高壓變頻器在粉磨站收塵風機上的應用
北京利德華福電氣技術有限公司 周洪云 晏鵾
一、引言
濟南山水集團平陰粉磨站具有一套年產100萬噸水泥生產線，工程設計初期收塵器的收塵風機是定速運行，其風量調節依靠檔板開度來控制�？紤]產量變化及生產品種的變化（水泥成品的顆粒細度不同），需要不同的風量來滿足工藝要求。若用檔板調節，不但控制精度較差，并且依靠檔板截流來減少風量，電機的出力變化較小，造成大量電能被白白浪費。為了改善工藝、降低能耗，山水水泥的設計人員決定對收塵風機進行變頻調速改造，生產中風量的調整通過變頻器來改變收塵風機轉速實現。
用戶通過大量考察論證，最后選用北京利德華福電氣技術有限公司的一臺HARSVERT-A06/055高壓變頻器驅動收塵風機。
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1、水泥生產工藝
水泥的生產步驟，可分為以下八個步驟：
原料的提取（采礦） 原料的破碎 原料的儲存和預均化 原料的粉磨（球磨機） 生料的均化和儲存 煅燒（生料通過旋風筒預熱后再進入回轉窯烘烤物料，煅燒成熟料） 水泥的粉磨（根據水泥的品質，混合其他的化學原料粉磨）
水泥的儲存與運輸 其中物料的粉磨工藝流程是：
電動機通過減速機帶動磨盤轉動，物料從下料口落到磨盤中央，在離心力的作用下向磨盤邊緣移動并受到磨輥的碾壓，粉碎后的物料離開磨盤，被高速向上的氣流帶至與立磨一體的分離器，粗粉經分離器后返回到磨盤上，重新粉磨；細粉則隨氣流出磨，在系統的收塵裝置中收集下來。
收塵風機的轉速（收塵器所需風量）主要由管磨機內工藝情況（產量及粉的細度）決定。
2、水泥粉磨系統主要設備：（表一）
| 設備名稱 | 規格 | 主要性能 | 電機功率（kW） |
| 輥壓機 | RP120-80 | 輥直徑1200mm, 有效寬度899mm |
2×500 kW |
| 管磨機 | ∮4.2×11.5 | 能力120t/h | 2800 kW |
| 高效選粉機 | XWS40 | 處理能力150 t/h | 220 kW |
| 袋式收塵器 | LPM2X70 | 處理風量157000m3/h | |
| 排風機 | R6-2X40No15.57 | 風量160000 m3/h， 風壓7300Pa |
450 kW |
3.水泥生產工藝圖
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| 圖一 |
三、收塵風機系統控制方案
1、主回路方案工作原理：變頻器為一拖一配置，即一臺變頻器拖動一臺電機。變頻器高壓進線端直接接于6kV電壓等級的主動力電源，輸出側直接連接電機。QF1為用戶現場高壓斷路器，為了實現對變頻器故障保護，變頻器與QF1的合、分閘回路實現連鎖，只有變頻器控制系統正常才允許QF1合閘，而變頻器重故障則跳開QF1。
2、控制回路方案
按照用戶要求,變頻器可以根據用戶反饋的風壓信號來調節風機的風壓,也可以與用戶的風門進行開、合聯動。
變頻器控制柜有“本機控制/遠程控制”選擇開關，可以方便地選擇本地操作或遠程操作，變頻器支持MODBUS、PROFIBUS、TCP/IP等協議及硬接線連接來實現遠程操作，本套系統與用戶中控室DCS采用硬接線連接。即DCS給變頻器發啟動、停止指令及一路頻率給定信號，變頻器反饋給DCS“備妥”、“運行”、“報警”、“故障”四路開關量信號及“電機轉速”、“電機電流”兩路模擬量信號。
變頻器概略圖如下：
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| 圖二 |
3、變頻器技術參數
| 序 號 | 規 范 | 單 位 | 參 數 | 備 注 |
| 1 | 使用標準 |
Q/CP BLH003-2004 | ||
| 2 | 型式及型號 | HARSVERT-A06/055 | ||
| 3 | 制造商及產地 | 北京利德華福電氣技術有限公司 | ||
| 4 | 技術方案 | 多級模塊串聯，交直交、高高方式 | ||
| 5 | 對電動機要求 | 普通鼠籠式異步電機 | ||
| 6 | 額定輸入電壓/允許變化范圍 | kV | 6kV±15% | |
| 7 | 系統輸入電壓 | kV | 6kV | |
| 8 | 額定輸入頻率/允許變化范圍 | 50Hz±10% | ||
| 9 | 對電網電壓波動的敏感性 | +15%～-35% | ||
| 10 | 變頻器效率 | ＞0.98 | ||
| 11 | 諧波 | 輸入電流<4%,輸出電流<2% | ||
| 12 | 可靠性指標（平均無故障工作時間） | H | 20000小時 | |
| 13 | 輸入側功率因數 | ＞0.95（＞20%負載） | ||
| 14 | 控制方式 | 多級正弦PWM控制 | ||
| 15 | 控制電源 | 外供220V±10%AC，3kVA， 220V±10%DC，3kVA |
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| 16 | UPS型式、參數及容量 | 掉電可維持30分鐘 | ||
| 17 | 變換器型式及元件 | 42脈沖，二極管三相全橋 | ||
| 18 | 逆變器型式及元件 | IGBT 逆變橋 串連 | ||
| 19 | 電隔離部分是否采用光纖電纜 | 采用安捷倫HFBR－EUS100光纖 | ||
| 20 | 噪聲等級 | ≤75dB | ||
| 21 | 冷卻方式 | 強迫風冷 | ||
| 22 | 過載能力 | 120% 1min，150%立即保護（<10μs） | ||
| 23 | 標準控制連接 | 與DCS硬連接 | ||
| 24 | 模擬量信號（輸入）規格及數量 | 4～20mA或0～10V，4路 | ||
| 25 | 模擬量信號（輸出）規格及數量 | 4～20mA或0～10V，2路 | ||
| 26 | 開關量信號（輸入）規格及數量 | 繼電器干式接點，6點 | ||
| 27 | 開關量信號（輸出）規格及數量 | 繼電器干式接點，5點 | ||
| 28 | 防護等級 | IP20 | ||
| 29 | 操作鍵盤 | 標準操作面板 | ||
| 30 | 界面語言 | 簡體中文 | ||
| 31 | 變頻裝置外形尺寸 | 3956×1200×2574mm | ||
| 32 | 變頻裝置重量 | 5000Kg |
四、節能效果分析
1、變頻器參數
| 型號 | HARSVERT-A06/055 | 輸入電壓 | 6kV |
| 額定電流 | 55A | 額定功率 | 450kW |
2、電機參數
| 額定功率 | 450kW | 額定電壓 | 6kV |
| 額定轉速 | 985rpm | 額定電流 | 55A |
3、能計算
通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。
根據風機工作特性：原來系統采用檔板調節時，風機工作點將由A沿曲線向B點移動；目前系統采用電機轉速調節時，風機轉速由n0 調整為n’時，風機工作點將由B點降至C點。因此采用高壓變頻器調速，其節電量如下圖所示。
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根據工藝要求，收塵風機的電機轉速降為額定轉速的80％時，調速系統（變頻器＋電機）從電網側吸收功率約降為額定轉速時的51％，即0.83×100%=51%。因此若工藝要求收塵系統風量下降即收塵風機轉速下降時，節能效果將十分明顯。
現在，平陰粉磨站的生產任務繁重，生產線基本在滿負荷甚至超負荷運行，水泥生產量基本在120－130t/h，在最大負荷下，變頻器運行頻率約為37.5Hz，輸入電流（從變頻器網側吸收）約為28A。對比相同工況下的另外一條生產線，在產量基本相同情況下，沒有變頻改造的收塵風機運行電流約為44A，從比較情況來看，經變頻改造的收塵風機節能效果非常明顯。
五、變頻改造對系統產生的其他效果
通過對濟南山水集團平陰粉磨站的變頻節能分析測算表明，設備進行變頻改造后，具有顯著的經濟效益，并且在其它方面也產生了一些顯著的影響：
（1）采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流只是額定電流，啟動時間相應延長，對電網和變壓器無大的沖擊，減輕了起動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命；
（2）變頻改造前，風量的調節要靠調整檔板的開度來完成，一次風量的改變通常要反復調節多次才能完成。變頻改造后，電機轉速的改變只要在DCS設定即可，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，風量調節更平穩、精確；
（3）收塵風機改變頻后，由于變頻器采用單元串聯移相技術，因此在理論上可以消除41次以下諧波。由于實際制造工藝的限制，網側電壓諧波總含量可以控制在2％以內，電流諧波總含量小于4％；
（4）變頻輸出采用PWM技術控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1％，上述指標均滿足IEEE-519國際電能質量諧波標準要求；
（5）該變頻器為電壓源型結構，功率因數可高達0.95；
（6）廠房設備噪聲污染大大降低。
六、小結
濟南山水集團平陰粉磨站100t/h生產線自2005年5月份改造投產以來，收塵風機變頻器一直運行十分穩定，不但節約了大量的電能，取得了良好的經濟效益，而且降低了運行、檢修人員的工作強度，因此在山水集團新建的粉磨站如昌樂、濱州等地的粉磨站收塵風機先后都采用了我公司制造的變頻器。隨著國家相關政策的具體落實，相信在今后的應用中，高壓變頻器將越來越多的在水泥行業中得到廣泛的應用。