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高压变频器在水泥厂风机节能改造的应用

http://www.bpq.hc360.com2008年07月23日09:55智光电气有限公司作者:王卫宏

    1、引言

    水泥生产企业是国民经济生产中的能源消耗大户,水泥行业已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下,提高水泥行业的节约型制造和应用水平,建立节约型水泥工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下,水泥生产企业必须通过各种途径降低能耗,以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。在水泥的生产中,电动机负载电耗就占成本近30%,而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重,对于一条水泥生产线其中有25%~30%的电能是用于拖动各种类型风机上,因此做好风机电动机的降耗增效工作就显得极为重要。

    目前很多水泥厂的风机大马拉小车现象严重,同时由于工况、产量的变化,系统所需求的风量也随之变化,大部分风机采用传统做法,即调节进、出风口阀门的开度来实现,而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的,损耗严重。如果利用变频调速技术改变设备的运行速度,以调节风量的大小,可以既满足生产要求,又达到节约电能,同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。随着电力电子技术及电子技术的发展,变频技术日趋成熟,国际上对于风机的风量、风压调节已普遍摒弃靠调整配套的风门开度的手段,改而采用变速的电气传动调节,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。

    在水泥厂风机采用变频调速技术,能提高节约大量能源,提高生产效率,为水泥厂带来较大的经济效益和社会效益。根据大量水泥生产线风机高压变频调速节能改造的具体经验,采用变频调速后,风机的电耗降低8%~45%,电费以0.50元/kWh计算,通常在1.5~3.5年可收回变频器的设备和其它安装等附加费用等总投资。

    2、高压变频器在水泥生产线风机节能改造的应用及效益

    变频调速技术现已被应用于各行各业,广州智光电气股份有限公司的ZINVERT系列智能高压变频调速系统从2005年起开始应用于水泥行业的电机节能改造,至今已成功应用于新型干法水泥生产线的6个工艺位置的高压风机,即:生料磨循环风机、煤磨循环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、水泥磨循环风机,并取得了许多成功的改造经验,获得了显著的经济效益。

    下表是选择不同类型风机应用高压变频改造后在系统满载、相同环境、工艺条件要求下进行节能测试效果的实例数据:   

风机
类型
电机
功率
电压
等级
挡扳开度
调节开度
运行功率(kW)
运行电流(A)
运行
频率
变频前
变频后
工频
变频
生料磨循环
630KW
6KV
风门80%
500
372
25%
64
36.5
43
煤磨循环
560KW
10KV
风门80%
500
382
24%
37
24
37
窑头排风
710KW
6KV
风门70%
582
369
36%
70
34.8
39.9
窑尾排风
1000KW
10KV
水阻80%
840
710
15%
61
42.9
39.7
高温循环
2500KW
10KV
液耦90%
2600
2350
9.6%
155
143
45
水泥磨循环
355KW
10KV
风门45%
190
105
45%
17
6.2
36

    特别需要指出的是,在新型干法水泥生产工艺中要求控制窑尾预热器压力的窑尾高温循环风机,需要通过DCS的控制来对高温循环风机的风量进行调节,原先设计一般采用液力耦合器、绕线电机转子串阻调速等调速控制,而目前基本发展趋势是在90年代迅速发展起来并在近几年成熟的高压交流变频调速技术的技术和性能远远胜过以前采用的调速方式,在经过大量成功的现场应用并显示其巨大的节能效益后,高压变频器器成为国家水泥节能设计规范标准要求的设备。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”。

    水泥生产线的大容量风机采用变频调速控制后,除实现节能降耗经济效益外,其他方面的效益也是明显的:

    (1)改善了工艺,调速精度得到保证,提高了产品质量的稳定并可提高产量。投入变频器后可以平滑稳定地调整风量风压,提高了效率,特别是使生产线设备利用率得到保证,保证了顺产,进一步提高了产量。

    (2)设备运行与维护费用下降:采用变频调节后,避免原来转子滑环烧损维护、更换的工作,以及液力耦合器油路、漏油的维护以及由于若打坏齿轮的维修工作,以及由此导致的停产损失;高压变频器的运行实践证明其可靠性得到保证。

    (3)延长电机等设备的使用寿命。采用变频调速后,可以实现软起动和软制动,几乎不产生冲击,避免水阻软启动3~4倍的冲击电流、液力耦合器启动时的4~7倍的冲击电流,可大大延长电机定子、转子轴及轴承等电气与机械寿命。

    (4)目前单元级联式的高压变频器,其输入电流谐波含量小于国家标准要求的限制要求,功率因数可保证在0.95以上,与采用液力耦合器、转子串阻等调速方式相比,输入功率因数大大提高,再无需投资功率补偿设备,并可降低有关的设备投资与维护费用。

    3、高压变频器在水泥生产线风机应用的主要问题与应对措施

    水泥厂因生产线风机从工艺上对风量、压力的调节要求,高压变频器需要针对性有一定的技术要求;更加特别的是设备的应用现场水泥生产线一般粉尘较大,调速机械大多安装在室外或库下,环境较其它行业相比较为恶劣,而高压变频器作为电力电子器件与较精密电子控制组成的系统设备,对环境有相对较高的要求,因此在水泥生产线风机应用的高压变频器设备在设计、安装、运行、维护过程中具有一定的特殊性,比较突出的问题如下:

    (1)高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停问题

    国家水泥节能设计规范标准要求“窑尾高温风机应采用变频调速装置”,而窑尾高温风机是保证水泥生产线窑内负压的重要负载,即使在在以往工频运行、采用液力耦合器调速的高温风机,也常见由于管道“塌料”导致高温风机电机过负荷跳闸,导致生产中断。而对于由于变频器装置的电力电子器件的过负荷能力的限制,以上由于塌料造成的高温风机过负荷导致的变频器保护停机现象如无专业技术是不可避免的,将给水泥生产线造成更多的损害。

    高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落,造成管道内粉尘浓度增大,阻力增加,负压升高,使排风机负荷增加或如果垂直烟道或预热器内在清结皮或有物料塌料时,同样也会造成气流波动,使排风管内气流紊乱,造成高温风机过负荷停机,该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象,会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍,如使用目前国内外一般厂家的通用型高压变频器,可能导致变频器运行过程中频繁跳机,直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。

    目前国内高压变调速技术已经解决了该问题,作为水泥行业高压变频器的专业生产制造商,智光电气研制的ZINVERT系列高压变频调速系统特别针对高温风机的运行工艺情况进行了大量的研究分析并针对性地研制出针对性的专业技术。该产品从2005年投入水泥生产线的变频改造,技术研发人员经过深入应用现场,了解掌握现场工艺情况,总结现场应用经验,推出了针对水泥生产线窑尾高温风机的专用变频器技术,采用自主研发的“瞬态尖峰负荷差分控制技术”,从设备的硬件设计、控制软件设计等多方面对高温风机的不定期的尖峰负荷运行进行全方位针对性的设计改进。具有这种技术的高压变频器有效地避免了其他厂家的通用高压变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机,与工频液耦运行相比也降低了跳机的可能性,从而使安装了广州智光高温风机专用变频器的水泥生产线达到节能又增效,降低电机、风机设备故障率,为水泥企业保证生产安全性、经济性作出技术与设备保证。根据目前在多条5000t/d旋窑生产线的高温风机实际应用效果证明高压变频器基本解决了高温风机变频器由于“塌料”导致的跳闸停运、生产中断的问题,大大由于高温风机停运对生产造成的影响,降低电机设备故障率,取得节能、增效的巨大效益,得到用户普遍认可。

    (2)风机高压变频改造对原配液耦、水阻的处理

    目前国内高压变频技术已经成熟,选用运行可靠的成熟品牌的高压变频器进行风机变频改造后,原来采用绕线式电机转子串水阻调速的,可将转子短接,使滑环不再通过电流,从而降低烧损;原来采用液力耦合器的,可以取消原液力耦合器,可按照液力耦合器的联接尺寸设计制作一套连轴器代替液耦,连接轴的基座安装尺寸、轴连接中心尺寸、轴径尺寸、轴与电机及风机侧的连接靠背轮均与原液耦一致,安装时仅需将原液耦拆除,将连接轴代替液力耦合器,现场仅作少量调整即可达到安装要求。因此高压变频器的改造对于风机及电机不作任何改变,安装方便快捷,运行工艺调节更加方便。

    (3)新设计水泥生产线的风机采用高压变频器后的电机及其配套选型

    对于新设计的生产线,设计选用单元级联式的高压变频器后,高压电机可选用一般普通的异步电动机,而不必采用专用变频调速的“变频电机”。“变频电机”是指对于输出谐波含量较大、电压变化率dv/dt较大的低压变频器和前些年的其他电路结构的进口品牌高压变频器为避免发热绝缘损坏特别设计的加强绝缘、增加散热措施的电动机,变频电机的价格较普通电机要高得多。由于国内市场的主流电路拓扑结构的高压变频器采用的单元级联多电平的输出技术,输出电压的变化率满足一般电机绝缘要求、电流谐波失真小,额外发热很小,鉴于风机的二次方转矩负载特性,一般运行转速在50%以上时风机不必施加特别散热措施。大量的实际改造运行可以证明,出于降低设备投资考虑,选择合适的高压变频器,不必专用“变频电机”,不必增加额外的散热措施。

    另外在如果为避免高压变频器故障后导致的产线停产,不建议再设计液力耦合器,为提高的运行利用率,特别对于窑尾高温风机,为进一步提高生产设备的可靠性,在设计上可依旧选择采用绕线电机转子串水阻调速的设计,作为工频旁路后的工频启动与调速的备用手段。

    (4)电网电压波动等电源质量对高压变频器运行可靠性影响问题

    水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性,保证安全生产。水泥厂一般地处偏远,供电质量相对不高,对设备的电网适应性问题突出。相对适应欧美电网供电质量的进口品牌高压变频器,目前国内高压变频器主流拓扑结构采用功率单元串联技术方案,而不是功率器件直接串联,避免了器件直接串联带来的均压问题,并在系统适应性上做了较多应用性研究工作,提高了高压变频器对国内电源电压工作的鲁棒性。产品具有对电网电压的适应范围宽(-65%~115%Un)、单元故障自动旁路、工频旁路、瞬时停电再启动功能、包括相间短路保护功能的完善的保护功能等技术,在提高起动力矩和转速精度的同时,提高了抗电网波动和负载扰动能力,大大提高应用的可靠性。智光电气的高压变频器在几十条生产线的成功运行经验证明,国产高压变频调速技术成熟,适应水泥生产企业的供电水平,满足水泥生产线对设备的可靠性要求。

    (5)高压变频器应用的谐波与干扰影响的问题

    变频器应用的谐波与干扰问题一方面是变频器输入谐波对电网的影响,如果变频器输入电流谐波较大(比如传统的电流源型变频器),会产生如下危害:供电系统的继电保护装置误动作,可能导致大面积停电。测量仪器仪表误差增大,影响计量精度和控制性能。影响其它电力电子装置,电子计算机系统及通信设备的正常工作。谐波使电机,变压器和电容器等用电设备损耗增大,严重时会过热或烧损。目前国内市场的主流电路拓扑结构的高压变频器采用的输入多重化移相整流技术、单元级联多电平的输出技术,输入、输出电流谐波失真极小,满足IEEE满足IEEE519-1992和GB/T14549-93标准的要求,不会对电网、电机产生超标的谐波污染。大、中型水泥厂自动化水平高,大多数采用自动化仪表和计算机控制系统,对用电系统的谐波要求很高,单元级联式高压变频器在这方面具有很大的优势。

    变频器应用的谐波与干扰问题的另一方面是外部谐波对高压变频器的影响,由于旋窑的主窑直流传动系统采用直流电机,主电路必然产生较大的谐波,必须采取相应的治理措施,以保证高压变频器的输入电压稳态总谐波含量THD不超过10%,其中任何奇次谐波均不超过5%,任何偶次谐波均不超过2%,短时(持续时间小于30s)出现的任意一次谐波含量不超过10%。否则对母线其他设备、高压变频器等均可能造成运行中的影响与损害。

    还有,为避免控制干扰,高压变频器的控制线须采用屏蔽电缆,单端接地,并且在布线时注意与动力线的距离,避免控制线与动力线并行敷设在同一电缆托架(或线框)内;变频器负载输出线需采取屏蔽铠装电缆,单端接地,以避免变频器对附近仪表产生干扰。

    (6)高压变频器应用的散热问题与环境条件

    由于水泥现场粉尘较大,环境相对恶劣,作为电子与电力电子设备,而且由于产生约3~4%的损耗发热需要散热,而一般高压变频器中低容量高压变频器均采用风冷散热,因此在水泥生产线应用的高压变频器必须注意系统的器件选型设计裕度大、器件布局结构合理、散热器与风道设计等散热结构合理、提高单元散热效率以保证系统设计温升低、环境适应能力强,需要能够经受夏季炎热、春季潮湿、冬季的寒冷等气候的影响,经受水泥厂粉尘的污染等恶劣环境的考验。

    一般地,水泥生产线风机的高压变频器安装位置根据现场情况选择高压配电室内,或专门建造变频器室,可采用因地制宜的空调散热、空气水冷散热、大气循环散热等,做好制冷或循环通风的设计,避免系统发热无制冷的内部循环、自然循环进风量不足室内负压,并需加强防尘设计和日常维护,定期进行滤网清洁,从而保证设备的安全稳定运行。

    4、结语

    鉴于目前变频调速技术的发展,结合国产高压变频器在国内上百条5000t/d、4000t/d、2500t/d、1500t/d、1000t/d等新型干法水泥生产线的生料磨循环风机、煤磨循环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、水泥磨循环风机的广泛应用和大量改造实践证明:高压变频调速技术已经成熟,国产高压变频器的设备运行性能稳定、节能显著,是在水泥行业节能减排工作中应该大力推广的技术与产品。