玉山万年青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的孰料生产线，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，由于挡板处于较高压力下工作，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所示：
图1 立式生料磨系统简易图
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：
- 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；
- 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，电机负荷上升或系统跳停等问题；
- 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；
- 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，而且压差更能反映磨内状况；
- 磨机出口温度：有效的控制出口温度，可以保持良好的烘干及粉磨作业条件；
- 产品细度：磨内通风量的大小对产品细度也有一定影响。
另外磨的运行稳定因素还有喂料量、喷水量、研磨压力、循环风量和选粉机转速等参数。
一、原料磨排风机改高压变频器拖动的必要性
玉山万年青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，索性其只作为启动时使用），这样的运行方式存在如下弊端：
玉山万年青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，电机额定电流为128A，而电机实际运行电流平均仅为90A 左右，采用风门调节，人为改变了风道的阻力曲线，大量的能源白白浪费在了风门上，在能源日益紧缺的今天，显然已经严重落伍，改造势在必行。
3．电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，只有在启动过程的20几秒内投入使用，使用效率不高，然而却不可缺，显然已经属于落后工艺。
综上所述，该风机改造势在必行，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。
二、调速方式的选择
目前，大功率高压异步电动机的主要调速方式有以下几种：串级调速、内反馈串级调速、液力耦合器调速及变频调速等。
目前，大功率高压异步电动机的主要调速方式有以下几种：串级调速、内反馈串级调速、液力耦合器调速及变频调速等。
- 串级调速—优点是可以回收转差功率，所以调速效率比较高，但存在的问题也很多：它不适合于现有的转子绕线式异步电机，必须更换电机：不能实现软启动，启动过程非常复杂；启动电流大；调速范围有限；响应慢，不易实现闭环控制；功率因数和效率低，并随着转速的调低急剧下降；很难实现同PLC和DCS等控制系统的配合，对提高装置的整体自动化程度和实现优化控制无益；同时因控制装置比较复杂、谐波污染大对电网有较大干扰；进一步限制了它的使用，属落后技术；
- 内反馈串级调速—内反馈串级调速是在串级调速基础上发展起来的，它在普通绕线电动机的定子绕组（称主绕组）同槽放置一套绕组（称调节绕组）而制造成的内反馈串级调速电机，将该电动机部分转子能量取出以改变电动机用以产生拖动转矩，使主绕组从电网吸收的能量下降来实现节能。优点：具有串级调速的全部优点，体积小。缺点：需更换专用电机，滑环处理不当容易出现事故；虽采用频敏变阻器启动但启动电流仍很大（3-4Ie）,对电机和电网的冲击很大，启动复杂；调速范围很小；输入功率因数和效率低；电机侧由于可控硅的逆变衍生出大量的高次谐波，对电机的绝缘造成老化，引起电机的转矩脉动、附加发热和噪声污染，所以电缆要求加粗使用；电机喘振现象无法消除。仍属于落后技术；
- 液力耦合器调速—属低效调速方式，调速范围有限，高速丢转约5%-10%，低速转差损耗大，最高可达额定功率的15%，因效率与转速成正比，低速时效率极低，精度低、线性度差、响应慢、启动电流大、装置大，必须加装在设备和电机之间，不适合改造；无法软启动，耦合器故障时，无法切换运行，维护复杂、费用大，不能满足提高装置整体自动化水平的需要；
- 高压变频调速—由于应用了先进的电力电子技术、计算机控制技术、现代通信技术和高压电气、电机拖动等综合性领域的学科技术，因此具有其他调速方式无法比拟的优点：
（1）变频器采用液晶显示数字界面，调整触摸式面板，可随时显示电压、电流、频率、电机转速，可非常直观地显示电机在任何时间的实时状态。
（2）精确的频率分辨率和高的调速精度，完全可以满足各种生产工艺工况的需要。
（3）高压变频器具有国际通用的外部接口，可以同可编程控制器（PLC）和工控机等各种仪表连接，并可以与原设备控制回路相连接，构成部分闭环系统，如与原DCS系统实现数据交换和联锁控制。
（4）具有电力电子保护和工业电气保护功能，保证变频器和电机在正常运行和故障时安全可靠。
（5）电机可实现软启动、软制动；启动电流小，小于电机的额定电流；电机启动的时间可连续可调，减少了对电网的影响。
（6）具有就地和异地操作功能，另可通过互联网实现远程监控功能。
（7）减少配件损耗，延长设备使用寿命，提高劳动生产效率。
通过对几种调速方式的比较，最终，万年青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：
- 科陆高压变频器是一家正规上市公司；
- CL2700系列高压变频调速装置系统运行稳定；
- CL2700系列高压变频调速装置全中文界面显示，适合国内用户；
- 针对国内用户量身定做，尽量考虑国内电网的综合因素，在其可靠性，安全性方面有其独到的技术优势；
- CL2700系列高压变频调速装置内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要
三、改造项目具体实施方案及过程
根据现场的实际情况，旁路柜采用了一拖一手动方案。此结构是手动旁路的典型方案,原理是由3个高压隔离开关QS1、QS21和QS22组成（见图，其中QF为原高压开关柜内的断路器）。要求QS21和QS22不能同时闭合，属于单刀双掷。变频运行时，QS1和QS21闭合，QS22断开；工频运行时，QS22闭合，QS1和QS21断开；QS3为单独所加的刀闸柜，用来投切用户原有的电容补偿装置，工频时合QS3，变频时分QS3。
根据现场的实际情况，旁路柜采用了一拖一手动方案。此结构是手动旁路的典型方案,原理是由3个高压隔离开关QS1、QS21和QS22组成（见图，其中QF为原高压开关柜内的断路器）。要求QS21和QS22不能同时闭合，属于单刀双掷。变频运行时，QS1和QS21闭合，QS22断开；工频运行时，QS22闭合，QS1和QS21断开；QS3为单独所加的刀闸柜，用来投切用户原有的电容补偿装置，工频时合QS3，变频时分QS3。
优点是:在检修高压变频器时，有明显断电点，能够保证人身安全，同时也可手动使负载投入工频电网运行等。
缺点：高压变频器故障时，不能自动由变频转为工频。
现场原有的水电阻装置继续保留，高压变频器安装后，与原有的水电阻二次回路结合，取高压变频器的变频状态信号（QS1,QS21闭合后输出变频状态信号）送至水电阻二次回图1：高压变频器工频旁路原理图 路，该信号有效后通过原有水电阻二次回路，直接短接电机转子滑环，切除水电阻装置，由高压变频器对电机实现软启动；取高压变频器工频旁路信号（QS22闭合后输出工频旁路状态信号），该信号有效后通过原有水电阻二次回路，恢复高压电机的串水电阻调速功能，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。
现场设备名牌如下：
电机名牌
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序 号
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项 目
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单位
|
数值
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|
1
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电动机型号规格
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台
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YRKK710-6
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2
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额定功率
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kW
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1800
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3
|
额定电压
|
kV
|
10
|
|
4
|
额定频率
|
Hz
|
50
|
|
5
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额定电流
|
A
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128
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6
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额定转速
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r/min
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993
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高压变频器名牌
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型号
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CL2700-10-2250-AQY
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输入电压
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10kV
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出厂编号
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09088
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额定功率
|
2250kVA
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额定电流
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130A
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出厂日期
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2009/8
|
四、改造效果
1．节能效果相当明显，经济效益显著
万年青水泥厂立磨风机变频改造后，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43赫兹左右，与调节档板时的消耗功率大大减小，节电效果与经济效益显著。变频改造前后，电机的运行数据如下表所示
1．节能效果相当明显，经济效益显著
万年青水泥厂立磨风机变频改造后，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43赫兹左右，与调节档板时的消耗功率大大减小，节电效果与经济效益显著。变频改造前后，电机的运行数据如下表所示
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时间
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调节方式
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输入电流（A）
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运行频率(Hz)
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电机平均功率（kW）
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改造前
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风门
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109
|
50
|
1600
|
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改造后
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变频调速
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78
|
43
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1300
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上述表格中，改造前电机平均功率计算方法为：109×1.732×10×0.85=1604kW
改造后电机平均功率计算方法为：78×1.732×10×0.96=1296kW
注：变频运行时，变频输入的功率因数为0.96；电机工频运行时，功率因数为电机功率因数0.85。
根据以上实际数据，可以得出，改造后风机的节电率为：（1604-1296）/1604=19%
该设备每年检修一次，检修时间为30天，其余时间均运行，我们按一年运行300天计算，实际电费按一度电0.45元，则一年节省电费为：（1604-1296）×300×24×0.4=99.7万元。
2．改善工艺。
现将改造前及改造后现场工况列表如下：
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改造前
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改造后
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启动方式
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串水电阻启动
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变频软启动
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风机噪音
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大
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小
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轴承温升
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高
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低
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调节反应速度
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快
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慢
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电机及风机维护周期
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短
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长
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参考上述表格，可以看出：
原料磨排风机变频改造后，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43赫兹左右，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0.01赫兹，调节及时，调节精度高。
改造前用户曾经担心电机降速后，自身冷却风机转速下降，电机散热效果不好，电机可能会有过热的问题，实际该问题并没有出现。因为电机降速后，虽然自身冷却效果下降，但是电机降速后输出功率大大降低（电机输出功率与转速的立方成正比），事实表明，改造后，电机的温升不但没有升高，反而有所下降。
五、结论
玉山万年青水泥厂原料磨排风机的变频改造，达到了节电和改善工艺的效果，取得了圆满成功。
原料磨排风机变频改造后，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43赫兹左右，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0.01赫兹，调节及时，调节精度高。
改造前用户曾经担心电机降速后，自身冷却风机转速下降，电机散热效果不好，电机可能会有过热的问题，实际该问题并没有出现。因为电机降速后，虽然自身冷却效果下降，但是电机降速后输出功率大大降低（电机输出功率与转速的立方成正比），事实表明，改造后，电机的温升不但没有升高，反而有所下降。
五、结论
玉山万年青水泥厂原料磨排风机的变频改造，达到了节电和改善工艺的效果，取得了圆满成功。
CL2700-10-2250-AQY高压变频器，不但操作方便、容易、维护量小，而且有明显的节能效果。通过CL2700高压变频器在万年青水泥的应用，增强了运行的安全可靠性，提高了生料磨的产量，又达到较好的节能效果。因此在水泥厂生料磨系统循环风机采用高压变频技术是大力倡导和推广的。
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