0 引言

目前，全世界都在為能源緊缺而困擾，我國(guó)的能源形勢(shì)尤其嚴(yán)峻。面對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)，國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列的方針政策，頒布了《節(jié)能法》，號(hào)召全民動(dòng)員把節(jié)能降耗的工作做好。節(jié)能改造是其中的途徑之一。我國(guó)發(fā)電總量60豫以上是通過電動(dòng)機(jī)消耗的，其中一半以上用于各種風(fēng)機(jī)和水泵。然而早期的工業(yè)場(chǎng)合，傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和水泵幾乎全部采用風(fēng)門擋板以及閥門調(diào)節(jié)，這樣存在著嚴(yán)重的截流損耗。變頻調(diào)速技術(shù)作為節(jié)約能源的一個(gè)重要手段應(yīng)該大力推廣，開發(fā)各種適合國(guó)情的調(diào)速裝置成為許多學(xué)者和企業(yè)努力的方向。新疆屯河水泥有限責(zé)任公司正是在這種形勢(shì)下，對(duì)旗下的屯河水泥沙灣五宮分公司的風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行高壓變頻技術(shù)改造的。

1 基本概況

新疆屯河水泥有限責(zé)任公司被喻為新疆水泥行業(yè)的王牌，在新疆幾乎家喻戶曉。在廣袤的新疆戈壁灘上，可看到屯河水泥旗下的分廠在整個(gè)北疆多處可見。沙灣五宮分公司是屯河水泥近年來的一個(gè)新廠，全廠有三條生產(chǎn)線，其中兩條生產(chǎn)線是已經(jīng)服役多年的老生產(chǎn)線，歷經(jīng)滄桑，幾經(jīng)大小多次維修，依然不能滿足生產(chǎn)要求，由于設(shè)備老化機(jī)械松動(dòng)造成經(jīng)常停機(jī)檢修。因此在2004 年新建了一條生產(chǎn)線，投入使用以來大大提高了水泥廠的生產(chǎn)能力。但是仍然存在常年運(yùn)行中多次由于機(jī)械以及工藝影響導(dǎo)致停機(jī)停產(chǎn)的現(xiàn)象，同時(shí)也影響水泥的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。2006年就多次因?yàn)樯夏ハ到y(tǒng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)門機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈乃至運(yùn)行中無法正確調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板開度，造成能源的極大浪費(fèi);窯尾高溫風(fēng)機(jī)采用液阻調(diào)速裝置，風(fēng)門機(jī)械機(jī)構(gòu)同樣由于常年多次動(dòng)作，開度最大只能在95%左右。而且液阻調(diào)速裝置在電機(jī)啟動(dòng)完成后，正常運(yùn)行中總是出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)速上下波動(dòng)，從而導(dǎo)致電機(jī)軸震動(dòng)超標(biāo)，引起風(fēng)道機(jī)械松動(dòng)。

鑒于以上原因，經(jīng)過多方調(diào)研考察，比較性價(jià)比，最終屯河水泥有限責(zé)任公司決定選用北京動(dòng)力源科技股份有限公司生產(chǎn)的HINV 系列高壓變頻器對(duì)生料磨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)和窯尾高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造。

2 HINV 系列高壓變頻器

2.1 電機(jī)及風(fēng)機(jī)參數(shù)

高溫風(fēng)機(jī)、電機(jī)及運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所列。

生料磨系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、電機(jī)及其運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所列。

2.2 變頻器參數(shù)

2.3 變頻器設(shè)計(jì)特點(diǎn)

勻隕暈災(zāi)系列是北京動(dòng)力源科技股份有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的電壓型高壓變頻器，采用36 脈沖以上的輸入整流移相技術(shù)，正弦波孕宰醞調(diào)制方法，全中文操作界面，具有可靠性高，性能優(yōu)越，操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，具體設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

1)HINV 系列變頻器是采用了最新設(shè)計(jì)制造技術(shù)的產(chǎn)品，其內(nèi)部元器件采用優(yōu)質(zhì)進(jìn)口元器件，使用壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)最簡(jiǎn)化，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，確保了整套變頻器質(zhì)量。

2)輸入功率因數(shù)高，無須配置功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器的總諧波滿足IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549/93《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。

3)變頻器內(nèi)部采用PLC，易于使用，便于功能擴(kuò)展。

4 )變頻器在高壓主電源完全失電200 ms內(nèi)不停機(jī)。

5)變頻器支持來電自啟動(dòng)及飛車啟動(dòng)功能。

6)高壓主電源欠壓達(dá)到65%時(shí)不停機(jī)，變頻器自動(dòng)降額運(yùn)行，待電壓恢復(fù)正常后再自動(dòng)回到原來設(shè)定的速度。

7)變頻器可以承受+10%~ -10%的電源波動(dòng)，繼續(xù)正常運(yùn)行。

8)變頻器控制電源使用交流380V和直流220V均可，并且變頻器由自身的變壓器二次側(cè)提供備份控制電源，另外還配備有UPS 電源，充分保證了在控制電源發(fā)生故障時(shí)變頻器仍可以繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)提供報(bào)警信號(hào)。

9)變頻器電流過載時(shí)按反時(shí)限特性曲線控制。

10)變頻器具有功率單元旁路技術(shù)，當(dāng)某個(gè)功率單元發(fā)生故障時(shí)，變頻器自動(dòng)旁路運(yùn)行，同時(shí)提

供報(bào)警信號(hào)。

11)如果發(fā)生控制變頻器輸出頻率的模擬信號(hào)掉線或短路時(shí)，變頻器保持原有輸出頻率不變(保位運(yùn)行)，同時(shí)提供報(bào)警信號(hào)。

12)當(dāng)變頻器發(fā)生故障或需要檢修時(shí)，采用旁路設(shè)計(jì)能以手動(dòng)方式或自動(dòng)方式(用戶選購件)使電機(jī)轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行，保證生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行。

13)變頻器有過電壓、過電流、欠電壓、缺相、變頻器過載、變頻器過熱、電機(jī)過載、輸出接地、輸出短路等保護(hù)功能，并提供聯(lián)跳現(xiàn)場(chǎng)輸入側(cè)高壓開關(guān)的接點(diǎn)。

14)變頻器對(duì)故障按輕重緩急分級(jí)處理，智能選擇報(bào)警、降額運(yùn)行、緊急停機(jī)，變頻器過載150%時(shí)立即保護(hù)停機(jī)。

15)變頻器對(duì)輸出電纜的長(zhǎng)度沒有限制，電機(jī)不受變頻器共模電壓及dv/dt 應(yīng)力的影響。

16)變頻器具有各種防止誤操作的措施，如柜門具有保護(hù)連鎖，變頻/工頻旁通開關(guān)組保護(hù)連鎖，在變頻器故障時(shí)提供跳掉高壓電源的信號(hào)，緊急停車按鈕等。

17)變頻器配備漢字顯示的液晶顯示屏，可實(shí)現(xiàn)變頻器參數(shù)設(shè)定和顯示電機(jī)電壓、電流、頻率等狀態(tài)參數(shù)，變頻器具有很強(qiáng)的故障診斷能力和精確的故障定位能力，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，在液晶顯示屏上顯示故障位置、類別，使故障點(diǎn)一目了然。

18)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和用戶要求，可就地控制，也可遠(yuǎn)程閱悅雜控制。

2.4 變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

變頻器內(nèi)部是由24 個(gè)功率單元組成，每8個(gè)單元為一組，分別對(duì)應(yīng)高壓回路的三相電壓，由移相隔離變壓器供電。[!--empirenews.page--]

2.5 功率單元

功率單元內(nèi)裝有三相整流橋，濾波電容和用于逆變的功率器件IGBT以及控制板件，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。單元控制板由驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)保護(hù)電路和光纖通訊等電路組成，單元控制電源為單元控制板提供工作電源。

HINV 系列高壓變頻器輸出為多電平疊加的SPWM 電壓，如圖3 所示，dv/dt 低，電動(dòng)機(jī)正弦性好，不需要增加外部輸入輸出濾波器，不增加電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，不損壞電動(dòng)機(jī)。

2.6 變頻系統(tǒng)主回路

變頻系統(tǒng)主回路簡(jiǎn)圖如圖4 所示。10 kV 電源從高壓柜經(jīng)輸入刀閘QS1 到高壓變頻調(diào)速裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS2 送至電動(dòng)機(jī)。

10 kV 電源還可以經(jīng)旁路刀閘QS3 直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。變頻裝置的輸出刀閘QS2 和旁路刀閘QS3 互相閉鎖，即QS2和QS3不能同時(shí)閉合。變頻運(yùn)行時(shí)，斷開QS3，閉合QS2 和QS1;工頻運(yùn)行時(shí)，斷開QS2 和QS1，閉合QS3。當(dāng)變頻裝置出現(xiàn)故障時(shí)，立即斷開出線刀閘QS2和進(jìn)線刀閘QS1，將變頻裝置隔離，閉合旁路刀閘QS3，在工頻電源下起動(dòng)電機(jī)。

2.7 二次回路及控制

控制系統(tǒng)由光纖板，信號(hào)板，主控板，PLC 和人機(jī)界面組成，用戶提供220 V或380 V電源?？刂葡到y(tǒng)與功率單元之間采用光纖通訊，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電之間的光電隔離;PLC 用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場(chǎng)操作信號(hào)和模擬信號(hào)的邏輯處理;

內(nèi)置PLC 控制器配置有可編程的32 個(gè)開關(guān)量輸入端子和24 個(gè)開關(guān)量輸出端子，可以通過外接的計(jì)算機(jī)，使用PLC軟件編程器進(jìn)行梯級(jí)命令編程、設(shè)置和調(diào)試;還配有6 個(gè)模擬輸入端子和5 個(gè)模擬輸出端子，實(shí)現(xiàn)4耀20 mA 電流信號(hào)和0耀10 V的電壓信號(hào)的輸入/輸出。

3 風(fēng)機(jī)調(diào)速改造的節(jié)能原理分析

風(fēng)機(jī)的流量，運(yùn)行壓力，吸收軸功率這三個(gè)基本參數(shù)與轉(zhuǎn)速間的運(yùn)算關(guān)系極其復(fù)雜，同時(shí)風(fēng)機(jī)類負(fù)荷隨環(huán)境變化參數(shù)也隨之變化，在工程中一般根據(jù)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線，進(jìn)行大致的參數(shù)運(yùn)算。

為了獲得適當(dāng)?shù)牧髁恳詽M足運(yùn)行工況的需要，最初采取變閥調(diào)節(jié)的方法(現(xiàn)在仍有大量的泵與風(fēng)機(jī)在使用這種方法控制流量)。

所謂“變閥調(diào)節(jié)”，就是通過改變泵的出口閥門或風(fēng)機(jī)風(fēng)門的開啟程度來調(diào)節(jié)泵與風(fēng)機(jī)的流量，有的稱為“節(jié)流調(diào)節(jié)”。如圖5所示，通過控制閥門的開啟程度，改變管道阻力特性曲線，產(chǎn)生新的管道阻力特性曲線OE，同時(shí)，不改變泵與風(fēng)機(jī)的壓頭、流量特性曲線，工作點(diǎn)由A 沿特性曲線移動(dòng)到B，流量由q1 降到q2，壓頭由h1 升至h2，這種方法雖然降低了流量q，但是并沒有降低泵與風(fēng)機(jī)的能耗，同時(shí)，加大了設(shè)備的機(jī)械磨損。這是一種應(yīng)當(dāng)淘汰的調(diào)節(jié)方法。

所謂“變速調(diào)節(jié)”就是通過改變泵與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)泵與風(fēng)機(jī)輸送的流量以滿足需要。如圖5所示，泵與風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2，此時(shí)產(chǎn)生一條新的壓頭、流量特性曲線，管道阻力特性曲線不改變，工作點(diǎn)從A 沿阻力特性曲線移動(dòng)到C，流量由q1變?yōu)閝2，壓頭由h1變?yōu)閔2憶。

由圖5 可見，在轉(zhuǎn)速為n2 的壓頭、流量特性曲線下，功率消耗h憶2Cq2O 明顯小于變閥調(diào)節(jié)功耗h2Bq2O。

變速調(diào)節(jié)與變閥調(diào)節(jié)相比，能夠大量減少功耗，圖5 中的h2BCh2憶區(qū)域就是變速運(yùn)行節(jié)約的功耗部分，同時(shí)變速運(yùn)行能明顯地減小系統(tǒng)的機(jī)械磨損。

4 高溫風(fēng)機(jī)與生料磨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)變頻改造效果

2007年3 月5日，在北京動(dòng)力源科技股份有限公司技術(shù)人員的指導(dǎo)下，對(duì)高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻改造安裝，3 月8 日對(duì)生料磨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了變頻改造安裝。在兩臺(tái)高壓變頻器安裝完成后，進(jìn)行了各項(xiàng)目的測(cè)試與試驗(yàn)，均符合技術(shù)協(xié)議和用戶的現(xiàn)場(chǎng)要求，于3月13日投入試運(yùn)行，運(yùn)行72 h滿足生產(chǎn)要求。于3 月16 日通過驗(yàn)收。

經(jīng)過對(duì)2006年與2007年的耗電進(jìn)行分析，變頻改造前高溫風(fēng)機(jī)平均小時(shí)耗電387.5 kW，生料磨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)平均小時(shí)耗電400 kW。

變頻改造前后高溫風(fēng)機(jī)以及生料磨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的耗電數(shù)據(jù)如表3所列。

5 結(jié)語

對(duì)新疆屯河水泥沙灣五宮水泥廠高溫風(fēng)機(jī)以及生料磨系統(tǒng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造后，在改進(jìn)生產(chǎn)工藝的同時(shí)，使得生產(chǎn)線上的維護(hù)費(fèi)用大大減少，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，改造的結(jié)果與前期方案設(shè)計(jì)以及預(yù)算完全吻合，改造非常成功，達(dá)到了預(yù)期目的，兩臺(tái)設(shè)備可為該廠年節(jié)約電費(fèi)126 萬余元，屯河集團(tuán)上層領(lǐng)導(dǎo)對(duì)于五宮水泥廠的變頻改造效果非常滿意，目前HINV高壓變頻器在屯河集團(tuán)其它分廠的改造也已經(jīng)進(jìn)入調(diào)試階段。