,微损耗,热效率达81~95%。4省电省钱:比燃气省50~60%！比燃油省40~50%。5证照齐全:国家CCC认证、功能完善:可替代和完成传统炉具的煎、炒、煮、蒸、炖、扒、煲等各类烹调功能,特别适合燃料供应紧张以及安全条件受限制的场合。绿色环保:无燃烧废气排放、不消耗氧气、无噪音、无污染、省能源。3 操作简便:一键式操作与温度数码显示简单明了,智能化电脑控制技术具备自动检测锅体存在及过热、空烧和过载保护等
功能。安全可靠:无明火燃烧、无废气排放、无燃烧泄漏,可避免人员及环境安全隐患、比传统的燃油、燃气炉具更安全,并扩大了场地使用限制(例如地下室、高层建筑的顶楼厨房;并配置多重安全保护装置,减少意外事故的发生。改善环境:无明火燃烧、无鼓风装置可减少热量散发、提高能源使用效率、降低噪音(厨房噪音的主要来源于炉灶鼓风、烟罩风机和设备马达。减少配套:减少部分送风和排风装置的工程施工量和部分投资。免除了煤气管道的施工和配套设施费用。节省场地:体积小、热效率高、加热速度快,大大节省了场地使用面积。8 精确温控:大范围调节与先进电脑控制技术的运用、可精确控制烹饪温度。1.电磁蒸饭:设计配2套1400人用电磁蒸饭柜: 1电蒸饭柜的功率和耗电量:45Kw(实际耗电量41Kw.h 2每套电蒸饭柜蒸熟224~280Kg米约需时: 90分钟/次×2次/天×2套/次=360分钟/天=6小时/天
3电蒸饭柜每天总耗电量:6小时/天×41Kw.h/小时=246Kw.h/天 2.电磁炒菜:设计配置6个直径1米锅“欧宝”单头大炒炉(0~30KW作业: 1“欧宝”大炒炉的功率和耗电量: 0~30Kw,实际耗电量0~24Kw.h(度电 2炒菜炉共需耗时:36小时/天
3炒菜炉每天总耗电量:36小时×24KW/小时=864Kw.h(度电/天
说明:实际上在使用过程中使用电磁炉炒菜跟燃油炉一样可以根据按实际需要进行大小火力调节,以炒出完美的佳肴,经过火力大小需求的调节,实际能耗量只达到最大功率量的80%!3.每月用电量及费用: 1每天用电量
2套电蒸饭柜每天总耗电量:246度电/天 6个电磁炒菜炉每天总耗电量:864度电/天
合计:1110度电/天
2每月用电量:每天用电量1110度电/天×30.5天/月=33855度电
3每月用电费用:每月用电量33855度电×1元/度电=33855元≈33800元/月 三.改造前后燃料费用对比分析
1.改造前:每月燃油(0#柴油费用:约65000元/月 2.改造后:每月用电费用:约33800元/月 3.燃料费对比节约: 每月燃油(0#柴油费用约65000元/月-每月用电费用约33800元/月 =31200元/月(节约率约48%！而实际使用可能还不止这个数！4.则大概得出每年可节省费用:31200元/月×12个月/年=374400元 项 目改造前(燃油改造后(用电节省费用(元备 注 月费用65,00033,80031,200 年费用7***343,200按11个月/年计算 四.设备投资额度及投资回收期测算: 1.1400人用电热管蒸饭柜(双门双控经济型:2套×10500元/套=21000元 2.直径1米锅“KAA数码磁能王”单头大炒炉(KAA/DDCL10001型、380V、0~30KW: 3.26000元/套×6套=156000元 4.设备投资总造价:177000元
5.说明:以上设备单价不含税收费用,含安装调试费及运输费用 6.其它投资: 供电线路及漏电控制开关由贵方自行安装,我方提供的设备引线露出设备外壳约2米: 7.现就仅对设备投资(不含税收费用,含安装调试费及运输费用回收期进行测算: 设备投资金额约177000元÷31200元/月=仅约6个月！说明: 即使加进安装线路及其他改造预算,最多壹年左右即可全额收设备投资金额,并开始省钱赚钱之旅!而更值得一提的是:我司对磁能王设备在正确使用下的免费保用期就有贰年！换而言之,就是在我司的免费保用期内,贵司不但头一年保用期中就收回了设备投资金额,还在后一年保期中就赚回了不止一整套设备的价值！更在往后每年赚回一套又一套设备的价值！8.若贵司继续使用现有的设备,是便宜买昂贵用!无非等于是每月人为地往炉膛里塞进>31200 元烧为灰烬化为乌有而已!换而言之,就是贵司现有的炉灶设备看似便宜制造却是不断升值的无底深渊！9.若贵司尽早采用新设备,则等于每月从灰烬中掏回>31200元！换而言之,就是新设备是合
理价格购买却是越用越便宜不得止,甚至相当于不用钱买还会为贵司每月赚进>31200元！
这是多么理想的状况！五.有关磁能王与各种常用传统明火煮食设备各方面优点及安全性比较表: 表1: 表3: 煮食设备 炉头型号(配Φ1m锅 燃料种类燃料耗量(每小时 燃料单价(元 燃料费用(元/h 煮50Kg水 所需时间 各种煮食 加工时间
传统燃油炉(鼓风机式 140#燃油炉 头
0# 柴油
7.2L/h 5.5~6.15 元/L 39.6~44.3 18~19 min 无差异
环保燃油炉(燃烧机 G20燃油燃烧 机 0# 清洁柴油 7L/h 6.15 元/L 43 18~19 min 无差异
传统燃气炉(鼓风机式 120#燃气炉 头 液化
石油气 7.0Kg/h 8.6 元/Kg 60 18~19 min 无差异
数码磁能王25KW 机芯 380V 电源 25Kw/h(实际使用只需 18~20 Kw/h 1 元/Kw.h 25(实际使用只需 18~20元 18~19
min 无差异(炒菜还稍快 10%以上 煮食设备排气(烟 方式
热效率污染物 排放 配套 环保设备 噪音使用 安全性 故障率 传统燃油炉(鼓风机式 烟道+烟囱 20~40% 大量黑烟 +硫化物 高价水膜过
滤系统
巨大的鼓风机声+ 火噪声 点火不当 炸炉伤人 较低
环保燃油炉(燃烧机 烟道+烟囱少量黑烟 +硫化物 目前可不配 置
较小的风机声+火 噪声 较安全较高
传统燃气炉(鼓风机式 炉面直排或烟 道+烟囱
二氧化碳不用配置巨大的鼓风机声+ 火噪声 点火不当炸炉 +燃气泄漏
较低
数码磁能王“0”排放80~95% 无不用配置忽略不计多重安全保 护,万无一失 极低 表2: 煮食设备 使用中 炉身温度 油烟 产生量 使用者 舒适性 食物口味 与健康性 设备寿命 与保用期
传统燃油炉(鼓风机式 浑身发烫,甚至炉门口冒 热气、喷火 锅温不受
控制,往往 过热产生 大量油烟 大汗淋漓, 面红耳赤, 辛苦劳累不堪!油温过高, 破坏营养 受腐蚀及热烧烤, 内部支架3~4年已 开始霉烂;外表受 喷火影响乌黑变 形;保修期仅1年 环保燃油炉(燃烧机 浑身发热
传统燃气炉(鼓风机式 浑身发烫,甚至炉门口冒热气、喷火 数码磁能王炉身只会微温锅温受控制, 够猛力而不过
份,油烟量大 为减少
凉爽,自然,无噪音, 安全舒适 油温可控, 安全健康!防潮,防污,防腐 蚀,防虫害,无余 热排放;保修期长 达2年
六.有关政策方面的提醒: 1.据各方面的资料显示,我们有必要关注国家有关成品油价格改革以体现资源性物资价值的贵
重性的政策的出台问题,而此类政策一旦出台势必造成油价急升!2.国家现大力推广节能减排的方针,势必收紧环保政策,这样对继续使用传统设备的设备成本
势必增加,如加装火烟过滤装置等,而此项设备费用定不会低廉!3.国家发展电力投资的成效已今年卓有成效,为使用用电设备的供电保障扫除障碍!
4.采用“0”污染设备对贵司日后申请14000管理体系认证及接待欧美等高要求客户帮助更大!七.销售服务保障: 1.提供免费的设计方案,在正式安装前,在旧厨房免费试用7天以检验成效再考虑购买意向。
“十二五”期间, 国家进一步加大了节能降耗的力度, 各类行业都在响应国家号召“节能减排”, 水泥厂作为传统的耗能大户也采取了各种节能措施, 其中变频器在生产过程中的应用是推广力度较大的措施之一。变频调速作为先进的节能调速设备, 因其节能效果明显、性价比高, 逐步成为水泥行业节能的主流。
1 带式输送机变频控制
输送带是带式输送机的主要组成部分, 由于皮带是有弹性的, 它在静止或者运行时会贮存大量的能量。在输送机滚筒旋转起动过程中, 拖动皮带会产生张力波, 沿着皮带把能量释放出去, 若张力过大可能会造成皮带断裂。所以, 带式输送机起动时需要加设软起动装置。目前, 液力偶合器是应用较多的软起动装置之一。
液力偶合器作为传统皮带的启动方式, 存在着以下问题:
(1) 直接起动时, 起动电流为电机额定电流的4～7倍, 电机瞬时启动造成的机械应力大, 短时发热严重, 严重影响电机的使用寿命;启动过程还会拉低电网电压, 甚至造成其他电气设备不能正常运行。因此, 对于功率较大的电机必须采用软起动装置。
(2) 采用液力偶合器时, 皮带启动时间较短, 造成皮带的张力较大, 容易发生皮带撕裂。
(3) 一般皮带传送距离较长, 通常采用多电机驱动, 在皮带不同位置的多台电机采用液力偶合器同时启动, 会造成电机驱动时的功率不平衡。
伴随着电力电子技术的发展, 变频技术的发展突飞猛进, 变频器产品也发生了深刻变化。目前, 变频器在生产企业中得到了广泛应用, 许多水泥企业采用变频器控制取代传统的控制方式, 其经济效益与社会效益很明显。
2 系统介绍
山西省某水泥厂的皮带运输系统为:石灰石经颚式破碎机破碎后, 运输至预均化堆料库, 运输皮带全长4.2 km, 输送能力为100 t/h, 带速为1.25 m/s, 系统驱动装置采用同轴两台132 k W电机滚筒驱动加1台132 k W电机控制, 采用机尾重载张紧。原系统通过液力偶合器驱动控制, 设备维护工作量大, 自动化程度落后, 决定采用变频技术进行改造。现场电动机布置驱动方式见图1。
3 变频系统技术方案
3.1 采用变频技术改造需解决的问题
该厂采用变频改造需要考虑的问题是:必须确保3台电机的转矩平衡, 并且速度同步, 同时能够满足重载起动。
(1) 解决多台电机力矩及速度平衡问题。每一组电机内部力矩平衡是多电机驱动需解决的最主要的问题, 负载变化、电机参数及皮带松紧等因素, 都会对电机的速度和出力产生扰动性影响。为了使系统稳定地工作, 几台电机必须保持一致的速度, 同时尽可能保持均匀的出力。
(2) 皮带重载启动问题。在皮带工作过程中, 可能会因各种原因致使皮带突然停车, 这时皮带上就会有很重的负载, 如果这时启动皮带, 就会使电机的出力超出正常出力, 因此必须做到低速、缓慢地启动, 降低加速度, 以便不使皮带打滑或撕裂。
3.2 解决措施
(1) 针对长距离胶带输送机刚性与柔性相结合的特点, 通过对不同方案进行论证, 采用矢量控制的变频器是最合适的。
矢量控制是通过电磁矢量对电机进行控制, 以达到高调速精度、高力矩、高响应速度的目的。矢量控制现在已非常成熟, 在实际使用中, 可分为“带速度传感器矢量控制”和“无速度传感器矢量控制”。尤其是无速度传感器矢量控制技术, 在很多工业控制场合均得到了应用。
在该项目中, 由于是大力矩重载启动, 需要很好的控制技术来实现。而其他的控制技术必须通过有速度传感器的速度闭环来控制, 否则就会出现低速脉动转矩, 使皮带出现振颤现象, 会降低启动力矩。而皮带的工作环境相对较差, 增加速度码盘就增加了一个故障点, 致使系统的可靠性下降。无速度传感器矢量控制技术恰好适合于该应用场合, 既可以解决重载启动问题, 又可使系统更简化, 减少故障点, 提高可靠性, 使整个系统因为故障停运的时间大大减少。所以, 矢量控制技术是皮带传动的最佳技术方案。
(2) 力矩平衡控制方式。多台变频器驱动电机控制皮带的情况, 通常采用“主-从”控制方式来实现力矩及速度平衡。其中1台变频器作为主传动, 采用闭环速度控制模式;其余变频器接收主变频器的力矩信号, 采用闭环力矩控制方式 (见图2) , PLC与各主从驱动间采用PROFIBUS-DP实现通讯。
3.3 控制方式
(1) 就地控制。在就地控制方式下, 通过操作台上的起动按钮控制, 可控制现场皮带起、停及3台电机的力矩和功率平衡, 实现皮带机的连锁起停控制功能, 沿线皮带保护均可投入。
(2) 自动方式。在自动工作方式下, 整个系统的控制权交给了前级或地面总控室, 由前级或地面总控室发出指令, 完成皮带系统的起停控制, 自动实现皮带机的力矩及功率的平衡, 整个系统保护均投入工作。
(3) 检修方式。在检修方式下, 皮带机进入低速验带的工作方式, 速度<0.2 m/s, 以便于检修人员认真检查, 同时, 各种保护可选择性地投入运行。
(4) 手动方式。当系统发生故障时, 皮带可单台进行手动控制, 沿线保护不参与工作, 只保留停车保护。
4 改造效果
变频器在水泥厂带式输送机控制系统中的应用, 既解决了原有系统存在的问题, 同时在节能等方面也体现出极大的优势。
(1) 实现了带式输送机系统的软起动, 减少了设备投资与维护量。变频器的起动时间可以根据现场工况调整, 皮带机起动时间通常在60～200 s内设定, 延长皮带机的起动时间后, 电机慢速起动。皮带随着电机运行速度的提高, 皮带逐步张紧, 避免了皮带撕裂, 因而可降低对皮带的要求, 节约了设备投资。另外, 在正常维护下, 变频器工作寿命很长, 这也大大降低了设备的维护量。
(2) 实现了多个电机拖动皮带时的速度与功率的匹配。在变频控制中, 变频器采用“主-从”控制模式, 实现了各个电机的功率平衡。负载较轻时, 两台电机电流相差4 A, 额定负荷时大约相差2 A。
(3) 系统的功率因数提高。在电机选型时, 通常情况下是按照满载工作的情况确定, 余量较大, 而实际上电机往往达不到满载负荷工作。根据电机的运行特点, 工作在额定负载时效率最高, 而当负载轻时, 励磁电流的无功分量形成旋转磁场, 拖动负载的有功分量很小, 导致功率因数较低。采用变频器驱动电机的功率因数可达0.9以上, 降低了无功功率。
(4) 系统的效率提高。采用变频器驱动之后, 电机与减速器之间是通过齿轮硬连接, 中间减少了利用液力偶合的缓冲环节。液力偶合器是通过高速液体进入涡轮后产生的推动力传递能量, 由于液体的传动效率低, 改用变频器驱动控制减速器的传递效率比液力偶合器驱动可提高10%以上。
此外, 水泥生产企业一般距离供电公司较远, 电压波动幅度较大, 通过变频器交直整流回路可稳定电压, 也能起到一定的节能作用。
5 结语
1 施工升降机存在的问题
某单位于2011年购买的某厂生产的施工升降机, 安装使用后, 开机往上或者停止之前都是瞬间“哐啷”一声, 并伴随箱体剧烈晃动, 箱体内作业工人安全堪忧。
升降机运行不到1年, 就出现了一系列问题:减速箱漏油、齿条螺栓松动断裂、磨损严重等, 从而增加了维护成本, 缩短了使用寿命。
施工升降机的运行非常频繁, 漏电跳闸时有发生, 影响施工进度。
2 原因分析
施工升降机在导轨架上做直线运动。工作时, 电路是硬性起动直接运行。此时, 动力传递过程是:电机通电旋转—减速箱—齿轮齿条—连接销轴, 然后直接把箱体从静止瞬间带入工作状态。由于各个连接都是机械连接, 在起步瞬间形成机械碰撞, 产生了前文提到的响声和晃动。
施工升降机运行中人工操作定位不准, 在停止时需反复多次操作。因此升降机的启动频繁, 高峰期可高达200次/h以上。在如此频繁的频率下, 进口接触器使用寿命是半年, 普通国产接触器的使用寿命的是3个月。同样原因造成减速磨损漏油, 齿条螺栓松动断裂等情况。
施工升降机的动力源于3个电机同时牵引, 每台电机都带刹车片, 在运行一段时间后磨损程度不一。因此, 在中途停止时各个电机受力不一, 当再次启动运行时3个电机受力不均, 所以导致时不时跳闸。
3 改进措施
综合上述原因, 就是施工升降机的电路不够合理, 为了解决上述问题, 进行如下改造。
1) 原施工升降机采用3套动力并联驱动, 电机型号是YZEJ-A132M-4P起重用盘式制动三相电动机, 蜗杆涡轮变速1∶16, 采用三机构是为了使施工升降机在工况复杂的情况下有足够的力矩。通过在某厂实践证明:采用2台同型号电机, 蜗杆涡轮变速1∶18的两机构硬性启动运行, 成功完成满载实验, 因此只需采用两机构就可以满足施工升降机的工况需求。1台电机功率为12k W, 以施工要求1天工作10h计算:12k W×10h×30天×11个月=39 600k Wh, 按2元/k Wh (工程用电) 就是79 200元。因此减少1台电机节约近8万元电费。
2) 在减少1台电机的情况下采用变频器软启动的方法, 从而减少辅助继电器的数量及要求, 电压低电流小, 故障少, 维修简便, 成本降低。其全部价格在1 000元以下, 电气元件采用择旧加新 (表1) 。
变频器选用起重专用型号EM330A/B30KW, 2台电机并联同时被驱动同步动作, 变频器简图如图1所示, 参数调整见表2。
a) 对电机 (无须特定) 设定参数自辨识, 也可以把拖动的电机的参数输给变频器F1-00------F1-14, 这样可以不用更换电机, 设置F4-28=9施工升降机专用。
b) 如果需要一拖多, 调F0-02=2或XI=20。
c) 加速时间F0-09, 4减速时间F0-10。
4 总结
改造后的施工升降机经过实践运用, 获得成功。解决了电机启动对电源的冲击, 消除了起步和停止的晃动, 减小了定位的难度, 减少了故障和各个部件的损坏, 节约了维修和更换零部件的资金, 降低了用电量。提高了安全性能, 也得到了各个部门的认可。
随着社会的进步, 科技的发展, 施工规范的管理, 对施工升降机的要求越来越高。未来对其电路的改进空间很大, 可以采用PLC或微机处理驱动准确计算定位运送人员物料到达目的地, 由于现在各工程场地规划和施工现场局限及各种原因, 目前并没有达到完全智能化的要求, 相信在不久的将来会有更安全平稳快速的技术应用, 给此类工程带来安全和省时、省力、又经济的运输工具。
1 改造思路
基本思路是取消控制器, 直接用变频器来调整皮带速度, 达到控制喂料的效果。改造的关键是下料口要有稳定的下料速度。公司的原煤进厂水分控制在4%左右, 原煤经过预均化和原煤仓之后流动性较好, 基本不存在下料口堵料和卡料现象, 皮带上的物料负荷基本恒定, 具备改造条件。
2 改造过程
1) 秤体不变, 而且由于直接采用变频器控制, 不用再考虑皮重变化影响计量精度问题, 因此可以增加挡皮高度, 使秤体上不再出现撒料现象。
2) 完全切除控制器, 把控制部分直接挪到变频器上, 由原来的中控启动控制器, 变为中控直接启动变频器。具体的线路改造根据原来的控制回路稍作修改, 中控需要的备妥、运行和故障等信号直接从变频器输出。
变频器模拟给定信号由原来的电压信号改成电流信号;增加一个电压转换电流的信号隔离器, 实现中控和现场通过给定切换中继均能调速的效果。中控反馈量程采用变频器的频率输出, 中控程序增加一个CT_ANA模拟输入累积模块 (输入流量反馈信号即变频器频率输出信号, 直接输出累积值) , 用于替换原来的吨脉冲信号, 实现累积功能。
3) 根据以往的巡检记录, 正常时台时产量一般在30t/h左右, 可根据磨机温度和压力对台时产量做适当调整。当给定30t/h时, 秤的驱动电动机频率为17.6~17.7Hz, 把台时产量折合成电动机频率, 换算出电动机额定转速时喂料秤的实际台时产量能达到85t/h, 因此, 把中控的给定量程改成85t/h。
4) 增加一个正对着皮带的摄像头, 方便中控操作员实时监控皮带上的物料状态。
3 效果
改造完成后, 给料机运行正常, 喂料速度非常稳定。利用100t容量的原煤仓满仓时以给定30t/h流量下料, 来检验给料机给料速度, 给料机反馈的下料量与煤仓下料量数据见表1。第一次误差较大的原因主要是原煤仓下料后的剩余吨数太少, 而且仓重传感器不准。校正传感器后, 重新校验 (仓内剩余20t) , 给料机的下料量与原煤仓下料量数据接近, 说明直接用变频器来控制定量给料机是可行的。
