窯尾高溫風機變頻技術改造及經濟效益分析

王守忠

（鑫塔水泥有限責任公司,黑龍江 鶴崗 154100）

0 引言

窯尾廢氣通過高溫風機給生料系統供風，由于高溫風機出風管道比較長而且角度較大，致使窯尾廢氣中存在的灰塵附著在出風管道壁上，粉塵積攢到一定程度就會發生塌料現象，尤其上了窯尾余熱發電以后，間斷性發生瞬間粉塵塌落現象，造成風機電流波動較大，有時超過了額定電流，嚴重影響中控操作，經常性地減風減料或加風加料，直接影響了窯工藝系統的穩定性。基于此，我們對窯尾高溫風機電機采用高壓變頻調速控制改造，克服了以上不足問題，同時又達到節能減排的效果。

1 風機高壓變頻調速控制改造情況

1.1 變頻器設備選型

窯尾高溫風機電機型號為YSPKK500-6，功率為1400kW,電壓10kV,電流97.6A,轉速993r/min，高溫風機調速采用液力耦合器，液力耦合器是一種以液體（多數為油）為工作介質，改變油腔內的循環油量，就可以改變液力耦合器所傳遞的轉矩和輸出軸的轉速，從而實現電動機在定速旋轉的情況下對風機無極變速。液力耦合器在帶動風機負載調速工作時，轉速比越小，其調速效率越低，功率損耗也越大，所以液力耦合器屬低效調速裝置。

因此，擬采用高壓變頻器進行調速控制改造。變頻器選型方案如下：（1）變頻器功率選擇1800kW，適當放大功率，以適應大電流；（2）采用9單元設計，降低每個功率單元的母線電壓，提高其短時過壓沖擊；（3）采用基于高速MT采樣的Imax電流控制技術，對電流進行控制。

1.2 高壓變頻控制改造

1.2.1 輸入電流

輸入變壓器采用干式移相多繞組變壓器，該變壓器將高壓工頻電轉換成低壓電，為每個單元提供供電電壓，為了減少由于低壓側整流造成的諧波會通過變壓器回到電網，給電網帶來污染，采取將變壓器二次側繞組移相，使二次側繞組互差一定角度，來抑制變壓器一次側的諧波，實現了輸入側的無諧波。

改造采用的變頻器為10kV、9單元設備，移相整流變壓器原邊繞組為10kV，副邊共有27個繞組分為三相。每個繞組的連接方式為延邊三角形接法，移相角度分別有±3.75°、±11.25°、±18.75°、±26.25°等，各移相角的角度相差7.5°。每個繞組接一個功率單元，由于在360°的范圍內，移相角之間相差7.5°，可以得到整流的脈波數為48。這種移相接法可以有效地消除47次以下的諧波，使得輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真低于4%，不會對電網造成超過國家標準的諧波干擾，并實現隔離降壓。由于變壓器二次繞組分配時，組成同一相位組的每3個二次繞組分別給分屬于電動機三相的功率單元供電。這樣，即使在電動機電流出現不平衡的情況下，也能保證各相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。這樣變頻器不加任何諧波濾波器就可以滿足供電部門對輸入電流諧波失真的要求（見圖1）。

圖1 變頻器主電路示意圖

1.2.2 控制信號

控制信號是由控制器根據系統運行頻率，協調各個單元的相位角度、工作情況，在接收到控制信號后，每個功率單元工作都是獨立的，輸出波形如圖2所示。

圖2 功率單元輸出波形圖

高壓變頻器采用將多個功率單元通過移相的方式疊加形成高壓，三相Y型相接后輸出，中性點懸浮，得到驅動電機的高壓三相電源。10kV為27個單元，如圖3所示。

圖3 功率單元三相星星連接法

1.2.3 控制器

控制器采用光纖進行通訊，將每個單元的運行狀態和直流母線電壓傳送到控制器，控制器根據每個單元傳輸來的直流母線電壓，并根據各個單元直流電壓的不同進行相應的補償，保證系統的靜態調速精度。控制器根據從單元傳輸過來的單元工作狀態，判斷單元是否工作正常，做出相應的處理。

1.3 高壓變頻調速裝置系統接口方案

改造前，窯尾高溫風機采用液力耦合器調速，中控驅動高壓柜直接啟動。變頻器改造則需要設置接口，將變頻器與高壓柜聯鎖，允許高壓柜合閘、高壓柜故障分閘、高壓柜運行狀態等開關量，變頻器的開關量，輸入采用AC220V線圈的繼電器進行隔離，輸出采用DC24線圈的繼電器進行隔離。即輸入變頻器的開關量有源接點，變頻器輸出開關量為無源節點。中控DCS啟動指令為3s，脈沖閉合有效，變頻器開始運行；停機指令為3s，脈沖閉合有效，變頻器正常停機。高壓變頻器需要提供DCS系統，變頻器備妥、運行、故障開關量，變頻器提供2路4mA～20mA模擬量輸出，帶負載能力均為500Ω。模擬量信號和物理量實際大小的對應關系可在觸摸屏上設定，每路模擬輸出對應的物理量可以選擇輸出頻率、輸出電流等；變頻器模擬量可接受1路4mA～20mA電流源輸入，其對應的物理量定義為給定頻率。

2 變頻改造經濟效益分析

2.1 變頻改造前后節電效率對比

變頻調速通過電子整流和脈寬調制技術改變電動機的電壓和頻率，變頻調速可以在全轉速范圍內保持較高效率運行。圖4為液力偶合器調速與變頻調速方式的效率曲線比較，由圖4可以看出，當輸出轉速降低時，液力耦合器的效率比變頻調速的效率下降快得多，因此變頻調速的低速特性比液力耦合器要好。

圖4 兩種調速方式效率曲線

節電率=1-變頻器損耗-調速比＋液力耦合器的機械損失和容積損失等于額定傳動功率的3%～4%（取3.6%）/調速比。也就是“節電率=變頻器效率-調速比+3.6% Pec/調速比”，一般可以認為變頻器的損耗和液力耦合器的機械損失和容積損失相當，則節電率的計算可以簡化為：節電率=100%-調速比。如果要保留液力耦合器，節電率=100%-調速比-變頻器損耗-液力耦合器因為丟轉而損失的效率約3%～4%/調速比。為了與上式有可比性，均按實際傳送功率的4%～5%計算，則節電率的計算也可以簡化為：節電率=100%-調速比-(8%～10%)。

綜上所述，根據現場液力耦合器一般全開，也就是調速比97%，那么綜合風門開度和液力耦合器效率計算節電率可得：

拆除液力耦合器：

節電率=（30%～37%）+3.6%=33.6%～40.6%

不拆除液力耦合器：

節電率=（30%～37%）+3.6%-8%=25.6%～32.6%

2.2 變頻器改造節電率的計算

2.2.1 理論節電率計算

節能量計算可用《GB/T 12497-2006三相異步電動機經濟運行》強制性國家標準實施監督指南中的計算公式，即：

式中：

PL——變頻器改造后風機所需輸入功率，kW；

PE——達到風機額定流量時所需輸入功率，kW；

Q——實際所需流量，m3/h；

QN——風機額定流量，m3/h。

設流量比為k，則有:

求出變頻器改造后的實際功率后，則可根據式（3）算出變頻改造后的節電率λ

根據實際數據采集可以看出，窯尾高溫風機平均風門開度在60%～70%左右，那么風量Q/QN為85.5%～90.8%左右，根據公式（1）與（3）計算理論節電率應為15%～24%。（以上計算均屬于理論計算值，存在一定量的偏差，而且采樣數據可能和現場運行工況的調節及實際負荷不同，安裝變頻后根據負荷對變頻頻率的調節也存在誤差。）

2.2.2 變頻器改造后的實際節電率

經過一年運行，從中控DCS系統調取高壓變頻器技改前后的運行數據分析，實際節電率的計算如下：通過對改造前高溫風機運行（中控）平均電流85A，計算電量1398.59kWh，變頻器改造后運行電流67.5A，計算電量1110.65kWh，即小時節約電量287.95kWh，電費按平均單價0.65元/kWh計算，每小時節約電費181.32元/h。一年按7個月的生產周期核算，即24小時×30天×7個月×181.32元=913852.8元，通過以上對比節電率為21%。

3 變頻器故障維修案例

3.1 液力耦合器維修案例

液力耦合器調速通過執行器調整勺桿開度來實現，運行時中控操作人員發現執行器給定與反饋不符，調整滯后造成工藝不穩定，電機運行電流波動大。故障檢查：中控給定70%（對應輸出4mA～20mA），反饋65%，有偏差。脫開執行器與液耦的連接齒輪空載調試，對執行器零點及滿度進行標定，處理齒輪與液耦之間的油脂，重新安裝連接后試車正常。

經驗總結：由于液力耦合器執行部分為電動執行器，其內部采用固化后的模塊，只留下需要調整的零點、滿度電位器、死區電位器、以及接線端子等，執行器安裝在室外電機附近，受周圍工作環境及風機產生的振動影響較大,因此需要定期維護。執行器運行中的抗干擾是非常棘手的問題，雖然執行器內部模塊已經采用了封閉式固化模塊，防止干擾，增強穩定性，但是現場中使用對講機、電子整流器照明燈等電子設備都直接影響執行器穩定性，雖然采取一些屏蔽、接地、控制線路與動力電纜分離，穿鍍鋅鋼管等技術抗干擾措施，不同程度減少干擾，但是偶爾也會發生執行器抖動，對執行器模塊死區電位器進行調整，調整過大反應靈敏，過小則響應遲鈍，很難達到理想狀態。即便調整到最佳效果，運行一定周期后又會發生此現象，無法徹底根除；同時執行器與外露的嚙合齒輪采用開放式安裝，齒輪中常常有油脂及灰塵夾雜，影響齒輪的嚙合度，需要定時清理保養，處理不及時造成執行器運行中過載保護，工作中液力耦合器對油路、冷卻水路，散熱條件以及冬季油路、水路、保溫都有嚴格要求，維護保養成本高，故障率大，影響設備運轉率，只有拿出可行技改方案才能徹底解決問題。

3.2 高壓變頻器運行跳停故障維修案例

故障過程：設備正常運行中，中控人員反映高壓變頻器突然跳停，無運行反饋信號，中控顯示故障報警，高壓變頻器中控反饋電流、頻率已經降為“0”，設備停機。

現場排查故障：高壓變頻器面板故障報警指示燈點亮，證明高壓變頻器確實已經故障跳停，首先把供給高壓變頻器的高壓斷路器小車推出到實驗位置，將高壓變頻器面板轉換開關旋到本地位置，進行人工復位后，調取觸摸屏故障記錄：顯示高壓變頻器運行中，高壓電丟失，檢查供電高壓柜智能綜合保護器供電顯示10kV正常，排除外線路供電故障，檢查高壓柜到高壓變頻器的開關量信號：允許合閘、故障跳閘、以及高壓變頻器接收高壓柜運行信號，控制小型繼電器都正常，將高壓供電柜及高壓變頻器調到實驗位置調試試車，檢查發現變頻器接收高壓柜的反饋運行繼電器指示燈有“眨眼睛”現象，說明接觸不良，停電重新對繼電器及線路接線端子進行檢查，用萬用表對反饋無源點進行通斷測試，發現線路接線端子有松動跡象，把連接控制線重新拆下，處理端子接線，重新緊固端子，再次通電調到實驗位置試車，故障現場排除，恢復正常送電,變頻器正常工作。

經驗總結：高壓變頻器經過一段時間的運行受熱脹冷縮影響，正常運行時機柜內有一定的溫度，尤其當窯系統停產檢修，再次啟動運行時（這時機柜恢復環境溫度）接線端子就存在松動接觸不良，或者小型繼電器受工作環境影響密封不好進入灰塵等現象，這時用肉眼無法檢查發現，對于小型繼電器（由于數量不多）檢修時一般采取直接替換辦法立竿見影，對于大負荷接線端子，控制端子定期安排檢修，適當緊固，通過運行一個周期，基本杜絕接線端子或者小型繼電器、轉換開關引起接觸不良故障發生，由于高壓變頻器輸入側為高電壓，對于配電柜門，限位開關、以及移相變壓器冷卻風機系統都是停車主要檢查保養項目。這起故障是由于前段時間停產檢修，再次啟動運行時發生的接觸不良故障。由于變頻器具有完善的保護功能，出現故障后立即跳停，防止故障擴大化，同時可通過人機界面觸摸屏查找故障記錄，變頻器實現與DCS聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，大大降低了排查故障時間，提高了生產效率。從變頻改造后一年的運行情況來看，因變頻器自身控制系統的原因出現的故障基本沒有，變頻器控制已相當成熟，故障率低、基本達到免維修程度。

4 結束語

通過以上對變頻調速控制節能改造的實際案例分析可以看出，變頻器工藝設備先進，技術成熟可靠，改造后不僅穩定了窯的熱工制度，熟料產量每小時提高5t以上，且節電效果明顯，窯的故障率顯著降低，基本上免維護。變頻器節能改造，屬國家重點鼓勵發展的節能環保項目，具有廣泛的推廣價值和顯著的經濟效益。