應用變頻技術改造水泥熟料篦冷機的節能效果

田 藝

（合肥水泥研究設計院有限公司，安徽 合肥 230051)

0 引言

水泥熟料篦冷機在水泥生產期間，作為熱工設備能夠快速降低熟料溫度，同時還可以承擔起加熱升溫入窯風的功能。此外，水泥熟料篦冷機作為工藝裝備，可以在最短時間內降低高溫熟料溫度，回收出窯熟料攜帶的熱量。在輸送高溫熟料期間，冷卻高溫熟料便于熟料存儲和輸送。

1 國產第三代篦冷機的結構特點

篦冷機高溫區域在回收熱量的時候，采用活動充氣梁和固定充氣梁完成；在中溫區域范圍內回收熱量的時候，采用高阻尼低漏料篦板完成；在低溫區域范圍內回收熱量時，采用富勒改進型篦板完成。與此同時，在實際操作厚料層期間，篦冷機的結構上主要是將高阻尼充氣式篦板安裝在充氣梁上，固定式分配風管通過固定式充氣梁完成篦板供風，活動式充氣梁篦板供風是通過金屬撓性軟連接風管、關節式活動風管、活套式分配風管等完成，高阻尼低漏料篦板與富勒改進型篦板的供風，則是需要依靠篦冷機控制室完成供風。

相較于第二代篦冷機，第三代篦冷機具有以下特點：

（1）增加了料層的厚度。在第三代篦冷機設備使用期間使用高阻尼技術、充氣梁技術以及高壓風機技術，能夠顯著強化熟料冷卻風穿透能力，從而使得篦床上的熟料可進行厚料層操作。

（2）高溫區域的風機風壓得以增加。在第三代篦冷機設備中采用了充氣梁技術和高阻尼篦板，使得供風的風壓獲得增加。一般情況下，風壓維系在8000Pa 到12000Pa 之間。第三代篦冷機在運轉過程中，高風壓呈現出水平風向，并且風壓將篦板射穿以后快速將高溫熟料冷卻。

（3）降低總風量。第三代篦冷機在使用期間選擇使用了高阻尼篦板，該篦板所產生的阻力是第二代篦冷機篦板所不能比擬的，當篦板縫隙中有空氣穿過的時候，其速度將會達到40m/s。通過實驗結果得知，當空氣穿過篦板縫隙時的速度保持一定的時候，將會增加篦床上物料的壓力，風速將不會再次產生變化。這種現象告訴我們，冷風穿過高阻力篦板以后，會繼續穿過料層，風速呈現出比較小的變化，其結果便是篦床上具有比較均勻的風速和冷卻速度，可見不能有太多的風量。第三代篦冷機采取的是新型篦板，可以十分準確的將空氣予以冷卻，而高壓風機的大量使用，將會降低總風量。

（4）顯著提升二次風的溫度值，使得篦冷機熱效率增加。二次風的溫度在二代篦冷機下，一般將會達到600℃到900℃之間。在三代篦冷機下，其溫度普遍會達到1000℃到1200℃之間，可使添加的煤粉被快速燃燒，增加系統產量。

（5）降低漏料量。篦板在設計期間外形和尺寸要十分精確，可減少篦板的漏料情況，優化與改進結構縫，大幅度降低篦床漏料量。

（6）降低單位電量消耗。處理漏料和漏風的工作量降低，也使得冷卻風量降低，在保持產量一定的前提之下，單位耗電量就會有明顯的下降。

2 水泥熟料篦冷機存在的問題

（1）二次風溫度較低，助燃效果差，使得窯對煤炭的適應能力下降。當煤炭的質量發生變化的時候，燃燒速度降低，影響窯的操作，難以提起燒煤溫度，導致工作人員大量的添加煤炭。燒成帶向后發生移動，難以集中高溫區域，產生的粉料多[2]。

（2）高溫段水泥熟料篦板和支撐梁被嚴重燒蝕，造成維護設備的費用增加。高阻力篦板與充氣梁應用期間容易發生問題，難以起到驟冷作用，熟料不能快速冷卻，加重了鋼板熟料磨損和侵襲篦板的程度，即使設備具有再好的制作材質，也不能實現長期運行。近年來耐熱材料成本增加，使得維修成本增加。

（3）熟料泄漏量大。在極端情況下會造成熟料持續泄漏，造成支撐設備和篦板梁被燒壞[3]。篦床漏料的位置嚴重漏風，造成跑風問題嚴重，不能充分冷卻熟料。下料斗有較多積灰，頻繁開啟卸灰閥易造成故障，檢修難度大。

操作篦冷機的主要目的是為了將冷卻效率提升，使冷卻機熟料溫度值下降，延長篦冷機的使用壽命，提升熱回收率。嚴格控制篦板的使用周期，在篦板使用期間要杜絕出現關風熱料和關風推料等操作，特別是篦冷機篦床上的熟料清理期間，要保持風機打開以后再推篦床。為了在緊急情況下安全運行并保護好篦冷機設備，可以將保護電源連接入一室風機中，保證篦冷機在緊急停機前，高溫區域的篦板有冷卻風機予以保護。

3 水泥熟料篦冷機變頻改造原理

篦冷機閥門調節與調速的工況趨勢圖見圖1。

圖1 篦冷機閥門調節與調速的工況趨勢圖

在圖1 中，曲線R1為管網理想阻力，R2為閥門調節以后的管網實際阻力。n1為50Hz 下篦冷機鼓風機滿負荷運行性能。n2和n3為在變頻運行狀態下的不同頻率運行曲線。

調節閥門時，由于要將流量降低，閥門關小，增加閥門阻力，此時阻力曲線將會從R1位置移動到R2位置，全壓值則從原來的H0移動到H1，運動工況從D 點位置移動到A 點位置，流量值則從Q0點移動到Q3點。在調節調速前，R1阻力曲線是保持不變的，轉動速度決定著篦冷機鼓風機特性曲線趨勢，若是將轉動的速度從n1下降到n3，那么特性曲線也與其保持相同的移動趨勢。在實施計算的時候，A 點位置和C 點位置的篦冷機鼓風機的軸功率關系表達式如下：

公式（1）和公式（2）中：

換言之，在流量控制的時候選擇使用閥門，將會浪費掉ΔP 的功率。與此同時，隨著不斷關小閥門，損耗的功率將還會不斷增加。利用變頻調節，轉速、功率、全壓以及流量之間的關系如下：

上述公式可以概括為流量和轉速一次方程正比關系，全壓與轉速平方成正比關系，軸功率與轉速立方成正比關系，簡而言之，對水泥熟料篦冷機鼓風機采取變頻技術改造，可以降低電力資源消耗，實現能源資源節約的目的。

4 篦冷機直流電機交流變頻改造

4.1 篦冷機直流電機耗能情況介紹

許多第三代篦冷機水泥生產企業傳動設備仍在使用直流傳動方式，主要是直流傳動調速性能良好。但是這種設備結構復雜，維護電刷和整流子時尤為困難，且購買價格昂貴，對使用環境有著很高的要求，若是在使用期間發生損壞，需要預留很長的時間進行設備維修，直接或間接造成水泥生產企業經濟損失。可見該設備節能效果相對較差，在水泥生產企業生產期間，需采取創新性方案提升效率[4]。

4.2 篦冷機直流電機交流變頻改造

通過實踐結果證明，變頻處理技術能大幅度縮短停機時間，使水泥生產企業損失降低。變頻調速利用交流電動機定子供電頻率改變以實現轉速同步，達到調節交流電機轉動速度的目的。其調速范圍寬、平滑性好和優秀的靜態特性與動態特性，使得該調速手段成為最好的高性能和高效率手段。在進行變頻調速期間，電動機的轉速從高速度轉變為低速度，轉差率始終保持在最小的數值，異步電動機具有很高的功率因數。在當前水泥生產企業中，篦冷機電動機仍舊基本采用直流電機拖動，在后續改造期間，可以基于企業生產實況調整方案，采用交流變頻拖動技術。

5 變頻技術應用效益分析

5.1 節能減排，降低水泥生產企業能耗

在生態環保理念下，積極謀求生產工藝變革勢在必行，企業內部積極貫徹可持續發展理念，橫向對比、對標管理，積極尋求最佳的能源節約方案。篦冷機與變頻技術結合，可以實現能源合理利用，使得各類能源資源按需供應，節省企業維修設備成本支出。

5.2 增加產品產能

水泥價格上漲成為當前水泥市場最為明顯的變化特征，面對龐大的消費市場，水泥生產企業都開足馬力，不斷拓展生產產能，謀求更大利潤[5]。企業在國家限制生產線大肆擴張的前提下開展生產，可通過變頻技術優化篦冷機能力，進而增加產量。

6 結束語

水泥生產企業作為高能耗、高污染行業，在工業生產領域是節能減排監督的重點。水泥熟料篦冷機改造應用變頻技術，可顯著提升企業節能效益。通過變頻技術調節篦冷機鼓風機閥門，合理控制流量風壓，提高調速精準度，獲得較快響應速度，實現工藝優化，保證資源合理使用。采用交流變頻技術，可以縮短設備維護時間，提高產量，實現能源資源節約，延長設備使用壽命。