高壓變頻典型應用實例

         　　旋窯是一個有一定斜度的圓筒狀物，預熱機來的料從窯尾進進到窯中，借助窯的轉動來促進料在旋窯內攪拌，使料互相混合、接觸進行反應，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內向前運動。窯內燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進進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進廢氣處理（除塵及排出）。
　　
　　葛州壩水泥廠的3#、5#窯，日產(chǎn)分別為2000t、2500t，到現(xiàn)在運行已近多年。生產(chǎn)線原配置的余熱發(fā)電機組，由于發(fā)電本錢較高，現(xiàn)已停產(chǎn)。
　　
　　日產(chǎn)2500t的5#窯生產(chǎn)線，高溫風機電機配置為6kV1600kW，窯尾EP風機配置為6kV280kW。日產(chǎn)2000t的3#窯生產(chǎn)線，高溫風機電機配置為6kV1400kW，窯尾EP風機配置為6kV260kW。在高溫風機的電機與風機之間，配有液力耦合器對風機進行調速，整個工藝過程主要是通過DCS的控制來調節(jié)液力耦合器的速度從而調整風機的風量，達到控制窯內負壓。窯尾EP風機依靠風門來進行調節(jié)。
　　
　　由于使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴重，運行中天天需加油2～3次，以補充漏油，油面調整的控制回路失靈不能自動調節(jié)，在運行中靠手動調節(jié)置于固定轉速比。在運行是時仍靠風機擋板進行風量調節(jié)，當窯系統(tǒng)工況變化較大時，現(xiàn)場值班職員根據(jù)中控制室的指令對液力耦合器的勺桿進行手動調節(jié)，運行操縱非常不便。
　　
　　前段時間，水泥廠預備對兩條生產(chǎn)線進行提產(chǎn)，但由于高溫風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)線的高溫風機及窯頭號EP風機進行了變頻調速改造，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，而高溫風機變頻調節(jié)的耗電量還稍少于原液力耦合器調節(jié)的耗電量。
　　
四、高溫風機變頻改造方案
　　
　　經(jīng)過對原系統(tǒng)進行分析，對原系統(tǒng)的風壓控制由原來的液力耦合器調節(jié)改為變頻器調節(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速，最后達到調整窯尾預熱器（高溫風機進口）的壓力為工況要求值。
　　
　　變頻器設備接進用戶側高壓開關和擬改造電機之間，如圖2所示，變頻器控制接進原有的DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)來完成正常操縱。

圖2 變頻器連接圖

         　　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，這時風機轉速會升高，風壓會發(fā)生很大變化，影響窯內物料的煅燒質量，故此時應及時在DCS上對高溫風機的風門進行及時調節(jié)，降低風機輸出風量至工況要求值。
　　
　　變頻器及其工頻旁路開關由變頻器整體配套提供。電機、高壓斷路保存了用戶原有設備。
　　
　　根據(jù)水泥廠提供的負載參數(shù)及運行工況，我公司為3#窯尾高溫風機配置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，旁路開關柜容量400A。為5#窯尾高溫風機配置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，旁路開關柜容量400A。
　　
五、改造過程簡述
　　
　　由于原電機控制為液力耦合器調速，為了安裝變頻器，必須重新設計變頻器專用房。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，動力電纜敷設方便。
　　
　　由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強迫風冷，設備內空氣流通量較大，為保障變頻器盡量少受外界灰塵的影響，在房間透風設計上，設計了兩扇大面積專用進風窗，房間不另設其它窗口，基本上是密閉設計。透風窗采用專用過濾棉濾網(wǎng)，這樣使進進變頻器室內的空氣經(jīng)過透風窗濾灰，進進變頻器室內的灰塵大大減小。
　　
　　由于本變頻器功率較大，為保證足夠的透風冷卻效果，在變壓器柜頂和功率柜頂分別獨立安裝了一整體風罩，與各自的出風口連成整體，保證變頻器整體冷卻透風要求。
　　
　　為減小安裝本錢，動力電纜保存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、軸與電機及風機側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)場僅作少量調整即可達到安裝要求，而不用對風機及電機作任何調整，安裝方便快捷。
　　
六、變頻改造節(jié)能情況
　　
　　變頻改造前后，我們對相應的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)分析整理如下。
　　
　　5#窯風機改造前后對比表

      ,水簾風機;  

         3#窯風機改造前后對比表

         　　注：上述數(shù)據(jù)為改造后窯系統(tǒng)產(chǎn)量增加的條件下風機耗電對比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量進步，風機耗電量下降未幾，從上兩表中可計算出各風機相應的節(jié)電功率。
　　
　　5#窯高溫風機節(jié)電功率： 1550－1500＝50（kW）
　　
　　5#窯窯尾EP風機節(jié)電功率： 154－100＝54（kW）
　　
　　3#窯高溫風機節(jié)電功率： 1260－1200＝60（kW）
　　
　　3#窯窯尾EP風機節(jié)電功率： 138－70＝68（kW）
　　
　　根據(jù)我們在設備調試和開窯過程中記錄的數(shù)據(jù)，5#窯在2500t的產(chǎn)量下，高溫風機6kV側電流為約136A，耗電功率約為1360kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約190kW。3#窯在2000t的產(chǎn)量下，高溫風機6kV側電流為約106A，耗電功率約為1060kW，比改造前同產(chǎn)量耗電功率下降約200kW。按年運行7000小時計算，可推算出兩臺高溫風機的節(jié)電量及節(jié)電效益。
　　
　　5#窯高溫風機：
　　
　　節(jié)電功率：1550－1360＝190（kW）
　　
　　年節(jié)電量：190kW×7000小時＝133萬kWh
　　
　　年節(jié)電效益：133萬kWh×0.5元/kWh＝66萬元
　　
　　3#窯高溫風機：
　　
　　節(jié)電功率：1260－100＝200（kW）
　　
　　年節(jié)電量：200kW×7000小時＝140萬kWh
　　
　　年節(jié)電效益：140萬kWh×0.5元/kWh＝70萬元
　　
　　此為估算節(jié)電值。變頻改造的另一大收益為進步了窯系統(tǒng)的產(chǎn)量近1.2倍，由此而產(chǎn)生的增產(chǎn)效益是非常大的。
　　
七、變頻改造總結
　　
　　根據(jù)我公司對水泥廠高溫風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結變頻器改造有以下優(yōu)點。
　　
　　安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插進安裝變頻器，對原有接線改動不大。
　　
　　操縱使用方便，變頻器操縱只有簡單的開機、停機和頻率調整。
　　
　　能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。
　　
　　保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩(wěn)，啟動電流小，可靠性高。
　　
　　電動機不需長期高速運行，工作電流大幅度下降，節(jié)電效果明顯。
　　
　　由于變頻器取代了液耦調速，消除了機械及液壓高故障率的缺陷，設備維護用度降低。
　　
　　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。
　　
　　交流變頻調速器，以適用性強、可靠性高、操縱使用方便等性能，受到用戶的歡迎。它應用在調速、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四臺電機進行了成功的改造，其節(jié)能效果明顯，且同時進步了整個系統(tǒng)的工藝性能，得到用戶的好評，并在當?shù)厮�泥行業(yè)中產(chǎn)生了很大的影響。
　　
八、結語

         　　目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關鍵還是制造本錢的競爭，而電動機電耗就占本錢近30％，而拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調速器目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設備，具有很高的推廣價值。

　　一、序言
　　
　　鍋爐風機是發(fā)電廠重要能耗設備,風機額定轉速時的風量通常超過實際所需風量,調節(jié)風量大小以往的做法是調節(jié)擋風板開度來實現(xiàn)的,此方法實際上是通過人為增加阻力的辦法達到調節(jié)的目的,浪費大量電能,回收這部分電能損耗會收到很大的節(jié)能效果。利用變頻器的調速功能,應用到風機上能夠節(jié)約大量電能,當風量減少時采用變頻調速方式降低風機轉速,減少電機輸入功率,從而降低能耗。

　　交流異步電機轉速與電源的頻率f成正比(n轉速=(1-S轉差率)×60×f頻率/p極對數(shù)),改變定子供電頻率就改變了電動機的轉速,從而改變了電動機的輸入功率。變頻調速裝置是將電網(wǎng)50Hz的交流電,變成頻率可調的交流電去驅動交流電動機實現(xiàn)調速的。其特點是效率高,沒有因調速帶來的附加轉差損耗,調速的范圍大、精度高、無級調速,大量節(jié)約電能,以及其能方便實現(xiàn)與自動化控制系統(tǒng)(如DCS系統(tǒng)等)間的通訊,使其在各領域得到廣泛的應用。
　　
　　二、變頻器調速系統(tǒng)在鍋爐風機電機上的應用
　　
　　我公司#7鍋爐共有4臺風機,安裝了3臺北京利德華福電氣技術有限公司生產(chǎn)的HARSVERT-A06系列變頻器。本變頻調速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。

　　原電動機電源直接作為變頻器輸入電源,再通過變頻器輸出連接到電機。為充分保證系統(tǒng)的可靠性,變頻器同時加裝了工頻旁路裝置,變頻器異常時退出運行,電機由變頻切換到工頻狀態(tài)運行。旁路由3個高壓隔離開關QS1、QS2和QS3組成。在變頻運行時,QS1和QS2合閘,QS3斷開。工頻運行時,QS3合閘,QS1和QS2斷開。QS2和QS3為機械互鎖不能同時合閘。

　　變頻調速控制系統(tǒng)接入DCS系統(tǒng),可在DCS系統(tǒng)中對電動機啟、停、轉速調整控制。裝置還提供報警指示、故障指示、待機狀態(tài)、運行狀態(tài)、旁路狀態(tài)、高壓合閘允許、高壓緊急分斷等保護信息以及轉速給定值和風機實際轉速值等必要指示,方便操作人員進行操作控制。

　　安裝后,進行了一系列的動態(tài)試驗,如變頻器50Hz滿載運行試驗、電機風機系統(tǒng)臨界振動實驗、母線電壓波動試驗、連續(xù)快速增減負荷試驗等,均達到要求,設備運行至今一切正常。
　　

　　改造以前,3臺風機工頻電流在150A左右,通過改造后,在相同負荷情況下,風機變頻運行下電流在95A左右,減少55A,節(jié)約36.6%,年節(jié)約能力270(年運行天數(shù))×24(小時)×(1000+710+450)(電機總功率)×0.366=512.3萬kWh,考慮裝置自耗電及室內冷卻空調用電8.4萬kWh,總體節(jié)能503.9萬kWh,節(jié)電率達到36%,節(jié)約金額201.56萬元,經(jīng)濟效益相當顯著,即用不到2年的時間就可以收回總投資費用。

　　(二)改善設備啟動特性,延長設備的使用壽命,提高設備運行可靠性

　　電動機直接起動所產(chǎn)生的電流沖擊和轉矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)帶來不利影響,故對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟起動方案。以往常用降壓起動,但在降壓起動過程中,因沒有改變電源頻率,過大的轉差率的存在,也不可避免地會出現(xiàn)較大的過電流。對于重載起動的設備,當采用變頻按電壓/頻率比例控制方法軟起動的方案,即用變頻器帶動電機從零速開始起動,逐漸升壓升速,直至達到其額定轉速,則不會產(chǎn)生過電流,并且可提供等于額定轉矩的起動力矩,從而改善啟動特性。本變頻調速系統(tǒng)輸入側為移相變壓器提供的42整流脈沖,多級移相疊加整流可以大大改善電網(wǎng)側的電流波形,使其負載下的網(wǎng)側功率因數(shù)接近1,提高了設備使用率。輸出側對每個單元的PWM波形進行重組,可得到正弦度較好的波形,減少對電纜和電機的絕緣損壞,無須輸出濾波器就可以使輸出電纜很長,電機不需要降額使用,可直接用于舊設備的改造,同時電機諧波損耗大大減小,消除了由此引起的機械振動,減小了軸承和葉片的機械應力。延長了設備使用壽命,減少故障率,也就提高了運行可靠性。