吉斌(中材国际南京水泥工业设计研究院江苏南京210029)

摘要：本文通过对水泥生产中风量的几种调节方式的分析比较，从可靠性、经济性、节能效果几方面综合阐述了中压变频器的节能优势。

关键词：水泥厂大型风机中压变频节能

Analysisofenergy-savingofmid-voltageconverterincementproductionJibin(SINOMA-NanjingCementIndustryDesignandResearchInstitutejiangsuNanjing210029.China)

Abstract:Throughthecomparativeanalysisofadjustingmodesofairvolumeincementproduction,thisarticlepresenttheenergy-savingadvantageofmid-voltageconverterintheaspectsofreliability,economyandenergy-savingeffect.[Keywords]:Cementplant;Largefan;Mid-voltageconverter;Energy-saving.

0前言

在水泥生产过程中，电能消耗非常大，电费在水泥生产成本中占了很大的比例。在水泥厂的工艺设备配置中，生料和熟料段风机功率约占设备功率的30~40%左右，所以风机的电耗直接影响到水泥企业的生产成本。能控制好风机的电耗,特别是大型风机的电耗，对降低水泥生产成本,提高企业的经济效益十分可观。由于工况、产量的变化,系统所需求的风量也随之变化,选择风量的调节方式对节能效果影响非常大，所以本文将对大型风机的调速方式的选择进行探讨，分析风量调节的节能效果。

1风量调节方式比较

1.1调节进口阀门

通过调节风机进口管路上阀门的开度大小，可以调节风量的大小。进口风门开度改变，风机性能曲线由I移到II，管路特性曲线由1移到2，风机系统的工作点在两条性能曲线的交点B。从图1中可以看出，附加阻力损失为△P=P2-P3，此部分能耗就是白白地消耗在挡板上，节能效果很差。交点C是调节风机出口管路上阀门的开度大小时系统风机的工作点，改方式的压力损失就更大。

1.2调节液离偶合器

液离偶合器是一种以液体(多数是油)为工作介质,利用液体传递能量的传动装置。通过改变液力偶合器工作腔内液体的充满度，就可以改变液力偶合器所传递的转矩和输出轴的转速，使液离偶合器电机端和风机端的转速不一致，从而实现在电动机速度不改变的条件下对风机的调速，从而实现调节风量的目的。电机输出功率可用下式表示：

P=Pj/η+Ps--------------------(1)

Pj2=Pj1(n2/n1)3---------------(2)

PS=Pe*(3%~5%)----------------(3)

η=Nf/Nd----------------------(4)

P：电机输出功率

Pe:电机额定功率

Pj：风机轴功率

Pj1：转速n1时风机轴功率

Pj2：转速n2时风机轴功率

Ps：液力偶合器的各种损耗

η：液力偶合器传动效率

Nf：液力偶合器风机端转速

Nd：液力偶合器电机端转速

采用液力偶合器具有初期投资小、没有电磁干扰、占地面积小等优点。

由于液力偶合器在调节过程中要产生转差功率损耗、容积损耗、机械损耗，这些损耗所产生的热量需要大量冷却来冷却。而液离偶合器传动效率等于转速比，速度越低，液力偶合器效率越低。从式(1)~(4)可以看出,液力偶合器节能效果不太理想。它主要有以下一些不足:

1)效率低，损耗大。

2)调速精度低，速度响应慢，转速不稳定，滑差大，有时丢转。

3)可靠性低，偶合器损坏后造成系统停车，无法启动设备，必须停车检修。

4)电动机启动电流大，对电网有冲击。

1.3变频调速

采用变频器来调节电机速度，从而改变风机速度,从而实现调节风量的目的。由于电机与风机是直联,没有其它附加功率消耗设备,所以电机输出功率可用下式表示：

P=Pj---------------------(6)

采用变频调速,风门处于全开状态,其管路特性未改变。从图1分析可知,当转速由n1调到n2，交点D是系统风机的工作点，压力为P3。压力损失最小。所以采用变频器调节具有如下一些优点:

1)变频调速效率高，调速范围宽。

2)采用变频器控制电机的转速，取消挡板调节，节电效果显著。

3)采用变频器控制电机，实现了电机的软启动，避免了对电网的冲击。

4)电机将在低于额定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响。

5)变频器具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护，功能非常强。

6)ABBACS1000额定功率因数能到0.98。

7)ABBACS1000谐波干扰小，满足IEC和国家标准。

8)ABBACS1000故障率低，运转率高。

采用变频器缺点：

1)初次投资偏高。

2)占地面积相对较大。

3)对维护人员技术要求较高。但对ABB的中压变频器采用的是低压控制技术(DTC直接转矩控制技术)，其控制方式与低压变频一样，只是功率元器件采用的是高压IGCT。

式(1)到式(6)均为理想状态下的公式，而实际每种调节方式都还有其他一些损耗，而只有变频器损耗最小。

2节能效果比较

通过对三种风量调节方式的分析比较，变频调速效率最高，节能效果最好。目前水泥厂常用的风量调节方式是液力偶合器和变频调速，所以重点对这两种调节的节能效果进行比较。

表1是已经投运的两个工厂基本参数，表2是工厂A在性能测试期间八小时运行参数记录，表3是工厂B正常稳定运行时八小时运行参数记录。从表2和表3可以计算出工厂A和工厂B八小时内平均每吨熟料高温风机电耗，见表4。

采用变频调速,电机输出功率计算如下：

假设风机工作在760rpm左右，

根据式(4)和式(6)

P=Pe(n1/ne)3=3000(760/990)3=1350kW。

采用液力偶合器,电机输出功率计算如下：

假设风机工作在880rpm左右，

根据式(1)~式(4)

Pj2=Pj1(n2/n1)3=2500(880/985)3=1762kW

PS=Pe*5%=2500*5%=125kW

η=Nf/Nd=880/985=0.89

P=Pj/η+Ps=1762/0.89+100=2080kW

以上是理论计算结果,即变频调速方式每小时电耗是1350kWh，液力偶合器调速方式每小时电耗2080kWh。而实际电耗比理论计算要大。计算结果与表2和表3比较，基本吻合。

表1:工厂比较

工厂

规模

燃料

高温风机容量

电机额定转速

调节方式

A

5000t/d

无烟煤

3000kW

990rpm

中压变频

B

5000t/d

烟煤

2500kW

985rpm

液力偶合器

表2:工厂A,ABBACS1000中压变频器控制高温风机运行状况(阀门全开)

时间

电机转速

(rpm)

累计电量

(kwh)

电量

(kwh)/h

运转时间

(h)

生料入窑量

(t)

投料

(t/h)

0:00

759

137468

174

61084

1:00

769

139054

1586

175

61445

361

2:00

769

140662

1608

176

61805

360

3:00

759

142206

1544

177

62154

349

4:00

759

143729

1523

178

62503

349

5:00

759

145247

1518

179

62852

349

6:00

759

146770

1523

180

63202

350

7:00

759

148293

1523

181

63551

349

8:00

759

149757

1464

182

63860

309

表3工厂B:液力偶合器调速高温风机运行状况

时间

风机转速

(rpm)

电量

(kwh)

电量

(kwh)/h

阀门开度

%

液力偶合器

%

投料

(t/h)

0:00

886

3998592

100

82

1:00

874

4000850

2258

100

79

368

2:00

904

4003108

2208

100

83

371

3:00

902

4005408

2278

100

83

370

4:00

902

4007722

2302

100

83

365

5:00

903

4010008

2281

100

83

370

6:00

907

4012252

2204

100

83

364

7:00

916

4014552

2293

100

84

367

8:00

909

4016866

2214

100

83

367

表4:工厂比较

工厂

投料量

料耗比

熟料产量

高温风机电耗

高温风机电耗/吨熟料

A

2776t

1.57

1768t

12289kWh

6.95kWh

B

2942t

1.57

1873t

18274kWh

9.75kWh

从表4可以看到,工厂B比工厂A每吨熟料多耗电2.8kWh，对于一条5000t/d的熟料生产线，采用变频器控制高温风机可多节电2.8*1,500,000吨=4,200,000kWh。节电效果非常明显。

3变频调速方案选择

通过以上分析，很明显能够看出变频调速无论在技术先进性、可靠性、还是在节能上都具有很强的优势。因此在考虑投资的同时，也应考虑技术的先进和节能环保，提高设备的运转率。降低能耗也是今后在水泥行业中所要考虑的重要因素之一，也是今后发展的趋势。目前用户觉得中压变频器的价格偏高，综合分析，针对不同容量的设备可以采用不同的较为经济的配置方案。对小于600KW的电动机，从经济和技术考虑适合采用690V低压变频器。对于大于1000KW的电动机，从经济和技术考虑适合采用中压变频器，配成高高方式。

4结语

本文是通过规模相同的两个工厂的高温风机运行参数从理论和实时数据进行了分析比较，虽然两个工厂不能等同。但对于采用中压变频器的技术先进性、性能稳定性、节能优越性是肯定的。中压变频器由于设备费用比液力偶合器等其它调速设备偏高，受投资控制影响，阻碍了中压变频器在水泥厂的广泛应用。根据本文的分析计算，假设电费是0.4元/kWh，每年多节约电费168万元。从这些数据可以看出，节电效果非常显著，设备投资在1-2年内就能收回。本文只是对水泥生产中的一台设备进行的分析比较，由于水泥生产中根据负荷变化需要调节的机械设备还很多，如果都采用变频调节，能源节省是非常可观的，对社会和企业都是有利的。

参考文献：

1，刘立,流体力学泵与风机,北京，中国电力出版社，2004年6月出版

2，郭力君，泵与风机，北京，中国电力出版社，2001年7月出版

3，吴民强，泵与风机节能技术问答，北京，中国电力出版社，1998年5月出版

4,压变频器ACS1000技术资料，ABB公司