摘要：变频调速技术现已被应用于各行各业，山水集团公司于2004年起开始将高压变频器应用于水泥行业的电机节能改造，至今已成功用于水泥厂窑尾排风机、高温风机、窑头煤磨风机、窑头过剩风机、生料磨循环风机等的节能改造，取得了许多成功的改造经验，并取得了显著的经济效益。
关键词：变频调速、液力耦合器 变频改造
一、前言
变频调速技术现已被应用于各行各业，我公司于2004年起开始将高压变频器应用于水泥行业的电机节能改造，至今已成功用于水泥厂窑尾排风机、高温风机、窑头煤磨风机、窑头过剩风机，生料磨循环风机的节能改造，取得了许多成功的改造经验，并取得了显著的经济效益。
典型应用案例：2007年6-7月，利德华福在山水集团中标18台设备，其中应用较多的是淄博山水水泥公司和平阴山水水泥公司的各两条日产量5000T生产线的高温风机、窑头煤磨风机、窑头过剩风机，生料磨循环风机等风机，进行变频节能改造，都取得良好的节能效果，下面对改造情况作一简单介绍。
二、原来用液力耦合器缺陷
1．液力耦合器属于一种机械调速设备。液力耦合器的原理决定了液力耦合器有5-8%的速度损失。同时功率损失变为热量，使液压油温过高。需要大量冷却水冷却液压油。
2. 在实际运行中油温高于95℃以上，使冷却器的水易结垢堵塞，造成故障。
3. 由于液力耦合器是用液压油传递功率，因此速度控制不稳定、功率因数低、调速精度差。
4. 液力耦合器整机效率低，功率因数低，调速精度差，调速本身的损耗大、维护量大、二次成本过高，所以节能效果不明显。
三、高压变频调速系统简介
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机最为合理的调速方法。
由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前，变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。
高压变频调速具有如下显著的优点：
（1）由负载档板或阀门调节导致的大量节流损失，在变频后不再存在；
（2）异步电动机功率因数由变频前的0.85左右提高到变频后的0.95以上；
（3）可实现零转速启动，无启动冲击电流，从而降低了启动负载，减轻了冲击扭振。
（4）高压变频器本身损耗极小，整机效率在97％以上。
对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H与转速n的平方成正比；输出轴功率P与转速n的立方成正比；即：
Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝(n1/n2)2，P1/P2＝(n1/n2)3
当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机低于额定转速时，理论节电为：
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW?h)
式中： n是额定转速，n′是实际转速，P是额定转速时电机功率，T是工作时间。
可见，通过变频对风机进行改造，不但节能，而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
四、变频器和液力偶合器的比较
1.HARSVERT-A高压变频器调速范围为0~100%；液力偶合器的调速范围一般为40~95%，即高速段造成约5%的速度损失，影响机组的出力。液力偶合器最低一般只能到额定速度的40%。
2.HARSVERT-A高压变频器在整个调速范围内都具有较高的效率（大于96%），而液力偶合器在调速越低时效率越低，本身带来不小的损耗，调速的节能效果大打折扣。
3.HARSVERT-A高压变频器对电机及负载机械实现真正的软启动，彻底解决了启动冲击问题，如果工艺需要，电机可以在短时间内多次重复启动。液力偶合器不能解决电机启动问题，电机仍然为直接启动，需要启动装置，启动冲击也大，并且不能频繁启动。
4.用HARSVERT-A高压变频器对电机进行调速改造时，只需脱开原来的开关和电机的连接电缆，加入高压变频器即可，不动电机和机械的连接关系，不用改动任何基础，也不存在场地限制问题。用液力偶合器做调速改造，必须将液力偶合器串入电机和机械的连接轴中，需要移动和重新浇注设备基础，有些地方空间也未必允许。
5.HARSVERT-A高压变频器是高科技设备，可靠性高，基本免维护。液力偶合器是机械设备，本身包含油路、水路等多套系统，故障率高，维修工作量大，造成有效生产时间的缩短。
五、高温风机变频改造方案
以水泥厂耗电量较高的高温风机为例，日产5000t的生产线，高温风机电机配置为6kV/2500kW，原来用液力耦合器调速，改造后在高温风机的电机与风机之间由高压变频器对电机本身进行调速，最后达到调整窑尾预热器（高温风机入口）的压力为工况要求值。
根据水泥厂提供的负载参数及运行工况，利德华福为窑尾高温风机配置高压变频器型号是：HARSVERT-A06/300（额定电压6kV，额定电流300A）。
六、窑尾高温风机系统简介
淄博山水水泥厂和平阴山水水泥生产线为干法悬窑，其窑烧成系统流程简图如图1所示：
 |
| 图1：窑烧成系统流程简图 |
日产5000t旋窑是一个有4度斜角、直径4.8m、长74m的耐热钢筒，内镶各种耐火砖。从预热器来的生料从窑尾进入到窑中，借助窑的转动来促进生料在旋窑内高温下混合、煅烧，物料依靠窑筒体的斜度及窑的转动在窑内向前运动。窑内燃烧产生的余热废气，在窑尾高温风机的作用下，通过预热器对进入窑尾前的生料进行预热均化，降温后的余热废气再通过高温风机抽出进入废气处理（除尘及排出）。
七、改造过程简述
为减小安装成本，动力电缆保留了原高压柜至电机的电缆，将电缆原接线由高压柜牵至高压变频器，再重新由高压柜到高压变频器敷设一根动力电缆，由于高压变频器房紧邻高压室，此电缆长度较短。
由于此高压变频器功率较大，发热量较大，为保证足够的通风冷却效果，在变压器柜顶和功率柜顶分别独立安装了一整体风罩，与各自的出风口连成整体，把高压变频器散出的热风排出室外，保证高压变频器整体冷却通风要求。
八、变频改造节能情况统计
变频改造前后，我们对相应的运行数据进行了统计，现将部分数据分析整理如下。
1.淄博山水水泥1、2#窑风机改造前后对比表
淄博山水水泥有限公司改造设备，应用了利德华福共计8台高压大功率变频器，分别应用以下场合：
| 所用场合 | 电机功率 （kW） |
改造前电机功率 （kW） |
改造后电机功率 （kW） |
| 一线1#循环风机 | 1000 | 790 | 661 |
| 一线2#循环风机 | 1000 | 774 | 681 |
| 一线高温风机 | 2500 | 2221 | 1777 |
| 一线煤磨风机 | 630 | 348 | 247 |
| 二线3#循环风机 | 1000 | 830 | 681 |
| 二线4#循环风机 | 1000 | 780 | 632 |
| 二线高温风机 | 2500 | 2420 | 1866 |
| 二线煤磨风机 | 630 | 388 | 257 |
从上述数据可以明确看出改造后窑系统各风机相应的节电功率。
根据我们在设备调试和开窑过程中记录的数据，按每天24小时，月运行28天，年运行11个月，即7392小时计算，可推算出风机的节电量及节电效益。
以1#窑所有风机为例计算节能效果：
节电功率：（790－661）+（774－681）+（2221－1777）+（348－247）＝767（kW），年节电量： 767kW×7392小时＝566.96万kW?h，年节电效益：566.96万kW?h×0.5元/kW?h＝283.48万元。
2.平阴山水水泥1、2#窑风机改造前后对比表
平阴山水水泥有限公司改造设备，应用了利德华福共计5台高压大功率变频器，分别应用以下场合：
|
所用场合 |
电机功率 |
改造前电机功率 |
改造后电机功率 |
|
一线高温风机 |
2500KW |
1920 |
1430 |
|
一线过剩风机 |
630KW |
455 |
345 |
|
二线高温风机 |
2500KW |
1890 |
1380 |
|
二线煤磨风机 |
630KW |
510 |
430 |
|
二线过剩风机 |
630KW |
425 |
330 |
由于平阴山水水泥窑的密封较好，所以节能效果也比较好，其中尤以高温风机效果最好，现简单计算高温风机节电量，根据我们在设备调试和开窑过程中记录的数据，平阴山水1#窑在5500T/D的产量下，高温风机6kV侧电流约为156A，耗电功率约为1430kW，比改造前同产量耗电功率下降约490kW。2#窑在5500t的产量下，高温风机6kV侧电流约为148A，耗电功率约为1380kW，比改造前同产量耗电功率下降约510kW。
按每天24小时，月运行28天，年运行11个月，即7392小时计算，可推算出两台高温风机的节电量及节电效益。
1#窑高温风机：
节电功率： 1920－1430＝490（kW），年节电量：490 kW×7392小时＝362.2万kW?h，年节电效益：362.2万kW?h×0.64元/kW?h＝231.8万元。
2#窑高温风机：
节电功率： 1890－1380＝510（kW），年节电量：510 kW×7392小时＝377万kW?h，年节电效益：377万kW?h×0.64元/kW?h＝241.3万元。
此数据为估算节电值，变频改造的另一大收益是提高了窑系统的产量近19%，由此而产生的增产效益也是非常大的。
九、变频改造总结
根据我公司在山水水泥厂各个风机的高压变频器的安装及使用情况，总结高压变频器改造有以下优点：
1.安装简单，即将原高压开关柜与电动机之间插入安装高压变频器，对原有接线改动不大。
2.操作使用方便，高压变频器操作只有简单的开机、停机和频率调整。
3.能进行无级调速，调速范围广，且调速精度高，适用性强。
4.保护功能完善，故障率低，排风机启动平稳，启动电流小，可靠性高。
5.电动机不需长期高速运行，工作电流大幅度下降，节电效果显著。
6.由于高压变频器取代了液耦调速，消除了机械及液压高故障率的缺陷，设备维护费用降低。
7.电动机运行振动及噪声明显下降，轴承温度也有很大的下降。
8.交流变频调速器，以适用性强、可靠性高、操作使用方便等性能，受到用户的欢迎。它应用在调速、节电、软启动方面，对企业有很大的实用价值。我公司高压变频器在这两个水泥厂共对13台电机进行了成功的改造，其节能效果明显，且同时提高了整个系统的工艺性能，得到用户的好评，并在当地水泥行业中产生了很大的影响。
十、结束语
目前，水泥行业的竞争非常激烈，但关键还是制造成本的竞争，而电动机电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。高压变频器技术目前已经比较成熟，故障率较小，是水泥厂节能改造的理想设备，具有很高的应用价值。
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