變頻器在水泥廠中的節能效果

畢慧文 張妮妮

（焦作千業水泥有限責任公司 河南 焦作 454000）

0 引言

在水泥熟料生產過程中，電能消耗非常大，電費支出約占熟料生產成本的25%。在水泥廠的工藝配置中，生料和熟料段風機功率約占設備功率的30-40%左右。所以風機的電耗直接影響到水泥企業的生產成本。能控制好風機的電耗，對降低水泥生產成本，提高企業的經濟效益是十分可觀的。由于工況、產量的變化，系統所需求的風量也隨之變化，傳統做法是采用調節進、出風口閥門的開度來實現的，由于該方法是以增加風阻或犧牲風機效率來達到要求的，同時過剩的風量向空氣中排放，因此，選擇風量的調節方式對節能效果影響非常大，所以本文談一下風機采用調速方式的節能效果。

1 變頻器的工作原理

簡單地講，變頻器是通過改變電源的頻率和電壓來控制電動機轉速的一種半導體裝置，由整流器、濾波器、驅動電路、保護電路以及控制器等幾部分組成。變頻器使用時串接在電源輸入端（R、S、T）和電動機輸出端（U、V、W）之間（見圖1）。

圖1 變頻器的工作原理

2 變頻器的應用范圍

在水泥生產設備中，可以使用變頻器的地方比較廣泛。廣義上講，凡是使用交流三相異步電動機的電氣傳動部位都可以裝設變頻器，主要目的為節能。公司5000 t/d新型干法生產線中，使用變頻器的有配料調速皮帶秤、選粉機、離心風機等設備。但節能效果最明顯的是離心風機。

3 離心風機采用變頻調速的優點

（1）變頻調速節約了原來在擋板截流的能量損耗或液力耦合器機械損耗和水電阻內部發熱的能量損耗。

（2）實現軟起動，對電網和機械負載的沖擊大大減小，延長了電機和風機的壽命。

（3）風機低于額定轉速運行，降低了介質對風機扇葉和擋板的磨損，降低了軸承、密封的損壞，減少了維護工作量，電機運行時振動和噪聲明顯降低。

（4）采用變頻調速，方便自動調節，線性度較好，動態響應快，風量調節平穩，使設備在更經濟的狀態下安全穩定運行。

4 離心風機使用變頻器的節能率

離心風機使用變頻器是通過改變風機的轉速來實現對風機的風量調節。風機的轉速改變時，其性能曲線的變化如圖2所示，當風機轉速為n1時，風機的風壓-風量曲線與管網特性曲線R1相交于M1點，其風量、風壓分別為Q1、H1，電機的軸功率P1與Q1、H1的乘積成正比，在圖中可以用面積H1M1Q1O來表示。若工藝變更，需要的風量為Q2時，可將風機轉速降到n2，風機的性能曲線（H-Q曲線）相應下降并與R1相交于M2點，此時風量為Q2，風壓為H2，可見風量、風壓同時下降，達到風量調節的作用。相對于節流調節而言，當風量為Q2時，是靠關閉擋風板來實現的，此時管網特性曲線由R1變化到R2，與n1時的風機特性曲線相交于M3，此時風量為Q2，風壓為Hf，由圖2可見，Hf＞H2，即用關閉擋風板來調節風量，雖然風量下降了，但風壓相對于調節電機轉速來說，反而上升了，因而變速調節比節流調節時的風壓要減小ΔH=Hf-H2。在滿足同樣風量Q2的情況下，風壓H2大幅度降低，在假設效率不變時相應的軸功率P2隨著顯著減少，用面積H2M2Q2O表示。節省的功率△P=（Hf-H2）× Q2，用面積HfM3M2H2表示，顯然，節能的效果非常明顯。即變速調節比節流調節時，風機從電網吸收功率要減少，因此采用變速調節，能把消耗在節流中的損耗省下來，達到節能的目的。

圖2 改變風機的轉速來改變風機的特性曲線

由流體力學可知，風量與轉速的一次方成正比，風壓H與轉速的平方成正比，軸功率N與轉速的三次方成正比。采用調速系統，當風量下降到80%，轉速下降到80%，軸功率下降到額定功率的51.2%，如果風量下降到60%，軸功率N下降到額定功率的21.6%，當然同時還要考慮由于轉速降低會引起效率的降低及附件控制裝置的效率影響等。即便這樣，節能的效果也是可觀的。目前公司運行的生產線中煤磨主排風機、窯頭排風機以及蓖冷機后四臺風機等設備都已采用此種變頻調速方式。

現在用公司已經使用變頻的煤磨主排風機的實際情況談一下節電效果。電機型號：YRKK450-4 10K額定功率：450kW額定電流：33.1A（表1）。

可見平均每小時能省電373.3-243.7=138.6kW，節電率為37%。若煤磨運轉率為85%，一年運行300天，目前我廠用電平均電費為0.63元/kW·h，則煤磨主排風機使用變頻后每年可節省：138.6×24×300×85%×0.63=534386.16元電費。

表1

這樣的節能效果十分客觀，在短期內就能收回變頻器的投資。另外，由于變頻調速系統經常在42Hz運行，使得電機及風機的轉速降低，軸承溫度降低，噪音和震動降低，整體維護周期得到很大延長。

5 結束語

變頻器在水泥生產中的應用越來越廣泛，主要有節電；減少對設備的沖擊；由于負荷降低，可以降低故障率，延長設備壽命等優點。這對于企業的節能降耗具有積極的作用。是企業降低成本、增加競爭力、增加利潤的有效手段。

［1］姚錫祿.變頻器控制技術與應用[M].福州：福建技術科技出版社，2005，2.

［2］沈威.水泥工藝學[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010，6.

［3］馬慶元，郭繼平.流體力學及輸配管網[M].冶金工業出版社，2011，8.

［4］中國水泥網技術中心收集資料.淺談變頻器在水泥熟料生產中的應用[OL].中國水泥網，2007，12.