產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
5000t/d水泥生產線高溫風機變頻改造紀實
烏蘭察布中聯水泥有限公司是中國建材集團水泥業務平臺中國聯合水泥集團有限公司旗下的核心企業，是中國建材在香港H股上市成員企業之一。公司總部位于烏蘭察布市察哈爾右翼后旗紅格爾圖鎮，于1996年10月成立，注冊資金5.6億元。下設有呼和浩特中聯水泥有限公司（位于呼和浩特金川開發區臺閣牧鎮霍寨村）和集寧分公司（位于烏蘭察布市集寧區福新東路19號），目前以形成水泥生產、熱電聯產和純低溫發電為一體的大型企業，是國家重點支持產業調整的60家大型水泥企業之一。
公司依托中央企業的政策優勢、規模優勢、技術優勢、品牌優勢，本著“平等合作、互利共贏”的原則，與更多的客戶、供應商和行業同仁在多個領域開展合作，實現互惠共贏，努力將公司建設成為資源節約型、環境友好型、創新績效型、社會責任型的現代化企業。
2現場設備工況
烏蘭察布中聯水泥集寧分公司有一條5000t/d熟料生產線，于2008年投產，生產線高溫風機采用水電阻軟啟動設備啟動運行。風量調節通過液力耦合器及改變風門、檔板的開度來實現，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，還有液力耦合器運行運轉效率比較低，液力偶合器目前故障率高，軸封、軸承等部件經常更換，維護工作量大，致使大量人力、物力的浪費。水泥廠領導經過多方考察，比較液力耦合器調速與高壓變頻調速兩種高壓電機調速方式，認為：
（1）高壓變頻器調速范圍為0-100%,而液力耦合器的調速范圍一般為40-95%，即高速段造成的5%的速度損失，液力耦合器下限一般只能到額定速度的40%。
（2）高壓變頻器在整個調速范圍內都具有較高的效率（大于96%），而液力耦合器在調速越低時效率越低，本身帶來不小的損耗，調速的節能效果大打折扣。
（3）高壓變頻器對電機及負載機械實現真正的軟啟動，如果工藝需要，電機可以在短時間內多次重復啟動，液力耦合器不能解決電機啟動問題，電機仍然為直接啟動，需要啟動裝置，啟動沖擊也大，并且不能頻繁啟動。
（4）高壓變頻器是高科技產品，可靠性高，基本免維護，萬一變頻器故障，電機還可以直接掛電網工頻運行，不會造成生產損失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系統，故障率高，液力耦合器一旦故障，負載機械將無法運行，只能停機維修。維修工作量大，造成有效工作時間的縮短。
所以變頻調速技術各方面遠遠高于液力耦合器調速，根據設備現場狀況，變頻調速優于其他調速技術，還有水泥行業變頻改造已非常普遍，技術非常成熟。水泥廠經過招標方式，選取新風光電子科技股份有限公司生產的JD-BP37-3150F型（3150kW/6kV）高壓變頻器對窯尾高溫風機進行改造，2015年7月20日變頻器一次性投入使用，至今運行正常，改造取得了成功。改造后的高壓變頻器現場運行如圖1所示。本文對風光牌JD-BP37-3150F型高壓變頻器在5000t/d窯尾高溫風機的改造情況進行簡要介紹。
圖1
高壓變頻器現場運行圖
3現場窯尾高溫風機及電機參數
4風光JD-BP37系列高壓變頻系統技術特點
新風光電子公司是國家高新技術企業，生產的風光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度傳感器矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；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，可以使用普通的異步電機。
4.1
JD-BP37-3150F高壓變頻器技術指標
JD-BP37-3150F高壓變頻器技術指標如表3所示。
4.2
JD-BP37-3150F高壓變頻器技術特點
具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
(1)高性能矢量控制，啟動轉矩大，轉矩動態響應快，調速精度高，帶負載能力強，提高設備運行的平穩性；
(2)振蕩抑制技術，采用優越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統穩定可靠的工作；
(3)快速飛車啟動技術，特別適用于變頻保護后的重新啟動，可實現變頻器在0.1s之內從保護狀態復位重新帶載運行；
(4)電網瞬時掉電重啟技術，電網瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間；
(5)星點漂移技術，檢測到單元故障后，可在100us之內將單元旁路，執行星點漂移技術，保持輸出線電壓平衡，最大程度提高電壓利用率；
(6)工、變頻無擾切換技術，該技術可滿足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動的需要；可以實現大容量電機雙向無擾動投切，能有效保證生產的正常進行；
(7)輸出電壓自動穩壓技術，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據母線電壓調整輸出電壓，從而實現自動穩壓功能；
(8)故障單元熱復位技術，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機；
(9)多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協議，頻率設定可以現場給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能；
(10)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統的直流電壓，從而實現輸出電壓的優化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統控制性能，并可使保證運行維護人員實現對功率單元運行狀況的全面把握；
(11)單元內電解電容因采取了公司專利技術，可以將其使用壽命提高1倍；
(12)具備突發相間短路保護功能。如果由于設備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設備不受損害，避免事故的發生；
(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過設定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數；
(14)故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續運行。
5改造系統方案介紹
水泥廠領導在高溫風機改造中，在處理液力偶合器的問題上，考慮到該設備故障率高，決定拆除液力耦合器，將電機前移與風機直接相連接；改造后，現場電機如圖2所示。變頻器接入風機側高壓開關和擬改造電機之間，變頻器控制接入原有的DCS系統。為了充分保證系統的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置，保留了原有管道上的擋板（閥門）。高溫風機現有的控制設備和運行方式仍將保留，控制回路上設計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實現高溫風機在工頻或變頻運行。
改造后，高溫風機的控制根據生產工藝需求風量的大小，通過高壓變頻器實時調整風機電機頻率來實現調節風量。采用變頻器后保持進擋板全開，系統可隨時隨意改變風量以適應變化，保持風機的有效運行。
通過目前已有的DCS系統可顯示變頻器的運行數據和當前狀態，實時監控系統運行。操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。變頻器包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(如RS485)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量，增強了系統的靈活性。利用高壓變頻器根據實際需要對高溫風機進行變負荷運行，既保證和改善了工藝，又達到節能降耗的目的和效果。
圖2
改造后電機現場照片
6 改造主回路方案
高溫風機是水泥生產線正常運行的關鍵設備之一，如果不能保證高溫風機正常運行，將迫使水泥生產線停運。因此，高溫風機變頻改造要在選擇可靠性高的變頻器產品的基礎上，還應該配備工頻旁路柜。配備工頻旁路柜的作用是，如果發生變頻器故障跳閘，能夠切換為工頻旁路運行。變頻器故障消除恢復投運時，可以先切除高溫風機旁路開關，依托變頻器的飛車啟動功能，在高溫風機高速惰走的情況下恢復變頻器設備運行，從而大大減小風壓波動的時間。其主回路如圖3所示，采用一拖一手動旁路帶星點柜控制方案。
圖3
手動旁路柜帶星點柜一次回路圖（利用原有星點柜及軟起柜）
高溫風機原配置帶星點柜配置液阻啟動柜，本次改造保留原有星點柜和液阻柜保持不變。需要將星點柜斷路器的一組常開點引至變頻器。需要變頻拖動電機時，液阻柜按原控制方式啟動。即上級高壓開關柜給變頻器送電后，液阻柜得到開關柜閉合狀態信號后就啟動。星點柜閉合后，變頻器檢測到閉合信號后方具備開機條件，然后根據實際情況給變頻器啟動信號，變頻投入運行。工頻運行時，閉合K3，斷開K1，K2，液阻柜按原先工頻方式啟動，完成星點柜和液阻柜的啟動，達到電機軟啟動。
保持現有運行狀態不變。
旁路柜中，共有3個高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用機械互鎖操動機構，實現機械互鎖。當K1、K2閉合，K3斷開時，電機變頻運行；當K1、K2斷開，K3閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關，以防止出現拉弧現象，確保操作人員和設備的安全。
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。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。對于差動保護，在變頻運行期間不可用，可以通過后臺控制退出保
護壓板，在旁路運行時投入保護壓板。
7高壓變頻器在水泥行業應用中的主要問題及應對措施
7.1高溫風機的管道“塌料”問題導致電機過流甚至跳停問題
窯尾高溫風機是保證水泥生產線窯內負壓的重要負載，即使在以往工頻運行、采用液力耦合器調速的高溫風機，也常見由于管道“塌料”導致高溫風機電機過負荷跳閘，導致生產中斷。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風機過負荷導致的變頻器保護停機現象如無專業技術是不可避免的，將給水泥生產線造成更多的損害。
高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產線生產過程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加或如果垂直煙道或預熱器內在清結皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內超出正常電流的數倍，如使用目前國內外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與水泥生產線的正常運行。
新風光公司生產的水泥行業專用變頻器采用無速度矢量控制技術，技術人員針對水泥廠高溫風機塌料引起的電機過載保護現象，采用矢量控制技術，在塌料發生時，變頻器能夠根據測量到電壓、電流信號的變化，以及事先測得的電機參數，根據內建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉矩和電機轉速。而后根據該轉速與給定轉速的偏差，對輸出轉矩進行控制，使得即使塌料發生時變頻器照樣運行不過載，有效地避免了其他廠家的通用高壓變頻器載運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，保證了生產的連續運行。
7.2高溫風機變頻的電源波動與運行可靠性問題
水泥行業連續生產的性質決定了用于水泥廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產。國內的許多企業往往裝備多條生產線，每條生產線均有主要輔機設備組成，每當大容量輔機設備啟動時，電源母線電壓都有較大的跌落（超過-15%），會影響到同條母線上的其他設備正常運行，針對這種現象，風光高壓變頻器在軟件上進行了特殊設計，保證了電網電壓在-35%-15%波動時變頻器維持運行，不停機。
7.3變頻器應用的環境與散熱問題
由于水泥現場粉塵較大，環境相對惡劣，作為電子與電力電子設備，而且由于產生約3～4％的損耗發熱需要散熱，而一般采用風冷散熱，新風光公司生產的水泥行業專用變頻調速系統，系統的器件選型設計裕度大，單元布局獨特布局，優化散熱器與風道設計，提高單元散熱效果，以確保系統運行溫升低，環境適應能力強，實踐證明可以經受住水泥廠惡劣環境的考驗。
8
變頻改造后效果
為了對窯尾高溫風機系統變頻改造后的效果進行評價，在系統投入正常運行后對設備實際使用和節電情況進行了測定和數據分析。工、變頻生產工況基本相同，隨機抽取一個正常工作日，將系統切換工頻運行采用風門調節風量，網側記錄運行數據，然后將系統切換變頻運行，記錄運行數據，具體數據如表4所示。
電價按0.5元/
kW·h，一年運行時間24×300h，一年節電量W為：W=(P工-P變)×7200小時=(2802.7kW
-2240.5kW)×7200小時=4047840kW·h。
一年可節省電費W×0.5=202.3萬元。
9結束語
烏蘭察布中聯水泥集寧分公司通過對窯尾高溫風機進行變頻改造，工作電流大幅度下降，電動機運行振動及噪聲明顯下降，提高了設備運轉率、降低了維護費用。既滿足了生產要求，又達到了節約電能，為水泥廠可帶來了可觀的效益，切實響應了國家節能降耗的號召。
