高压变频器在水泥厂窑尾排风机上的应用

陈兴江，马光明（.河北省节能监察监测中心，河北石家庄，05008；.唐山冀东水泥股份有限公司唐山分公司，河北唐山，063030）

高压变频器在水泥厂窑尾排风机上的应用

陈兴江1，马光明2
（1.河北省节能监察监测中心，河北石家庄，050081；2.唐山冀东水泥股份有限公司唐山分公司，河北唐山，063030）

本文分析了变频调速节电原理，介绍高压变频器在水泥厂窑尾高温风机上的应用情况，并对节能效果进行了分析。关键词：变频调速；窑尾排风机；节电

0 引言

唐山冀东水泥股份有限公司唐山分公司二线是1996年投产运行的4000t/d干法熟料生产线，

设计时风机余量较大，平时挡板开度也只有50%，损失较大，风机效率低。为了节能降耗，提高风机效率，公司购置了1台罗克韦尔1800kVA的powerflex6000系列中压变频器，用于改造窑尾排风机。

1 变频调速的方法及节能

1.1 变频原理

从交流异步电动机的理论我们可知，电机的转速n与供电频率f有以下关系：

式中： p--电机极对数；s：电机转差率；f：电源频率；n：电机转速；

由式(1)可以看出，电动机的转速n与电源频率f成正比，在电动机极对数固定的情况下，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

1.2 调速节能原理

从流体力学的基本定律可知，使用交流异步电动机驱动的风机（或水泵）类负载，其转速n、轴功率P与流量Q、扬程（压力）H存在以下关系：

式中Q1、H1、P1为风机（或水泵）在n1转速下对应的流量、压力和轴功率；Q2、H2、P2为风机（或水泵）由n1转速变换为n2转速时对应的流量、压力和轴功率。

由公式（2）、（3）、（4）可知风机（或水泵）流量Q与拖动电机的转速n是成正比关系，扬程H与转速n的平方成正比关系，所需的轴功率P与转速n的立方成正比关系。

因此当需要80%的额定流量时，只需通过改变拖动电机的频率，将运行频率由工频50Hz降到40Hz，即可将拖动电机的转速降至额定转速的80%，这时所需功率按理论值应为（80%）3=51.2%，即降为50Hz运行时所需功率的51.2%。

为了保证设备运行的可靠性，水泥企业使用的风机普遍设计有10-15%甚至达到20%以上的余量，正常运行时通常运行在低于额定负荷的状态，而且因工艺的需要，往往需要改变风量，而目前多采用档板或阀门来调节的，这种方法虽然简单，但产生了压力损失，增加了管道阻力，浪费电能，属不经济的调节方式。

图1为某个型号水泵（风机）的运行曲线，从曲线图可以看出，当所需流量（风量）从Q1减小到Q2时，若采用阀门（挡板）调节，管网阻力将增加，管网特性曲线上移，系统运行工况点从A点变到B点，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，流量（风量）从Q1减小到Q2时，水泵（风机）转速需要由n1下降到n2，管网特性并不发生改变，但是特性曲线将下移，运行工况点由A点变为C点。此时所需轴功率P3与面积H3×Q2成正比，即所节约的轴功率△P与（H2-HB-C-B）的矩形面积成正比。

实际运行时考虑到由于水泵（风机）转速降低导致的效率下降和调速装置的附加损耗，在一定的调节范围内，通过改变转速调节流量（风量）比通过阀门（挡板）调节可节能20%～50%。

图 1水泵（风机）的运行曲线图

2 窑尾高温风机变频改造方案

该公司二线于2011年技改为5000t/d生产线，2015年2月，利用大修时间对窑尾排风机进行了变频改造。由于原来液力耦合器具有二级减速功能，改造时为了满足风机启动转矩要求，降低改造成本，利用公司共享鼠笼电机备件，将电机更换为1600kW6级电机。改造前对电机进行保养，为了保证电机绕组的散热，加装强冷风机进行风箱改造。

2.1 改造设备参数

电动机：电机型号YKK560-4，额定容量1600kW，额定电压6000V，额定电流186.7A，额定转速745rpm。

风机：额定风量900000m3/h，额定风压5000Pa，额定功率1400kW，额定转速745rpm。

变频器：变频器型号powerFlex6000-AAA-180，额定容量1600kVA，额定电压6000V，额定电流180A。

2.2 改造原理图

为了保证系统的可靠性，加装了工频切换装置，在变频器故障的情况下，可以自动切换到工频运行，为了确保安全，k1和k2保持互锁状态。示意图如下所示。

图2 变频改造原理图

3 变频改造后的运行数据对比及节能量分析

3.1 关键数据的测试

改造前后数据测量的准确性对判定改造效果有决定性的作用，为此，我们选择了fluke公司的F435Ⅱ电力分析仪进行改造前后电流、电压、有功功率、功率因数等参数的测试，测试位置选在变频器所在线路的开关柜6kV母线计量回路，取电流及电压互感器二次侧的信号接入电力分析仪；熟料产量和挡板开度取自旋窑控制系统；变频器的运行频率取自变频器显示面板。

3.2 改造前后的运行参数

为了使所取数据具有代表性，我们选择在生产线正常运行的情况下进行测试，记录工频和变频的运行数据，具体数据如表1所示。

表1 工频和变频的运行数据

3.3 节能量分析

由上表可知，在水泥产量基本相同的情况下，采用变频调速可节约613kW，节电率50.37 %，按年运行320天估算年节电量为：

613*24*320=4707840kWh

按平均电价为0.5元/kWh计算，每年可节约电费：

4707840*0.5/10000= 235.3920万元

按照变频器投资110万计算，可在半年内收回。

4 结束语

通过以上数据分析，在水泥厂窑尾高温风机实施变频调速改造后节电效果明显，可以有效降低启动电流，减少对电网的冲击，提高功率因数，降低线损，提升了系统的可靠性，

[1]罗克韦尔powerflex6000系列变频器说明书.

[2]唐山冀东水泥股份有限公司唐山分公司窑尾排风机变频改造资料.

Application of High Voltage Inverter in Exhaust Fan of Cement Plant

Chen Xingjiang1，Ma Guangming2
(1.Hebei Province Energy Conservation Monitoring and Monitoring Center，Shijiazhuang Hebei,050081; 2.Tangshan Jidong Cement Co., Ltd.,Tangshan Branch,Tangshan Hebei,063030)

This paper analyzes the principle of energy saving and frequency saving, introduces the application of high voltage frequency converter in cement kiln high temperature fan, and analyzes the energy saving effect

frequency control; kiln exhaust fan; energy saving