1、引言 水泥生產(chǎn)企業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)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(diǎn)領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)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(jì)效益和最高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。在水泥的生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗就占成本近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，對(duì)于一條水泥生產(chǎn)線其中有25%～30%的電能是用于拖動(dòng)各種類型風(fēng)機(jī)上，因此做好風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)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(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機(jī)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?cè)O(shè)備的運(yùn)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(shí)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(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)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(duì)于風(fēng)機(jī)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(dòng)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速已成為風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能降耗的最佳、首選的電氣傳動(dòng)方案。 在水泥廠風(fēng)機(jī)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(jì)效益和社會(huì)效益。根據(jù)大量水泥生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造的具體經(jīng)驗(yàn)，采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)的電耗降低8%～45%，電費(fèi)以0.50元/kWh計(jì)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(fèi)用等總投資。 2、高壓變頻器在水泥生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)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)，已成功應(yīng)用于新型干法水泥生產(chǎn)線的6個(gè)工藝位置的高壓風(fēng)機(jī)，即：生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、煤磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)，并取得了許多成功的改造經(jīng)驗(yàn)，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 下表是選擇不同類型風(fēng)機(jī)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(cè)試效果的實(shí)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(jī)，需要通過DCS的控制來對(duì)高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，原先設(shè)計(jì)一般采用液力耦合器、繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串阻調(diào)速等調(diào)速控制，而目前基本發(fā)展趨勢(shì)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(chǎng)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(jì)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(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《GB50443-2007水泥廠節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》中的第4.3.5條規(guī)定：“窯尾高溫風(fēng)機(jī)應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置”。 水泥生產(chǎn)線的大容量風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制后，除實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗經(jīng)濟(jì)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(yùn)行與維護(hù)費(fèi)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(yùn)行實(shí)踐證明其可靠性得到保證。 （3）延長(zhǎng)電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速后，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生沖擊，避免水阻軟啟動(dòng)3～4倍的沖擊電流、液力耦合器啟動(dòng)時(shí)的4～7倍的沖擊電流，可大大延長(zhǎng)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣與機(jī)械壽命。 （4）目前單元級(jí)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(bǔ)償設(shè)備，并可降低有關(guān)的設(shè)備投資與維護(hù)費(fèi)用。 3、高壓變頻器在水泥生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)應(yīng)用的主要問題與應(yīng)對(duì)措施 水泥廠因生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)從工藝上對(duì)風(fēng)量、壓力的調(diào)節(jié)要求，高壓變頻器需要針對(duì)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(chǎng)水泥生產(chǎn)線一般粉塵較大，調(diào)速機(jī)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(duì)環(huán)境有相對(duì)較高的要求，因此在水泥生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)應(yīng)用的高壓變頻器設(shè)備在設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)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(jī)的管道“塌料”問題導(dǎo)致電機(jī)過流甚至跳停問題 國家水泥節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求“窯尾高溫風(fēng)機(jī)應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置”，而窯尾高溫風(fēng)機(jī)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(yùn)行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風(fēng)機(jī)，也常見由于管道“塌料”導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)過負(fù)荷跳閘，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而對(duì)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(jī)過負(fù)荷導(dǎo)致的變頻器保護(hù)停機(jī)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(jī)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(shí)就會(huì)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(jī)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(shí)，同樣也會(huì)造成氣流波動(dòng)，使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機(jī)過負(fù)荷停機(jī)，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對(duì)高溫風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)造成損壞。在實(shí)際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象，會(huì)不定期的導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電流在極短的時(shí)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(yùn)行過程中頻繁跳機(jī)，直接影響高溫風(fēng)機(jī)與水泥生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。 據(jù)目前在多條5000t/d旋窯生產(chǎn)線的高溫風(fēng)機(jī)實(shí)際應(yīng)用效果證明高壓變頻器基本解決了高溫風(fēng)機(jī)變頻器由于“塌料”導(dǎo)致的跳閘停運(yùn)、生產(chǎn)中斷的問題，大大由于高溫風(fēng)機(jī)停運(yùn)對(duì)生產(chǎn)造成的影響，降低電機(jī)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(jī)高壓變頻改造對(duì)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(yùn)行可靠的成熟品牌的高壓變頻器進(jìn)行風(fēng)機(jī)變頻改造后，原來采用繞線式電機(jī)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(jì)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(jī)及風(fēng)機(jī)側(cè)的連接靠背輪均與原液耦一致，安裝時(shí)僅需將原液耦拆除，將連接軸代替液力耦合器，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于風(fēng)機(jī)及電機(jī)不作任何改變，安裝方便快捷，運(yùn)行工藝調(diào)節(jié)更加方便。 （3）新設(shè)計(jì)水泥生產(chǎn)線的風(fēng)機(jī)采用高壓變頻器后的電機(jī)及其配套選型 對(duì)于新設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)選用單元級(jí)聯(lián)式的高壓變頻器后，高壓電機(jī)可選用一般普通的異步電動(dòng)機(jī)，而不必采用專用變頻調(diào)速的“變頻電機(jī)”?！白冾l電機(jī)”是指對(duì)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(jì)的加強(qiáng)絕緣、增加散熱措施的電動(dòng)機(jī)，變頻電機(jī)的價(jià)格較普通電機(jī)要高得多。由于國內(nèi)市場(chǎng)的主流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器采用的單元級(jí)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(jī)絕緣要求、電流諧波失真小，額外發(fā)熱很小，鑒于風(fēng)機(jī)的二次方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，一般運(yùn)行轉(zhuǎn)速在50％以上時(shí)風(fēng)機(jī)不必施加特別散熱措施。大量的實(shí)際改造運(yùn)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(jī)”，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(jì)液力耦合器，為提高的運(yùn)行利用率，特別對(duì)于窯尾高溫風(fēng)機(jī)，為進(jìn)一步提高生產(chǎn)設(shè)備的可靠性，在設(shè)計(jì)上可依舊選擇采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串水阻調(diào)速的設(shè)計(jì)，作為工頻旁路后的工頻啟動(dòng)與調(diào)速的備用手段。 （4）電網(wǎng)電壓波動(dòng)等電源質(zhì)量對(duì)高壓變頻器運(yùn)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(duì)不高，對(duì)設(shè)備的電網(wǎng)適應(yīng)性問題突出。相對(duì)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?jiǎn)栴}，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(duì)國內(nèi)電源電壓工作的魯棒性。產(chǎn)品具有對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)范圍寬（－65％～115％Un）、單元故障自動(dòng)旁路、工頻旁路、瞬時(shí)停電再啟動(dòng)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(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時(shí)，提高了抗電網(wǎng)波動(dòng)和負(fù)載擾動(dòng)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(huì)產(chǎn)生如下危害：供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，可能導(dǎo)致大面積停電。測(cè)量?jī)x器儀表誤差增大，影響計(jì)量精度和控制性能。影響其它電力電子裝置，電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及通信設(shè)備的正常工作。諧波使電機(jī)，變壓器和電容器等用電設(shè)備損耗增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)過熱或燒損。目前國內(nèi)市場(chǎng)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(jí)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(huì)對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)產(chǎn)生超標(biāo)的諧波污染。大、中型水泥廠自動(dòng)化水平高，大多數(shù)采用自動(dòng)化儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)用電系統(tǒng)的諧波要求很高，單元級(jí)聯(lián)式高壓變頻器在這方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。 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(duì)高壓變頻器的影響，由于旋窯的主窯直流傳動(dòng)系統(tǒng)采用直流電機(jī)，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(shí)（持續(xù)時(shí)間小于30s）出現(xiàn)的任意一次諧波含量不超過10%。否則對(duì)母線其他設(shè)備、高壓變頻器等均可能造成運(yùn)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(shí)注意與動(dòng)力線的距離，避免控制線與動(dòng)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(duì)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(chǎng)粉塵較大，環(huán)境相對(duì)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(jì)裕度大、器件布局結(jié)構(gòu)合理、散熱器與風(fēng)道設(shè)計(jì)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(jì)溫升低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，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(yàn)。 一般地，水泥生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)的高壓變頻器安裝位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)，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(qiáng)防塵設(shè)計(jì)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(yùn)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(jī)、煤磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)的廣泛應(yīng)用和大量改造實(shí)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(yùn)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