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1概述
　　水泥生产行业是耗能大户，我国水泥行业与国际水泥生产先进能耗指标相比，还存在一定差距，节能空间较大。水泥生产能耗成本占总成本大约60%，做好节能工作，企业就抓住了降低生产成本的关键，也抓住了增加利润、提高竞争力的关键。在水泥行业推广应用节能技术，具有十分重大的意义。
　　曲阜中联水泥有限公司是以水泥生产为主业的中央企业，是中国联合水泥下属子公司。经过50年的发展，曲阜中联水泥已成为中国500家较大建材工业企业之一、全国水泥质量百佳企业、全国水泥企业50强、国家60户重点支持水泥工业结构调整大型企业、全国规模较大、设备较先进的快硬硫铝酸盐水泥生产基地。
　　公司水泥年生产能力300万吨，固定资产10亿元，年销售收入逾6亿元，实现利税6000万元，是济宁市较大的水泥企业。公司主导产品金鲁城牌、鲁城牌、华冠牌系列水泥通过了国家产品质量认证，是国家免检产品、消费者信得过产品、山东名牌产品。
　　公司现有一条日产5000t熟料生产线，水泥生产线上的风机，存在“大马拉小车”的现象，同时由于工况、产量的变化，所需的风量也要随之调整，以前通过调节进、出口风门的开度来调整风量，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来实现的，电能损耗严重。
　　经过多方调研考察，比较性价比，曲阜中联水泥有限公司选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37系列高压变频器2套对生产线上窑尾排风机、窑尾高温风机进行变频改造。
2 设备参数
　　窑尾高温风机
　　电机参数：
　　型号：YRKK630-6    功  率：1400kW
　　额定电压：6kV       额定电流：160.8A
　　功率因数：0.875      绝缘等级：F
　　生产厂家：兰州电机有限公司
　　窑尾排风机：
　　电机参数：
　　型号：YRKK450-10      功率：280kW
　　额定电压：6kV          电流：39.21A
　　功率因数：0.749         绝缘等级：F
　　生产厂家：兰州电机有限公司
3 水泥生产工艺
　　如图1所示是水泥厂生产工艺图。水泥生产工艺主要包括：矿山开采、原料破碎、原料均化与存贮、原料配料、原料粉磨与废气处理、生料均化与入窑、熟料烧成、熟料入库与散装发运、水泥配料及粉磨、水泥存贮等几部分；在上述过程中原料粉磨与废气处理、煤粉制备、熟料烧成、水泥配料及粉磨工艺中设计有大功率的风机，可进行中高压变频改造。现结合实际工艺介绍一下变频改造主要风机的作用。
　　（1）废气处理风机的主要作用是使在整个生产过程中产生的废气经过除尘后排入大气；
　　（2）窑尾排风机兼有生料磨循环风机（指两风机系统）与废气处理风机功能；
　　（3） 窑尾高温风机是熟料生产线上较为重要的负载，高温风机变频改造是国家在水泥行业强制执行的标准。

　　图1 水泥厂生产工艺图

　　具体的生产流程是：
　　（1）水泥原料的破碎及预均化
　　①破碎：水泥生产过程中，大部分原料要进行破碎，如石灰。
　　②原料预均化：使原料堆场同时具备贮存与均化的功能。
　　（2）水泥生料制备
　　水泥生产过程中，每生产1吨硅酸盐水泥至少要粉磨3吨物料（包括各种原料、燃料、熟料、混合料、石膏），据统计，干法水泥生产线粉磨作业需要消耗的动力约占全厂动力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占约3%，水泥粉磨约占40%。
　　（3）水泥生料均化
　　新型干法水泥生产过程中，稳定入窑生料成分是稳定熟料烧成热工制度的前提，生料均化系统起着稳定入窑生料成分的最后一道把关作用。
　　（4）水泥物料的预热分解
　　把生料的预热和部分分解由预热器与分解炉来完成，代替回转窑部分功能，达到缩短回转窑长度的目的，同时使窑内以堆积状态进行气料换热过程，移到预热器内在悬浮状态下进行，使生料能够同窑内排出的炽热气体充分混合，增大了气料接触面积，传热速度快，热交换效率高，达到提高窑系统生产效率、降低熟料烧成热耗的目的。
　　（5）水泥熟料的烧成
　　生料在旋风预热器中完成预热和预分解后，下一道工序是进入回转窑中进行熟料的烧成。在回转窑中碳酸盐进一步的迅速分解并发生一系列的固相反应。
　　（6）水泥粉磨
　　水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗电最多的工序。其主要功能在于将水泥熟料（及胶凝剂、性能调节材料等）粉磨至适宜的粒度（以细度、比表面积等表示），形成一定的颗粒级配，增大其水化面积，加速水化速度，满足水泥浆体凝结、硬化要求。
　　（7）水泥包装
　　水泥出厂有袋装和散装两种发运方式。
　　水泥生产主要工艺过程简要包括为“两磨一烧”。按主要生产环节论述为：矿山采运（自备矿山时，包括矿山开采、破碎、均化）、生料制备（包括物料破碎、原料预均化、原料的配比、生料的粉磨和均化等）、熟料煅烧（包括煤粉制备、熟料煅烧和冷却等）、水泥的粉磨（包括粉磨站）与水泥包装（包括散装）等。
4 变频改造方案
　　（1）窑尾排风机的改造方案：
　　原系统是采用绕线电机串电阻降压启动，然后全压运行的方式进行控制的，如图2示。

　　变频改造后的系统主电路如图3示，从变频器的输入隔离开关QS1、输出隔离开关QS2各取一对动断触点串入电阻柜内接触器KM的合闸回路，保证变频启动时切除电阻启动。

　　（2）高温风机电动机改造方案
　　原系统主电路如图4示，原系统电网通过真空断路器直接进电机，采用液力耦合器进行调速。

        变频改造后主电路如图5示，把变频器串在原系统的高压真空断路器与电动机之间，采用三个隔离开关进行工变频转换。变频运行时闭合QS1、QS2，断开QS3，工频运行时闭合QS3，断开QS1、QS2，QS2与QS3在电气、机械方面双互锁，保证电气回路的安全。考虑到变频器调试期间的稳定性，先保留液力耦合器，变频运行时将液力耦合器调到最大。

　　（3）变频改造后实现的功能
　　①实现工变频相互手动切换。
　　②将变频控制纳入用户的DCS系统，实现远方/就地控制。
　　③用户的以往的保护在变频时退出，工频时保留。
　　④变频器除了对电动机软启动外，具有过流、过压、过载等保护。

　　（4）高压变频器的特点
　　变频器采用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP37系列高压变频器。该系列变频器采用H桥单元级联式结构，输入端采用隔离变压器多级移相叠加的整流方式改善网侧的电流波形，减少输入端的电流谐波成分，提高功率因数，一般可达到0.95以上。输出侧采用先进的载波移相技术，减少输出端的电压谐波，实测输入、输出端的谐波都在4%以内，在国家标准要求的范围内。并采用了星点漂移、飞车启动、三次谐波补偿技术、针对高温风机的“塌料”功能等，使整套设备技术先进，单元备份经济，更换方便，维护成本低，设备运行稳定，满足了用户的需求。
5 高压变频器在水泥生产线风机应用的主要问题与解决措施
　　水泥厂生产线风机从工艺上对风量、风压的调节要求，对高压变频器有一定针对性要求，特别是现场环境恶劣，一般粉尘较大，而高压变频器作为电力、电子器件与较精密的电子控制系统组成的设备，对环境要求较高，因此在设计、安装、运行、维护方面要有一定的针对性，主要表现在：
　　（1）高温风机的管道“塌料”导致电动机过电流甚至跳停。
　　由于在旋窑生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘黏附到一定厚度时就会坍塌滑落，造成管道内粉尘浓度加大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加；如果垂直烟道或预热器内在清洁皮或有物料塌陷时，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，会不定期的导致电动机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前通用型变频器，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。
　　针对这一情况，山东新风光电子的科研人员在总结高温风机大量实践经验的技术上，推出了针对水泥生产线的窑尾高温风机的专用变频技术，从设备的硬件、控制软件设计等多方面对高温风机的不定期尖峰负荷运行进行全方位有针对性的设计改进。
　　①加大变频器功率单元中IGBT功率器件的电流余量，以增加变频器承受冲击电流的能力。
　　②在过载保护时，提高保护电流的限值（2.5~3.0Ie），延长保护设定时间（10s）以上，从而实现“塌料”期间不跳机，保证窑炉正常生产。
　　③“塌料”期间适当降低转速，以降低电动机的输出轴功率，从而降低输出电流。
　　采用以上技术后变频器有效避免了通用变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，与原来的工频液力耦合器相比也降低了跳机的可能性，从而使该条水泥生产线达到既节能又增效，降低了电动机和风机设备的故障率，为水泥企业保证安全生产、经济运行提供了技术与设备保障。
　　（2）变频改造后对原系统的主电路的处理。原来采用绕线式电动机转子串电阻调速的，可将转子短接，使滑环不再流过电流，从而降低烧损，原来采用液力耦合器调速的，仍可以保留，只是在变频运行时将其调到最大，以便在变频故障或检修时作为备用设备，紧急时投运。
　　（3）电网电压的波动等电源质量对高压变频器的影响。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。高压变频器对电网的适应范围宽（-85%~+115%Ue），采用单元故障线电压均衡技术、工频旁路、瞬时停电再启动，包括相间短路保护等完善的保护措施，在提高启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，大大提高了运行的可靠性。
　　（4）散热问题与环境条件。作为电力电子设备，变频器自身损耗大约在3%~4%左右，由于高温风机功率较大，一般是1400~1800kW，其自身损耗约在56~70kW，因此必须做好变频器室的散热问题。由于水泥厂环境比较恶劣，现场粉尘较大，可因地制宜的采用空调散热与风道散热相结合的方式，并需加强防尘设计和日常维护，定期进行滤网清洁，从而保证设备的正常运行。
6 应用情况
　　该系统自2012年1月份开始进行变频器系统改造，在曲阜中联水泥厂的窑尾排风机、高温风机上进行设备更新，到2012年2月10日投产，经过几个月的试运行，收到了良好的效果。原来设备采用绕线电机转子串电阻调速启动，然后全速运行，靠调整出口挡风板的开度调节风量。这种调速方式存在明显的缺点：风门调节反应滞后，调节速度慢，调节精度不高；耗能严重，启动过程复杂，电阻损耗大，维护工作量大。采用变频器改造后，与其他调速方式相比具有巨大的优势。
　　（1）电动机可实现软启动，启动电流非常小，减轻了对电网及机械部分的冲击，有利于保护电网及电机。
　　（2）先进的“塌料”功能的实现，基本解决了高温风机由于“塌料”导致的跳闸停运、生产中断的问题，减少了对生产的影响，降低了电动机设备的故障率，取得了节能增效的巨大效益，得到了用户的好评。
　　（3）改善了工艺，调速精度高，变频器可以平滑、稳定的调整风量，提高了效率，保证了产品质量的稳定、可靠。
　　（4）设备运行与维护成本下降。采用变频调速后，原来的转子电阻滑环烧损、维护工作基本不再存在，避免了设备的维护造成的停产损失，运行的可靠性得到提高。
　　（5）延长电机等设备的使用寿命。变频器实现了低频、低压的软启动，降低了启动电流，避免了工频下4~7倍或3~4倍的大电流，可延长电动机定子、转子轴及轴承等电气及机械寿命。
　　（6）变频器采用液晶触摸屏显示，可随时显示输入电压、电流，输出电压、电流及运行频率，非常直观的显示电机在任何时间的实时动态。
　　（7）变频器具有通用的通讯接口，可以与PLC、工控机、用户的DCS上位机等通讯，并可以与原控制设备相连接，构成闭环控制系统，实现数据交换与连锁。
　　（8）节能效果明显。
　　窑尾排风机
　　运行参数：
　　运行频率：44Hz
　　输入电流：22A          输出电流   34A
　　输入电压：5950V        输出电压  5593V
　　原工频运行电流是35A，
　　则工频用电量为：P1=1.732*6000*35*0.749=272.426kW
　　变频用电量为：P2=1.732*6000*22*0.97=221.765kW
　　节约电量为：△P=P1-P2=272.426-221.765=50.661kW
　　节电率为：η=△P/ P1=50.661/272.426*100%=18.6%
　　高温风机
　　运行参数：
　　运行频率：47Hz
　　输入电流：114A          输出电流   147A
　　输入电压：6050 V        输出电压  5324V
　　原工频运行电流是145A
　　则工频用电量为P1=1.732*6000*145*0.875=1318.485kW
　　变频用电量为：P2=1.732*6000*114*0.97=1149.147kW
　　节电量为△P=P1-P2=1318.485-1149.147=169.338kW
　　节电率为：η=△P/ P1=169.338/1318.485*100%=12.8%
　　根据以上节能数据可以看出，节电率一般在15%左右，电费若以0.5元/kW·h计算，不到2年即可收回投资。除了节能降耗外，其他方面的效益也是非常明显的。
7 结论
　　曲阜中联水泥厂的变频风机改造结果表明，变频器在水泥厂相关设备上的改造是非常成功的，水泥厂有很多的大功率设备，其电能的损耗也是非常严重的，可借鉴在风机上改造的成功经验，进行其他设备的变频升级改造，其应用前景是非常乐观的。