產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
高壓變頻器在特種水泥生產(chǎn)線高溫風(fēng)機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用
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引言
中國聯(lián)合水泥集團(tuán)下屬某水泥有限公司1000t/d特種水泥熟料生產(chǎn)線，核心生產(chǎn)設(shè)備為∮3×48m五級(jí)旋風(fēng)預(yù)熱器窯外分解回轉(zhuǎn)窯，主要產(chǎn)品為硫鋁酸鹽特種水泥及相關(guān)工程材料，由于受當(dāng)時(shí)電氣設(shè)備制造技術(shù)、性能價(jià)格比的限制及設(shè)計(jì)思想的影響，窯尾高溫風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)采用液力偶合器調(diào)速方式，近幾年隨著電力電氣技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)的日益成熟，其優(yōu)越的調(diào)速節(jié)能節(jié)電特性得到更大范圍發(fā)揮，應(yīng)用推廣工作正在各相關(guān)行業(yè)快速推進(jìn)，在其產(chǎn)生巨大節(jié)能節(jié)電效益后，高壓變頻器成為國家水泥節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)備，我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執(zhí)行的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《GB50443-2007水泥工廠節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》中的第4.3.5條明確規(guī)定：“窯尾高溫風(fēng)機(jī)應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置。”第5.2.3條明確規(guī)定：“有調(diào)速要求的電動(dòng)機(jī)應(yīng)采用變頻調(diào)速裝置?！币虼?011年8月份，公司淘汰了原液力偶合器，新增高壓變頻器調(diào)速的節(jié)能改造方案。
2原設(shè)備概況
公司現(xiàn)場(chǎng)高溫風(fēng)機(jī)機(jī)組的主要參數(shù)如下：
2.1高溫風(fēng)機(jī)銘牌參數(shù)
型號(hào)：W6-2-29-1
NO19.5 最高使用介質(zhì)密度：1.4kg/m3 溫度：450℃ 進(jìn)口流量（風(fēng)量）：170000m3/h 軸功率556kW 全壓（風(fēng)壓）：
8400Pa 主軸轉(zhuǎn)速：1450rpm
2.2電機(jī)銘牌參數(shù)
電機(jī)型號(hào)：Y500-4 額定功率：630kW 額定電壓：10000V
額定電流：43.3A
額定轉(zhuǎn)速：1490rpm 功率因數(shù)：0.885 額定頻率：50Hz 接線方法：Y 絕緣等級(jí)：F
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改造前液力偶合器工作簡(jiǎn)述
液力偶合器又稱液力聯(lián)軸器，是以液體為工作介質(zhì)，利用液體的動(dòng)能的變化來傳遞能量的葉片式傳動(dòng)機(jī)械。液力偶合器由泵輪、渦輪、轉(zhuǎn)動(dòng)外殼、導(dǎo)流管等組成。液力偶合器有以下工作特點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：液力偶合器屬于機(jī)械調(diào)速，調(diào)速方法簡(jiǎn)單，初投資低，容易實(shí)施。
缺點(diǎn)：
?。?）液力偶合器在調(diào)節(jié)過程中存在滑差損失，由于滑差功率都是以發(fā)熱的形式消耗，然后通過冷卻水冷卻后白白浪費(fèi)掉，機(jī)械效率比較低。
（2）由于用油用水，現(xiàn)場(chǎng)油路水路管道布置復(fù)雜，尤其是現(xiàn)場(chǎng)漏油滲油現(xiàn)象普遍。
?。?）與變頻調(diào)速方式相比，液力偶合器調(diào)速的精度還比較差，對(duì)于對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)速要求較嚴(yán)的場(chǎng)合，液力偶合器調(diào)速無法滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。同時(shí)，液力偶合器在負(fù)載低轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)的功率因數(shù)也不如變頻調(diào)速。
液力偶合器在高壓變頻器技術(shù)成熟前，在水泥行業(yè)窯尾高溫風(fēng)機(jī)調(diào)速場(chǎng)合，應(yīng)用十分廣泛，屬于一段時(shí)期內(nèi)的主流設(shè)計(jì)配置，但液力偶合器調(diào)速畢竟屬于有滑差損失的低效調(diào)速方式，因此上世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來并在近幾年成熟的高壓變頻調(diào)速技術(shù)正得到大面積推廣與應(yīng)用。
4高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介
4.1變頻原理及高壓變頻特點(diǎn)
異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機(jī)較為合理的調(diào)速方法。目前，變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)較主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：
?。?）有效節(jié)能：含變壓器在內(nèi)的整機(jī)效率在96％以上，高于原液力偶合器，可減少由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)方式導(dǎo)致的節(jié)流損失。
?。?）提高功率因數(shù)：目前單元級(jí)聯(lián)式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標(biāo)準(zhǔn)的限制要求，功率因數(shù)可保證在0.95以上，與采用液力偶合器、轉(zhuǎn)子串阻等調(diào)速方式相比，輸入功率因數(shù)大大提高，無需投資功率補(bǔ)償設(shè)備，并可降低有關(guān)的設(shè)備投資與維護(hù)費(fèi)用。
?。?）軟啟、軟停：減少對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊，延長(zhǎng)電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。采用變頻調(diào)速后，可以實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟制動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生沖擊，正常運(yùn)行時(shí)又大多低于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，可大大延長(zhǎng)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子軸及軸承等電氣與機(jī)械壽命。
?。?）節(jié)能效果明顯。
對(duì)離心式風(fēng)機(jī)而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：
風(fēng)機(jī)特性如圖1所示。風(fēng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)，其功率為PA=H1×Q1／102；風(fēng)機(jī)工作在B點(diǎn)時(shí)，其功率為PB=H2×Q2／102。因Q2H1，故PA與為PB的值變化較大，說明采用變工頻工作方式時(shí)，改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，風(fēng)機(jī)的軸功率減小很大，節(jié)能效果顯著。
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降，加上自身功效高于液力偶合器，綜合節(jié)能節(jié)電效果會(huì)更優(yōu)?？梢姡ㄟ^變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，且節(jié)能空間可觀。
4.2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及高壓主回路方案
這次改造公司選用了山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-800F高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用直接“高-高”變換方式，屬電壓源型，可直接10kV輸入，直接10kV輸出，
電流諧波小，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。
風(fēng)光高壓變頻器，采用若干個(gè)低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，單元電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單，互換性好，高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強(qiáng)弱電隔離，安全可靠，該10kV高壓變頻器，變壓器有24組付邊繞組，分為8個(gè)功率單元∕相，三相共24個(gè)單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分低于國標(biāo)規(guī)定，高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，單元電路的主電路如圖3所示。
高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)的高壓主回路方案如圖4所示：
K0 原高壓電機(jī)配電系統(tǒng)高壓斷路器
K1、K2和K3 新增高壓變頻器旁路開關(guān)柜
BPQ
JD-BP38-800F高壓變頻器
M
高壓電動(dòng)機(jī)
變頻器控制高溫風(fēng)機(jī)為一拖一控制，旁路開關(guān)柜用于工/變頻切換。K1,K2和K3為三個(gè)高壓隔離開關(guān)，要求K2和K3不能同時(shí)閉合，在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)互鎖。K3斷開，K1和K2閉合，風(fēng)機(jī)可以變頻運(yùn)行；K1和K2斷開，K3閉合，風(fēng)機(jī)可以工頻運(yùn)行。
本高壓變頻器采用風(fēng)冷裝置，只對(duì)變頻器的出風(fēng)處加裝隔熱的通風(fēng)管道，將熱風(fēng)直接排出室外，降低柜體內(nèi)的微環(huán)境溫度，確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。未對(duì)變頻器房間設(shè)置空調(diào)設(shè)備，只增加房間換氣軸流風(fēng)機(jī)一臺(tái)。
4.3.JD-BP38-800F高壓變頻器主要性能指標(biāo)及常見問題處理
（1）主要性能指標(biāo)
變頻器功率：800kW
額定輸出電流：50A 輸入頻率：50Hz±5Hz 額定輸入電壓：10kV 允許電壓波動(dòng)：±20% 輸入功率因數(shù)：≥0.98
輸出頻率范圍：0-50Hz 輸出電壓范圍：0-10kV 頻率分辨率：0.01Hz 加速時(shí)間：0～3600s 減速時(shí)間：0～3600s
變頻器效率：≥96% 過載能力：100%連續(xù) 160%連續(xù)1min 防護(hù)等級(jí)：IP20
保護(hù)功能：?jiǎn)卧月饭δ?、單元過壓保護(hù)、單元欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、過載保護(hù)、變頻器過熱保護(hù)、缺相保護(hù)等。
（2）常見問題的處理
風(fēng)光牌JD-BP38-800F高壓變頻器具有高度的智能化水平和完善的故障檢測(cè)電路
并能對(duì)所有故障提供精確的定位，在人機(jī)界面或工控機(jī)界面上作出明確的指示。用戶根據(jù)顯示的故障信息，分別采取相應(yīng)的處理措施。
為保證設(shè)備的可靠性，使設(shè)備最大程度不間斷運(yùn)行。系統(tǒng)發(fā)生下列故障時(shí)，按照一般故障處理：變壓器輕度過熱，柜門連鎖故障，單元柜風(fēng)機(jī)故障，工控機(jī)故障。對(duì)于一般故障的發(fā)生，系統(tǒng)不作記憶處理。在停機(jī)狀態(tài)下，如果存在這類故障，用戶還能進(jìn)行啟動(dòng)等操作。
系統(tǒng)發(fā)生下列故障時(shí)，按照重故障處理：?jiǎn)卧毓收?，變壓器?yán)重過熱，以上重故障發(fā)生后，系統(tǒng)作記憶處理。故障一旦發(fā)生，系統(tǒng)報(bào)警并自動(dòng)跳閘停機(jī)。只有故障徹底排除后，才能重新開機(jī)。
5改造項(xiàng)目實(shí)施及運(yùn)行情況
2011年8月1日，公司與山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司正式簽定變頻器的供貨合同和技術(shù)協(xié)議，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間情況及生產(chǎn)形勢(shì)，在原來系統(tǒng)還在正常運(yùn)行時(shí)，提前將高壓變頻器柜體及功率單元等部件運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)并進(jìn)行本體組合安裝，安裝完畢后，在高壓變頻器輸入側(cè)通入220V普通交流電，用示波器對(duì)各功率單元輸出波形進(jìn)行測(cè)試與對(duì)比，初步驗(yàn)證安裝聯(lián)線質(zhì)量與器件性能；8月底在停窯檢修項(xiàng)目改造對(duì)接期間，將原液力偶合器拆除，高壓電動(dòng)機(jī)與高溫風(fēng)機(jī)直連對(duì)接，連接外圍控制線及與DCS接口，引入10kV主電源，輸出側(cè)連接高壓電機(jī)定子，做好高壓通電試機(jī)準(zhǔn)備，按步驟對(duì)高壓變頻器進(jìn)行空載、帶載運(yùn)行調(diào)試，做好調(diào)試運(yùn)行記錄。
?。?）變頻器具有多項(xiàng)保護(hù)功能，十分完善，與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、缺相保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能，能更精確地保護(hù)電機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠。特別指出的是，一次進(jìn)廠10kV線路B相斷相故障及全廠突然跳閘停電，并沒有對(duì)變頻器造成損害，說明產(chǎn)品具有比較高的可靠性。
?。?）可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況，通過DCS系統(tǒng)給定變頻器調(diào)節(jié)信號(hào)，靈活調(diào)整高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)精度高于原來液力耦合器方式，達(dá)到工藝需要及節(jié)能節(jié)電目的。
（3）減少了維護(hù)費(fèi)用。由于對(duì)于高壓電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正意義上軟啟動(dòng)、軟停止，所以對(duì)電機(jī)、風(fēng)機(jī)等各種設(shè)備以及電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊大大減少，減少了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，大大降低了維護(hù)成本。
?。?）節(jié)能節(jié)電效果顯著，大大降低了高溫風(fēng)機(jī)電耗。為了對(duì)高溫風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻改造后的效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，在系統(tǒng)改造前、原使用液力偶合器調(diào)速時(shí)，就對(duì)正常工作日用電量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，記錄好電源電壓、電機(jī)電流及系統(tǒng)壓力等參數(shù)，改造為高壓變頻調(diào)速后再對(duì)設(shè)備實(shí)際使用和節(jié)電情況進(jìn)行了測(cè)定和數(shù)據(jù)分析，我們認(rèn)為采用高壓變頻調(diào)速后與原使用液力偶合器調(diào)速相比（改造前后窯況相同，窯尾預(yù)熱器C1筒出口負(fù)壓4500Pa左右，高溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速全天穩(wěn)定在1170rpm左右時(shí)）節(jié)電率大約在15%左右，每天節(jié)電1200kW·h左右，一年按照300天運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，年節(jié)約用電36萬kW·h，每kW·h電價(jià)按0.70元，年創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益25.2萬元。
6結(jié)束語
山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-800F高壓變頻器在特種水泥生產(chǎn)線高溫風(fēng)機(jī)上的改造是成功的，它不僅滿足了回轉(zhuǎn)窯煅燒硫鋁酸鹽特種水泥生產(chǎn)工藝的要求，節(jié)能效果顯著，而且性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。隨著電氣電力技術(shù)的發(fā)展，相信不久的將來，高壓變頻器技術(shù)應(yīng)用會(huì)越來越廣闊。
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