中压变频器在水泥生产线中的应用

刘捷

摘 要 文章主要介绍中压变频器在水泥生产线中取代液力耦合器的变频改造方案，并对变频器和液力耦合器进行了比较，提出了采用中压变频器的改造方案和节能措施，通过改造前后对比，取得了明显的经济效益。

关键词 变频调速；液力耦合器；变频改造；节能

中图分类号：TQl72 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0092-02

经过国家新一轮的落后产能淘汰，我国的水泥生产行业淘汰竞争非常激烈，除了产量的竞争，关键还是水泥生产成本的竞争，水泥生产中电耗就占成本的30%～40%。水泥生产中使用大量的风机，而中高压电动机作为风机的原动力非常普遍，因此做好这类电动机的节能就可以显著节约水泥的生产成本。中压变频器技术目前已经比较成熟，故障率较小，是水泥厂节能改造的理想设备，具有很高的应用价值。在水泥生产工艺中，原有的风量调节是通过液力耦合器连接风机加以实现的，液力耦合器本身是以液体为工作介质，利用液体的特性将动能传递给叶片式传动机械轴输出。而给液力耦合器原动能的中压电动机启动后一直处于满载状态运行，形成巨大的耗能浪费。但是在中压变频器技术成熟前，液力耦合器一直是水泥行业大功率风机调速的主要方式，液力耦合器与风机风量控制图如图1所示。风量的调节主要通过改变风机的转速来实现，而风机的转速改变是通过液力耦合器的调速系统来完成的。调速系统由液力耦合器及其附属设备组成。

变频调速技术已经成熟，现已开始大量应用于水泥行业，广西某水泥企业于2004年起开始进行节能改造，首先对风机类负载引入变频调速进行节能改造，将中压变频器应用于水泥生产当中的各种大功率风机的风量调节，为相关企业节约了巨大电能，取得显著的经济效益，积累了宝贵经验。

1 变频调速系统中压变频器原理特点

中压电动机采用的是三相交流电源，由转速公式n=60f/p（1-s）可知，调速方式中只有通过改变频率f可以实现平滑调速，并且这样的变频调速可以有较宽的调速范围，这为风机类负载的节能提供了巨大空间。所以，变频调速已成为风机类负载最主要的调速方式，在很多水泥制造领域都获得了广泛的应用。本项目依据实际情况，从投资金额、产品稳定性、适用性等指标，中压变频器选用西门子旗下的罗宾康完美无谐波系列中压变频器，罗宾康“完美无谐波”系列变频器广泛用于电厂、水泥厂等企业风机、泵的变频拖动。

中压变频器的输出方式以罗宾康中压变频器为例，它是直接高压输出的方式。这种方式有以下特点十分明显，首先输出直接输出6 kV电压给到电动机，无需输出变压器，也无需功率因数补偿装置、谐波滤波器等，同时谐波分量小，电源变压器损耗小。采用了多重化的脉宽调制技术，直接输出正弦波形，避免了中高压变频调速系统中常见的谐波问题，集成度高，体积紧凑，占地面积小。

2 变频器和液力耦合器的比较优势

在采用变频器之前，该集团水泥生产线中压传动系统多采用液力耦合器，与采用中压变频器相比较如下。

1）速度可调范围明显扩大。中压变频器调速可以达到10：1～100：1的范围，而液力耦合器最大只有4：1。

2）速度调节的精度高。中压变频器输出频率可以0.1 Hz进行变化，而且稳定性高，液力耦合器调速精度差，转速波动大，进口的液力耦合器调速，转速经常在5100～5400 r/min之间波动，给生产带来了不利影响，难以保证稳定生产。

3）效率显著提高。变频调速无转差损耗，效率可以高达0.95以上，而液力耦合器属转差损耗型调速，其负载的转速越低，其效率越低，是低效调速设备。

4）无额定转速损失。因为液力耦合器不是刚性连接，存在着固定转速损失，即在额定转速时输出的转速总是不能达到电动机额定转速，大约有3%左右的损失。而中压变频器没有转速损失问题，风机与电动机同轴刚性连接，电动机转速就是风机负载的转速。

5）具有软启动性能，启动平稳，运行可靠。中压变频器具有真正意义上的软起动功能，是一种理想的软启动设备。通过变频器内部功能设置参数，可以限制使起动电流，设置最佳启动方式，避免出现对电网冲击和启动扭矩不足。变频器是一种集成系统，先进可靠，维护方便，故障率低。液力耦合器的原动机属于需要特别的启动设备，容易对电网造成冲击，并且维护、使用复杂，投入成本高，而液力耦合器本身结构复杂，有漏油和打坏齿轮等经常性故障，可靠性差，故障率高。

3 典型的变频改造方案及效果

1）改造方案。

我们以典型的干法悬窑水泥生产线流程作为介绍，其窑烧成系统流程简图如图2所示。

这个系统的旋窑是一个日产5000吨的耐热钢筒。它里面已经内镶好各种耐火砖。生料经过预热后从窑尾进入到窑中进行混合、煅烧，这个过程窑是要不停的转动的。在窑尾有一个高温风机要将降温后的余热废气抽出。由于耐热钢筒容量大，要求风量也很大，所以一般高温风机的电动机配置为6 kV的电压，功率达到2500 kW，原来用液力耦合器调速，改造后由中压变频器实现风量调节，最后达到控制要求值。

变频调速系统配置如图3所示。三相高压6 kV的交流电源经过开关柜直接给到中压变频器，变频器经企业的DCS控制系统通过4～20 mA的电流给定控制信号进行控制，直接带中压电动机实现变频控制功能，而风机因为电动机转速的变化实现了风量的变化调节，同时附带的例如紧急停车、风机跳闸停车等保护信号直接给到变频器，由变频器实现保护动作。

2）改造效果分析。

经过采用中压变频器改造后，我们将改造前后的运行数据进行了统计，现将部分数据分析整理如下。

企业的水泥线进行了变频节能改造，共应用了8台中压大功率变频器，分别应用在如表1以下场合。

从上述数据可以明确看出改造后窑系统各风机相应的节电功率。endprint

根据我们在设备调试和开窑过程中记录的数据，按每天24小时，月运行28天，年运行11个月，即7392小时计算，可推算出风机的节电量及节电效益。

4 结论

根据该公司水泥生产线变频节能改造后的使用情况，明显看到中压变频器调速替换液力耦合器调速的好处：首先是安装简单，操作使用方便，在原高压开关柜与电动机之间接入中压变频器，操作上只需要中压变频器操作做简单的开机、停机和频率调整；其次能进行无级调速，调速范围广，且调速精度高，电动机运行振动及噪声明显下降，轴承温度也有很大的下降。中压变频器在水泥生产线中实现了运行安全、稳定、可靠，节能效果显著，为该企业的正常生产和节能降耗作出了巨大贡献。

参考文献

[1]李香燕，李广义.中压变频器在液氨泵调速中的应用[J].电工技术，2013，11（3）.

[2]王延才.变频器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2009：97-103.

[3]张雷.中压变频器选型分析[J].城市建设理论研究，2011（24）：43-4.

[4]张劲筱.Powerflex7000中压变频器在UCC日产万吨熟料水泥生产线上的应用[J].新世纪水泥导报，2007.

[5]吉斌.中压变频器在水泥厂的应用[J].中国水泥，2005（6）：66-68.

[6]毕慧文，张妮妮.变频器在水泥厂中的节能效果[J].科技视界，2012（15）：57-59.

[7]倚鹏.高压大功率变频器技术原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2008：82-88.

[8]郭庆余.交流异步电动机常见故障的分析、诊断及处理[J].科学教育前沿，2010（11）.

[9]赵乃仁.论新型干法生产线回转窑生产能力的发展趋势[J].水泥工程，1996（01）.

[10]张灿，徐进，黄文欢.高压变频器与液力耦合器调速的比较[J].煤矿现代化，2009（6）：65-66.

[11]赵家礼.三相异步电动机检测技术问答[M].北京：化学工业出版社，2007：156-161.

[12]王兆义.变频器应用第二版[M].北京：机械工业出版社，2012：221-225.endprint

根据我们在设备调试和开窑过程中记录的数据，按每天24小时，月运行28天，年运行11个月，即7392小时计算，可推算出风机的节电量及节电效益。

4 结论

根据该公司水泥生产线变频节能改造后的使用情况，明显看到中压变频器调速替换液力耦合器调速的好处：首先是安装简单，操作使用方便，在原高压开关柜与电动机之间接入中压变频器，操作上只需要中压变频器操作做简单的开机、停机和频率调整；其次能进行无级调速，调速范围广，且调速精度高，电动机运行振动及噪声明显下降，轴承温度也有很大的下降。中压变频器在水泥生产线中实现了运行安全、稳定、可靠，节能效果显著，为该企业的正常生产和节能降耗作出了巨大贡献。

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根据我们在设备调试和开窑过程中记录的数据，按每天24小时，月运行28天，年运行11个月，即7392小时计算，可推算出风机的节电量及节电效益。

4 结论

根据该公司水泥生产线变频节能改造后的使用情况，明显看到中压变频器调速替换液力耦合器调速的好处：首先是安装简单，操作使用方便，在原高压开关柜与电动机之间接入中压变频器，操作上只需要中压变频器操作做简单的开机、停机和频率调整；其次能进行无级调速，调速范围广，且调速精度高，电动机运行振动及噪声明显下降，轴承温度也有很大的下降。中压变频器在水泥生产线中实现了运行安全、稳定、可靠，节能效果显著，为该企业的正常生产和节能降耗作出了巨大贡献。

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