前 言
由于世界能源緊缺，煤、電、油等能源價格不斷攀升，能耗高已嚴重制約企業的生存和可持續發展。近幾年變頻調速的優越性和節能效果已在低壓變頻器的運用中得到充分體現，同時高壓變頻技術的日趨成熟，并逐步在冶金、化工、電力、建材等眾多行業中得到了推廣和應用。我公司作為貴州省清潔生產的試點企業，節能降耗勢在必行。公司各部門根據各自在操作、運行維護、設備可靠性、控制、節能和管理等方面對公司工藝控制復雜、設備維護量大、故障率高；電氣控制復雜、耗電量較高、有較高的節能空間的設備進行了調研和可行性分析，確定將2號窯尾高溫風機（1250kW/6kV）高壓電機作為第一批變頻節能改造設備。
一、高溫風機變頻改造的可行性分析
1、高溫風機的運行現狀：
公司2號窯高溫風機電機為1250kW/6kV高壓電機。該設備原設計采用襄樊大力工業控制有限責任公司生產的液體電阻起動調速器進行調速（即水電阻調速），在應用水電阻調速控制的過程中，存在以下幾個方面的問題：
1)轉子部分仍帶有集電環、碳刷等配件，在運行過程中需對這些配件進行更換或處理，運行維護量大。
2)轉子部分未能完全切除，在轉子部分有約160V左右的電壓和380A左右的電流，導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，為給水電阻進行冷卻，需大量的自來水供給，造成大量的水資源浪費。
4)為給水電阻進行冷卻，在水電阻外部使用了一臺5.5kW和一臺1.5kW的電機進行電解液和自來水的循環。
5)在夏季或廠區供水壓力低的情況下，常因高溫風機調速柜內水電阻水溫過高（高于60℃時）而切除水電阻，電機全速運行，從而導致風機轉速失控，影響生產。
2、節能計算：
根據電機轉速與頻率和極數的關系，即n=60f(1-s)/p,式中
n表示電機轉速
f表示輸入頻率
s表示電機轉差率
p表示電機磁極對數
可知，要改變電機的轉速，可以通過改變電機極數和轉差率，以及頻率來實現。變頻調速就是采用變頻調速器直接通過改變頻率來改變電動機的轉速的。
由流體力學知道，風機的流體流量（Q）與轉速（n）的一次方成正比，風機的壓力（H）與轉速（n）的二次方成正比，風機的功率（P）正比于風機的流量（Q）與壓力（H）的乘積，即風機的功率（P）與轉速（n）的三次方成正比。與轉速三次方成正比。即
流量Q ∝ 轉速n
壓力H ∝ 轉速n2
功率 P ∝ 流量Q*壓力H ∝ 轉速n3
高溫風機電機參數：
功率PN：1250kW,
額定電壓：6kV,
額定電流：139.5A,
額定轉速：1487r/min,
功率因數：0.896；
高溫風機運行參數：
運行電流：110A,
風門開度：90%,
電機轉速：1300 r/min。
工頻運行時的軸功率消耗：
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：
假設改造后仍需1300r/min的轉速，電機在額定轉速下的功率消耗為1250kW。
由 式PN/P2=(nN/n2)3
得 P2= PN (n2/nN)3=1250*(1300/1487)3=827kW
變頻改造后一小時的節電量
△ P = ( P1－P2 )=1024-827=197kW
變頻改造后的節電率：
N =( 197/1024)×100% = 19.2 %，
年節約電費（按80%的運轉率、單位電價為0.42元/kWh）計算：
年運行時間為365*24*80%=7008小時
年節約電量為197*7008=1380576KWh=138萬度
年節約電費為：1380576*0.42=552230=57.98萬元
3、改造后預計效果：
根據以上節能計算，很明顯，當采用變頻調速控制后，據保守估算，節電率約為15%，除以上明顯的節能外，使用變頻調速還具有如下優點：
1) 優良的調速性能，完全可以滿足于生產工藝要求。
2) 甩開了轉子部分的集電環、碳刷等配件，大大降低了運行中的維護量且運行可靠。
3) 沒有了自來水的冷卻這個環節，節約了水資源。以目前水電阻的水消耗來看，一天大約可節約30T左右用水。按80%的運轉率（365*80%=292天），0.8元的單位水價計算，一年可節約水費：30*292*0.8=7008元。
4) 采用變頻調速控制后，減少了以前用于外部循環的5.5kW和1.5kW（共7kW）的電機消耗。按70%的負載率（5kW），仍按80%的運轉率（7000h）、0.40元的單位電價計算，一年可節約電費：5*7000*0.42=14700元。
5)實現了空載軟啟動，啟動峰值電流和時間大大減少，避免了因大電流造成電機的絕緣老化及由于大力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，減少電機的維護工作量。
6)避免了大力矩造成的機械沖擊，減少了機械的磨損，延長風機葉輪的使用壽命，降低了維護費用。
7) 系統安全、可靠，控制方便、靈活，自動化水平高。
因此，對2號窯尾高溫風機進行高壓變頻節能改造是可行的。
二、高溫風機高壓 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1250kW/6kV的高壓變頻器購銷合同，選用了一套該公司自主研發和生產的HIVERT-06/154 P變頻器，用于公司2號窯高溫風機的改造。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PWM疊波輸出，每相5單元。功率單元和控制系統之間采用光纖通訊，實現強弱電的完全電氣隔離，提高了整個系統的抗干擾能力。
變頻器及其工頻旁路開關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品，所有重要零部件均經過嚴格篩選和100%測試，整機進行空載高壓負載試驗。考慮到變頻器因故障退出運行后不影響生產，確保系統正常工作，系統旁路選用手動旁路柜，當變頻器發生重大故障無法運行時，變頻器將立刻分斷高壓輸入，并給出故障報警，此時可以通過手動旁路柜將電機投入工頻電網運行。
2007年9月18日設備到貨，28日變頻器安裝就位。10月1日利用2#窯停窯檢修的機會，完成了高壓柜到變頻器的連接，柜內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行曲線的制作。10月4日先后對安全上電聯鎖、變頻器控制柜、空電機、輕載和重載等進行了調試。
高壓變頻器調試正常后，合康公司技術人員還在現場對高壓變頻器的操作、日常維護以及易出現的故障等作了詳細的講解。
三、高溫風機高壓變頻器的運行情況
2號窯尾高溫風機變頻器于10月5日正式投入運行。投運后運行狀況穩定良好、故障率極低、運行電流和風機振動值均有下降，完全可以滿足于生產工藝控制的要求，具體數據詳見下表：
|
高溫風機高壓變頻節能改造前后運行情況對比
|
|||
|
對比內容
|
改造前
|
改造后
|
|
|
風機轉速(轉/分)
|
1250~1300
|
1100~1225
|
|
|
風門開度(%)
|
90%
|
100%
|
|
|
運行電流(A)
|
輸入側
|
120~130
|
75~105
|
|
輸出側
|
120~130
|
110~130
|
|
|
運行振動值（？）
|
A通道
|
4~7
|
2~5
|
|
B通道
|
3~5
|
2~3
|
|
|
電機繞組溫度(℃)
|
90
|
60
|
|
|
電機軸承溫度(℃)
|
42
|
27
|
|
四、高溫風機高壓變頻器的節能情況
高溫風機進行變頻節能改造后，不但在運行方面取得良好的效果，作為節能項目，在節能方面，其節能效果非常顯著，根據改造后一個月（10月份）的用電量與改造前一個月（1月份）的用電量進行比較，可以看到進行變頻節能改造后，高溫風機明顯的節能效果，具體數據詳見下表：
從上表可以看出，改造前的1月份與改造后的10月份，其單月產量差不多（10月份比1月份多產熟量717T），停窯時間都是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（高溫風機）平均單位熟料電耗為27.49kWH/T，10月份為16.52kWH/T，1月份（高溫風機）平均單耗比10月份多10.97 kWH/T。
按以上數據進行計算，則：
高溫風機日節約電費=0.42元/ kWH*9836KWH=4131.32元
高溫風機月節約電費=4131.32元*30 =123933元
高溫風機年節約電費=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。
通過安裝電表實測，實際節電效果比原來的節能預估高很多，大大超過預期果。
五、小結
目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭。電動機電耗占成本近30％，拖動風機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。對高溫風機進行高壓變頻節能改造不管從操作、運行維護，還是節能方面都取得了很好的效果，是成功的。國內高壓變頻調速器節能技術目前已經比較成熟，是水泥廠節能改造的理想設備，具有很高的推廣價值。