第三章  水泥行业

第四节  水泥生料磨循环风机变频调速节能改造

1 引言

水泥生产工艺过程的特点是物料处理量大，运输环节多，高温作业，每生产1t水泥大约需要处理3t以上的物料，而且物料在生产加工过程中，从矿山开采、原料破碎、粉磨至煅烧成熟料，再经粉磨水泥包装出厂，水泥生产过程中离不开磨机，包括原料磨，煤粉磨和水泥磨。磨的型式包括球磨机，辊压机和立式磨等，但都必须配备排粉风机才能工作。

2 磨的分类和生产工艺

2.1 水泥厂磨机的分类：

其一是如图1所示的风扫式磨；图2所示为立式磨。

图1 风扫式磨

图2 立式磨

2.2 磨机排风机的生产工艺要求

下面以立式原料磨循环排风机为例，说明其生产工艺要求：

万年青玉山水泥厂是江西万年青水泥股份有限公司下属的子公司，建有2条2500t/d孰料的水泥生产线，其生料磨循环风机电机为10kV/1800kW，采用挡板（阀门）调节风量大小，风机消耗功率大，节流损失较大。调节风门挡板控制风量，由于挡板处于较高粉尘下工作，易磨损，易造成管道内风量调节不准确，对生料磨系统工艺影响也较大。其生料磨系统简易图如图3所示：

图3  立式生料磨系统简图

生料磨循环风机在生料磨系统中起到很大作用，通过调节循环风机可以控制磨系统的以下参数：
 （1）磨内通风量：立磨靠风扫磨，通风量要适当。风量不足，合格的生料不能及时带出，料层增厚，排渣量增多，设备负荷高，产量降低；风量过大，料层过薄，影响磨机稳定运转。
 （2）料层厚度：立磨稳定运转的另一重要因素是料床稳定。料层稳定，风量、风压和喂料量才能稳定，否则就要通过调节风量和喂料量来维持料层厚度。若调节不及时就会引起震动加剧，电动机负荷上升或系统跳停等问题。
 （3）磨机振动：振动是辊式磨机工作中普遍存在的一个现象,合理的振动是允许的,但若振动过大，则会造成磨盘和磨辊以及衬板的机械损坏。 
 （4）磨内压差：压差是指风环处的压力损失,在磨机运行时，磨内负荷量的变化不仅从磨机电流、料层厚度、振动幅度等参数上反应出来，而压差则更能反映磨内状况。
 （5）磨机出口温度：有效地控制出口温度，可以保持磨内良好的烘干及粉磨作业条件。

（6）产品细度：磨内通风量的大小对产品细度也有一定影响 。
   另外影响磨机运行稳定的因素还有喂料量、喷水量、研磨压力、循环风量和选粉机转速等参数。

2.3 原料磨排风机改高压变频器拖动的必要性

万年青玉山水泥厂原料磨排风机为转子绕线异步电动机拖动，原有的运行方式为电机全速运行，依靠调整出口挡风板的开度来调节风量的大小，由于企业自身电网容量有限，电机不允许全压直接启动，因此选用转子绕线式异步电动机，启动方式是转子串水电阻启动，启动结束后再自动短接转子滑环，电机全速运行（项目初期运行时，是采用水电阻调速运行方式，但是投运后发现这种调速方式反而比风门调节更加不经济，索性将其只作为启动时使用），这样的运行方式存在如下弊端：
  （1）风门调节反应滞后，调节速度慢，调节精度不高。
　　依靠风门调节执行器来调节风门开度，本身是一个不得已的举措，因风门调节机构含有相当一部分的机械机构，受机械部分限制调节速度有限，调节精度亦受到影响，往往对现场的风量控制不是很到位，甚至满足不了现场工艺的要求 。
  (2）风门调节浪费电能，不科学，不经济。
　　采用风门调节固然结构简单，投资较小，但是在节能意识日益加强的今天显然不合适，电动机额定电流为128A，而实际运行电流平均仅为90A 左右，采用风门调节，使得风机的运行工作点偏离高效区，大量的能源白白浪费在风门上，在能源供应日益紧缺的今天，显然已经严重落伍，改造就势在必行。
  (3）电动机全速运行受到考验，维护周期短。
　　因电机全速运行，电机轴承等机械部分磨损严重，另外，由于是转子绕线式异步电动机，转子的高速运行对于其机械部分一样有百害无一益，转子滑环上的碳刷磨损相当严重，更换周期短。
  (4）启动过程复杂，水电阻装置维护工作量大。
　　由于企业自身电网容量有限，电机不允许全压直接启动，因此选用转子绕线式异步电动机，启动方式是转子串水电阻启动，启动结束后再自动短接转子滑环，这样的启动方式附带了很多电气二次回路，启动过程复杂，而且本身水电阻装置维护工作量就比较大，仅仅在启动过程的20多秒内投入使用，使用效率不高，然而又不可缺少，显然已经属于落后工艺。
　　综上所述，磨机排风机改造势在必行，要想彻底改变现有工艺，必须从源头上下功夫，即通过改变电机转速来调节风机转速，从而达到调节风量的目的，以此来满足现场工艺的要求。通过对几种调速方式的比较，最终，万年青玉山水泥厂决定采用深圳科陆变频器公司生产的CL2700高压变频器对原料磨排风机进行改造：

3 变频改造方案

根据现场的实际情况，旁路柜采用了“一拖一”手动切换方案。现场原有的水电阻装置继续保留，以备高压变频器故障期间，用户仍可以通过原有启动回路启动设备工频运行。

（1）变频改造前的系统主回路：

如图3所示，为现有的系统主回路，10kV母线电源经过高压开关QF先到电容进相补偿柜，然后经补偿柜直接到电机的定子侧，电机转子侧是通过串联水电阻启动电机，等电机启动完成后通过接触器KM将水阻短接。

（2）变频改造后的系统主回路：

图3 绕线式电机原来的系统主回路

图4 绕线式电机变频改造后的系统主回路

（1）在电容补偿柜与高压电源之间加装一把隔离刀闸QS4，当电机变频运行的时候断开QS4，电机工频启动的时候闭合QS4。

（2）从变频器输入刀闸QS1、输出刀闸QS2取一对常闭节点串入水阻柜内接触器KM的合闸回路，保证变频启动电机的时候切除水阻启动

（3）当工频启动电机的时候，合QS3、QS4 断开QS1、 QS2。

具体实施的方法是将电容柜内的高压输入断解开接到变频器的输入，从变频器输入到电容补偿柜再引一根电缆，加一把刀闸QS4，变频器输出到电机需从重新敷设电缆。

4 项目实施后的经济效益

（1）节能效果明显
　　万年青水泥厂立磨排风机等6台风机变频改造后，取得了显著的节能效果，改造前风机风门的开度经常在70%左右，电机全速运行，改造后，风机变速运行，因现场工况变化不是很大，变频调速系统经常运行在38～45Hz左右，与调节档板时的消耗功率相比大大减小，节电效果与经济效益显著。

#1生料磨排风机（运行频率44.5Hz）

      工频用电量：1.732×10×105×0.95 = 1727.67 kW；

      变频用电量：1.732×10×92×0.97 = 1542.637 kW；

        节约电量：1727.67 – 1542.637 = 182.033 kW；

          节电率：182.033÷1727.67 = 10.54 %

#2生料磨排风机（运行频率44.5Hz）

      工频用电量：1.732×10×105×0.95 = 1727.67 kW；

      变频用电量：1.732×10×90×0.97 = 1512.036 kW；

        节约电量：1727.67 – 1512.036 = 215.634 kW；

          节电率：215.634÷1727.67 = 12.48 %

按照设备一年运行300天，实际电费按0.45元/kWh计算，则一年可节省电能 288万kWh，可节约电费196万元。合标准煤：3.45×617.4 = 993t，可减少二氧化碳排放量2484t。

（2）改善了生产工艺。
    现将改造前及改造后现场工况比较列表如下：

从上述表格可以看出：水泥旋窑立磨风机变频改造后，取得的间接效果也是十分明显的，因为变频调速系统经常运行在43Hz左右，电机及风机旋转速度降低，电机及风机的轴温降低，噪音降低，整体维护周期大大缩短；运行人员在DCS侧通过监控界面很方便的调节电机的运行频率，高压变频器的频率分辨率精确到0.01Hz，响应快，调节精度高。改造后，电机的温升有所下降。

5 结论

在水泥厂风机采用变频调速技术，能节约大量能源，提高生产效率，为水泥厂带来较大的经济效益和社会效益。根据大量水泥生产线风机高压变频调速节能改造的具体经验，采用变频调速后，风机的电耗降低15%～45%，电费若以0.50元/kW.h计算，通常在1~3年就可收回变频器设备和其它安装等附加费用的总投资。除了实现节能降耗经济效益外，其他方面的效益也是明显的：

(1) 改善了工艺，调速精度得到保证，提高了产品质量的稳定并可提高产量;

(2) 延长了设备的使用寿命，降低了设备运行与维护费用;

(3) 采用变频调速后，可以实现了电动机的软起动和软制动，不产生冲击;

（4）由于单元串联式的高压变频器，功率因数可保证在0.95以上，无需再投资功率因数补偿设备，并可降低相关设备的投资与维护费用。