浅议变频器在水泥厂中应用技术改造中的作用———技术改造中的作

浅议变频器在水泥厂中应用技术改造中的作用
上海山宇电子设备有限公司       王新岩      自动控制系统工程师  
驻上航局802所军事代表室       韩志明      自动控制系统工程师  
摘要：针对大功率变频器在风机调速节能上的广泛应用，本文介绍了水泥厂的萝茨风机变频调速改造的节能预测和在实际中的应用。在采用工频拖动的运行工况中，由于风压过大，挡板调节不足对运行工况造成的生产操作复杂与能源的浪费情况，所以产生的对应用变频器进行调速调节运行的实际需求，并预测调速运行能产生的效益。在变频器投入运行后，对运行工况的改善，能量节约的状况进行测量与总汇。
关键词：变频器   节能    萝茨风机
一、水泥厂建设的历史原因及现状
由于历史和经济的原因，上世纪九十年代及以前建造的水泥厂的供水、供煤、送风等动力系统为交流电动机和滑差电机两种。为保证其满足动力需要，均按最大需求设计（其中滑差电机需保持20%动力余量）交流电动机、风机和水泵均工作在最大工作需求状态下，为满足需要的变化则用萝茨风机调整送风挡板、风门的开启度来调节放风量与供风量的比例；或用回流阀门调节供水量；以及用电动机起停等手段来调节风压、风量和水压、水量。电气控制采用星、三角直接启动（或变压器降压启动）。频繁的起停、4——6倍的启动电流冲击电网的稳定和电动机发热，增加了电机维修成本，缩短了电机的使用寿命。同时，风门、调节档板的频繁开关调节，也增加了风阻和管道的振动，产生噪音；供水、供风质量变差，致使设备加速老化，大量电能在调节环节中白白浪费。
二、技术改造的积极意义和事实的必要性
在企业的生存、发展和不断壮大的过程中“实现利润最大化”是企业永恒的主题和追求。通过减少原材料的消耗和降低人工成本来增加企业利润已经被大家所广泛认同。但是，通过技术改造减少能源消耗来增加利润却往往因为企业缺少专业人员，或是购买、更新和改造相关设备的成本增加等原因而被忽视。事实上，节约能源、降低能源的消耗量、合理利用资源；不仅能增加企业的收入，更是改变经济增长方向的当务手段。是利在当代，功在千秋，惠及子孙的伟业。中国物产丰富，但人均资源占有量却达不到世界平均水平，属于资源相对贫困的国家。改革开放以后，我国的快速经济增长是以消耗大量能源为代价换来的，根据相关资料的统计结果显示，国内企业的能源消耗量较国外同类企业的平均水平要高出40%以上，同时我国万元GDP的能源消耗量更是世界平均水平的三倍。
三、卓有成效的方法和途径
按照中共中央‘关于改造“十一.五”经济规划的建议’中“把单位产值的能耗降低20%”的总体要求。今后我国的经济发展模式急需改变；必须转变目前这种依靠消耗大量能源来换取经济快速增长的“粗放型”方式。要实现这种战略性的变革的根本途径之一：是利用先进的变频技术对工业生产中占总用电量60%的电动机耗用的现状进行综合分析改造，达到节能降耗的目的。研究表明，在不同的使用领域，给电动机加装制造设计先进、质量稳定、功能强大的变频器是最直接有效的途径之一。在不降低使用功能和效率的前提下，企业的直接收益是大幅度下降的巨额电费和生产成本的降低，间接的社会效益是减少了电厂的兴建，有效减少了水、电、煤的燃烧，让我们的子孙万代能在一个绿色的星球上幸福的生活。
四、改造实例分析
由于工作的原因，笔者近期有幸参与了重庆市云阳县云安东风水泥厂部分设备改造工程的论证、试验和改造验收工作。本着“稳妥可靠、万无一失”的原则，在比较了国内外多家在国内销售使用量较多、性价比较高的知名品牌的变频器产品后，他们最终选择了上海山宇电子设备有限公司的SY6000系列变频器作为改造工程中首选的品牌。山宇公司生产的SY6000系列变频器，其主要电子元器件均出自国际知名的制造厂、性能卓越；该公司的变频器主要元器件全部出自日本三菱公司的第三代产品，也是众多国外知名品牌变频器的首选；性能稳定、质量可靠。该系列变频器设计理念先进、功能齐全、控制特性优良、保护功能严密，外围配套系统设计简便；还内置PID、PLC和485通讯接口，远程控制、PC机总控，上位机控制等来实现远距自动控制方式，多路模拟数字输入输出通道，支持高速输入输出，端子控制程序运行，摆频运行等多种运行方式，接收各种物理量反馈控制，形成闭环回路自动控制等。软起、软停，没有冲击电流，无级调速避开机械共振频率，减少噪音，延长机械电气系统的使用寿命，实现最佳控制。可恒压、定量供水；按需送风。高（低）压、缺相、过流、过载保护；全面保证电动机安全运行，故障自动复位，睡眠苏醒等功能齐全。该公司技术力量雄厚。服务全面、及时周到。40多个办事处遍布全国各地。
重庆市云阳县云安东风水泥厂两台高炉送风系统原来分别采用250KW和180KW的三相交流6级电动机带动萝茨风机系统，通过调整萝茨风机风板开启度来调节放风量与用风量的比例（即调节风量的利用率），来满足烧结时不同用风量的传统机械调节方法，传统萝茨风机供风方法的缺点是：电能浪费严重 ，风量调节精度差，电动机启动冲击电流大，噪音大、粉尘污染严重，降低了电机和风机的机械寿命。采用山宇SY6000变频器进行改造很简单，就是取消原启动机柜的星、三角启动装置，在星、三角启动装置的位置上加装变频器，原机柜的其他装置仍然保留使用，动力电缆等接线不动，在保留原控制系统的基础上增加一套变频控制回路与原控制并联，形成的双回路控制系统。其特点是原萝茨风机系统不动，工程改造量少，改造费用低，停产改造时间少（1小时左右），双回路保障生产的高效运行。由于SY6000型变频器具有软起动功能，电机起动时，无大电流冲击，减少了设备维修次数，延长了设备使用寿命。变频器可任意调节风机电机转速，因此可按所需风量准确调节风量，无须旁路放风、减少水泥粉尘污染、节电效果明显。
五、风机调速运行的节能原理
5.1风机运行特性
风机属于平方转矩类型负载，在额定转速运行的特性曲线如图1所示






            图1   风机特性曲线  （β=900）
H-Q曲线：当转速为恒定时，表示风压与风量间的关系特性。
P-Q曲线：当转速为恒定时，表示功率与风量间的关系特性。
η-Q曲线：当转速恒定时，表示风机的效率特性。
5.2风机流量的确定
    风机在运行时，一定转速的风机产生的离心压力作用在一个截面上时，介质在单位时间内的通过量，即为流量。风机在运行时，通过风机压力和管网阻力的共同作用，出现一个稳定的流量输出，称之为工况点，其特性曲线如图2所示



     图2  风机运行工况点
M  ——工况点
R  ——管网的阻力曲线
H  ——风机压力曲线
5.3风机流量的调节方法
（1）改变管网阻力实现对风机输出的调节
   当管网阻力发生变化时，风机转速保持不变，风压随之上升，风机运行的工况点将改变，风机的输出流量将随之发生变化，其特性曲线如图3所示。




   图3  管网阻力变化时的风机流量特性曲线
在实际运行中，是通过调节挡风板的开度来实现的，当挡风板的开度减小时，管网的阻力随之增加。
挡板的三种开度对应R1、R2、R3三种阻力工况，则在风机转速不变时，其与风机压力特性曲线分别出现了M1、M2、M3三种工况点。
三种工况点对应的三个流量Q1、Q2、Q3就是在转速不变时，三种挡板开度所对应的流量。调节挡板的开度，即可以调整风机输出流量的多少。
（2）改变风机的转速来实现对风机的风量调整节
改变风机的转速时，风机的压力特性曲线随之改变，当管网阻力不变时，其特性曲线如图4所示




      
       图4   改变风机转速的特性曲线
  当风机的转速定为n1、n2、n3时，每个转速对应其相应的压力特性曲线，在管压阻力R不变的情况下，工况点随之改变为M1、M2，其对应的流量为Q1、Q2。
在实际中，采用变频器方法可达到对风机转速的调节，从而在管网阻力不变的情况下调节流量。
5.4风机定速运行与风机调速运行在输出同等风量时的比较
当风机的额定转速为n1，挡板全开管压力为R1，额定流量为Q1时，通过调节管网压力和风机转速的2种方法，将输出流量改变为Q2，起运行工况的差异如图5所示




  图5  管网阻力与风机速度调节流量时的工况点差异
从图5中可以看出，在输出同等流量的情况下，用挡板调节的工况点是M3，运行时压力为H3，运行时压力为Hf。用速度调节的工况点是M2，运行时压力为H2。
两种风量调节方法消耗能量的差异：
在上面可以看出，调节挡板与调节转速的最大差异在于风压，两种运行方式风机消耗的轴功率差异为：
            Q*△H
  △P=-
          102ηTηF
根据风机功率消耗的相似性理论,得出结论：
用挡板调节风量与用转速调节风量对比，随着实际输出流量与风机额定流量差值的加大，能量的消耗差异也呈平方比例系数加大。
180KW改造前和改造后使用情况对照表

改造前:  起动电流,  变压器降压起动电流1000A ,  工作电流, 332A , 工作电压 ,380V ,  风量调节质量 , 振动大、噪声大、反映慢、供风质量差, 劳动强度,2人操作,  日耗电量,  5244度

改造后: 起动电流,变频软起0-350A工作电流,150-300A,工作电压 ,380V ,风量调节质量,振动小、噪声小、反映快、供风质量高  ,劳动强度,1人操作 ,日耗电量,平均耗电  ,3791度

由于现场风机日工作时间为24小时，改造后平均日节电为1453度，按每度电费为0.57算，每天节约的费用为830元左右，效益相当可观。试用运行6个月的试验验收结果证明：系统改造方案正确，试选山宇SY6000系列变频器及送风系统运行稳定，质量可靠，达到了最优控制效果，实现了软起、软停，闭环自动控制和人工干预相结合，在6个月的试用时间中，未发现任何故障，显着减少了系统维修次数和工作量，确保了最佳送风效果，节省维修费用50%，生产效率提高了10%，单机节电达40%左右，半年节省的电费已相当全部改造成本，现工厂正准备全部选用山宇牌变频器、软启动器对全厂的萝茨风机供风系统，成球预加水系统，生料均化给料系统、水泥选粉系统及主窑卸料系统进行全面改造。


六、结束语
       通过变频器在水泥厂送风机中的试用，显示出其变频器调速运行和原萝茨风机通过调节阀门定速运行的用电量差异，反映出原萝茨风机所造成电能的浪费相当触目惊心。
目前，国产的变频器技术已经相当成熟，而且在各行业中已得到广泛的应用，随着电力电子技术的发展，大功率IGBT模块的进一步发展，其价格也逐渐趋于合理，预示着变频器产品将在我国节能领域得到广泛的应用。