高壓變頻器在水泥廠窯尾排風機上的應用

陳興江，馬光明（.河北省節能監察監測中心，河北石家莊，05008；.唐山冀東水泥股份有限公司唐山分公司，河北唐山，063030）

高壓變頻器在水泥廠窯尾排風機上的應用

陳興江1，馬光明2
（1.河北省節能監察監測中心，河北石家莊，050081；2.唐山冀東水泥股份有限公司唐山分公司，河北唐山，063030）

本文分析了變頻調速節電原理，介紹高壓變頻器在水泥廠窯尾高溫風機上的應用情況，并對節能效果進行了分析。關鍵詞：變頻調速；窯尾排風機；節電

0 引言

唐山冀東水泥股份有限公司唐山分公司二線是1996年投產運行的4000t/d干法熟料生產線，

設計時風機余量較大，平時擋板開度也只有50%，損失較大，風機效率低。為了節能降耗，提高風機效率，公司購置了1臺羅克韋爾1800kVA的powerflex6000系列中壓變頻器，用于改造窯尾排風機。

1 變頻調速的方法及節能

1.1 變頻原理

從交流異步電動機的理論我們可知，電機的轉速n與供電頻率f有以下關系：

式中： p--電機極對數；s：電機轉差率；f：電源頻率；n：電機轉速；

由式(1)可以看出，電動機的轉速n與電源頻率f成正比，在電動機極對數固定的情況下，只要改變頻率f即可改變電動機的轉速，當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時，電動機轉速調節范圍非常寬。

1.2 調速節能原理

從流體力學的基本定律可知，使用交流異步電動機驅動的風機（或水泵）類負載，其轉速n、軸功率P與流量Q、揚程（壓力）H存在以下關系：

式中Q1、H1、P1為風機（或水泵）在n1轉速下對應的流量、壓力和軸功率；Q2、H2、P2為風機（或水泵）由n1轉速變換為n2轉速時對應的流量、壓力和軸功率。

由公式（2）、（3）、（4）可知風機（或水泵）流量Q與拖動電機的轉速n是成正比關系，揚程H與轉速n的平方成正比關系，所需的軸功率P與轉速n的立方成正比關系。

因此當需要80%的額定流量時，只需通過改變拖動電機的頻率，將運行頻率由工頻50Hz降到40Hz，即可將拖動電機的轉速降至額定轉速的80%，這時所需功率按理論值應為（80%）3=51.2%，即降為50Hz運行時所需功率的51.2%。

為了保證設備運行的可靠性，水泥企業使用的風機普遍設計有10-15%甚至達到20%以上的余量，正常運行時通常運行在低于額定負荷的狀態，而且因工藝的需要，往往需要改變風量，而目前多采用檔板或閥門來調節的，這種方法雖然簡單，但產生了壓力損失，增加了管道阻力，浪費電能，屬不經濟的調節方式。

圖1為某個型號水泵（風機）的運行曲線，從曲線圖可以看出，當所需流量（風量）從Q1減小到Q2時，若采用閥門（擋板）調節，管網阻力將增加，管網特性曲線上移，系統運行工況點從A點變到B點，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用調速控制方式，流量（風量）從Q1減小到Q2時，水泵（風機）轉速需要由n1下降到n2，管網特性并不發生改變，但是特性曲線將下移，運行工況點由A點變為C點。此時所需軸功率P3與面積H3×Q2成正比，即所節約的軸功率△P與（H2-HB-C-B）的矩形面積成正比。

實際運行時考慮到由于水泵（風機）轉速降低導致的效率下降和調速裝置的附加損耗，在一定的調節范圍內，通過改變轉速調節流量（風量）比通過閥門（擋板）調節可節能20%～50%。

圖 1水泵（風機）的運行曲線圖

2 窯尾高溫風機變頻改造方案

該公司二線于2011年技改為5000t/d生產線，2015年2月，利用大修時間對窯尾排風機進行了變頻改造。由于原來液力耦合器具有二級減速功能，改造時為了滿足風機啟動轉矩要求，降低改造成本，利用公司共享鼠籠電機備件，將電機更換為1600kW6級電機。改造前對電機進行保養，為了保證電機繞組的散熱，加裝強冷風機進行風箱改造。

2.1 改造設備參數

電動機：電機型號YKK560-4，額定容量1600kW，額定電壓6000V，額定電流186.7A，額定轉速745rpm。

風機：額定風量900000m3/h，額定風壓5000Pa，額定功率1400kW，額定轉速745rpm。

變頻器：變頻器型號powerFlex6000-AAA-180，額定容量1600kVA，額定電壓6000V，額定電流180A。

2.2 改造原理圖

為了保證系統的可靠性，加裝了工頻切換裝置，在變頻器故障的情況下，可以自動切換到工頻運行，為了確保安全，k1和k2保持互鎖狀態。示意圖如下所示。

圖2 變頻改造原理圖

3 變頻改造后的運行數據對比及節能量分析

3.1 關鍵數據的測試

改造前后數據測量的準確性對判定改造效果有決定性的作用，為此，我們選擇了fluke公司的F435Ⅱ電力分析儀進行改造前后電流、電壓、有功功率、功率因數等參數的測試，測試位置選在變頻器所在線路的開關柜6kV母線計量回路，取電流及電壓互感器二次側的信號接入電力分析儀；熟料產量和擋板開度取自旋窯控制系統；變頻器的運行頻率取自變頻器顯示面板。

3.2 改造前后的運行參數

為了使所取數據具有代表性，我們選擇在生產線正常運行的情況下進行測試，記錄工頻和變頻的運行數據，具體數據如表1所示。

表1 工頻和變頻的運行數據

3.3 節能量分析

由上表可知，在水泥產量基本相同的情況下，采用變頻調速可節約613kW，節電率50.37 %，按年運行320天估算年節電量為：

613*24*320=4707840kWh

按平均電價為0.5元/kWh計算，每年可節約電費：

4707840*0.5/10000= 235.3920萬元

按照變頻器投資110萬計算，可在半年內收回。

4 結束語

通過以上數據分析，在水泥廠窯尾高溫風機實施變頻調速改造后節電效果明顯，可以有效降低啟動電流，減少對電網的沖擊，提高功率因數，降低線損，提升了系統的可靠性，

[1]羅克韋爾powerflex6000系列變頻器說明書.

[2]唐山冀東水泥股份有限公司唐山分公司窯尾排風機變頻改造資料.

Application of High Voltage Inverter in Exhaust Fan of Cement Plant

Chen Xingjiang1，Ma Guangming2
(1.Hebei Province Energy Conservation Monitoring and Monitoring Center，Shijiazhuang Hebei,050081; 2.Tangshan Jidong Cement Co., Ltd.,Tangshan Branch,Tangshan Hebei,063030)

This paper analyzes the principle of energy saving and frequency saving, introduces the application of high voltage frequency converter in cement kiln high temperature fan, and analyzes the energy saving effect

frequency control; kiln exhaust fan; energy saving