目前水泥廠生產(chǎn)線一般均為干法懸窯，其窯燒成系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。

圖1  窯燒成系統(tǒng)流程簡圖

旋窯是一個(gè)有一定斜度的圓筒狀物，預(yù)熱機(jī)來的料從窯尾進(jìn)入到窯中，借助窯的轉(zhuǎn)動(dòng)來促進(jìn)料在旋窯內(nèi)攪拌，使料互相混合、接觸進(jìn)行反應(yīng)，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉(zhuǎn)動(dòng)在窯內(nèi)向前運(yùn)動(dòng)。窯內(nèi)燃燒產(chǎn)生的余熱廢氣，在窯尾高溫風(fēng)機(jī)的作用下，通過預(yù)熱器對(duì)進(jìn)入窯尾前的生料進(jìn)行預(yù)熱均化，降溫后的余熱廢氣再通過高溫風(fēng)機(jī)抽出進(jìn)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(shí)間進(jìn)行充分燃燒，生料才能在窯內(nèi)達(dá)到很好的熱處理。窯內(nèi)因物料的堆積變化很大，所以瞬時(shí)氣壓變化頻繁。窯尾高溫風(fēng)機(jī)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(jī)引出由電收塵器將灰塵進(jìn)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(yùn)行6～10年，并擁有一臺(tái)12MW中、低溫余熱發(fā)電機(jī)組，由于發(fā)電成本較高，余熱發(fā)電現(xiàn)已停運(yùn)。

日產(chǎn)2500t的窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV1600kW，日產(chǎn)2000t的窯生產(chǎn)線，高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)配置為6kV1400kW。在高溫風(fēng)機(jī)的電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間，配有液力耦合器對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，整個(gè)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(jī)的風(fēng)量，達(dá)到控制窯內(nèi)負(fù)壓。

由于設(shè)備使用年限較長，目前液力耦合器漏油嚴(yán)重，運(yùn)行中每天需加油2～3次，以補(bǔ)充漏油，油面調(diào)整的控制回路失靈不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，在運(yùn)行中靠手動(dòng)調(diào)節(jié)置于固定轉(zhuǎn)速比。在運(yùn)行是時(shí)仍靠風(fēng)機(jī)擋板進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，當(dāng)窯系統(tǒng)工況變化較大時(shí)，現(xiàn)場值班人員根據(jù)中控制室的指令對(duì)液力耦合器的勺桿進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行操作非常不便。

2005年，水泥廠準(zhǔn)備對(duì)于2000t、2500t的兩條生產(chǎn)線進(jìn)行提產(chǎn)，但由于高溫風(fēng)機(jī)中液力耦合器漏油嚴(yán)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(shí)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(jī)及窯頭號(hào)EP風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速改造，目前運(yùn)行情況良好，2000t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達(dá)2300t，2500t的生產(chǎn)線的產(chǎn)量目前達(dá)2900t，而高溫風(fēng)機(jī)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。

經(jīng)過對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)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(jī)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(duì)電機(jī)本身進(jìn)行調(diào)速，比較后達(dá)到調(diào)整窯尾預(yù)熱器（高溫風(fēng)機(jī)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(jī)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。

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(shí)加裝工頻旁路裝置，可在變頻回路故障時(shí)將電機(jī)切換至工頻狀態(tài)下運(yùn)行，且切換方式為自動(dòng)切換。變頻器故障時(shí)，電機(jī)自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行，這時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)升高，風(fēng)壓會(huì)發(fā)生很大變化，影響窯內(nèi)物料的煅燒質(zhì)量，故此時(shí)應(yīng)及時(shí)在DCS上對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的風(fēng)門進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，降低風(fēng)機(jī)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(jī)、高壓斷路保留了用戶原有設(shè)備。

根據(jù)水泥廠提供的負(fù)載參數(shù)及運(yùn)行工況，我公司為2000t的窯尾高溫風(fēng)機(jī)配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號(hào)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(jī)配置SH-HVF系列高壓變頻器，其主要參數(shù)為：變頻器型號(hào)SH-HVF-Y6K/2000，隔離變壓器容量2000KVA，旁路開關(guān)柜容量400A。

由于原電機(jī)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(jì)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(dòng)力電纜敷設(shè)方便。

由于現(xiàn)場灰塵較大，而變頻器為強(qiáng)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(jì)上，設(shè)計(jì)了大面積專用進(jìn)風(fēng)窗，房間不另設(shè)其它窗口，基本上是密閉設(shè)計(jì)。通風(fēng)窗采用專用過濾棉濾網(wǎng)，這樣使進(jìn)入變頻器室內(nèi)的空氣經(jīng)過通風(fēng)窗濾灰，進(jìn)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(dú)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(dòng)力電纜保留了原高壓柜至電機(jī)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(dòng)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(jì)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(jī)及風(fēng)機(jī)側(cè)的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時(shí)，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(dá)到安裝要求，而不用對(duì)風(fēng)機(jī)及電機(jī)作任何調(diào)整，安裝方便快捷。

水泥廠原高溫風(fēng)機(jī)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(jìn)行風(fēng)機(jī)調(diào)整時(shí)的典型耗能曲線，表1為液耦與變頻調(diào)速的耗電特性對(duì)比。現(xiàn)根據(jù)曲線及對(duì)比表對(duì)液力耦合器改為變頻器調(diào)速的耗能情況進(jìn)行對(duì)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(jī)功率

Nf：負(fù)載功率

圖3液力偶合器的功率損失圖

表1  液耦與變頻調(diào)速的耗電特性

變頻運(yùn)行時(shí)高溫風(fēng)機(jī)風(fēng)量按85%計(jì)算，從表中查得對(duì)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

水泥廠高溫風(fēng)要變頻改造前后，我們對(duì)相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析整理如下。

表2  2500t窯高溫風(fēng)機(jī)改造前后對(duì)比表

 

表3  2000t窯高溫風(fēng)機(jī)改造前后對(duì)比表

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(jī)耗電對(duì)比，由于現(xiàn)在產(chǎn)量提高，改造后比改造前風(fēng)機(jī)耗電量下降不多，從上兩表中可計(jì)算出各風(fēng)機(jī)相應(yīng)的節(jié)電功率。

2500t窯高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電功率：      1550－1500＝50（kW）

2500t窯窯尾EP風(fēng)機(jī)節(jié)電功率：   154－100＝54（kW）

2000t窯高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電功率：      1260－1200＝60（kW）

2000t窯窯尾EP風(fēng)機(jī)節(jié)電功率：   138－70＝68（kW）

根據(jù)我們?cè)谠O(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(jī)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(jī)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(tái)高溫風(fēng)機(jī)在額定產(chǎn)量下的節(jié)電量。

2500t窯高溫風(fēng)機(jī)節(jié)電功率：1550－1360＝190（kW）

2000t窯高溫風(fēng)機(jī)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(dá)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(jī)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(duì)環(huán)境要求較高，而生產(chǎn)現(xiàn)場時(shí)常無人且環(huán)境較差，對(duì)變頻設(shè)備運(yùn)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(qiáng)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(shí)，必須加強(qiáng)防塵設(shè)計(jì)和維護(hù)，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(jī)，灰塵和金屬物易于由此進(jìn)入裝置內(nèi)部，應(yīng)采取防護(hù)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(dòng)力線相距一定距離，相交時(shí)必須轉(zhuǎn)90°角，千萬不要將控制線與動(dòng)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(hào)受到干擾。變頻器負(fù)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(duì)附近儀表產(chǎn)生干擾。

在變頻器接線時(shí)要特別注意電源的輸入線和輸出線絕不能接錯(cuò)，將電源輸入線接上變頻器輸出位置，會(huì)立刻損壞設(shè)備。

通常變頻器連接到電機(jī)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(jī)之間的距離問題，在水泥廠中一般會(huì)碰到超過規(guī)定距離的情況，因此在變頻器的房屋設(shè)計(jì)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(jī)間有一定的距離，因此，變頻器接入DCS系統(tǒng)時(shí)，一般通過現(xiàn)地工作站進(jìn)行轉(zhuǎn)接，在控制電纜接入時(shí)需注意抗干擾處理。

根據(jù)我公司對(duì)水泥廠高溫風(fēng)機(jī)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(diǎn)。

(1)安裝簡單，即將原高壓開關(guān)柜與電動(dòng)機(jī)之間插入安裝變頻器，對(duì)原有接線改動(dòng)不大。

(2)操作使用方便，變頻器操作只有簡單的開機(jī)、停機(jī)和頻率調(diào)整。

(3)能進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍廣，且調(diào)速精度高，適用性強(qiáng)。

(4)保護(hù)功能完善，故障率低，排風(fēng)機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流小，可靠性高。

(5)電動(dòng)機(jī)不需長期高速運(yùn)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(jī)械及液壓高故障率的缺陷，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用降低。

(7)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行振動(dòng)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(qiáng)、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(dòng)方面，對(duì)企業(yè)有很大的實(shí)用價(jià)值。我公司高壓變頻器在該水泥廠對(duì)兩條生產(chǎn)線的四臺(tái)電機(jī)進(jìn)行了成功的改造，不僅節(jié)能效果明顯，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工藝性能，同時(shí)也使兩條生產(chǎn)線大大提高了產(chǎn)量，得到用戶的好評(píng)，并在當(dāng)?shù)厮嘈袠I(yè)中產(chǎn)生了很大的影響。

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(dòng)機(jī)電耗就占成本近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，因此做好電動(dòng)機(jī)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(jià)值