產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在特種水泥生產線高溫風機節能改造中的應用
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引言
中國聯合水泥集團下屬某水泥有限公司1000t/d特種水泥熟料生產線，核心生產設備為∮3×48m五級旋風預熱器窯外分解回轉窯，主要產品為硫鋁酸鹽特種水泥及相關工程材料，由于受當時電氣設備制造技術、性能價格比的限制及設計思想的影響，窯尾高溫風機設計采用液力偶合器調速方式，近幾年隨著電力電氣技術的發展，高壓變頻技術的日益成熟，其優越的調速節能節電特性得到更大范圍發揮，應用推廣工作正在各相關行業快速推進，在其產生巨大節能節電效益后，高壓變頻器成為國家水泥節能設計規范標準要求的設備，我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執行的強制性標準《GB50443-2007水泥工廠節能設計規范》中的第4.3.5條明確規定：“窯尾高溫風機應采用變頻調速裝置。”第5.2.3條明確規定：“有調速要求的電動機應采用變頻調速裝置。”因此2011年8月份，公司淘汰了原液力偶合器，新增高壓變頻器調速的節能改造方案。
2原設備概況
公司現場高溫風機機組的主要參數如下：
2.1高溫風機銘牌參數
型號：W6-2-29-1
NO19.5 最高使用介質密度：1.4kg/m3 溫度：450℃ 進口流量（風量）：170000m3/h 軸功率556kW 全壓（風壓）：
8400Pa 主軸轉速：1450rpm
2.2電機銘牌參數
電機型號：Y500-4 額定功率：630kW 額定電壓：10000V
額定電流：43.3A
額定轉速：1490rpm 功率因數：0.885 額定頻率：50Hz 接線方法：Y 絕緣等級：F
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改造前液力偶合器工作簡述
液力偶合器又稱液力聯軸器，是以液體為工作介質，利用液體的動能的變化來傳遞能量的葉片式傳動機械。液力偶合器由泵輪、渦輪、轉動外殼、導流管等組成。液力偶合器有以下工作特點：
優點：液力偶合器屬于機械調速，調速方法簡單，初投資低，容易實施。
缺點：
（1）液力偶合器在調節過程中存在滑差損失，由于滑差功率都是以發熱的形式消耗，然后通過冷卻水冷卻后白白浪費掉，機械效率比較低。
（2）由于用油用水，現場油路水路管道布置復雜，尤其是現場漏油滲油現象普遍。
（3）與變頻調速方式相比，液力偶合器調速的精度還比較差，對于對設備轉速要求較嚴的場合，液力偶合器調速無法滿足機組的運行要求。同時，液力偶合器在負載低轉速時，電機的功率因數也不如變頻調速。
液力偶合器在高壓變頻器技術成熟前，在水泥行業窯尾高溫風機調速場合，應用十分廣泛，屬于一段時期內的主流設計配置，但液力偶合器調速畢竟屬于有滑差損失的低效調速方式，因此上世紀90年代迅速發展起來并在近幾年成熟的高壓變頻調速技術正得到大面積推廣與應用。
4高壓變頻調速系統簡介
4.1變頻原理及高壓變頻特點
異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速而實現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動機較為合理的調速方法。目前，變頻調速已成為異步電動機較主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。
高壓變頻調速具有如下顯著的優點：
（1）有效節能：含變壓器在內的整機效率在96％以上，高于原液力偶合器，可減少由負載檔板或閥門調節方式導致的節流損失。
（2）提高功率因數：目前單元級聯式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標準的限制要求，功率因數可保證在0.95以上，與采用液力偶合器、轉子串阻等調速方式相比，輸入功率因數大大提高，無需投資功率補償設備，并可降低有關的設備投資與維護費用。
（3）軟啟、軟停：減少對電網和負載的沖擊，延長電機等設備的使用壽命。采用變頻調速后，可以實現軟起動和軟制動，幾乎不產生沖擊，正常運行時又大多低于電機額定轉速，可大大延長電機定子、轉子軸及軸承等電氣與機械壽命。
（4）節能效果明顯。
對離心式風機而言，流體力學有以下原理：輸出風量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：
風機特性如圖1所示。風機工作在A點時，其功率為PA=H1×Q1／102；風機工作在B點時，其功率為PB=H2×Q2／102。因Q2H1，故PA與為PB的值變化較大，說明采用變工頻工作方式時，改變風機的風量，風機的軸功率減小很大，節能效果顯著。
當風機風量需要改變時，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降，加上自身功效高于液力偶合器，綜合節能節電效果會更優。可見，通過變頻對風機進行改造，可以實現節能，且節能空間可觀。
4.2高壓變頻調速系統結構及高壓主回路方案
這次改造公司選用了山東新風光電子公司生產的風光牌JD-BP38-800F高壓變頻調速系統，采用直接“高-高”變換方式，屬電壓源型，可直接10kV輸入，直接10kV輸出，
電流諧波小，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
風光高壓變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，單元電路模塊化設計，維護簡單，互換性好，高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠，該10kV高壓變頻器，變壓器有24組付邊繞組，分為8個功率單元∕相，三相共24個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分低于國標規定，高壓變頻器系統結構如圖2所示，單元電路的主電路如圖3所示。
高溫風機電機的高壓主回路方案如圖4所示：
K0 原高壓電機配電系統高壓斷路器
K1、K2和K3 新增高壓變頻器旁路開關柜
BPQ
JD-BP38-800F高壓變頻器
M
高壓電動機
變頻器控制高溫風機為一拖一控制，旁路開關柜用于工/變頻切換。K1,K2和K3為三個高壓隔離開關，要求K2和K3不能同時閉合，在機械上實現互鎖。K3斷開，K1和K2閉合，風機可以變頻運行；K1和K2斷開，K3閉合，風機可以工頻運行。
本高壓變頻器采用風冷裝置，只對變頻器的出風處加裝隔熱的通風管道，將熱風直接排出室外，降低柜體內的微環境溫度，確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。未對變頻器房間設置空調設備，只增加房間換氣軸流風機一臺。
4.3.JD-BP38-800F高壓變頻器主要性能指標及常見問題處理
（1）主要性能指標
變頻器功率：800kW
額定輸出電流：50A 輸入頻率：50Hz±5Hz 額定輸入電壓：10kV 允許電壓波動：±20% 輸入功率因數：≥0.98
輸出頻率范圍：0-50Hz 輸出電壓范圍：0-10kV 頻率分辨率：0.01Hz 加速時間：0～3600s 減速時間：0～3600s
變頻器效率：≥96% 過載能力：100%連續 160%連續1min 防護等級：IP20
保護功能：單元旁路功能、單元過壓保護、單元欠壓保護、過流保護、過載保護、變頻器過熱保護、缺相保護等。
（2）常見問題的處理
風光牌JD-BP38-800F高壓變頻器具有高度的智能化水平和完善的故障檢測電路
并能對所有故障提供精確的定位，在人機界面或工控機界面上作出明確的指示。用戶根據顯示的故障信息，分別采取相應的處理措施。
為保證設備的可靠性，使設備最大程度不間斷運行。系統發生下列故障時，按照一般故障處理：變壓器輕度過熱，柜門連鎖故障，單元柜風機故障，工控機故障。對于一般故障的發生，系統不作記憶處理。在停機狀態下，如果存在這類故障，用戶還能進行啟動等操作。
系統發生下列故障時，按照重故障處理：單元重故障，變壓器嚴重過熱，以上重故障發生后，系統作記憶處理。故障一旦發生，系統報警并自動跳閘停機。只有故障徹底排除后，才能重新開機。
5改造項目實施及運行情況
2011年8月1日，公司與山東新風光電子科技發展有限公司正式簽定變頻器的供貨合同和技術協議，根據現場空間情況及生產形勢，在原來系統還在正常運行時，提前將高壓變頻器柜體及功率單元等部件運抵現場并進行本體組合安裝，安裝完畢后，在高壓變頻器輸入側通入220V普通交流電，用示波器對各功率單元輸出波形進行測試與對比，初步驗證安裝聯線質量與器件性能；8月底在停窯檢修項目改造對接期間，將原液力偶合器拆除，高壓電動機與高溫風機直連對接，連接外圍控制線及與DCS接口，引入10kV主電源，輸出側連接高壓電機定子，做好高壓通電試機準備，按步驟對高壓變頻器進行空載、帶載運行調試，做好調試運行記錄。
（1）變頻器具有多項保護功能，十分完善，與原來舊系統相比較，變頻器具有過流、短路、缺相保護等多項保護功能，能更精確地保護電機，運行穩定，安全可靠。特別指出的是，一次進廠10kV線路B相斷相故障及全廠突然跳閘停電，并沒有對變頻器造成損害，說明產品具有比較高的可靠性。
（2）可根據生產現場的實際工況，通過DCS系統給定變頻器調節信號，靈活調整高溫風機轉速，調節精度高于原來液力耦合器方式，達到工藝需要及節能節電目的。
（3）減少了維護費用。由于對于高壓電機實現真正意義上軟啟動、軟停止，所以對電機、風機等各種設備以及電網的啟動沖擊大大減少，減少了設備維護費用，延長了設備的使用壽命，大大降低了維護成本。
（4）節能節電效果顯著，大大降低了高溫風機電耗。為了對高溫風機系統變頻改造后的效果進行評價，在系統改造前、原使用液力偶合器調速時，就對正常工作日用電量進行數據統計與分析，記錄好電源電壓、電機電流及系統壓力等參數，改造為高壓變頻調速后再對設備實際使用和節電情況進行了測定和數據分析，我們認為采用高壓變頻調速后與原使用液力偶合器調速相比（改造前后窯況相同，窯尾預熱器C1筒出口負壓4500Pa左右，高溫風機轉速全天穩定在1170rpm左右時）節電率大約在15%左右，每天節電1200kW·h左右，一年按照300天運行時間計算，年節約用電36萬kW·h，每kW·h電價按0.70元，年創直接經濟效益25.2萬元。
6結束語
山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-800F高壓變頻器在特種水泥生產線高溫風機上的改造是成功的，它不僅滿足了回轉窯煅燒硫鋁酸鹽特種水泥生產工藝的要求，節能效果顯著，而且性能穩定，運行可靠。隨著電氣電力技術的發展，相信不久的將來，高壓變頻器技術應用會越來越廣闊。
