前 言
由于世界能源緊缺，煤、電、油等能源價(jià)格不斷攀升，能耗高已嚴(yán)重制約企業(yè)的生存和可持續(xù)發(fā)展。近幾年變頻調(diào)速的優(yōu)越性和節(jié)能效果已在低壓變頻器的運(yùn)用中得到充分體現(xiàn)，同時(shí)高壓變頻技術(shù)的日趨成熟，并逐步在冶金、化工、電力、建材等眾多行業(yè)中得到了推廣和應(yīng)用。我公司作為貴州省清潔生產(chǎn)的試點(diǎn)企業(yè)，節(jié)能降耗勢(shì)在必行。公司各部門根據(jù)各自在操作、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備可靠性、控制、節(jié)能和管理等方面對(duì)公司工藝控制復(fù)雜、設(shè)備維護(hù)量大、故障率高；電氣控制復(fù)雜、耗電量較高、有較高的節(jié)能空間的設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研和可行性分析，確定將2號(hào)窯尾高溫風(fēng)機(jī)（1250kW/6kV）高壓電機(jī)作為第一批變頻節(jié)能改造設(shè)備。
一、高溫風(fēng)機(jī)變頻改造的可行性分析
1、高溫風(fēng)機(jī)的運(yùn)行現(xiàn)狀：
公司2號(hào)窯高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)為1250kW/6kV高壓電機(jī)。該設(shè)備原設(shè)計(jì)采用襄樊大力工業(yè)控制有限責(zé)任公司生產(chǎn)的液體電阻起動(dòng)調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速（即水電阻調(diào)速），在應(yīng)用水電阻調(diào)速控制的過程中，存在以下幾個(gè)方面的問題：
1)轉(zhuǎn)子部分仍帶有集電環(huán)、碳刷等配件，在運(yùn)行過程中需對(duì)這些配件進(jìn)行更換或處理，運(yùn)行維護(hù)量大。
2)轉(zhuǎn)子部分未能完全切除，在轉(zhuǎn)子部分有約160V左右的電壓和380A左右的電流，導(dǎo)致大量的電能無功的消耗在水電阻上。
3) 由于大量的電能消耗在水電阻上而使水電阻溫度不斷升高，為給水電阻進(jìn)行冷卻，需大量的自來水供給，造成大量的水資源浪費(fèi)。
4)為給水電阻進(jìn)行冷卻，在水電阻外部使用了一臺(tái)5.5kW和一臺(tái)1.5kW的電機(jī)進(jìn)行電解液和自來水的循環(huán)。
5)在夏季或廠區(qū)供水壓力低的情況下，常因高溫風(fēng)機(jī)調(diào)速柜內(nèi)水電阻水溫過高（高于60℃時(shí)）而切除水電阻，電機(jī)全速運(yùn)行，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速失控，影響生產(chǎn)。
2、節(jié)能計(jì)算：
根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率和極數(shù)的關(guān)系，即n=60f(1-s)/p,式中
n表示電機(jī)轉(zhuǎn)速
f表示輸入頻率
s表示電機(jī)轉(zhuǎn)差率
p表示電機(jī)磁極對(duì)數(shù)
可知，要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過改變電機(jī)極數(shù)和轉(zhuǎn)差率，以及頻率來實(shí)現(xiàn)。變頻調(diào)速就是采用變頻調(diào)速器直接通過改變頻率來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的。
由流體力學(xué)知道，風(fēng)機(jī)的流體流量（Q）與轉(zhuǎn)速（n）的一次方成正比，風(fēng)機(jī)的壓力（H）與轉(zhuǎn)速（n）的二次方成正比，風(fēng)機(jī)的功率（P）正比于風(fēng)機(jī)的流量（Q）與壓力（H）的乘積，即風(fēng)機(jī)的功率（P）與轉(zhuǎn)速（n）的三次方成正比。與轉(zhuǎn)速三次方成正比。即
流量Q ∝ 轉(zhuǎn)速n
壓力H ∝ 轉(zhuǎn)速n2
功率 P ∝ 流量Q*壓力H ∝ 轉(zhuǎn)速n3
高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)參數(shù)：
功率PN：1250kW,
額定電壓：6kV,
額定電流：139.5A,
額定轉(zhuǎn)速：1487r/min,
功率因數(shù)：0.896；
高溫風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)：
運(yùn)行電流：110A,
風(fēng)門開度：90%,
電機(jī)轉(zhuǎn)速：1300 r/min。
工頻運(yùn)行時(shí)的軸功率消耗：
P1=1.732*U*I*COSφ=1.732*6000*110*0.896 =1024kW,
保守估算變頻改造后的軸功率消耗：
假設(shè)改造后仍需1300r/min的轉(zhuǎn)速，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下的功率消耗為1250kW。
由 式PN/P2=(nN/n2)3
得 P2= PN (n2/nN)3=1250*(1300/1487)3=827kW
變頻改造后一小時(shí)的節(jié)電量
△ P = ( P1－P2 )=1024-827=197kW
變頻改造后的節(jié)電率：
N =( 197/1024)×100% = 19.2 %，
年節(jié)約電費(fèi)（按80%的運(yùn)轉(zhuǎn)率、單位電價(jià)為0.42元/kWh）計(jì)算：
年運(yùn)行時(shí)間為365*24*80%=7008小時(shí)
年節(jié)約電量為197*7008=1380576KWh=138萬度
年節(jié)約電費(fèi)為：1380576*0.42=552230=57.98萬元
3、改造后預(yù)計(jì)效果：
根據(jù)以上節(jié)能計(jì)算，很明顯，當(dāng)采用變頻調(diào)速控制后，據(jù)保守估算，節(jié)電率約為15%，除以上明顯的節(jié)能外，使用變頻調(diào)速還具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1) 優(yōu)良的調(diào)速性能，完全可以滿足于生產(chǎn)工藝要求。
2) 甩開了轉(zhuǎn)子部分的集電環(huán)、碳刷等配件，大大降低了運(yùn)行中的維護(hù)量且運(yùn)行可靠。
3) 沒有了自來水的冷卻這個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)約了水資源。以目前水電阻的水消耗來看，一天大約可節(jié)約30T左右用水。按80%的運(yùn)轉(zhuǎn)率（365*80%=292天），0.8元的單位水價(jià)計(jì)算，一年可節(jié)約水費(fèi)：30*292*0.8=7008元。
4) 采用變頻調(diào)速控制后，減少了以前用于外部循環(huán)的5.5kW和1.5kW（共7kW）的電機(jī)消耗。按70%的負(fù)載率（5kW），仍按80%的運(yùn)轉(zhuǎn)率（7000h）、0.40元的單位電價(jià)計(jì)算，一年可節(jié)約電費(fèi)：5*7000*0.42=14700元。
5)實(shí)現(xiàn)了空載軟啟動(dòng)，啟動(dòng)峰值電流和時(shí)間大大減少，避免了因大電流造成電機(jī)的絕緣老化及由于大力矩造成的機(jī)械沖擊對(duì)電機(jī)壽命的影響，減少電機(jī)的維護(hù)工作量。
6)避免了大力矩造成的機(jī)械沖擊，減少了機(jī)械的磨損，延長風(fēng)機(jī)葉輪的使用壽命，降低了維護(hù)費(fèi)用。
7) 系統(tǒng)安全、可靠，控制方便、靈活，自動(dòng)化水平高。
因此，對(duì)2號(hào)窯尾高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻節(jié)能改造是可行的。
二、高溫風(fēng)機(jī)高壓 變頻改造的選擇
我公司與北京合康億盛科技有限公司在2007年8月15日簽署了一臺(tái)1250kW/6kV的高壓變頻器購銷合同，選用了一套該公司自主研發(fā)和生產(chǎn)的HIVERT-06/154 P變頻器，用于公司2號(hào)窯高溫風(fēng)機(jī)的改造。變頻器為電壓源型，直接“高—高”方式，6kV電壓直接輸入，6kV電壓直接輸出，單元串聯(lián)PWM疊波輸出，每相5單元。功率單元和控制系統(tǒng)之間采用光纖通訊，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電的完全電氣隔離，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。
變頻器及其工頻旁路開關(guān)由變頻器整體配套提供，主要元器件均采用國際知名廠家產(chǎn)品，所有重要零部件均經(jīng)過嚴(yán)格篩選和100%測(cè)試，整機(jī)進(jìn)行空載高壓負(fù)載試驗(yàn)。考慮到變頻器因故障退出運(yùn)行后不影響生產(chǎn)，確保系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)旁路選用手動(dòng)旁路柜，當(dāng)變頻器發(fā)生重大故障無法運(yùn)行時(shí)，變頻器將立刻分?jǐn)喔邏狠斎耄⒔o出故障報(bào)警，此時(shí)可以通過手動(dòng)旁路柜將電機(jī)投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行。
2007年9月18日設(shè)備到貨，28日變頻器安裝就位。10月1日利用2#窯停窯檢修的機(jī)會(huì)，完成了高壓柜到變頻器的連接，柜內(nèi)干式變壓器與功率單元的連線，變頻器與DCS的連接、DCS程序及操作界面和運(yùn)行曲線的制作。10月4日先后對(duì)安全上電聯(lián)鎖、變頻器控制柜、空電機(jī)、輕載和重載等進(jìn)行了調(diào)試。
高壓變頻器調(diào)試正常后，合康公司技術(shù)人員還在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高壓變頻器的操作、日常維護(hù)以及易出現(xiàn)的故障等作了詳細(xì)的講解。
三、高溫風(fēng)機(jī)高壓變頻器的運(yùn)行情況
2號(hào)窯尾高溫風(fēng)機(jī)變頻器于10月5日正式投入運(yùn)行。投運(yùn)后運(yùn)行狀況穩(wěn)定良好、故障率極低、運(yùn)行電流和風(fēng)機(jī)振動(dòng)值均有下降，完全可以滿足于生產(chǎn)工藝控制的要求，具體數(shù)據(jù)詳見下表：
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高溫風(fēng)機(jī)高壓變頻節(jié)能改造前后運(yùn)行情況對(duì)比
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對(duì)比內(nèi)容
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改造前
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改造后
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風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)
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1250~1300
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1100~1225
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風(fēng)門開度(%)
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90%
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100%
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運(yùn)行電流(A)
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輸入側(cè)
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120~130
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75~105
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輸出側(cè)
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120~130
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110~130
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運(yùn)行振動(dòng)值（？）
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A通道
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4~7
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2~5
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B通道
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3~5
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2~3
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電機(jī)繞組溫度(℃)
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90
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60
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電機(jī)軸承溫度(℃)
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42
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27
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四、高溫風(fēng)機(jī)高壓變頻器的節(jié)能情況
高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造后，不但在運(yùn)行方面取得良好的效果，作為節(jié)能項(xiàng)目，在節(jié)能方面，其節(jié)能效果非常顯著，根據(jù)改造后一個(gè)月（10月份）的用電量與改造前一個(gè)月（1月份）的用電量進(jìn)行比較，可以看到進(jìn)行變頻節(jié)能改造后，高溫風(fēng)機(jī)明顯的節(jié)能效果，具體數(shù)據(jù)詳見下表：
從上表可以看出，改造前的1月份與改造后的10月份，其單月產(chǎn)量差不多（10月份比1月份多產(chǎn)熟量717T），停窯時(shí)間都是6天，但1月份的用電量為794060kWH，10月份的用電量為489120kWH，1月份比10月份多用電304940kWH；1月份日平均用電量為25614kWH，10月份日平均用電量為15778kWH，1月份日平均用電量比10月份多9836kWH；1月份（高溫風(fēng)機(jī)）平均單位熟料電耗為27.49kWH/T，10月份為16.52kWH/T，1月份（高溫風(fēng)機(jī)）平均單耗比10月份多10.97 kWH/T。
按以上數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，則：
高溫風(fēng)機(jī)日節(jié)約電費(fèi)=0.42元/ kWH*9836KWH=4131.32元
高溫風(fēng)機(jī)月節(jié)約電費(fèi)=4131.32元*30 =123933元
高溫風(fēng)機(jī)年節(jié)約電費(fèi)=123933元*12 =1484203.2元
高壓變頻器投資回收期=1395000/1484203=0.94年，即1年就可收回成本。
通過安裝電表實(shí)測(cè)，實(shí)際節(jié)電效果比原來的節(jié)能預(yù)估高很多，大大超過預(yù)期果。
五、小結(jié)
目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競爭。電動(dòng)機(jī)電耗占成本近30％，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，因此做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。對(duì)高溫風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻節(jié)能改造不管從操作、運(yùn)行維護(hù)，還是節(jié)能方面都取得了很好的效果，是成功的。國內(nèi)高壓變頻調(diào)速器節(jié)能技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設(shè)備，具有很高的推廣價(jià)值。