摘要：

黔桂興義年產240萬噸水泥廠生產線技改項目于2012年10月初點火投入試生產。該項目綜合利用興義電廠粉煤灰、脫硫石膏等工業廢渣而實施的改擴建項目，每年可綜合利用粉煤灰、脫硫石膏等工業廢棄物80多萬噸，可節約標準煤2.5萬噸，減少二氧化碳排放量2.4萬噸。黔桂金州4500t/d的水泥生產線中的窯頭排風機、窯尾排風機、生料磨循環風機、煤磨排風機、水泥磨循環風機、水泥磨排風機原來采用風門調節風量與風壓，在負壓發生變化時，需要人工調節風門，由于人調節不準，造成電能嚴重的浪費。目前工業發達國家已廣泛采用變頻調速技術，在我國也是國家重點推廣的節電新技術。本工程利用成熟、先進、可靠的技術進行風機系統變頻節能改造，是典型的節能改造項目，符合國家的環保節能政策。

關鍵詞：變頻 節能 改造

一.設備改造背景

現場中的生料磨循環風機等高能耗設備，其輸出功率不能隨生產負荷變化而變化，只有通過改變風門、檔板的開度來調整，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節流損失中。

為了提高水泥生產線的生產效率、降低能耗以及系統的綜合可靠性，生料磨循環風機等設備的驅動系統擬采用全數字交流高壓變頻器實施控制。高壓變頻調速系統是直接串聯于高壓電源與高壓電機之間的變頻調速設備，以其現場改造、安裝方便以及安全、良好的運行性能正快速的替代其它調速產品，全面的進入到水泥行業的節能改造項目中。利用高壓變頻調速技術的目的是改變設備的運行速度，以實現調節現場工況所需風壓、風量的大小，大大提高了系統的自動化程度，既滿足了生產要求，又達到了節約電能，并且減少了因調節擋板而造成擋板和管道的磨損以及因經常停機檢修所造成的經濟損失，同時使維護量大大降低，為水泥廠帶來了可觀的效益，切實響應了國家節能降耗的號召。

二.主設備概況

1)生料磨循環風機-目前用水電阻啟動(共1臺)

2)、窯尾風機-目前用水電阻啟動(共1臺)

3)、窯頭風機參數-目前用水電阻啟動(共1臺)

4)、水泥磨排風機-目前用水電阻啟動(共2臺)

5)、水泥磨循環風機-目前用水電阻啟動(共2臺)

6)、煤磨通風機-目前用水電阻啟動(共1臺)

三、改造前、后設備控制方式

1.改造前控制方式(水電阻啟動)

液體電阻起動控制器是采用特種介質的水溶液作為電阻，在特別設計的液體電阻箱中引入極板做電極串入電機轉子回路中，當電動機起動時，由一小功率伺服電機帶動極板移動來改變極板的相對位置，使液體電阻(串入轉子回路的)由大到小作無級變化，從而使電機低電流平滑起動。

2. 改造后控制方式

由于原水阻柜安裝在轉子側，因此在變頻改造時，保持原水阻柜的接線方式即可。并配置如下圖所示的短接柜，當變頻器故障時手動切換到旁路運行，通過原水阻柜系統工頻啟動。

手動旁路柜中有三個隔離開關QS1、QS2和QS3，其中QS2和QS3為一個雙刀雙投的隔離開關。雙刀雙投隔離開關的特點是兩個方向只能合其一，實現機械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側而導致變頻器損壞。

變頻運行：QS1、QS3閉合，QS2斷開，由合閘斷路器QF為變頻器供電，再通過變頻器本地或遠程啟動電機變頻運行;

工頻運行：QS1、QS3斷開，QS2閉合，由合閘斷路器QF直接啟動電機運行;

變頻器維護、修理：QS1、QS3斷開，變頻器與高壓電源完全隔離。

旁路柜與上級高壓斷路器QF有聯鎖關系，旁路柜隔離開關未合到位時，不允許QF合閘，QF合閘時，絕對不允許操作隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。隔離開關與QF的聯鎖通過操作手柄上的電磁鎖實現，在QF合閘狀態下，操作手柄被鎖死。

為了保護變頻器，在變頻器與斷路器QF之間還有電氣聯鎖，聯鎖信號有：

合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯后，串聯于高壓開關合閘回路。在變頻投入狀態下，變頻器故障或不就緒時，斷路器QF合閘不允許;旁路投入狀態時，合閘閉鎖無效。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入;旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。

QF保護整定：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

短接柜：短接柜主要是為了實現旁路柜工頻旁路時能投運原系統，將原水阻串入回路。短接柜中有一個真空接觸器KM1，變頻運行時：KM1閉合;工頻運行：KM1斷開。

五. 參數對比

5.1 節能分析

5.1.1 變頻調速的方法

交流異步電動機的輸出轉速由下式確定：

n=60f(1—S)/p

式中 n——電動機的輸出轉速;

f——輸入的電源頻率;

S——電動機的轉差率;

p——電機的極對數。

由公式(1)可知，變頻調速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機的輸出轉速的目的。

變頻調速系統是從電網直接接收工頻50Hz的交流電，經過交-直-交變頻方式，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節的交流電直接輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。

5.1.2 變頻調速的節能原理

風機(水泵)類負載設備的工作特性圖如下：

曲線①為負載按轉速N1工作時的特性曲線，曲線②為負載按轉速N2工作時的特性曲線，③④為管網的阻力曲線。

在第一種負載工況下，負載工作在A點，流量為Q1，壓力為H1。如果負載仍然按N1速度定速運行，用擋板將流量調節為Q2時，壓力將上升到H3，負載工作點移到B點。由于擋板的截流作用，管網阻力曲線由③變為④。

在A、B兩點，負載功率分別為PA=H1×Q1，PB=H3×Q2，雖然Q2H1，實際減小的功率有限。

如果不采用擋板調節，這時管網阻力特性保持曲線③不變，改用調節負載速度來減小流量，負載改按速度N2運行，工作特性為曲線②，負載工作在C點，流量仍然為Q2，但壓力為H2。

相比B、C兩點，負載減少的軸功率為：ΔP=PB- PC=(H3 –H2)×Q2

在風道阻力特性不變的情況下，離心式風機的風量Q、壓力H、軸功率P和轉速N之間滿足如下關系(相似定理)：

Q∝N，H∝N2,P∝N3

所以有：

就是說，通過調速方式改變風機風量，風量下降一半時，在不考慮到效率的情況下，風機軸功率將下降87.5%。這也是為什么變頻調速在風機應用上節能十分顯著的原因。

另外，工頻50Hz電網直接啟動，對電網和機械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動一次的損耗:Ws=0.5Jwo2(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，風機、水泵類負載的平方轉矩特性與異步電動機起動時的機械特性曲線部分相似，可以Tm/Tm-TL=1計。而變頻軟起動損耗很小，只有上述Ws十分之一，則每年的起動節能也是很可觀的。

當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近l,工作電流比電機額定電流值要低許多,這是由于變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用,可以為電網節約容量20%左右。

5.2實際節能

在同樣產能情況下(生料投料385T/h，水泥磨150T/h)，以通過該設備高壓開關實際電流測算。

六、總結

采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統在接近額定狀態下工作，通常情況下，變頻調速系統的應用主要是為了降低電機的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低，相應地延長了許多零部件的壽命;同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節約大量維護費用。

工作強度降低。由于調速系統在運轉設備與備用設備之間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。

減少了對電網的沖擊。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。

【作者：貴州黔桂金州建材有限公司 李恒剛 黃菲】

摘要：

黔桂興義年產240萬噸水泥廠生產線技改項目于2012年10月初點火投入試生產。該項目綜合利用興義電廠粉煤灰、脫硫石膏等工業廢渣而實施的改擴建項目，每年可綜合利用粉煤灰、脫硫石膏等工業廢棄物80多萬噸，可節約標準煤2.5萬噸，減少二氧化碳排放量2.4萬噸。黔桂金州4500t/d的水泥生產線中的窯頭排風機、窯尾排風機、生料磨循環風機、煤磨排風機、水泥磨循環風機、水泥磨排風機原來采用風門調節風量與風壓，在負壓發生變化時，需要人工調節風門，由于人調節不準，造成電能嚴重的浪費。目前工業發達國家已廣泛采用變頻調速技術，在我國也是國家重點推廣的節電新技術。本工程利用成熟、先進、可靠的技術進行風機系統變頻節能改造，是典型的節能改造項目，符合國家的環保節能政策。

關鍵詞：變頻 節能 改造

一.設備改造背景

現場中的生料磨循環風機等高能耗設備，其輸出功率不能隨生產負荷變化而變化，只有通過改變風門、檔板的開度來調整，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節流損失中。

為了提高水泥生產線的生產效率、降低能耗以及系統的綜合可靠性，生料磨循環風機等設備的驅動系統擬采用全數字交流高壓變頻器實施控制。高壓變頻調速系統是直接串聯于高壓電源與高壓電機之間的變頻調速設備，以其現場改造、安裝方便以及安全、良好的運行性能正快速的替代其它調速產品，全面的進入到水泥行業的節能改造項目中。利用高壓變頻調速技術的目的是改變設備的運行速度，以實現調節現場工況所需風壓、風量的大小，大大提高了系統的自動化程度，既滿足了生產要求，又達到了節約電能，并且減少了因調節擋板而造成擋板和管道的磨損以及因經常停機檢修所造成的經濟損失，同時使維護量大大降低，為水泥廠帶來了可觀的效益，切實響應了國家節能降耗的號召。

二.主設備概況

1)生料磨循環風機-目前用水電阻啟動(共1臺)

2)、窯尾風機-目前用水電阻啟動(共1臺)

3)、窯頭風機參數-目前用水電阻啟動(共1臺)

4)、水泥磨排風機-目前用水電阻啟動(共2臺)

5)、水泥磨循環風機-目前用水電阻啟動(共2臺)

6)、煤磨通風機-目前用水電阻啟動(共1臺)

三、改造前、后設備控制方式

1.改造前控制方式(水電阻啟動)

液體電阻起動控制器是采用特種介質的水溶液作為電阻，在特別設計的液體電阻箱中引入極板做電極串入電機轉子回路中，當電動機起動時，由一小功率伺服電機帶動極板移動來改變極板的相對位置，使液體電阻(串入轉子回路的)由大到小作無級變化，從而使電機低電流平滑起動。

2. 改造后控制方式

由于原水阻柜安裝在轉子側，因此在變頻改造時，保持原水阻柜的接線方式即可。并配置如下圖所示的短接柜，當變頻器故障時手動切換到旁路運行，通過原水阻柜系統工頻啟動。

手動旁路柜中有三個隔離開關QS1、QS2和QS3，其中QS2和QS3為一個雙刀雙投的隔離開關。雙刀雙投隔離開關的特點是兩個方向只能合其一，實現機械互鎖，防止誤操作將工頻電源反送到變頻器輸出側而導致變頻器損壞。

變頻運行：QS1、QS3閉合，QS2斷開，由合閘斷路器QF為變頻器供電，再通過變頻器本地或遠程啟動電機變頻運行;

工頻運行：QS1、QS3斷開，QS2閉合，由合閘斷路器QF直接啟動電機運行;

變頻器維護、修理：QS1、QS3斷開，變頻器與高壓電源完全隔離。

旁路柜與上級高壓斷路器QF有聯鎖關系，旁路柜隔離開關未合到位時，不允許QF合閘，QF合閘時，絕對不允許操作隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。隔離開關與QF的聯鎖通過操作手柄上的電磁鎖實現，在QF合閘狀態下，操作手柄被鎖死。

為了保護變頻器，在變頻器與斷路器QF之間還有電氣聯鎖，聯鎖信號有：

合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號與旁路柜“工頻投入”信號并聯后，串聯于高壓開關合閘回路。在變頻投入狀態下，變頻器故障或不就緒時，斷路器QF合閘不允許;旁路投入狀態時，合閘閉鎖無效。

故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯后，并聯于高壓開關分閘回路。在變頻投入狀態下，當變頻器出現故障時，分斷變頻器高壓輸入;旁路投入狀態下，變頻器故障分閘無效。

QF保護整定：保持原有對電機的保護及其整定值不變。

短接柜：短接柜主要是為了實現旁路柜工頻旁路時能投運原系統，將原水阻串入回路。短接柜中有一個真空接觸器KM1，變頻運行時：KM1閉合;工頻運行：KM1斷開。

五. 參數對比

5.1 節能分析

5.1.1 變頻調速的方法

交流異步電動機的輸出轉速由下式確定：

n=60f(1—S)/p

式中 n——電動機的輸出轉速;

f——輸入的電源頻率;

S——電動機的轉差率;

p——電機的極對數。

由公式(1)可知，變頻調速就是通過改變輸入到交流電機的電源頻率，從而達到調節交流電動機的輸出轉速的目的。

變頻調速系統是從電網直接接收工頻50Hz的交流電，經過交-直-交變頻方式，將輸入的工頻交流電變換成為頻率和幅值都可調節的交流電直接輸出到交流電動機，實現交流電動機的變速運行。

5.1.2 變頻調速的節能原理

風機(水泵)類負載設備的工作特性圖如下：

曲線①為負載按轉速N1工作時的特性曲線，曲線②為負載按轉速N2工作時的特性曲線，③④為管網的阻力曲線。

在第一種負載工況下，負載工作在A點，流量為Q1，壓力為H1。如果負載仍然按N1速度定速運行，用擋板將流量調節為Q2時，壓力將上升到H3，負載工作點移到B點。由于擋板的截流作用，管網阻力曲線由③變為④。

在A、B兩點，負載功率分別為PA=H1×Q1，PB=H3×Q2，雖然Q2H1，實際減小的功率有限。

如果不采用擋板調節，這時管網阻力特性保持曲線③不變，改用調節負載速度來減小流量，負載改按速度N2運行，工作特性為曲線②，負載工作在C點，流量仍然為Q2，但壓力為H2。

相比B、C兩點，負載減少的軸功率為：ΔP=PB- PC=(H3 –H2)×Q2

在風道阻力特性不變的情況下，離心式風機的風量Q、壓力H、軸功率P和轉速N之間滿足如下關系(相似定理)：

Q∝N，H∝N2,P∝N3

所以有：

?

?

就是說，通過調速方式改變風機風量，風量下降一半時，在不考慮到效率的情況下，風機軸功率將下降87.5%。這也是為什么變頻調速在風機應用上節能十分顯著的原因。

另外，工頻50Hz電網直接啟動，對電網和機械沖擊較大，聲響很大，估算其啟動一次的損耗:Ws=0.5Jwo2(1+r1/r2)Tm/Tm-TL，風機、水泵類負載的平方轉矩特性與異步電動機起動時的機械特性曲線部分相似，可以Tm/Tm-TL=1計。而變頻軟起動損耗很小，只有上述Ws十分之一，則每年的起動節能也是很可觀的。

當采用變頻調速時，50Hz滿載時功率因數為接近l,工作電流比電機額定電流值要低許多,這是由于變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用,可以為電網節約容量20%左右。

5.2實際節能

在同樣產能情況下(生料投料385T/h，水泥磨150T/h)，以通過該設備高壓開關實際電流測算。

六、總結

采用變頻調速后，無論哪種工藝條件，隨時可以通過調整轉速使系統在接近額定狀態下工作，通常情況下，變頻調速系統的應用主要是為了降低電機的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低，相應地延長了許多零部件的壽命;同時極大的減輕了對管道的沖擊，有效延長了管道的檢修周期，減少了檢修維護開支，節約大量維護費用。

工作強度降低。由于調速系統在運轉設備與備用設備之間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由手動轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。

減少了對電網的沖擊。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流遠遠小于額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。

【作者：貴州黔桂金州建材有限公司 李恒剛 黃菲】