變頻器在水泥廠中的應用
發布時間：2019-08-02 16:22:14來源：
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隨著節能法的頒布與實施，節能作為企業增效降耗、降低經營成本的重要手段，已普遍被人們所認識和接受，在利國利民的同時，也有利于樹立企業社會形象，提高設備自動化水平。
根據水泥制造工藝要求，結合水泥廠所使用的生產設備，我們得到如下結論：大部分水泥廠的一些設備尤其是大功率設備在生產過程中絕大部分時間都不是滿負荷,設備運行的自動化程度相當低,幾乎完全靠人工調節,如立窯供風系統、成球預加水系統、生料均化給料系統、水泥選粉系統、機立窯卸料系統等。
我司是多年從事變頻節能技術研究、開發與應用的專業公司，結合曾經成功為多家企業進行節能改造項目的實踐經驗，開發出比較成熟的水泥廠七大生產系統變頻調速控制的改造方案。此方案的優點明顯，1、投資少；2、安裝、調試及控制方便；3、及時保護電機和其他設備，保證設備可靠運行；4、節電效果明顯，回收成本快；5、提高了生產過程的自動化程度；6、提高了生產過程的加工工藝精度。從總體的效果來看，改造后的實際系統在水泥制造行業深受客戶的普遍歡迎。為其取得了顯著的經濟效益和良好的社會效應。
1、變頻器在立窯羅茨風機上的應用經驗
在水泥廠的立窯風機上，一般都是采用擋風板進行調節，其原理是調節閥門的開度，亦即利用風道的阻力特性調節風量，其缺點是：風機始終在全速運轉，無法根據需求準確地調節其風量，因此造成風量的跑、冒、漏嚴重，也使電機作為無用功而大量白白地消耗。
在水泥廠的立窯風機上，一般都是采用擋風板進行調節，其原理是調節閥門的開度，亦即利用風道的阻力特性調節風量，其缺點是：風機始終在全速運轉，無法根據需求準確地調節其風量，因此造成風量的跑、冒、漏嚴重，也使電機作為無用功而大量白白地消耗。
立窯煅燒熟料所耗的電能中，羅茨鼓風機的電耗一般占 60% 左右，隨著電價的調整，電費在水泥生產成本中所占的比例越來越高。因此，降低鼓風機的能耗成為提高企業經濟效益的重要一環。
一、節能原理簡介：
1、變頻節能功能
通常在設計中，用戶風機設計風量比實際需要的高出很多，這樣容易形成了人們常說的“大馬拉小車”的現象，造成電能的浪費，而且無計可施，利用變頻器可以通過適當降低風機電機的運行頻率，恰到好處地滿足風量的需求，從而輕易地將此部分電能節約下來。
2、動態功率補償功能
無功功率不但增加線損和設備的發熱，更主要的是功率因數的降低，降低了電網的有功功率，S2=P2+Q2，當COSФ≈1 時，Q=S×sinФ≈0,此時有功功率P≈S。變頻器的動態功率因數補償功能可使無功功率近似為0，從而增大電網的有功功率，減少了無功損耗。另外，功率因數的改善還可節省很大一部分電網容量，直觀的體現在風機電機溫升降低、噪音降低，供電發電機機組溫升降低、噪音降低、耗油量大幅度降低，大大地延長設備維修周期及使用壽命。
二、設備參數：
某廠有立窯羅茨風機185KW一臺，比較大運行電流200A，比較小運行電流160A,額定電流為355A,頻率50HZ，用風板調節風量比較大調節60%,每天運行24 小時,每月運行20 天,每年需運行11個月,電費0.58 元/度。
三、改造方案：
| VVVF |
| MOTOR |
1K/2W
用變頻器帶動風機電動機傳動，對風機實現無級調速，放棄傳統的擋風板，既降低電機轉速，又達到節能目的。
四、投資分析
投資回收分析：
對風機、泵類負載
P（功率）=Q（流量）×H（揚程）
當電機轉速從n 降至n’時，流量Q、揚程H 及軸功率P 的關系如下：
Q’=Q（n/n）
H’=H（n/n）2
P’= P（n/n）3
顯然，當電機轉速下降時，流量按線性關系變化，而電功率卻按立方,根據我司長期的經驗，我們認為該廠風機系統節能在30%以上是完全可能和可行的。即單臺185KW 風機系統按每年運行11 個月，每月20天，每天24 小時計算，每度電按0.58元計費，每年電費為：P= ×11×20×24×0.58=321552，按節電30%計算，每年節約電費為：321552×0.3=96465.6 元.工程改造費用需9.35 萬元.即12 個月左右即可收回全部投資。
五、系統特點：
1、由于采用電位器控制，因此可靠性高，穩定性好，容易操作。
2、由于加裝變頻調速器，減小啟動時啟動電流對電機沖擊，延長機械使用壽命，減小維修工作強度。
3、提高了電網功率因數，避免增加電網增容費。
2 、在離心風機上的應用
有某些水泥廠是采用高壓離心式風機進行供風的，該種水泥窯的風量調節是通過風門開啟度對風量進行調節。對于離心式風機、水泵的變頻調速改造同樣有巨大的節能潛力。我們通過沸騰式鍋爐高壓離心式風機應用變頻調速的方法調節風量，實踐證明其節能效果在３０～５０％。對于水泵的變頻改造節能效果高達７０％。為什么離心式風機，泵類設備通過調速調節風量或流量有如此驚人的節能呢？在此將其原理加以闡明。離心式風機、泵類設備的流量與轉速成正比，如公式（３－１）壓力與轉速平方成正比，如公式（３－２）功率與轉速的立方成正比，如公式（３－３）
| 風量關系 |
| 功率關系 |
| Q,H,P |
| 壓力關系 |
| (圖3-1) |
Ｐ：表示功率
將經上３個公式繪成一張圖，如圖３－１可 壓力關系以清楚看到，改變轉速其流量線性變化的，而功耗則是立方關系變化，因此在調節風量或流量時如降低２０％的風量或流量，功耗(圖3-1)則會下降５０％。但是必須注意，轉速與壓力是平方關系，當轉速下降２０％壓力則會下降６４％，因此必須要注意工藝要求壓力范圍不能象羅茨風機那樣，不用考慮轉速與風壓的關系。
| N |
| 0 |
| p |
| 風門控制 |
流量關系：
| 變速控制 |
Ｑ：表示流量 Ｋ：為系數
| 0 |
| P |
| 圖3-2 |
由圖３－２比較風門或截流閥控制與變頻調速調節，可以看到在流量變化范圍，采用變頻調速的方法具有很大的節能潛力，因此在水泥廠的供水泵或其它離心風機上進行變頻器改造同樣會取得很大的節能效果。
3 在立窯卸料機上的應用
立窯卸料機若采用滑差調速電機，其轉速通常控制在 300~1000rpm （工藝上根據窯的情況，對卸料速度進行控制的）。采用變頻調速的方法取代滑差電機，經過多個廠家應用結果表明，平均節能達 40% 左右，這是因為滑差調速是一種耗能的低效調速方法。
由下列公式可知：
滑差電機主電機軸的輸出功率： P 0 = KM 0 N 0 （ P 0 表示輸出功率， M 0 表示負載轉速， N 0 表示電機轉速， K 為常數）
滑差頭輸出功率 P 1 = KM 0 N 1 （ P 1 表示輸出功率 ， N 1 表示滑差頭轉速 ）
滑差頭損耗功率： P = P 0- P 1= KM 0 （ N 0 — N 1 ）
由此可見，滑差電機的轉速越低，浪費能源越大，而卸料機的轉速通常在 400rpm 左右運行，因此改用變頻調速的方法會有 50~60% 的節能效果。
4 在空氣壓縮機上的節能應用
氣壓縮機恒壓供氣使用變頻器與壓力控制構成閉環控制系統，使壓力波動減少 1.5% ，降低噪音 、 減少振動。保證設備長期穩定運行，從而減少了設備維護工作量，延長了設備使用壽命。用變頻器后，空壓機可在任何壓力下隨意起動，打破了以前不允許帶壓起動的規定，起動電流也較以前大大降低。通過使用變頻器后的實例，多數壓縮機節電率約在 20% 左右，比節電率較大的風機低，但壓縮機的電動機功率都較大，從幾十瓦直到幾百瓦甚至幾千瓦，其節電量值較大，經濟效益十分顯著，同時控制平質大為提高，可使壓縮空氣的壓力始終保持恒定，用戶感到十分滿意。總之壓縮機使用變頻實現節能計改項目使值得推廣的。
3 在立窯卸料機上的應用
立窯卸料機若采用滑差調速電機，其轉速通常控制在 300~1000rpm （工藝上根據窯的情況，對卸料速度進行控制的）。采用變頻調速的方法取代滑差電機，經過多個廠家應用結果表明，平均節能達 40% 左右，這是因為滑差調速是一種耗能的低效調速方法。
由下列公式可知：
滑差電機主電機軸的輸出功率： P 0 = KM 0 N 0 （ P 0 表示輸出功率， M 0 表示負載轉速， N 0 表示電機轉速， K 為常數）
滑差頭輸出功率 P 1 = KM 0 N 1 （ P 1 表示輸出功率 ， N 1 表示滑差頭轉速 ）
滑差頭損耗功率： P = P 0- P 1= KM 0 （ N 0 — N 1 ）
由此可見，滑差電機的轉速越低，浪費能源越大，而卸料機的轉速通常在 400rpm 左右運行，因此改用變頻調速的方法會有 50~60% 的節能效果。
4 在空氣壓縮機上的節能應用
氣壓縮機恒壓供氣使用變頻器與壓力控制構成閉環控制系統，使壓力波動減少 1.5% ，降低噪音 、 減少振動。保證設備長期穩定運行，從而減少了設備維護工作量，延長了設備使用壽命。用變頻器后，空壓機可在任何壓力下隨意起動，打破了以前不允許帶壓起動的規定，起動電流也較以前大大降低。通過使用變頻器后的實例，多數壓縮機節電率約在 20% 左右，比節電率較大的風機低，但壓縮機的電動機功率都較大，從幾十瓦直到幾百瓦甚至幾千瓦，其節電量值較大，經濟效益十分顯著，同時控制平質大為提高，可使壓縮空氣的壓力始終保持恒定，用戶感到十分滿意。總之壓縮機使用變頻實現節能計改項目使值得推廣的。
5 在預加水成球系統中的應用
目前，預加水成球技術在立窯水泥廠中應用已相當普遍。它在提高成球質量，改善煅燒操作條件，提高立窯熟料產量和質量方面取得了比較明顯的效果。其結合微機雙回路調節器，就能實現水料比例自動跟蹤，自動調節，做到恒壓供水。調節及時，極大地減輕了工人的勞動強度，同時也改善了成球質量，使預加水系統真正起到預濕成球的作用，為立窯生產出優質高產的熟料創造了條件。
6 在選粉機上的應用
某水泥有限公司的旋風式選粉機，原設計由 JZT392-4 型 75KW 電磁調速異步電動機（滑差電機）拖動，其優點是調速系統簡單。價格低廉，有一定的調速范圍，缺點也較多：電機本體噪音高 、 振動大能 、 耗高 、 無功損耗大 、 軸承故障率特別高，滑差控制儀安裝于粉塵飛揚的電機旁邊，多次出現帶負荷起 動 ,不能調速和突然失速 等故障，現場維護量大，影響整個系統的安全運行。
針對上述問題，結合生料車間選粉機負荷轉速不超過 600r/min 的特點，對選粉機電氣部分進行變頻調速技術改造。經實際測量，選粉機改造前，運行速度在 594r/min 時，輸入電壓 385V ，輸入電流 72A ，功率因數 0.82 ，故輸入功率為 40KW ；改造后，運行速度在 594r/min 時，輸入電壓 387V ，輸入電流 18A ，（熱繼電器也做了相應調整），功率因數 0.92 （變頻器加裝了直接電抗器）則輸入功率為 11KW 。改造后一年中，沒發生過任何故障，保證了系統的安全運行，大大減少了維護工作量和維修費用，而且節能效果十分顯著。
變頻器在水泥廠的應用還不止這些，比如說回轉窯球磨機 、 卸料圓 、 盤給料機 、 雙管絞刀裙 、 板喂料機調速皮帶稱喂 、 煤絞刀 、 蓖冷機等一切需交流調速的設備都可以采用變頻調速器。
從以上應用情況可以看出，水泥廠使用變頻器有以下突出優點：
A ．滿足調速的工藝要求，變頻調速器的調速范圍在 10 ： 1 以上，而水泥生產工藝過程中調速范圍在 10 ： 1 范圍內即可滿足要求。
B ． 便于實現自動化控制，由于變頻器本身是由一個 16 （或 32 ）位微處理器所控制，設有 RS485 （或 422 ）， A/D 輸入， D/A 輸出接口，為自動控制（與上位機聯網）創造了充分的條件。
C ． 獲得可觀的節能效果。
D ． 降低工人的勞動強度，由于調速系統整體可靠性提高，故障率低，免維護周期較長，可減輕有關維護人員的工作量。
E ． 提高產品質量及產量。
從以上應用情況可以看出，水泥廠使用變頻器有以下突出優點：
A ．滿足調速的工藝要求，變頻調速器的調速范圍在 10 ： 1 以上，而水泥生產工藝過程中調速范圍在 10 ： 1 范圍內即可滿足要求。
B ． 便于實現自動化控制，由于變頻器本身是由一個 16 （或 32 ）位微處理器所控制，設有 RS485 （或 422 ）， A/D 輸入， D/A 輸出接口，為自動控制（與上位機聯網）創造了充分的條件。
C ． 獲得可觀的節能效果。
D ． 降低工人的勞動強度，由于調速系統整體可靠性提高，故障率低，免維護周期較長，可減輕有關維護人員的工作量。
E ． 提高產品質量及產量。
7、在水泥粉磨工藝中應用
在水泥粉磨工藝中球磨機入磨物料粒度的大小，對其臺時產量影響較大，預破碎工藝作為提高磨機臺時產量、降低粉磨電耗的重要途徑，引起了許多水泥企業的重視。根據工藝要求，水泥立窯放料每次持續2～3 min，間隔2～3 min，但目前幾乎所有水泥企業中破碎機處于工頻恒速運行狀態，24 h連續運轉，造成電能的巨大浪費，并影響電機和破碎機的使用壽命。另一方面，由于破碎機具有十分大的慣性，不易頻繁啟停，所以即使使用變頻器也難以解決系統制動時產生的泵升電壓引起保護電路動作，使系統無法正常工作。
針對系統的以上特點，利用系列變頻器實現破碎機的變頻調速和軟啟動；利用再生能量回饋單元克服破碎機制動過程中產生的過高的泵升電壓；利用PLC實現系統的邏輯閉環控制，使破碎機的工作與立窯放料同步，實現間歇運行。從而在改善工藝控制質量的同時，比較大限度地節約了電能，降低了生產成本。現場調試和運行結果表明，系統運行可靠，節電率可達60%以上。
上述系統已在某水泥廠投入實際運行。系統根據送料信號自動實現啟制動運行，破碎機運行速度連續可調。電機可以實現頻繁軟啟動，基本無啟動電流沖擊，啟動力矩足夠。系統在變頻運行條件下，若變頻器突然故障，則自動切換至“工頻”狀態繼續運行，同時發出聲光報警信號(內部可選)。根據現場工況需要，將有放料信號時變頻運行給定頻率設為43 Hz，系統運行電流為27 A，運行電壓280 V，改造后的系統平均每年耗電5.7萬度。根據現場記錄，系統在改造前工作頻率為工頻50 Hz，運行電流為32 A，運行電壓400 V，平均每年耗電19.42萬度。改造后的節電率為70.6%。該系統的突出優點如下：
1、利用變頻調速技術改造了水泥熟料破碎機的拖動系統，滿足了破碎機的低速、間歇運行特點，保證了工藝控制質量，節能效果明顯，并有利于延長破碎機和電機的使用壽命。
2、利用能量回饋控制技術克服破碎機大慣性引起的泵升電壓，有效地保證了變頻器的安全運行。系統除了變頻器和能量回饋裝置所具有的20余種保護功能和故障自診斷功能外，還增設了電機過熱、控制回路保護及報警。
2、利用能量回饋控制技術克服破碎機大慣性引起的泵升電壓，有效地保證了變頻器的安全運行。系統除了變頻器和能量回饋裝置所具有的20余種保護功能和故障自診斷功能外，還增設了電機過熱、控制回路保護及報警。
3、利用可編程控制器PLC實現了各種邏輯控制、變頻器啟制動自動控制及手動/自動、工頻/變頻轉換和故障自切換等功能，使系統控制靈活方便，功能齊全
成功的經驗充分說明了水泥行業變頻改造的巨大潛力，變頻改造后在短短幾個月的時間里僅僅靠節約電費就收回整體投資，在以后的生產經營中也能夠以較低的生產成本在市場的競爭中處于更有力的位置。水泥制造的變頻改造勢在必行，一方面體現出公司強大的經濟實力和公司領導層非凡的遠見卓識，另一方面能夠給公司帶來豐厚的利益回報，并提高了公司生產方面的自動化程度。
我司愿與貴公司攜手共進，在節能領域中共創美好未來！