泰山水泥有限公司       許興波
一、引言
        水泥工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的能源消耗大戶，已被列為國(guó)家節(jié)約資源的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。在國(guó)務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節(jié)能技術(shù)和應(yīng)用水平，建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過(guò)各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益和最高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。
    在水泥的生產(chǎn)中，風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需求的風(fēng)量也隨之變化。大部分風(fēng)機(jī)采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進(jìn)、出風(fēng)口擋板開度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機(jī)的效率來(lái)達(dá)到要求的，損耗嚴(yán)重。電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗就占成本近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重。對(duì)于一條水泥生產(chǎn)線，其中有25%～30%的電能是用于拖動(dòng)各種類型風(fēng)機(jī)上。風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)特別利用變頻調(diào)速技術(shù)改變?cè)O(shè)備的運(yùn)行速度，以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時(shí)減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。目前，行業(yè)普遍認(rèn)為高壓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速改造是降耗增效的主要措施。需要指出的是，對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)線的6個(gè)工藝位置的高壓風(fēng)機(jī)，即：生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、煤磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造，將使企業(yè)改善工藝，提高調(diào)速精度，使生產(chǎn)線設(shè)備利用率得到保證，降低設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)電機(jī)等設(shè)備使用壽命，獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
二、高壓變頻節(jié)能原理
        異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機(jī)最為合理的調(diào)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(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，目前，變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
        高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
        1、由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻后不再存在；
        2、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高，異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)僅有0.85左右，而變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)可以達(dá)到0.95以上；
        3、可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，無(wú)啟動(dòng)沖擊電流，從而降低了啟動(dòng)負(fù)載，減輕了沖擊扭振。
        4、高壓變頻器本身?yè)p耗極小，整機(jī)效率在97％以上。
        5、高壓變頻器針對(duì)“塌料”問(wèn)題進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，解決了在生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)樨?fù)載劇烈波動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)過(guò)流的問(wèn)題，保證了生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。
        對(duì)離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：
            Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
       當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí)，當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，理論節(jié)電為：
                 E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h)
               式中： n是額定轉(zhuǎn)速，n′是實(shí)際轉(zhuǎn)速，P是額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率，T是工作時(shí)間。
       可見(jiàn)，通過(guò)變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，不但節(jié)能，而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
三、利德華福公司高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)
         2007年，HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)被授予“中國(guó)品牌產(chǎn)品”稱號(hào)，利德華福公司亦是中國(guó)高壓變頻領(lǐng)航企業(yè)。多次獲得“中國(guó)最佳高壓變頻品牌”、“最佳新產(chǎn)品”等多項(xiàng)殊榮。北京利德華福電氣技術(shù)有限公司從2000年推出第一臺(tái)HARSVERT-A變頻器樣機(jī)到現(xiàn)在，累積運(yùn)行業(yè)績(jī)已超過(guò)2000多臺(tái)。其中最大運(yùn)行功率為5600kW，并且運(yùn)行多年。
    HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，其諧波指標(biāo)直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。
        1、無(wú)速度傳感器矢量控制——讓控制更精準(zhǔn)
   矢量控制，在國(guó)外多稱為磁場(chǎng)定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是，以電機(jī)磁場(chǎng)為坐標(biāo)軸基準(zhǔn)方向，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制。
       目前，無(wú)速度傳感器矢量控制產(chǎn)品調(diào)速范圍寬，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度高，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，性能指標(biāo)基本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
     采用無(wú)速度傳感器矢量控制的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)具有以下功能：
     £  電機(jī)參數(shù)自動(dòng)整定
     £  高壓掉電恢復(fù)自動(dòng)重啟
     £  旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)
     £  具有完善的電機(jī)和變頻器保護(hù)功能，盡量保證設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行
     £  直接控制負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小，當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí)可以自動(dòng)控制轉(zhuǎn)矩電流大小，確保連續(xù)運(yùn)行。
      2、 超強(qiáng)的抗電網(wǎng)波動(dòng)能力
       HARSVERT-A變頻器按照我國(guó)的電網(wǎng)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，承受電壓波動(dòng)的能力可以到-35%～+15%電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)變頻器維持運(yùn)行，不停機(jī)。
     3、 完善的電機(jī)和變頻器保護(hù)功能
        作為高壓變頻器的專業(yè)生產(chǎn)廠家，利德華福公司的研發(fā)人員考慮到了變頻器及電機(jī)可能出現(xiàn)的各種運(yùn)行情況，并針對(duì)各種可能出現(xiàn)的故障情況進(jìn)行開發(fā)。HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)針對(duì)各種故障情況分級(jí)設(shè)置保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)最大程度的不間斷運(yùn)行。
     4、友好、快捷的系統(tǒng)界面
       HARSVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)界面選用人機(jī)界面，系統(tǒng)界面功能強(qiáng)大，產(chǎn)品支撐軟件為漢化的最新的正版軟件，軟件完全自主開發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；界面顯示內(nèi)容豐富且直觀形象，能夠顯示系統(tǒng)狀態(tài)變量的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控，如具有故障信息查詢、運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、變頻器參數(shù)查詢及設(shè)置、系統(tǒng)自診斷等等。
四、高壓變頻器在水泥行業(yè)應(yīng)用中的主要問(wèn)題與應(yīng)對(duì)措施 
        1、高溫風(fēng)機(jī)的管道“塌料”問(wèn)題導(dǎo)致電機(jī)過(guò)流甚至跳停問(wèn)題       
    窯尾高溫風(fēng)機(jī)是保證水泥生產(chǎn)線窯內(nèi)負(fù)壓的重要負(fù)載，即使在在以往工頻運(yùn)行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風(fēng)機(jī)，也常見(jiàn)由于管道“塌料”導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)過(guò)負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而對(duì)于由于變頻器裝置的電力電子器件的過(guò)負(fù)荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機(jī)過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致的變頻器保護(hù)停機(jī)現(xiàn)象如無(wú)專業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。      高溫風(fēng)機(jī)由于“塌料”導(dǎo)致的過(guò)負(fù)荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過(guò)程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時(shí)就會(huì)坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負(fù)壓升高，使排風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加或如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清結(jié)皮或有物料塌料時(shí)，同樣也會(huì)造成氣流波動(dòng)，使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機(jī)過(guò)負(fù)荷停機(jī)，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對(duì)高溫風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)造成損壞。在實(shí)際使用過(guò)程中的“塌料”現(xiàn)象，會(huì)不定期的導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電流在極短的時(shí)間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用目前國(guó)內(nèi)外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導(dǎo)致變頻器運(yùn)行過(guò)程中頻繁跳機(jī)，直接影響高溫風(fēng)機(jī)與水泥生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。      利德華福公司的水泥行業(yè)專用高壓變頻器采用先進(jìn)的DSP高速處理器—無(wú)速度矢量傳感技術(shù)，該技術(shù)在水泥廣泛應(yīng)用，針對(duì)高溫風(fēng)機(jī)塌料引起的電機(jī)過(guò)載保護(hù)，我公司設(shè)計(jì)了限轉(zhuǎn)矩功能，當(dāng)塌料發(fā)生時(shí)，瞬間檢測(cè)到電流及轉(zhuǎn)矩的變化，降轉(zhuǎn)矩運(yùn)行進(jìn)而間接的降低了變頻器及電機(jī)負(fù)載，使得即使塌料發(fā)生變頻器照樣運(yùn)行不過(guò)載，有效地避免了其他廠家的通用高壓變頻器在運(yùn)行中由于“塌料”所導(dǎo)致的反復(fù)跳機(jī)，與工頻液耦運(yùn)行相比也降低了跳機(jī)的可能性，達(dá)到了節(jié)能增效，降低電機(jī)、風(fēng)機(jī)設(shè)備故障率的作用，為水泥企業(yè)保證生產(chǎn)安全性、經(jīng)濟(jì)性作出技術(shù)與設(shè)備保證。 
2、高溫風(fēng)機(jī)變頻的電網(wǎng)波動(dòng)與運(yùn)行可靠性問(wèn)題  　　
    水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)性質(zhì)，決定了用于水泥廠用高壓變頻器需要有很高可靠性，保證安全生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)的眾多企業(yè)中往往裝備多條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線均有幾臺(tái)主要輔機(jī)設(shè)備構(gòu)成，這些輔機(jī)都掛在相同或不同的電源母線上。每當(dāng)有大容量輔機(jī)或同一母線下多臺(tái)輔機(jī)群?jiǎn)��?dòng)時(shí)，電源母線電壓都有較大的降落（超過(guò)-15%），會(huì)影響同一母線上其他設(shè)備的正常運(yùn)行。針對(duì)生產(chǎn)企業(yè)負(fù)荷波動(dòng)大的這種工況，HARSVERT系列高壓變頻器進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，大幅度提高了其抗電網(wǎng)波動(dòng)的能力，做到電壓波動(dòng)在-15%~+15%范圍內(nèi)時(shí)，變頻器可以維持滿額輸出；電網(wǎng)電壓降落在-35%以內(nèi)時(shí)，變頻器都短時(shí)降額運(yùn)行，若電網(wǎng)電壓低于65%額定電壓時(shí)，頻器開始降低輸出頻率。如果6秒鐘之內(nèi)，電網(wǎng)恢復(fù)正常，則重新按照設(shè)定的加速時(shí)間，加速到當(dāng)前設(shè)定的頻率。如果電網(wǎng)在6秒鐘過(guò)后，沒(méi)有恢復(fù)正常，則變頻器處于待機(jī)狀態(tài)，等電網(wǎng)電壓在設(shè)定時(shí)間內(nèi)（系統(tǒng)默認(rèn)：20秒）恢復(fù)正常，變頻器可自行啟動(dòng)，系統(tǒng)可自動(dòng)搜索電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊再啟動(dòng)，恢復(fù)到原來(lái)的工作狀態(tài)。
3、電機(jī)在旋轉(zhuǎn)情況下啟動(dòng)的問(wèn)題
        由于風(fēng)門擋板在未關(guān)嚴(yán)或其他原因，受風(fēng)機(jī)的拖動(dòng)，電機(jī)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，啟動(dòng)在旋轉(zhuǎn)中的電機(jī)時(shí)，變頻器可自動(dòng)搜索跟蹤電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按照設(shè)定加減速時(shí)間恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)（即轉(zhuǎn)速跟蹤技術(shù)），保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行不跳閘。
       對(duì)旋轉(zhuǎn)中再啟動(dòng)功能的需求，系統(tǒng)提供完備的參數(shù)設(shè)定功能，保證系統(tǒng)動(dòng)作有效，保護(hù)得當(dāng)。真正適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況要求。
4、變頻器應(yīng)用環(huán)境與散熱問(wèn)題 
        水泥現(xiàn)場(chǎng)粉塵較大，環(huán)境相對(duì)惡劣，變頻器作為電子與電力電子設(shè)備，產(chǎn)生約3～4％損耗發(fā)熱需要散熱，而一般采用風(fēng)冷散熱，在水泥生產(chǎn)線應(yīng)用的利德華福高壓變頻器，系統(tǒng)的器件選型設(shè)計(jì)裕度大、器件布局結(jié)構(gòu)合理、散熱器與風(fēng)道設(shè)計(jì)等散熱結(jié)構(gòu)合理、提高單元散熱效率以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫升低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能經(jīng)受水泥廠粉塵的污染等惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。并且利德華福公司還專門開發(fā)了成套空水冷卻裝置，現(xiàn)場(chǎng)只要提供循環(huán)冷卻水，就可以確保變頻器正常的散熱要求。
五、高壓變頻改造實(shí)例
        泰山水泥集團(tuán)是一家擁有自營(yíng)進(jìn)出口權(quán)的現(xiàn)代化企業(yè)集團(tuán)，總資產(chǎn)15億元，年水泥生產(chǎn)能力450萬(wàn)噸，集團(tuán)主導(dǎo)產(chǎn)品“泰山”牌水泥被評(píng)為國(guó)家免檢產(chǎn)品、山東名牌、山東省著名商標(biāo)、中國(guó)建材行業(yè)知名品牌和中國(guó)水泥行業(yè)十大影響力品牌。
       集團(tuán)核心企業(yè)泰山水泥集團(tuán)有限公司廠區(qū)占地面積23萬(wàn)平方米，建有2500t/d級(jí)和5000t/d級(jí)新型干法水泥熟料生產(chǎn)線各一條，其中2500t/d級(jí)生產(chǎn)線是全國(guó)煤炭行業(yè)第一條2500t/d級(jí)新型干法熟料生產(chǎn)線。
        經(jīng)過(guò)調(diào)查和比較，一線高溫風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)和二線高溫風(fēng)機(jī)、窯尾風(fēng)機(jī)、煤磨排風(fēng)機(jī)采用北京利德華福公司的高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速。
        1、 高溫風(fēng)機(jī)改造液耦調(diào)速，鑒于液力耦合器的在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)仍有3%的損耗及設(shè)備較大的維護(hù)工作量，此次改造采取去除液力耦合器，電機(jī)與風(fēng)機(jī)直接聯(lián)接的方式。對(duì)于去除液力耦合器的去除提出了兩種解決方案，一是去除液力耦合器，前移電機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)、風(fēng)機(jī)的直接聯(lián)接；二是用軸承箱替代液力耦合器實(shí)現(xiàn)電機(jī)、風(fēng)機(jī)的直接聯(lián)接。此次改造按照第一種方案執(zhí)行。
        2、 YKK鼠籠異步電機(jī)可直接串聯(lián)接變頻使用，軟啟柜串工頻備用（主回路下圖）
        對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)大功率交流鼠籠異步電機(jī)（YKK系列），由于工頻直接啟動(dòng)啟動(dòng)電流較大，對(duì)其它高壓電氣設(shè)備及整個(gè)電網(wǎng)有影響，一般現(xiàn)場(chǎng)配有軟啟動(dòng)器工頻啟動(dòng)。防止因外部因素導(dǎo)致變頻器故障時(shí)，電機(jī)直啟動(dòng)沖擊過(guò)大。如2800KW高溫風(fēng)機(jī)采用的啟動(dòng)方式為定子串水電阻啟動(dòng)，此種情況改造時(shí)，水電阻可串聯(lián)在工頻回路作為工頻啟動(dòng)備用。如下圖所示：

                                 圖一

優(yōu)點(diǎn)：在變頻器出現(xiàn)重故障停機(jī)時(shí)，可直接工頻軟啟電機(jī)，啟動(dòng)方式不變，保障生產(chǎn)照常進(jìn)行。
3、轉(zhuǎn)子串電阻改造
       現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻僅在啟動(dòng)時(shí)使用，不作為調(diào)速用，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全頻率（0~50Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。由于驅(qū)動(dòng)為繞線式異步電機(jī)，采用變頻調(diào)速需改為鼠籠式運(yùn)行，轉(zhuǎn)子繞組已沒(méi)有必要外接電阻。為避免電刷與集電環(huán)之間因接觸不良引起故障，將與集電環(huán)相接的三根線之間用導(dǎo)線短接，并將電刷舉起。如下圖：

    
                                                         圖二