山東中聯(lián)水泥曲阜有限公司  馮井水

山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司  周加勝  王鵬

1概述

水泥生產(chǎn)行業(yè)是耗能大戶，我國水泥行業(yè)與國際水泥生產(chǎn)先進(jìn)能耗指標(biāo)相比，還存在一定差距，節(jié)能空間較大。水泥生產(chǎn)能耗成本占總成本大約60%，做好節(jié)能工作，企業(yè)就抓住了降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，也抓住了增加利潤、提高競爭力的關(guān)鍵。在水泥行業(yè)推廣應(yīng)用節(jié)能技術(shù)，具有十分重大的意義。

曲阜中聯(lián)水泥有限公司是以水泥生產(chǎn)為主業(yè)的中央企業(yè)，是中國聯(lián)合水泥下屬子公司。經(jīng)過50年的發(fā)展，曲阜中聯(lián)水泥已成為中國500家最大建材工業(yè)企業(yè)之一、全國水泥質(zhì)量百佳企業(yè)、全國水泥企業(yè)50強(qiáng)、國家60戶重點(diǎn)支持水泥工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整大型企業(yè)、全國規(guī)模最大、設(shè)備最先進(jìn)的快硬硫鋁酸鹽水泥生產(chǎn)基地。

公司水泥年生產(chǎn)能力300萬噸，固定資產(chǎn)10億元，年銷售收入逾6億元，實(shí)現(xiàn)利稅6000萬元，是濟(jì)寧市最大的水泥企業(yè)。公司主導(dǎo)產(chǎn)品金魯城牌、魯城牌、華冠牌系列水泥通過了國家產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證，是國家免檢產(chǎn)品、消費(fèi)者信得過產(chǎn)品、山東名牌產(chǎn)品。

公司現(xiàn)有一條日產(chǎn)5000t熟料生產(chǎn)線，水泥生產(chǎn)線上的風(fēng)機(jī)，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，同時由于工況、產(chǎn)量的變化，所需的風(fēng)量也要隨之調(diào)整，以前通過調(diào)節(jié)進(jìn)、出口風(fēng)門的開度來調(diào)整風(fēng)量，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機(jī)的效率來實(shí)現(xiàn)的，電能損耗嚴(yán)重。

經(jīng)過多方調(diào)研考察，比較性價比，最終曲阜中聯(lián)水泥有限公司選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37系列高壓變頻器2套對生產(chǎn)線上窯尾排風(fēng)機(jī)、窯尾高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。圖1是水泥廠生產(chǎn)現(xiàn)場照片。

  圖1 生產(chǎn)現(xiàn)場圖片

2 設(shè)備參數(shù)
窯尾高溫風(fēng)機(jī)
電機(jī)參數(shù)：
型號：YRKK630-6    功率：1400kW
額定電壓：6kV       額定電流：160.8A
功率因數(shù)：0.875      絕緣等級：F
生產(chǎn)廠家：蘭州電機(jī)有限公司
窯尾排風(fēng)機(jī)：
電機(jī)參數(shù)：
型號：YRKK450-10      功率：280kW
額定電壓：6kV          電流：39.21A
功率因數(shù)：0.749         絕緣等級：F
生產(chǎn)廠家：蘭州電機(jī)有限公司

3 水泥生產(chǎn)工藝
如圖2所示是水泥廠生產(chǎn)工藝圖。水泥生產(chǎn)工藝主要包括：礦山開采、原料破碎、原料均化與存貯、原料配料、原料粉磨與廢氣處理、生料均化與入窯、熟料燒成、熟料入庫與散裝發(fā)運(yùn)、水泥配料及粉磨、水泥存貯等幾部分；在上述過程中原料粉磨與廢氣處理、煤粉制備、熟料燒成、水泥配料及粉磨工藝中設(shè)計(jì)有大功率的風(fēng)機(jī)，可進(jìn)行中高壓變頻改造?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)際工藝介紹一下變頻改造主要風(fēng)機(jī)的作用。
（1）廢氣處理風(fēng)機(jī)的主要作用是使在整個生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過除塵后排入大氣；
（2）窯尾排風(fēng)機(jī)兼有生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)(指兩風(fēng)機(jī)系統(tǒng)）與廢氣處理風(fēng)機(jī)功能；
（3) 窯尾高溫風(fēng)機(jī)是熟料生產(chǎn)線上最重要的負(fù)載，高溫風(fēng)機(jī)變頻改造是國家在水泥行業(yè)強(qiáng)制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 水泥廠生產(chǎn)工藝圖

具體的生產(chǎn)流程是：
（1）水泥原料的破碎及預(yù)均化
①破碎：水泥生產(chǎn)過程中，大部分原料要進(jìn)行破碎，如石灰。
②原料預(yù)均化：使原料堆場同時具備貯存與均化的功能。
（2）水泥生料制備
水泥生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)1噸硅酸鹽水泥至少要粉磨3噸物料（包括各種原料、燃料、熟料、混合料、石膏），據(jù)統(tǒng)計(jì)，干法水泥生產(chǎn)線粉磨作業(yè)需要消耗的動力約占全廠動力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占約3%，水泥粉磨約占40%。
（3）水泥生料均化
新型干法水泥生產(chǎn)過程中，穩(wěn)定入窯生料成分是穩(wěn)定熟料燒成熱工制度的前提，生料均化系統(tǒng)起著穩(wěn)定入窯生料成分的最后一道把關(guān)作用。
（4）水泥物料的預(yù)熱分解
把生料的預(yù)熱和部分分解由預(yù)熱器與分解爐來完成，代替回轉(zhuǎn)窯部分功能，達(dá)到縮短回轉(zhuǎn)窯長度的目的，同時使窯內(nèi)以堆積狀態(tài)進(jìn)行氣料換熱過程，移到預(yù)熱器內(nèi)在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行，使生料能夠同窯內(nèi)排出的熾熱氣體充分混合，增大了氣料接觸面積，傳熱速度快，熱交換效率高，達(dá)到提高窯系統(tǒng)生產(chǎn)效率、降低熟料燒成熱耗的目的。
（5）水泥熟料的燒成
生料在旋風(fēng)預(yù)熱器中完成預(yù)熱和預(yù)分解后，下一道工序是進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行熟料的燒成。在回轉(zhuǎn)窯中碳酸鹽進(jìn)一步的迅速分解并發(fā)生一系列的固相反應(yīng)。
（6）水泥粉磨
水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗電最多的工序。其主要功能在于將水泥熟料（及膠凝劑、性能調(diào)節(jié)材料等）粉磨至適宜的粒度（以細(xì)度、比表面積等表示），形成一定的顆粒級配，增大其水化面積，加速水化速度，滿足水泥漿體凝結(jié)、硬化要求。
（7）水泥包裝
水泥出廠有袋裝和散裝兩種發(fā)運(yùn)方式。
水泥生產(chǎn)主要工藝過程簡要包括為“兩磨一燒”。按主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)論述為：礦山采運(yùn)（自備礦山時，包括礦山開采、破碎、均化）、生料制備（包括物料破碎、原料預(yù)均化、原料的配比、生料的粉磨和均化等）、熟料煅燒（包括煤粉制備、熟料煅燒和冷卻等）、水泥的粉磨（包括粉磨站）與水泥包裝（包括散裝）等。

4 變頻改造方案
（1）窯尾排風(fēng)機(jī)的改造方案：
原系統(tǒng)是采用繞線電機(jī)串電阻降壓啟動，然后全壓運(yùn)行的方式進(jìn)行控制的，如圖3示。

變頻改造后的系統(tǒng)主電路如圖4示，從變頻器的輸入隔離開關(guān)QS1、輸出隔離開關(guān)QS2各取一對動斷觸點(diǎn)串入電阻柜內(nèi)接觸器KM的合閘回路，保證變頻啟動時切除電阻啟動。

2）高溫風(fēng)機(jī)電動機(jī)改造方案
原系統(tǒng)主電路如圖5示，原系統(tǒng)電網(wǎng)通過真空斷路器直接進(jìn)電機(jī)，采用液力耦合器進(jìn)行調(diào)速。

變頻改造后主電路如圖6示，把變頻器串在原系統(tǒng)的高壓真空斷路器與電動機(jī)之間，采用三個隔離開關(guān)進(jìn)行工變頻轉(zhuǎn)換。變頻運(yùn)行時閉合QS1、QS2，斷開QS3，工頻運(yùn)行時閉合QS3，斷開QS1、QS2，QS2與QS3在電氣、機(jī)械方面雙互鎖，保證電氣回路的安全?？紤]到變頻器調(diào)試期間的穩(wěn)定性，先保留液力耦合器，變頻運(yùn)行時將液力耦合器調(diào)到最大。
（3）變頻改造后實(shí)現(xiàn)的功能
①實(shí)現(xiàn)工變頻相互手動切換。
②將變頻控制納入用戶的DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方/就地控制。
③用戶的以往的保護(hù)在變頻時退出，工頻時保留。
④變頻器除了對電動機(jī)軟啟動外，具有過流、過壓、過載等保護(hù)。    

（4）高壓變頻器的特點(diǎn)
變頻器采用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP37系列高壓變頻器。該系列變頻器采用H橋單元級聯(lián)式結(jié)構(gòu)，輸入端采用隔離變壓器多級移相疊加的整流方式改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，減少輸入端的電流諧波成分，提高功率因數(shù)，一般可達(dá)到0.95以上。輸出側(cè)采用先進(jìn)的載波移相技術(shù)，減少輸出端的電壓諧波，實(shí)測輸入、輸出端的諧波都在4%以內(nèi)，在國家標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)。并采用了星點(diǎn)漂移、飛車啟動、三次諧波補(bǔ)償技術(shù)、針對高溫風(fēng)機(jī)的“塌料”功能等，使整套設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，單元備份經(jīng)濟(jì)，更換方便，維護(hù)成本低，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，滿足了用戶的需求。

5 高壓變頻器在水泥生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)應(yīng)用的主要問題與解決措施
水泥廠生產(chǎn)線風(fēng)機(jī)從工藝上對風(fēng)量、風(fēng)壓的調(diào)節(jié)要求，對高壓變頻器有一定針對性要求，特別是現(xiàn)場環(huán)境惡劣，一般粉塵較大，而高壓變頻器作為電力、電子器件與較精密的電子控制系統(tǒng)組成的設(shè)備，對環(huán)境要求較高，因此在設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)方面要有一定的針對性，主要表現(xiàn)在：
（1）高溫風(fēng)機(jī)的管道“塌料”導(dǎo)致電動機(jī)過電流甚至跳停。
由于在旋窯生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵黏附到一定厚度時就會坍塌滑落，造成管道內(nèi)粉塵濃度加大，阻力增加，負(fù)壓升高，使排風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加；如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清潔皮或有物料塌陷時，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(jī)過負(fù)荷停機(jī)，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風(fēng)機(jī)電動機(jī)造成損壞。在實(shí)際使用過程中的塌料現(xiàn)象，會不定期的導(dǎo)致電動機(jī)運(yùn)行電流在極短的時間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用目前通用型變頻器，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。
針對這一情況，山東新風(fēng)光電子的科研人員在總結(jié)高溫風(fēng)機(jī)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)上，推出了針對水泥生產(chǎn)線的窯尾高溫風(fēng)機(jī)的專用變頻技術(shù)，從設(shè)備的硬件、控制軟件設(shè)計(jì)等多方面對高溫風(fēng)機(jī)的不定期尖峰負(fù)荷運(yùn)行進(jìn)行全方位有針對性的設(shè)計(jì)改進(jìn)。
①加大變頻器功率單元中IGBT功率器件的電流余量，以增加變頻器承受沖擊電流的能力。
②在過載保護(hù)時，提高保護(hù)電流的限值（2.5~3.0Ie），延長保護(hù)設(shè)定時間（10s）以上，從而實(shí)現(xiàn)“塌料”期間不跳機(jī)，保證窯爐正常生產(chǎn)。
③“塌料”期間適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，以降低電動機(jī)的輸出軸功率，從而降低輸出電流。
采用以上技術(shù)后變頻器有效避免了通用變頻器在運(yùn)行中由于“塌料”所導(dǎo)致的反復(fù)跳機(jī)，與原來的工頻液力耦合器相比也降低了跳機(jī)的可能性，從而使該條水泥生產(chǎn)線達(dá)到既節(jié)能又增效，降低了電動機(jī)和風(fēng)機(jī)設(shè)備的故障率，為水泥企業(yè)保證安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了技術(shù)與設(shè)備保障。
（2）變頻改造后對原系統(tǒng)的主電路的處理。原來采用繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的，可將轉(zhuǎn)子短接，使滑環(huán)不再流過電流，從而降低燒損，原來采用液力耦合器調(diào)速的，仍可以保留，只是在變頻運(yùn)行時將其調(diào)到最大，以便在變頻故障或檢修時作為備用設(shè)備，緊急時投運(yùn)。
（3）電網(wǎng)電壓的波動等電源質(zhì)量對高壓變頻器的影響。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。高壓變頻器對電網(wǎng)的適應(yīng)范圍寬（-85%~+115%Ue）,采用單元故障線電壓均衡技術(shù)、工頻旁路、瞬時停電再啟動，包括相間短路保護(hù)等完善的保護(hù)措施，在提高啟動力矩和轉(zhuǎn)速精度的同時，提高了抗電網(wǎng)波動和負(fù)載擾動能力，大大提高了運(yùn)行的可靠性。
（4）散熱問題與環(huán)境條件。作為電力電子設(shè)備，變頻器自身損耗大約在3%~4%左右，由于高溫風(fēng)機(jī)功率較大，一般是1400~1800kW，其自身損耗約在56~70kW，因此必須做好變頻器室的散熱問題。由于水泥廠環(huán)境比較惡劣，現(xiàn)場粉塵較大，可因地制宜的采用空調(diào)散熱與風(fēng)道散熱相結(jié)合的方式，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)備的正常運(yùn)行。

6 應(yīng)用情況
該系統(tǒng)自2012年1月份開始進(jìn)行變頻器系統(tǒng)改造，在曲阜中聯(lián)水泥廠的窯尾排風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)上進(jìn)行設(shè)備更新，到2012年2月10日投產(chǎn)，經(jīng)過幾個月的試運(yùn)行，收到了良好的效果。原來設(shè)備采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速啟動，然后全速運(yùn)行，靠調(diào)整出口擋風(fēng)板的開度調(diào)節(jié)風(fēng)量。這種調(diào)速方式存在明顯的缺點(diǎn)：風(fēng)門調(diào)節(jié)反應(yīng)滯后，調(diào)節(jié)速度慢，調(diào)節(jié)精度不高；耗能嚴(yán)重，啟動過程復(fù)雜，電阻損耗大，維護(hù)工作量大。采用變頻器改造后，與其他調(diào)速方式相比具有巨大的優(yōu)勢。
（1）電動機(jī)可實(shí)現(xiàn)軟啟動，啟動電流非常小，減輕了對電網(wǎng)及機(jī)械部分的沖擊，有利于保護(hù)電網(wǎng)及電機(jī)。
（2）先進(jìn)的“塌料”功能的實(shí)現(xiàn)，基本解決了高溫風(fēng)機(jī)由于“塌料”導(dǎo)致的跳閘停運(yùn)、生產(chǎn)中斷的問題，減少了對生產(chǎn)的影響，降低了電動機(jī)設(shè)備的故障率，取得了節(jié)能增效的巨大效益，得到了用戶的好評。
（3）改善了工藝，調(diào)速精度高，變頻器可以平滑、穩(wěn)定的調(diào)整風(fēng)量，提高了效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定、可靠。
（4）設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)成本下降。采用變頻調(diào)速后，原來的轉(zhuǎn)子電阻滑環(huán)燒損、維護(hù)工作基本不再存在，避免了設(shè)備的維護(hù)造成的停產(chǎn)損失，運(yùn)行的可靠性得到提高。
（5）延長電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。變頻器實(shí)現(xiàn)了低頻、低壓的軟啟動，降低了啟動電流，避免了工頻下4~7倍或3~4倍的大電流，可延長電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣及機(jī)械壽命。
（6）變頻器采用液晶觸摸屏顯示，可隨時顯示輸入電壓、電流，輸出電壓、電流及運(yùn)行頻率，非常直觀的顯示電機(jī)在任何時間的實(shí)時動態(tài)。
（7）變頻器具有通用的通訊接口，可以與PLC、工控機(jī)、用戶的DCS上位機(jī)等通訊，并可以與原控制設(shè)備相連接，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與連鎖。
（8）節(jié)能效果明顯。
窯尾排風(fēng)機(jī)
運(yùn)行參數(shù)：
運(yùn)行頻率：44Hz
輸入電流：22A          輸出電流：34A
輸入電壓：5950V        輸出電壓：5593V
原工頻運(yùn)行電流是35A，
則工頻用電量為：P1=1.732*6000*35*0.749=272.426kW
變頻用電量為：P2=1.732*6000*22*0.97=221.765kW
節(jié)約電量為：△P=P1—P2=272.426—221.765=50.661kW
節(jié)電率為：η=△P/ P1=50.661/272.426*100%=18.6%
高溫風(fēng)機(jī)
運(yùn)行參數(shù)：
運(yùn)行頻率：47Hz
輸入電流：114A          輸出電流   147A
輸入電壓：6050 V        輸出電壓  5324V
原工頻運(yùn)行電流是145A
則工頻用電量為P1=1.732*6000*145*0.875=1318.485kW
變頻用電量為：P2=1.732*6000*114*0.97=1149.147kW
節(jié)電量為△P=P1—P2=1318.485—1149.147=169.338kW
節(jié)電率為：η=△P/ P1=169.338/1318.485*100%=12.8%
根據(jù)以上節(jié)能數(shù)據(jù)可以看出，節(jié)電率一般在15%左右，電費(fèi)若以0.5元/kW·h計(jì)算，不到2年即可收回投資。除了節(jié)能降耗外，其他方面的效益也是非常明顯的。

7 結(jié)論
曲阜中聯(lián)水泥廠的變頻風(fēng)機(jī)改造結(jié)果表明，變頻器在水泥廠相關(guān)設(shè)備上的改造是非常成功的，水泥廠有很多的大功率設(shè)備，其電能的損耗也是非常嚴(yán)重的，可借鑒在風(fēng)機(jī)上改造的成功經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行其他設(shè)備的變頻升級改造，其應(yīng)用前景是非常樂觀的。