水泥厂电动机节能分析

　
  　　目前，水泥行业的竞争非常激烈，但关键还是制造成本的竞争，而电动机电耗占成本30%，因此，做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。所以，我们要从电动机的选型、调速方式、启动装置等方面入手，在每个环节开展细致的工作，同时要大力应用新技术、新成果，促进企业节能降耗。
  
一、合理选用电动机类型
　　Y系列电动机是全国统一设计的新系列产品，是国内目前较先进的三相异步电动机。20世纪80年代中期即在全国推广应用。其优点是效率高、节能、启动性能好。而目前国内许多老水泥企业仍大量采用JO2系列电动机，相比来说Y系列比JO2系列电动机效率提高了0.413%。因此用Y系列电动机取代旧式电动机势在必行。
  
　　选择电动机类型除了满足拖动功能外，还应考虑经济运行性能。对于年运行时间大于3000h，负载率大于50%的场合，应选择YX系列高效率的三相异步电动机。与Y系列相比，其效率平均高3%，损耗降低20%～30%，虽然价格高于Y系列电动机，但从长期运行考虑，经济性还是明显的。
  
　　同步电动机能提高企业电网的功率因数，降低供电线路损耗，但控制系统繁杂，价格较高。
  
二、合理选用电动机的额定容量
　　国家对三相异步电动机3个运行区域作了如下规定：负载率在70%～100%之间为经济运行区；负载率在40%～70%之间为一般运行区；负载率在40%以下为非经济运行区。若电动机容量选得过大，虽然能保证设备的正常运行，但不仅增加了投资，而且它的效率和功率因数也都很低，造成电力的浪费。因此考虑到既能满足水泥厂设备运行需要，又能使其尽可能地提高效率，水泥企业一般负载率保持在60%～l00%较为理想。对于负载率小于40%的三角形接法电动机可改为星型接法，以提高其效率。
  
　　同步电动机能提高企业电网的功率因数，降低供电线路损耗，但控制系统繁杂，价格较高。随着异步电动机制造水平的提高，新设备已很少采用。
  
三、电动机启动和运行形式
1.低压笼型大中型电动机
　　若采用全压直接启动方式，这要求电力系统有足够大的容量，而实际运行时，电力系统负载率很低，影响供电效率，并且用直接启动方式易烧毁开关、电动机，影响电网其他设备的运行，往往为了尽量减少电动机启动次数而宁愿让电动机空转而不停车，造成大量浪费。此类电动机可以用电动机软启动器启动。电动机软启动器是采用大功率晶闸管模块作为主回路的开关元件，通过控制它的导通角以实现软特性的电压爬升。它具有对电网无过大冲击，对机械传动系统(齿轮及轴连接器)震动小，启动转矩平滑稳定等诸多优点。启动电流在2.5～3.5倍额定电流之间可调，启动时间可调。
  
2.高压笼型电动机
　　传统的启动方式多选用电抗器、自耦变压器等，但这些启动设备都不能很好地满足启动要求，很难获得理想的启动参数。目前出品的热变电阻软启动装置能较好地满足启动要求。热变电阻器由具有负温度系数的电阻材料制成，电阻器串于电动机定子回路，当电动机启动、电阻体通过启动电流时，其温度升高，而阻值随之减小，从而使电动机端电压逐步升高，启动转矩逐步增加，以实现电动机的平稳启动。根据电动机参数和负载要求的启动转矩，能方便地配置适当的启动电阻值获得最佳的启动参数，即在较小的启动电流下，获得足够大的启动转矩。
  
3.大型绕线型电动机
　　以前大多采用频敏变阻器启动，但其故障率太高。目前较为成熟的方式是采用液体变阻启动器。它是利用两极间的液体电阻，通过机械传动装置使极板的距离逐步接近，直至接触，达到串人转子回路中的电阻无级变小最后为零，实现电动机无冲击的平滑启动。其特点是启动电流小，对电网无冲击，热容量大，可连续启动5～10次，维护方便，使用可靠。目前我厂该类型电动机已全部采用液体变阻启动器。
  
4.中、小型绕线电动机
　　以前主要采用频敏电阻器和油浸电阻器启动，由于有滑环、碳刷、短路环等零件与继电器、交流接触器、频敏或油浸变阻器等电器元件组成的启动系统都安装在粉尘较大的生产现场，因此它具有故障率高、维修量大的缺点，经常影响设备的正常运行，而无刷无环启动器较好地解决了上述问题，它是一种启动平滑，不改变运行特性且不受粉尘干扰的启动设备。其一次启动电流限制在3.0～4.0Ie之间，适合于11～600kW的高低压绕线型电动机。该启动器是利用频敏变阻器的原理，利用铁磁性材料的频感特性研制而成，安装在电动机转轴原来装集电环的位置，与转子同步旋转，省去了电动机的辅助启动装置。
  
五、电动机的功率因数补偿　
　　笼型电动机通常采用并联电容器就地补偿的方法，绕线式电动机可采用进相机补偿的方式，进相机补偿分旋转式和静止式两种，由于旋转式进相机结构上的缺陷，目前逐步被静止式进相机所代替。
  
六、用变频调速取代传统调速
　　传统调速所采用的晶闸管串级调速、直流调速、电磁滑差调速、液力耦合器调速和异步电动机的变级调速等存在传动效率低、难维护等缺点，而变频调速结构简单，稳定可靠，调速精度高，启动转矩大，调速范围广。所以采用变频调速在提高机械的传动效率就可节能20%左右。
  
七、变频调速技术的节能原理
　　大部分水泥厂的一些设备尤其是一些大功率设备在生产过程中绝大部分时间都是不满负荷，在生产过程中都是通过调节挡风板或阀门的开启角度的机械调节方法来满足不同的用风(水)量，这种操作方式的缺点是：(1)电机及风机或水泵的转速高，负荷强度重，电能浪费严重；(2)设备运行的自动化程度相当低，几乎完全靠人工调节，调节精度差，控制不精确；(3)电气控制采用直接或降压起动，启动时电流对电网冲击大，需要的电源(电网)容量大，功率因素较低；(4)起动时机械冲击大，设备使用寿命低；(5)噪声大，粉尘污染严重等。
在水泥厂主要有生料磨排风机、窑尾废气处理风机、罗茨风机、水泥磨排风机、煤磨风机、蓖冷机风机、选粉机、循环水泵、给水泵等。由于变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系：n =60 f(1-s)／p，(式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数)；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。图1为压力H、流量Q曲线特性图:
   
  图1：压力和流量曲线特性图
  
　　n1代表电机在额定转速运行时的特性；n2代表电机降速运行在n2转速时的特性；R1代表风机、泵类管路阻力最小时的阻力特性；R2代表风机、泵类管路阻力增大到某一数组时的阻力特性。
  
　　风机、泵类在管路特性曲线R1工作时，工况点为A，其流量压力分别为Q1、H1，此时风机、泵类所需的功率正比于H1与Q1的乘积，即正比于AH1OQ1的面积。由于工艺要求需减小流量到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机、泵类的工作点移到R2上的B点，压力增大到H2，这时风机、泵类所需的功率正比于H2与Q2的乘积，即正比于BH2OQ2的面积。显然风机、泵类所需的功率增大了。这种调节方式控制虽然简单、但功率消耗大，不利于节能，是以高运行成本换取简单控制方式。若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需的功率正比于H3与Q2的乘积，即正比于CH3OQ2的面积，由图1可见功率的减少是明显的。
  
　　也就是当风机水泵的转速下降10%时，电机消耗功率下降27.1%.所以风机水泵采用变频调速节能效果非常明显。
  
八、变频器的应用
1.变频在空气压缩机上的应用
　　空压机恒压供气使用变频器与压力控制构成闭环控制系统，使压力波动减少1.5%，降低噪音、减少振动。保证设备长期稳定运行，从而减少了设备维护工作量，延长了设备使用寿命。用变频器后，空压机可在任何压力下随意起动，打破了以前不允许带压起动的规定，起动电流也较以前大大降低。通过使用变频器后的实例，多数压缩机节电率约在20%左右。
  
2.变频器在立窑罗茨风机上的应用
　　立窑煅烧熟料所耗的电能中，罗茨鼓风机的电耗一般占60%左右，随着电价的调整，电费在水泥生产成本中说所占的比例越来越高。因此，降低鼓风机的能耗成为提高企业经济效益的重要一环。
  
　　对罗茨风机可由变频器改变风机的供电电源频率进行无级调速来调节风量，重庆地维水泥有限公司在1号窑132kW罗茨风机上安装变频器，节电率高达62.2%。吨熟料电耗由安装变频器前的15.22度下降到安装后的5.55度；河南焦作水泥厂在10000t/d水泥熟料旋窑生产线生料流态化系统55kW罗茨风机上安装了变频器后节电率高达73.2%，平均每日用电量由安装前的606度下降到安装后的162度，每日节电444度。
  
3.变频器在离心风机上的应用
　　有某些水泥厂是采用高压离心式风机进行供风，该种水泥窑的风量调节是通过风门开启度对风量进行调节。对离心风机的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。这是因为离心式风机设备的流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，功率与转速的立方成正比。因此，在调节风量或流量时，如降低20%的风量或流量，功耗则会下降50%，但是必须注意，转速与压力是成平方关系，当转速下降20%时，压力则会下降60%，因此必须注意工艺要求的压力范围不能象罗茨风机那样，不用考虑转速与风压的关系。
  
4.变频器在立窑卸料机上的应用
　　立窑卸料机若采用滑差调速电机，其转速通常控制在300～1000rpm(工艺上根据窑的情况，对卸料速度进行控制的)。采用变频调速的方法取代滑差电机，经过多个厂家应用结果表明，平均节能达40%左右，这是因为滑差调速是一种耗能的低效调速方法。
  
　　由下列公式可知：滑差电机主电机轴的输出功率：P0 = KM0N0(P0表示输出功率，M0表示负载转速，N0表示电机转速，K为常数)滑差头输出功率P1 = KM0N1(P1表示输出功率，N1表示滑差头转速)滑差头损耗功率：P=P0- P1= KM0(N0-N1)由此可见，滑差电机的转速越低，浪费能源越大，而卸料机的转速通常在400rpm左右运行，因此改用变频调速的方法会有50～60%的节能效果。
  
5.变频器在选粉机上的应用
重庆地维水泥有限公司的旋风式选粉机，原设计由JZT392-4型75kW电磁调速异步电动机(滑差电机)拖动，其优点是调速系统简单，价格低廉，有一定的调速范围，缺点也较多：电机本体噪音高、振动大、能耗高、无功损耗大、轴承故障率特别高，滑差控制仪安装于粉尘飞扬的电机旁边，多次出现带负荷起动,不能调速和突然失速等故障，现场维护量大，影响整个系统的安全运行。
  
6.变频器在预加水成球系统中的应用
　　目前，预加水成球技术在立窑水泥厂中应用已相当普遍。它在提高成球质量，改善煅烧操作条件，提高立窑熟料产量和质量方面取得了比较明显的效果。其结合微机双回路调节器，就能实现水料比例自动跟踪，自动调节，做到恒压供水。调节及时，极大地减轻了工人的劳动强度，同时也改善了成球质量，使预加水系统真正起到预湿成球的作用，为立窑生产出优质高产的熟料创造了条件。
  
7.变频器在成球供水系统中的应用
　　生料成球工序是影响水泥熟料烧结质量的关键工序之一，其中水、料比例直接影响成球好坏。应用变频器后能通过跟踪生料供给量对成球预加水泵的转速进行无级调速，从而实现全自动化的闭环控制，料水配合稳定，成球效果良好，大大提高水泥烧结质量。此系统改造主要为提高自动化程度和制造工艺水平考虑，由于功率较小省电效果还在其次。
  
8.变频器在生料均化给料系统中的应用
　　此系统用变频改造后，将所有送料口处的送料电机用变频器进行同步无级调速，等比例送料，提高均化效果，此点也是从制造工艺角度考虑。
  
9.变频器在水泥选粉系统中的应用
　　水泥选粉系统的工作原理是根据所生产的水泥的标号的不同，调节选粉机和选粉风机的转速，从而选出不同细度的水泥制品。老式选粉机要调整风机轴上的扇叶的数量和角度，经过对比试验达到所要求的选粉细度；新式选粉系统分选粉机和选粉风机两部分，选粉机由滑差电机调速，选粉风机靠调节挡风板角度调节用风量。这两种系统都存在操作工艺复杂、调节精度差、浪费电能严重的缺点，特别是滑差点机不但费电，由于水泥制造环境粉尘严重，因此滑差头骨胀率特别高，维修困难。变频改造后，不管是老式系统还是新式系统，只要将电机调节到一个特定的转速就能选出所需要的细度的颗粒，在节约电能的同时还做到了连续化、自动化生产，既提高了劳动效率，又降低了劳动强度，综合效益明显。
  
　　针对上述问题，结合生料车间选粉机负荷转速不超过600r/min的特点，对选粉机电气部分进行变频调速技术改造。经实际测量，选粉机改造前，运行速度在594r/min时，输入电压385V，输入电流72A，功率因数0.82，故输入功率为40kW；改造后，运行速度在594r/min时，输入电压387V，输入电流18A，(热继电器也做了相应调整)，功率因数0.92(变频器加装了直接电抗器)则输入功率为11kW。改造后一年内没发生过任何故障，保证了系统的安全运行，大大减少了维护工作量和维修费用，而且节能效果十分显着。
  
10.变频器在立窑卸料系统中的应用
　　为使水泥烧结过程中加料、供风、卸料三平衡，立窑普遍采用滑差电机(电磁调速电机)做为盘塔式卸料装置的动力，该电机不但防护等级满足不了水泥生产现场环境的需要，而且在相同输出转速的条件下消耗的功率也比系列电机高出20%左右，在降低转速时相差更多，因此采用变频调速系统代替滑差调速后，解决以上所诉的缺点，且调速性能远远高于滑差调速电机，在节电的同时维修费用也大大降低，在各行业得到普遍应用。
  
　　应用变频器对可以调速的电机进行控制，在节约大量电能的同时，还具有软起功能，同时降低了电机的起动电流和运行电流，降低整个电力系统和机械系统启动和工作时的负荷强度，延长了机械部件的使用寿命。另外对滑差电机的变频改造提高了电机的防护等级，减少了因环境恶劣而造成的电机故障率。
  
九、结束语
　　变频器在水泥厂的应用还不止这些，比如说回转窑球磨机、卸料圆、盘给料机、双管绞刀裙、板喂料机调速皮带称喂、煤绞刀、蓖冷机等一切需交流调速的设备都可以采用变频调速器。
  
　　实践证明，变频改造具有显着的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且还大大减少了设备维护、维修费用，另外当采用变频调速时，由于变频装置内的直流电抗器能很好的改善功率因数，也可以为电网节约容量。直接和间接经济效益十分明显。
  
　　总之，采用变频器控制将有以下诸多优点：(1)采用变频器控制电机的转速，取消挡板调节，降低了设备的故障率，节电效果显着；(2)采用变频器控制电机，实现了电机的软启动，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击；(3)电机在低于额定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响；(4)具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能；(5)提高产品质量及产量。