高压变频器在水泥厂风机节能改造中的应用

摘要:国产高压变频器已成功用于新型干法水泥生产线各个工艺环节的风机上,表现出显著的节能效果。 N、删 系列高压变频器在水泥生产线上应用要与特殊工艺和环境等相结合,近百台的应用实践为供应商积累了 大量的设计、安装、运行和维护方面的技术经验。

水泥设备

关键词 : 高压变频器 风机 节能 水泥厂 水泥机械 水泥设备

0引言

水泥工业是国民经济生产中的能源消耗大户, 已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院 提出加快建设节约型社会的政策环境下,提高水泥 行业的节能技术和应用水平,建立节约型水泥工业 体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的 情况下,水泥生产企业必须通过各种途径降低能耗, 以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。在水 泥的生产中,电动机负载电耗就占成本的近30%,而 拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重, 对于一条水泥生产线,其中有25%~30%的电能用于 拖动各种类型风机,因此做好风机电动机的降耗增 效工作就显得极为重要。

目前水泥厂的风机大马拉小车现象严重。由于 工况、产量的变化,系统所需求的风量也随之变化, 大部分风机采用传统做法,即通过调节进、出风口 、 阀门的开度来实现,而该方法是以增加风阻、牺牲 风机的效率来达到要求的,损耗严重。如果利用变 频调速技术改变设备的运行速度,以调节风量的大 小,既可满足生产要求,又达到节电目的,同时还 可减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常 停机检修所造成的经济损失。变频调速已成为风机、泵类节能降耗的最佳电气传动方案。

1高压变频器在水泥厂风机节能改造中的效果

变频调速技术现已被应用于各行各业。公司的ZINVERT系列智能高压变频 调速系统从2005年起开始应用于水泥行业的电机节 能改造,至今已成功应用于新型干法水泥生产线的6 个工艺位置的风机,即:生料磨循环风机、煤磨循 环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、 水泥磨循环风机,并取得了许多成功的改造经验, 获得了显著的经济效益。

表1是选择不同类型风机应用高压变频器改造后 在系统满载、相同环境和工艺条件要求下进行节能效果测试的实例数据。

表1

特别需要指出的是,在新型干法水泥生产工艺 中控制窑尾预热器压力的窑尾高温循环风机,需要通过DCS的控制来进行风量调节。原先设计一般采用液力耦合器、绕线电机转子串阻等调速控制,而目前基本发展趋势是采用在20世纪90年代迅速发展起来并在近几年成熟的高压交流变频调速技术,其在技术和性能方面远远胜过传统的调速方式。在经过大量成功的现场应用并显示其巨大的节能效益后,高压变频器成为国家水泥节能设计规范标准要求的设备。我国~2oo7年10月25日颁布、2008年5月1日起执行的强制性标准GB50443—2007 水泥厂节能设计规范))中的第4.3.5条规定:“窑尾高温风机应采用变频调速装置”。

水泥厂大容量风机采用变频调速控制后,除实 现节能降耗经济效益外,其他方面的效益也是明显的:

(1)改善了工艺,调速精度得到保证,提高和稳 定了产品质量和产量。投入变频器后可以平滑稳定 地调整风量风压,提高了效率,特别是使生产线设 备利用率得到保证,进一步提高了产量。
(2)设备运行与维护费用下降。采用变频调节后, 取消了避免原来转子滑环烧损的维护、更换工作, 以及液力耦合器油路、漏油的维护和因齿轮打坏的 维修工作,避免了由此导致的停产损失。
(3)延长了电机等设备的使用寿命。采用变频调 速后,可以实现软启动和软制动,几乎不产生冲击, 避免水阻软启动3~4倍的冲击电流、液力耦合器启 动时的4~7倍的冲击电流,可大大延长电机定子、 转子轴及轴承等电气与机械设备的寿命。
(4)目前单元级联型的高压变频器,其输入电 流谐波含量小于国家标准限值,功率因数可保证在
0.95以上,与采用液力耦合器、转子串阻等调速方式相比,输入功率因数大大提高,再无需投资功率补偿设备,并可降低有关设备的投资与维护费用。

2水泥生产线风机专用高压变频器应用的经验

2.1 可有效防止管道“塌料 导致的高温风机电机过 流甚至跳停

高温风机由于“塌料”导致的过负荷的原因是: 预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌
落,造成管道内粉尘浓度增大,阻力增加,负压升 高,使排风机负荷增加;如果垂直烟道或预热器内 在结皮或有物料塌料时,同样也会造成气流波动, 使排风管内气流紊乱,造成高温风机过负荷停机, 该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。 目前国内高压变频调速技术已经解决了该问题, 作为水泥行业高压变频器的专业生产制造商,智光 电气特别针对高温风机的运行工艺情况进行了大量 的研究分析并针对眭地研制出ZINVERT系列高压变 频调速系统。该产品从2005年投人水泥生产线的变 频改造,技术研发人员深入应用现场,了解掌握现 场工艺情况,总结现场应用经验,推出了针对水泥 生产线窑尾高温风机的专用变频器技术,采用自主 研发的“瞬态尖峰负荷差分控制技术”,从设备的硬 件设计、控制软件设计等多方面对高温风机不定期 的尖峰负荷运行进行全方位针对性地设计改进。具 有这种技术的高压变频器有效地避免了通用高压变 频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机,与 工频液耦运行相比也降低了跳机的可能性,从而使 安装了高温风机专用变频器的水泥生产线达到节能 增效,降低电机、风机设备故障率,为水泥企业保 证生产安全I生、经济I生作出技术与设备保证。在多 条5 000砌旋窑生产线的高温风机的实际应用效果证 明了该高压变频器基本解决了高温风机由于“塌料”导致的跳闸停运、生产中断的问题,大大降低了由
此对生产造成的不利影响。

2.2风机高压变频改造对原配液耦、水阻的处理

选用成熟品牌的高压变频器进行风机变频改造 时,原来采用绕线式电机转子串水阻调速的,可将 转子短接,使滑环不再通过电流,从而降低烧损; 原来采用液力耦合器的,可以取消原液力耦合器, 按照液力耦合器的联接尺寸设计制作一套联轴器代 替液耦,联接轴的基座安装尺寸、轴联接中心尺寸、 轴径尺寸、轴与电机及风机侧的联接靠背轮均与原 液耦一致,安装时仅需将原液耦拆除,将联接轴代 替液力耦合器,现场仅作少量调整即可达到安装要 求。因此高压变频器的改造对于风机及电机不作任何改变,安装方便陕捷,运行工艺调节更加方便。

2.3新建厂风机采用高压变频器后电机及其配套选型

新线设计选用单元级联型的高压变频器后,高 压电机可选用一般普通的异步电动机,而不必采用 专用变频调速的“变频电机”。变频电机的价格较普 通电机要高得多。由于国内市场主流电路拓扑结构 的高压变频器采用单元级联型多电平的输出技术, 输出电压的变化率满足一般电机绝缘要求、电流谐 波失真小,额外发热很小。鉴于风机的二次方转矩 负载特l生,一般运行转速在50%以上时风机不必施加 特别散热措施。大量的实际改造运行可以证明,出 于降低设备投资考虑,选择合适的高压变频器,不必专用“变频电机”,不必增加额外的散热措施。

另外为了避免高压变频器故障后导致的生产线 停产,建议不再设计液力耦合器。为提高运行利用 率和可靠性,特别对于窑尾高温风机,可依旧选择 绕线电机转子串水阻调速的设计,作为工频旁路后的工频启动与调速的备用手段。

2,4电源质量对高压变频器运行可靠性的影响

水泥厂一般在偏远之地,供电质量相对不高, 设备对电网的适应性问题突出。相对适应欧美电网 供电质量的进口高压变频器,目前国内高压变频器 主流拓扑结构采用功率单元串联技术方案,而不是 功率器件直接串联,避免了器件直接串联带来的均 压问题,并在系统适应性上做了较多应用性研究工 作,提高了高压变频器对国内电源电压工作的鲁棒 性。我公司的高压变频器具有对电网电压的适应范 围宽(一65%~115%uo)、单元故障自动旁路、工频 旁路、瞬时停电再启动功能、包括相间短路完善的保护功能等技术,在提高启动力矩和转速精度的同时,提高了抗电网波动和负载扰动能力,大大提高了应用的可靠性。该产品在几十条生产线的成功运行经验证明,国产高压变频调速技术成熟,适应水泥生产企业的供电水平,满足设备的可靠『生要求。

2.5高压变频器应用的谐波与干扰

变频器应用的谐波与干扰问题,一方面是变频 器输入谐波对电网的影响,如果变频器输入电流谐 波较大(比如传统的电流源型变频器),会产生如下 危害:供电系统的继电保护装置误动作,可能导致 大面积停电;测量仪器仪表误差增大,影响计量精 度和控制性能;影响其它电力电子装置、电子计算 机系统及通信设备的正常工作。谐波使电机、变压 器和电容器等用电设备损耗增大,严重时会过热或 烧损。目前国内市场主流电路拓扑结构的高压变频 器采用的输人多重化移相整流技术、单元级联型多 电平的输出技术,输人、输出电流谐波失真极小, 满足IEEE519-1992和GBFI"14549-93标准的要求,不会 对电网、电机产生超标的谐波污染。大、中型水泥 厂自动化水平高,大多数采用自动化仪表和计算机 控制系统,对用电系统的谐波要求很高,单元级联型高压变频器在这方面具有很大的优势。

变频器应用的谐波与干扰问题的另一方面是外 部谐波对高压变频器的影响,由于旋窑直流传动系 统采用直流电机,主电路必然产生较大的谐波,必 须采取相应的治理措施,以保证高压变频器的输人 电压稳态总谐波含量Ⅱ壬【)不超过10%,其中任何奇次 谐波均不超过5%,任何偶次谐波均不超过2%,短时 (持续时间小于30 S)出现的任意一次谐波含量不超 过10%,否则对母线其他设备、高压变频器等均可能造成运行中的影响与损害。

还有,为避免控制干扰,高压变频器的控制线 须采用屏蔽电缆,单端接地,并且布线时须注意与 动力线的距离,避免控制线与动力线并行敷设在同 _电缆托架(或线框)内;变频器负载输出线需采 取屏蔽铠装电缆,单端接地,以避免变频器对附近仪表产生干扰。

Z6高压变频器应用的散热问题与环境条件

在水泥生产线应用的高压变频器由于工作现场 粉尘较大,环境相对恶劣,加之自身要产生3%~4% 的损耗发热,因此在系统的选型上要注意设计裕度 大、器件布局结构合理、散热器与风道设计等散热 结构合理,提高单元散热效率以保证系统设计温升低、环境适应能力要强,需要能够经受夏季炎热、春季潮湿、冬季寒冷等气候的影响,能经受水泥厂粉尘的污染等恶劣环境的考验。一般地,水泥生产线风机的高压变频器安装位置根据现场情况选择在高压配电室内,或专门建造变频器室,可因地制宜地采用空调散热、空气水冷散热、大气循环散热等,做好制冷或循环通风的设计,避免系统发热无制冷的内部循环、自然循环进风量不足的室内负压,并需加强防尘设计和日常维护,定期进行滤网清洁,以保证设备安全稳定运行。

3结束语

国产高压变频器在国内上百条l 000-5 000 t/d等 规模新型干法水泥生产线风机上的应用实践证明: 高压变频调速技术已经成熟,国产高压变频器的设 备运行性能稳定、节能显著,是在水泥行业节能减 排工作中大力推广的技术与产品。


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