摘要：變頻調速技術現已被應用于各行各業，山水集團公司于2004年起開始將高壓變頻器應用于水泥行業的電機節能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭煤磨風機、窯頭過剩風機、生料磨循環風機等的節能改造，取得了許多成功的改造經驗，并取得了顯著的經濟效益。
關鍵詞：變頻調速、液力耦合器 變頻改造

一、前言

　　變頻調速技術現已被應用于各行各業，我公司于2004年起開始將高壓變頻器應用于水泥行業的電機節能改造，至今已成功用于水泥廠窯尾排風機、高溫風機、窯頭煤磨風機、窯頭過剩風機，生料磨循環風機的節能改造，取得了許多成功的改造經驗，并取得了顯著的經濟效益。
　　典型應用案例：2007年6-7月，利德華福在山水集團中標18臺設備，其中應用較多的是淄博山水水泥公司和平陰山水水泥公司的各兩條日產量5000T生產線的高溫風機、窯頭煤磨風機、窯頭過剩風機，生料磨循環風機等風機，進行變頻節能改造，都取得良好的節能效果，下面對改造情況作一簡單介紹。

二、原來用液力耦合器缺陷

　　1．液力耦合器屬于一種機械調速設備。液力耦合器的原理決定了液力耦合器有5-8%的速度損失。同時功率損失變為熱量，使液壓油溫過高。需要大量冷卻水冷卻液壓油。
　　2. 在實際運行中油溫高于95℃以上，使冷卻器的水易結垢堵塞，造成故障。
　　3. 由于液力耦合器是用液壓油傳遞功率，因此速度控制不穩定、功率因數低、調速精度差。
　　4. 液力耦合器整機效率低，功率因數低，調速精度差，調速本身的損耗大、維護量大、二次成本過高，所以節能效果不明顯。

三、高壓變頻調速系統簡介

　　異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機最為合理的調速方法。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優點，目前，變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
高壓變頻調速具有如下顯著的優點：
　　（1）由負載檔板或閥門調節導致的大量節流損失，在變頻后不再存在；
　　（2）異步電動機功率因數由變頻前的0.85左右提高到變頻后的0.95以上；
　　（3）可實現零轉速啟動，無啟動沖擊電流，從而降低了啟動負載，減輕了沖擊扭振。
　　（4）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。
　　對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：
　　　Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
　　當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節電為：
　　E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW?h)
　　式中： n是額定轉速，n′是實際轉速，P是額定轉速時電機功率，T是工作時間。
　　可見，通過變頻對風機進行改造，不但節能，而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節能提供了充分的理論依據。

四、變頻器和液力偶合器的比較

　　1.HARSVERT-A高壓變頻器調速范圍為0~100%；液力偶合器的調速范圍一般為40~95%，即高速段造成約5%的速度損失，影響機組的出力。液力偶合器最低一般只能到額定速度的40%。
　　2.HARSVERT-A高壓變頻器在整個調速范圍內都具有較高的效率（大于96%），而液力偶合器在調速越低時效率越低，本身帶來不小的損耗，調速的節能效果大打折扣。
　　3.HARSVERT-A高壓變頻器對電機及負載機械實現真正的軟啟動，徹底解決了啟動沖擊問題，如果工藝需要，電機可以在短時間內多次重復啟動。液力偶合器不能解決電機啟動問題，電機仍然為直接啟動，需要啟動裝置，啟動沖擊也大，并且不能頻繁啟動。
　　4.用HARSVERT-A高壓變頻器對電機進行調速改造時，只需脫開原來的開關和電機的連接電纜，加入高壓變頻器即可，不動電機和機械的連接關系，不用改動任何基礎，也不存在場地限制問題。用液力偶合器做調速改造，必須將液力偶合器串入電機和機械的連接軸中，需要移動和重新澆注設備基礎，有些地方空間也未必允許。
　　5.HARSVERT-A高壓變頻器是高科技設備，可靠性高，基本免維護。液力偶合器是機械設備，本身包含油路、水路等多套系統，故障率高，維修工作量大，造成有效生產時間的縮短。

五、高溫風機變頻改造方案

　　以水泥廠耗電量較高的高溫風機為例，日產5000t的生產線，高溫風機電機配置為6kV/2500kW，原來用液力耦合器調速，改造后在高溫風機的電機與風機之間由高壓變頻器對電機本身進行調速，最后達到調整窯尾預熱器（高溫風機入口）的壓力為工況要求值。
　　根據水泥廠提供的負載參數及運行工況，利德華福為窯尾高溫風機配置高壓變頻器型號是：HARSVERT-A06/300（額定電壓6kV，額定電流300A）。

六、窯尾高溫風機系統簡介

淄博山水水泥廠和平陰山水水泥生產線為干法懸窯，其窯燒成系統流程簡圖如圖1所示：

圖1：窯燒成系統流程簡圖

　　日產5000t旋窯是一個有4度斜角、直徑4.8m、長74m的耐熱鋼筒，內鑲各種耐火磚。從預熱器來的生料從窯尾進入到窯中，借助窯的轉動來促進生料在旋窯內高溫下混合、煅燒，物料依靠窯筒體的斜度及窯的轉動在窯內向前運動。窯內燃燒產生的余熱廢氣，在窯尾高溫風機的作用下，通過預熱器對進入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入廢氣處理（除塵及排出）。

七、改造過程簡述

　　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高壓變頻器，再重新由高壓柜到高壓變頻器敷設一根動力電纜，由于高壓變頻器房緊鄰高壓室，此電纜長度較短。
由于此高壓變頻器功率較大，發熱量較大，為保證足夠的通風冷卻效果，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，把高壓變頻器散出的熱風排出室外，保證高壓變頻器整體冷卻通風要求。

八、變頻改造節能情況統計

　　變頻改造前后，我們對相應的運行數據進行了統計，現將部分數據分析整理如下。
　　1.淄博山水水泥1、2#窯風機改造前后對比表
　　淄博山水水泥有限公司改造設備，應用了利德華福共計8臺高壓大功率變頻器，分別應用以下場合：

所用場合	電機功率 （kW）	改造前電機功率 （kW）	改造后電機功率 （kW）
一線1#循環風機	1000	790	661
一線2#循環風機	1000	774	681
一線高溫風機	2500	2221	1777
一線煤磨風機	630	348	247
二線3#循環風機	1000	830	681
二線4#循環風機	1000	780	632
二線高溫風機	2500	2420	1866
二線煤磨風機	630	388	257

　　從上述數據可以明確看出改造后窯系統各風機相應的節電功率。
　　根據我們在設備調試和開窯過程中記錄的數據，按每天24小時，月運行28天，年運行11個月，即7392小時計算，可推算出風機的節電量及節電效益。
　　以1#窯所有風機為例計算節能效果：
　　節電功率：（790－661）+（774－681）+（2221－1777）+（348－247）＝767（kW），年節電量： 767kW×7392小時＝566.96萬kW?h，年節電效益：566.96萬kW?h×0.5元/kW?h＝283.48萬元。
　　2.平陰山水水泥1、2#窯風機改造前后對比表
　　平陰山水水泥有限公司改造設備，應用了利德華福共計5臺高壓大功率變頻器，分別應用以下場合：

所用場合	電機功率	改造前電機功率	改造后電機功率
一線高溫風機	2500KW	1920	1430
一線過剩風機	630KW	455	345
二線高溫風機	2500KW	1890	1380
二線煤磨風機	630KW	510	430
二線過剩風機	630KW	425	330

　　由于平陰山水水泥窯的密封較好，所以節能效果也比較好，其中尤以高溫風機效果最好，現簡單計算高溫風機節電量，根據我們在設備調試和開窯過程中記錄的數據，平陰山水1#窯在5500T/D的產量下，高溫風機6kV側電流約為156A，耗電功率約為1430kW，比改造前同產量耗電功率下降約490kW。2#窯在5500t的產量下，高溫風機6kV側電流約為148A，耗電功率約為1380kW，比改造前同產量耗電功率下降約510kW。
　　按每天24小時，月運行28天，年運行11個月，即7392小時計算，可推算出兩臺高溫風機的節電量及節電效益。
1#窯高溫風機：
　　節電功率： 1920－1430＝490（kW），年節電量：490 kW×7392小時＝362.2萬kW?h，年節電效益：362.2萬kW?h×0.64元/kW?h＝231.8萬元。
2#窯高溫風機：
　　節電功率： 1890－1380＝510（kW），年節電量：510 kW×7392小時＝377萬kW?h，年節電效益：377萬kW?h×0.64元/kW?h＝241.3萬元。
　　此數據為估算節電值，變頻改造的另一大收益是提高了窯系統的產量近19%，由此而產生的增產效益也是非常大的。

九、變頻改造總結

根據我公司在山水水泥廠各個風機的高壓變頻器的安裝及使用情況，總結高壓變頻器改造有以下優點：
　　1.安裝簡單，即將原高壓開關柜與電動機之間插入安裝高壓變頻器，對原有接線改動不大。
　　2.操作使用方便，高壓變頻器操作只有簡單的開機、停機和頻率調整。
　　3.能進行無級調速，調速范圍廣，且調速精度高，適用性強。
　　4.保護功能完善，故障率低，排風機啟動平穩，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，節電效果顯著。
　　6.由于高壓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。
　　8.交流變頻調速器，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。它應用在調速、節電、軟啟動方面，對企業有很大的實用價值。我公司高壓變頻器在這兩個水泥廠共對13臺電機進行了成功的改造，其節能效果明顯，且同時提高了整個系統的工藝性能，得到用戶的好評，并在當地水泥行業中產生了很大的影響。

十、結束語

　　目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關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。高壓變頻器技術目前已經比較成熟，故障率較小，是水泥廠節能改造的理想設備，具有很高的應用價值。