七喜变频器在水泥行业中的应用-深圳兴能达自动化设备有限公司

七喜变频器在水泥行业中的应用

一、概述:

水泥制造业一直以来是传统的能耗大户，其中，水泥厂电动机电耗占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重。近年来，市场竞争的加剧，水泥企业的利润空间越来越小，各家水泥企业都在努力寻求节能降耗的方法。在国家政策《中华人民共和国节约能源法》和强制性标准《GB50443-2007水泥厂节能设计规范》及时引导下，水泥企业节能降耗工作被放到了非常重要的位置。

水泥厂使用了大量的机电设备，例如：离心风机、水泵类设备、空气压缩、选粉机、回转窑、球磨机、板式喂料机、调速皮带秤、喂煤绞刀、篦冷机机及立窑罗茨风机、卸料机等。在水泥的生产中，风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、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，即调节进、出风口阀门的开度来实现，风机效率低，损耗严重。风机电动机特别利用调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失。因此，在水泥厂风机采用调速技术，节约大量能源，提高生产效率，可为水泥厂带来较大的效益。水泥厂的这些机电设备，很多需要交流调速，都可以用变频器。

水泥厂使用变频器有以下优点：

1、满足水泥生产工艺的调速要求。变频器的调速范围在10:1以上，而水泥生产工艺过程中调速范围在10:1范围内即可满足工艺要求。

2、易于实现自动化控制。由于七喜变频器由CPU控制，设有模拟量输入输出、RS485接口，为整个工厂自动化创造了充分的条件。

3、良好的节能效果。如某厂的篦冷机每年可节电约70,000kWh，一室风机每年可节电约110,000kWh，按照此两项每年可以节约资金90,000元。

4、能够提高工作效率、产品的质量和产量。调速系统的整体可靠性提高，故障率低，可减少维护和停机次数。

二、变频节能原因

所谓的“节能”，不仅仅是节省能耗，还包括不浪费能源，用一句最简单的话说就是：“你需要多少，我就给你提供多少!”。通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩类负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率lP具有如下关系

Q∝n

H∝n2

P∝n3。

即流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

在实际生产中，往往利用调节高温风机的转速来调节系统风量。而随着转速的降低，风机在维持效率不变（风阻不变为前提）的状态下，轴功率以转速的立方关系下降，电机消耗的电能急剧减小。各种风机、泵类负载，因P ∝n3，故应用变频器后，节电效果显著，见表1。表1为风机泵类应用变频器后，在不同流量Q*，转速n*，轴功率P*（额定值的相对值百分数）以某频率值时的节电率。

表1 风机、泵类负载应用变频器后的节电率

流量Q*（%）	100	90	80	70	60	50	40
转速n*（%）	100	90	80	70	60	50	40
频率值（Hz）	50	45	40	35	30	25	20
轴功率P*（%）	100	73	51	34	22	13	6.5
节电率N（5）	0	27	49	66	78	87	93.5

当采用进口导流叶片调节时，风量下降导致风机效率降低和风压的升高，运行工况偏离额定工况越远效率越低。因此，风量虽然下降了，但风机轴功率及电机消耗的电能变化并不大，这就是风机变频调速的节能依据。

而在风机调速的的方法上，目前使用较多的还有液力偶合器调速及液体电阻调速。液力耦合器是一种以液体（多数是油）为工作介质，利用液体传递能量的传动装置。通过改变液力耦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，使液力偶合器电机端和风机端的转速不一致，从而在电动机速度不改变的条件下对风机调速，实现调节风量的目的。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介质来冷却，而液力耦合器传动效率等于转速比，速度越低，液力偶合器效率越低。所以液力偶合器节能效果不太理想。它主要有以下一些不足：效率低、损耗大、调速精度低、速度响应慢、转速不稳定、滑差大、有时丢转、需配备相应的油系统及调节系统、可靠性低。

液体电阻调速器是通过调整液体电阻中两极板间的距离，来改变串入电机转子回路中的电阻，从而改变转差率达到改变电机转速的目的。由于绕线式电机转子线圈串入不同电阻后，对应的转差率不同。电阻越大，电机转速越低；电阻为零，电机达到全速，这就是液体电阻启动调速器的基本原理。由于液体电阻调速器在调节过程中要产生转差功率损耗、电阻通电所产生的热耗，所以液体调速器节能效果也不太理想。它的缺点主要是：调速范围小，最大为2：1；由于通过检测实际转速与设定值比较来升降极板，在实际运用中，调速精度低、速度响应慢、转速不稳定、易受温度影响；并且在调速过程中，电解液中流过转子电流会产生大量热量，需使用循环水进行冷却；采用绕线型电机，结构复杂，维护工作量大，需增加转子电缆接线。

交流变频调速的特点是效率高，没有调速带来的附加转差损耗，调速的范围大、精度高、无级调速，并且实现电机软启动，延长电机使用寿命，减小启动电流对电网的冲击。使用结构简单、可靠耐用、维护方便的鼠笼式电动机，又能达到节电的显著效果，是风机节能的较理想的方法。

三、原有设备工况分析：

水泥厂立窑煅烧熟料所耗用的电能中，罗次鼓风机的电耗一般占60%左右，随着电价的调整，电费在水泥生产成本中所占的比例越来越高。因此降低鼓风机的能耗成为提高企业经济效益的重要一环。

（一）、立窑罗次风机工作原理

在水泥立窑煅烧生产过程中所需要的风量是经常随工艺及操作的需要不同程度调节的，而传统的调节方案是通过放风阀来调节的，用来带动风机的电动机本身转速是不可调节的，这种操作方式的缺点是明显的：

1、电能浪费严重;

2、调节精度差;

3、启动电流对电网冲击大;

4、电机及风机的转速高，负荷强度重;

5、起动时机械冲击大，设备使用寿命低;

6、噪声大，粉尘污染严重等。

根据鼓风机风量和转速成正比关系。

　　Q1/Q2=N1/N2

　　式中：Q1、Q2为转速快和慢的风量米/分　　

　　鼓风机的风压和转速的平方成正比。

　　H1/H2=（N1/N2）

　　式中：H1、H2为转速快和慢的风压

　　鼓风机所需的功率与转速的立方成正比。

　　N1/N2=（N1/N2）

　　式中：N1、N2为转速快和慢所需功率kW。

从上述关系可知，如果我们使用改变转速来实现改变风量的方法，就不至于把大量的风量白白放掉，从而节约了大量的电能。

立窑罗茨风机在设计时一般考虑到最大生产量时需要的风量，且留有一定的裕量，以延长风机及电机的使用寿命。又因为在生产过程中不同阶段立窑所需供风量也不同，因此在生产时就常会出现风量过大，风压过高的情况。目前立窑供风系统是通过调节挡风板的开启角度来满足烧结时不同用风量的需求，而这种操作方式的缺点非常明显

（1）风机长期运行在高速状态，电能严重浪费;

（2）工频直接启动，启动电流为额定电流的4~7倍，对电网冲击大;

（3）电机及风机的转速高、调节精度差，负荷强度重;

（4）起动时机械冲击大，机械磨损严重;

（5）噪声大，粉尘污染严重等。

（二）：立窑卸料系统工况分析：

为使水泥烧结过程“三平衡”（即加料、供风、卸料三平衡），生产者普遍选用滑差电机作为盘塔式卸料装置的动力。该电机在同等条件下运行较普通Y系列电机多耗电20%，而且调整特性软，带载能力差，在粉尘严重的水泥行业滑差头故障率高而且维修困难。

四、交流变频调速系统的特点:

1、平滑启动、电流小，减少对电网冲击；

2、降低机械磨损，减小电机和机械设备的故障率，延长使用寿命，降低维护成本；

3、提高功率因数，有效降低设备噪音；

4、低频力矩大，过载能力强。

五、改造方案：

1、立窑罗茨风机改造方案

（1）使用七喜HD700高性能矢量通用变频器进行改造，在保留原星三角降压启动控制系统的基础上增加一套变频调速系统，与原控制系统并联，形成双回路控制系统。如下图所示，其特点是：

1) 双控制回路互为备用、可靠性高、设备检修时不用停机，保障了生产的连续进行；

2) 可以关闭放风门，通过改变电机的转速来改变系统供风量，降低噪音，高效节能。

七喜变频器在水泥行业中的应用1.png

（2）为方便窑面操作人员控制风量，将变频器设置为端子控制，控制信号引至窑面，在窑面装一块操作面板，通过操作面板便可控制风机的启停、调节供风量，操作人员根据煅烧工况，可随意调节风量大小。操作面板上可安装一转速表，显示风机电机转速。

接线图如下：

七喜变频器在水泥行业中的应用2.png

2、立窑卸料系统改造方案

将滑差调速电机的滑差头钻孔装配螺丝，使电机轴与负载轴作硬性连接，如滑差电机快到使用寿命可更换成普通的笼形电机，改造后的电机通过变频器来启动和调节。盘塔式卸料装置属典型的恒转矩负载，用变频调速代替原来的滑差调速系统效率大大提高。

六、改造收益

1、改善生产工艺

改造后可根据生产的不同阶段平滑地调节供风量，使保证了产品的质量。

2、改善生产环境

由于变频器可任意调节风机电机转速，因此可按所需风量准确调节风量，无须旁路放风，大大降低因排风引起的噪音，减少水泥粉尘污染。

3、减少设备维护工作量

由于变频器具有软起动功能，电机启动时，无大电流冲击，延长设备使用寿命，维护工作量大大减少。

4、节能降耗

改造后节电效显著，根据原设备及生产工艺状况，节电率可达15%-40%，一般6～12个月可收回全部投资，投资回收周期短，综合效益可观。

七、采用HD700系列变频器的优点：

1、超宽电网电压设计：380~480V（±10%）电网电压，从容应付各种电网状况；

2、精准的双CPU硬件控制平台，控制性能大幅提升；

3、加、减速过程平滑，大大减轻了机械冲击；

4、易于与外部控制设备接口相结合，实现中控/现场灵活切换；

5、特殊的三防漆涂层防护，适应更恶劣的环境。