1、引言 水泥生產(chǎn)企業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶，水泥行業(yè)已被列為國家節(jié)約資源的重點領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節(jié)約型制造和應(yīng)用水平，建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當(dāng)前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟效益和最高的勞動生產(chǎn)率。在水泥的生產(chǎn)中，電動機負(fù)載電耗就占成本近30％，而拖動風(fēng)機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，對于一條水泥生產(chǎn)線其中有25%～30%的電能是用于拖動各種類型風(fēng)機上，因此做好風(fēng)機電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。 目前很多水泥廠的風(fēng)機大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，同時由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需求的風(fēng)量也隨之變化，大部分風(fēng)機采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進(jìn)、出風(fēng)口閥門的開度來實現(xiàn)，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機的效率來達(dá)到要求的，損耗嚴(yán)重。如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度，以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失。隨著電力電子技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)日趨成熟，國際上對于風(fēng)機的風(fēng)量、風(fēng)壓調(diào)節(jié)已普遍摒棄靠調(diào)整配套的風(fēng)門開度的手段，改而采用變速的電氣傳動調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速已成為風(fēng)機、泵類節(jié)能降耗的最佳、首選的電氣傳動方案。 在水泥廠風(fēng)機采用變頻調(diào)速技術(shù)，能提高節(jié)約大量能源，提高生產(chǎn)效率，為水泥廠帶來較大的經(jīng)濟效益和社會效益。根據(jù)大量水泥生產(chǎn)線風(fēng)機高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造的具體經(jīng)驗，采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機的電耗降低8%～45%，電費以0.50元/kWh計算，通常在1.5～3.5年可收回變頻器的設(shè)備和其它安裝等附加費用等總投資。 2、高壓變頻器在水泥生產(chǎn)線風(fēng)機節(jié)能改造的應(yīng)用及效益 變頻調(diào)速技術(shù)現(xiàn)已被應(yīng)用于各行各業(yè)，廣州智光電氣股份有限公司的ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)從2005年起開始應(yīng)用于水泥行業(yè)的電機節(jié)能改造，至今已成功應(yīng)用于新型干法水泥生產(chǎn)線的6個工藝位置的高壓風(fēng)機，即：生料磨循環(huán)風(fēng)機、煤磨循環(huán)風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、水泥磨循環(huán)風(fēng)機，并取得了許多成功的改造經(jīng)驗，獲得了顯著的經(jīng)濟效益。 下表是選擇不同類型風(fēng)機應(yīng)用高壓變頻改造后在系統(tǒng)滿載、相同環(huán)境、工藝條件要求下進(jìn)行節(jié)能測試效果的實例數(shù)據(jù)： 特別需要指出的是，在新型干法水泥生產(chǎn)工藝中要求控制窯尾預(yù)熱器壓力的窯尾高溫循環(huán)風(fēng)機，需要通過DCS的控制來對高溫循環(huán)風(fēng)機的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，原先設(shè)計一般采用液力耦合器、繞線電機轉(zhuǎn)子串阻調(diào)速等調(diào)速控制，而目前基本發(fā)展趨勢是在90年代迅速發(fā)展起來并在近幾年成熟的高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)的技術(shù)和性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過以前采用的調(diào)速方式，在經(jīng)過大量成功的現(xiàn)場應(yīng)用并顯示其巨大的節(jié)能效益后，高壓變頻器器成為國家水泥節(jié)能設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備。我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執(zhí)行的強制性標(biāo)準(zhǔn)《GB50443-2007水泥廠節(jié)能設(shè)計規(guī)范》中的第4.3.5條規(guī)定：“窯尾高溫風(fēng)機應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置”。 水泥生產(chǎn)線的大容量風(fēng)機采用變頻調(diào)速控制后，除實現(xiàn)節(jié)能降耗經(jīng)濟效益外，其他方面的效益也是明顯的： （1）改善了工藝，調(diào)速精度得到保證，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定并可提高產(chǎn)量。投入變頻器后可以平滑穩(wěn)定地調(diào)整風(fēng)量風(fēng)壓，提高了效率，特別是使生產(chǎn)線設(shè)備利用率得到保證，保證了順產(chǎn)，進(jìn)一步提高了產(chǎn)量。 （2）設(shè)備運行與維護(hù)費用下降：采用變頻調(diào)節(jié)后，避免原來轉(zhuǎn)子滑環(huán)燒損維護(hù)、更換的工作，以及液力耦合器油路、漏油的維護(hù)以及由于若打壞齒輪的維修工作，以及由此導(dǎo)致的停產(chǎn)損失；高壓變頻器的運行實踐證明其可靠性得到保證。 （3）延長電機等設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速后，可以實現(xiàn)軟起動和軟制動，幾乎不產(chǎn)生沖擊，避免水阻軟啟動3～4倍的沖擊電流、液力耦合器啟動時的4～7倍的沖擊電流，可大大延長電機定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣與機械壽命。 （4）目前單元級聯(lián)式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的限制要求，功率因數(shù)可保證在0.95以上，與采用液力耦合器、轉(zhuǎn)子串阻等調(diào)速方式相比，輸入功率因數(shù)大大提高，再無需投資功率補償設(shè)備，并可降低有關(guān)的設(shè)備投資與維護(hù)費用。 3、高壓變頻器在水泥生產(chǎn)線風(fēng)機應(yīng)用的主要問題與應(yīng)對措施 水泥廠因生產(chǎn)線風(fēng)機從工藝上對風(fēng)量、壓力的調(diào)節(jié)要求，高壓變頻器需要針對性有一定的技術(shù)要求；更加特別的是設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)場水泥生產(chǎn)線一般粉塵較大，調(diào)速機械大多安裝在室外或庫下，環(huán)境較其它行業(yè)相比較為惡劣，而高壓變頻器作為電力電子器件與較精密電子控制組成的系統(tǒng)設(shè)備，對環(huán)境有相對較高的要求，因此在水泥生產(chǎn)線風(fēng)機應(yīng)用的高壓變頻器設(shè)備在設(shè)計、安裝、運行、維護(hù)過程中具有一定的特殊性，比較突出的問題如下： （1）高溫風(fēng)機的管道“塌料”問題導(dǎo)致電機過流甚至跳停問題 國家水泥節(jié)能設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求“窯尾高溫風(fēng)機應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置”，而窯尾高溫風(fēng)機是保證水泥生產(chǎn)線窯內(nèi)負(fù)壓的重要負(fù)載，即使在在以往工頻運行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風(fēng)機，也常見由于管道“塌料”導(dǎo)致高溫風(fēng)機電機過負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過負(fù)荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機過負(fù)荷導(dǎo)致的變頻器保護(hù)停機現(xiàn)象如無專業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。 高溫風(fēng)機由于“塌料”導(dǎo)致的過負(fù)荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預(yù)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(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負(fù)壓升高，使排風(fēng)機負(fù)荷增加或如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清結(jié)皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機過負(fù)荷停機，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風(fēng)機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象，會不定期的導(dǎo)致電機運行電流在極短的時間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用目前國內(nèi)外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導(dǎo)致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風(fēng)機與水泥生產(chǎn)線的正常運行。 目前國內(nèi)高壓變調(diào)速技術(shù)已經(jīng)解決了該問題，作為水泥行業(yè)高壓變頻器的專業(yè)生產(chǎn)制造商，智光電氣研制的ZINVERT系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)特別針對高溫風(fēng)機的運行工藝情況進(jìn)行了大量的研究分析并針對性地研制出針對性的專業(yè)技術(shù)。該產(chǎn)品從2005年投入水泥生產(chǎn)線的變頻改造，技術(shù)研發(fā)人員經(jīng)過深入應(yīng)用現(xiàn)場，了解掌握現(xiàn)場工藝情況，總結(jié)現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，推出了針對水泥生產(chǎn)線窯尾高溫風(fēng)機的專用變頻器技術(shù)，采用自主研發(fā)的“瞬態(tài)尖峰負(fù)荷差分控制技術(shù)”，從設(shè)備的硬件設(shè)計、控制軟件設(shè)計等多方面對高溫風(fēng)機的不定期的尖峰負(fù)荷運行進(jìn)行全方位針對性的設(shè)計改進(jìn)。具有這種技術(shù)的高壓變頻器有效地避免了其他廠家的通用高壓變頻器在運行中由于“塌料”所導(dǎo)致的反復(fù)跳機，與工頻液耦運行相比也降低了跳機的可能性，從而使安裝了廣州智光高溫風(fēng)機專用變頻器的水泥生產(chǎn)線達(dá)到節(jié)能又增效，降低電機、風(fēng)機設(shè)備故障率，為水泥企業(yè)保證生產(chǎn)安全性、經(jīng)濟性作出技術(shù)與設(shè)備保證。根據(jù)目前在多條5000t/d旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機實際應(yīng)用效果證明高壓變頻器基本解決了高溫風(fēng)機變頻器由于“塌料”導(dǎo)致的跳閘停運、生產(chǎn)中斷的問題，大大由于高溫風(fēng)機停運對生產(chǎn)造成的影響，降低電機設(shè)備故障率，取得節(jié)能、增效的巨大效益，得到用戶普遍認(rèn)可。 （2）風(fēng)機高壓變頻改造對原配液耦、水阻的處理 目前國內(nèi)高壓變頻技術(shù)已經(jīng)成熟，選用運行可靠的成熟品牌的高壓變頻器進(jìn)行風(fēng)機變頻改造后，原來采用繞線式電機轉(zhuǎn)子串水阻調(diào)速的，可將轉(zhuǎn)子短接，使滑環(huán)不再通過電流，從而降低燒損；原來采用液力耦合器的，可以取消原液力耦合器，可按照液力耦合器的聯(lián)接尺寸設(shè)計制作一套連軸器代替液耦，連接軸的基座安裝尺寸、軸連接中心尺寸、軸徑尺寸、軸與電機及風(fēng)機側(cè)的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現(xiàn)場僅作少量調(diào)整即可達(dá)到安裝要求。因此高壓變頻器的改造對于風(fēng)機及電機不作任何改變，安裝方便快捷，運行工藝調(diào)節(jié)更加方便。 （3）新設(shè)計水泥生產(chǎn)線的風(fēng)機采用高壓變頻器后的電機及其配套選型 對于新設(shè)計的生產(chǎn)線，設(shè)計選用單元級聯(lián)式的高壓變頻器后，高壓電機可選用一般普通的異步電動機，而不必采用專用變頻調(diào)速的“變頻電機”。“變頻電機”是指對于輸出諧波含量較大、電壓變化率dv/dt較大的低壓變頻器和前些年的其他電路結(jié)構(gòu)的進(jìn)口品牌高壓變頻器為避免發(fā)熱絕緣損壞特別設(shè)計的加強絕緣、增加散熱措施的電動機，變頻電機的價格較普通電機要高得多。由于國內(nèi)市場的主流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器采用的單元級聯(lián)多電平的輸出技術(shù)，輸出電壓的變化率滿足一般電機絕緣要求、電流諧波失真小，額外發(fā)熱很小，鑒于風(fēng)機的二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，一般運行轉(zhuǎn)速在50％以上時風(fēng)機不必施加特別散熱措施。大量的實際改造運行可以證明，出于降低設(shè)備投資考慮，選擇合適的高壓變頻器，不必專用“變頻電機”，不必增加額外的散熱措施。 另外在如果為避免高壓變頻器故障后導(dǎo)致的產(chǎn)線停產(chǎn)，不建議再設(shè)計液力耦合器，為提高的運行利用率，特別對于窯尾高溫風(fēng)機，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)設(shè)備的可靠性，在設(shè)計上可依舊選擇采用繞線電機轉(zhuǎn)子串水阻調(diào)速的設(shè)計，作為工頻旁路后的工頻啟動與調(diào)速的備用手段。 （4）電網(wǎng)電壓波動等電源質(zhì)量對高壓變頻器運行可靠性影響問題 水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)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(chǎn)。水泥廠一般地處偏遠(yuǎn)，供電質(zhì)量相對不高，對設(shè)備的電網(wǎng)適應(yīng)性問題突出。相對適應(yīng)歐美電網(wǎng)供電質(zhì)量的進(jìn)口品牌高壓變頻器，目前國內(nèi)高壓變頻器主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)方案，而不是功率器件直接串聯(lián)，避免了器件直接串聯(lián)帶來的均壓問題，并在系統(tǒng)適應(yīng)性上做了較多應(yīng)用性研究工作，提高了高壓變頻器對國內(nèi)電源電壓工作的魯棒性。產(chǎn)品具有對電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬（－65％～115％Un）、單元故障自動旁路、工頻旁路、瞬時停電再啟動功能、包括相間短路保護(hù)功能的完善的保護(hù)功能等技術(shù)，在提高起動力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時，提高了抗電網(wǎng)波動和負(fù)載擾動能力，大大提高應(yīng)用的可靠性。智光電氣的高壓變頻器在幾十條生產(chǎn)線的成功運行經(jīng)驗證明，國產(chǎn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)成熟，適應(yīng)水泥生產(chǎn)企業(yè)的供電水平，滿足水泥生產(chǎn)線對設(shè)備的可靠性要求。 （5）高壓變頻器應(yīng)用的諧波與干擾影響的問題 變頻器應(yīng)用的諧波與干擾問題一方面是變頻器輸入諧波對電網(wǎng)的影響，如果變頻器輸入電流諧波較大（比如傳統(tǒng)的電流源型變頻器），會產(chǎn)生如下危害：供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動作，可能導(dǎo)致大面積停電。測量儀器儀表誤差增大，影響計量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計算機系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機，變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大，嚴(yán)重時會過熱或燒損。目前國內(nèi)市場的主流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器采用的輸入多重化移相整流技術(shù)、單元級聯(lián)多電平的輸出技術(shù)，輸入、輸出電流諧波失真極小，滿足IEEE滿足IEEE519-1992和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)的要求，不會對電網(wǎng)、電機產(chǎn)生超標(biāo)的諧波污染。大、中型水泥廠自動化水平高，大多數(shù)采用自動化儀表和計算機控制系統(tǒng)，對用電系統(tǒng)的諧波要求很高，單元級聯(lián)式高壓變頻器在這方面具有很大的優(yōu)勢。 變頻器應(yīng)用的諧波與干擾問題的另一方面是外部諧波對高壓變頻器的影響，由于旋窯的主窯直流傳動系統(tǒng)采用直流電機，主電路必然產(chǎn)生較大的諧波，必須采取相應(yīng)的治理措施，以保證高壓變頻器的輸入電壓穩(wěn)態(tài)總諧波含量THD不超過10%，其中任何奇次諧波均不超過5%,任何偶次諧波均不超過2%,短時（持續(xù)時間小于30s）出現(xiàn)的任意一次諧波含量不超過10%。否則對母線其他設(shè)備、高壓變頻器等均可能造成運行中的影響與損害。 還有，為避免控制干擾，高壓變頻器的控制線須采用屏蔽電纜，單端接地，并且在布線時注意與動力線的距離，避免控制線與動力線并行敷設(shè)在同一電纜托架（或線框）內(nèi)；變頻器負(fù)載輸出線需采取屏蔽鎧裝電纜，單端接地，以避免變頻器對附近儀表產(chǎn)生干擾。 （6）高壓變頻器應(yīng)用的散熱問題與環(huán)境條件 由于水泥現(xiàn)場粉塵較大，環(huán)境相對惡劣，作為電子與電力電子設(shè)備，而且由于產(chǎn)生約3～4％的損耗發(fā)熱需要散熱，而一般高壓變頻器中低容量高壓變頻器均采用風(fēng)冷散熱，因此在水泥生產(chǎn)線應(yīng)用的高壓變頻器必須注意系統(tǒng)的器件選型設(shè)計裕度大、器件布局結(jié)構(gòu)合理、散熱器與風(fēng)道設(shè)計等散熱結(jié)構(gòu)合理、提高單元散熱效率以保證系統(tǒng)設(shè)計溫升低、環(huán)境適應(yīng)能力強，需要能夠經(jīng)受夏季炎熱、春季潮濕、冬季的寒冷等氣候的影響，經(jīng)受水泥廠粉塵的污染等惡劣環(huán)境的考驗。 一般地，水泥生產(chǎn)線風(fēng)機的高壓變頻器安裝位置根據(jù)現(xiàn)場情況選擇高壓配電室內(nèi)，或?qū)ｉT建造變頻器室，可采用因地制宜的空調(diào)散熱、空氣水冷散熱、大氣循環(huán)散熱等，做好制冷或循環(huán)通風(fēng)的設(shè)計，避免系統(tǒng)發(fā)熱無制冷的內(nèi)部循環(huán)、自然循環(huán)進(jìn)風(fēng)量不足室內(nèi)負(fù)壓，并需加強防塵設(shè)計和日常維護(hù)，定期進(jìn)行濾網(wǎng)清潔，從而保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。 4、結(jié)語 鑒于目前變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合國產(chǎn)高壓變頻器在國內(nèi)上百條5000t/d、4000t/d、2500t/d、1500t/d、1000t/d等新型干法水泥生產(chǎn)線的生料磨循環(huán)風(fēng)機、煤磨循環(huán)風(fēng)機、窯頭排風(fēng)機、窯尾高溫風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、水泥磨循環(huán)風(fēng)機的廣泛應(yīng)用和大量改造實踐證明：高壓變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)成熟，國產(chǎn)高壓變頻器的設(shè)備運行性能穩(wěn)定、節(jié)能顯著，是在水泥行業(yè)節(jié)能減排工作中應(yīng)該大力推廣的技術(shù)與產(chǎn)品。