1引言
　　水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶，已被列為國家節(jié)約資源的重點領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會的政策環(huán)境下，提高水泥行業(yè)的節(jié)能技術(shù)和應(yīng)用水平，建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當(dāng)前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下，水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過各種途徑降低能耗，以獲得較佳的經(jīng)濟效益和較高的勞動生產(chǎn)率。
　　在水泥的生產(chǎn)中，風(fēng)機大馬拉小車現(xiàn)象嚴重，同時由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需求的風(fēng)量也隨之變化。大部分風(fēng)機采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進、出風(fēng)口擋板開度大小來實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機的效率來達到要求的，損耗嚴重。電動機負載電耗就占成本近30％，而拖動風(fēng)機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重。風(fēng)機電動機特別利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度，以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達到節(jié)約電能，同時減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機檢修所造成的經(jīng)濟損失，降低設(shè)備運行與維護費用，延長電機等設(shè)備使用壽命，獲得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
2用戶基本情況
　　莒縣中聯(lián)水泥有限公司是中國建材集團水泥業(yè)務(wù)平臺--中國聯(lián)合水泥集團有限公司旗下的核心企業(yè)。公司位于新亞歐大陸橋頭堡、“日出初光先照”的日照市，南靠兗石鐵路，北近膠濟鐵路，東臨日照港，交通十分便利。公司現(xiàn)有一條日產(chǎn)4000t熟料生產(chǎn)線，采用新型干法窯外預(yù)分解工藝，技術(shù)裝備達到國內(nèi)先進水平，具有科技含量高、資源消耗低、經(jīng)濟效益好、環(huán)境污染少、管理模式新等特點。水泥生產(chǎn)線上的風(fēng)機，設(shè)計裕量比較大，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。由于工況、產(chǎn)量的變化，所需的風(fēng)量也需隨之變化，調(diào)整風(fēng)量通過電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)進、出口風(fēng)門的開度來完成，該方法雖然可以調(diào)節(jié)風(fēng)量，但電能浪費嚴重，風(fēng)機運行效率低。
　　鑒于以上原因，經(jīng)過多方調(diào)研考察，比較性價比，莒縣中聯(lián)水泥有限公司選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38系列高壓變頻器3套對生產(chǎn)線上窯頭排風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、煤磨通風(fēng)機進行變頻改造。表1為改造各風(fēng)機的基本參數(shù)。

3 水泥生產(chǎn)工藝

　　如圖1示是水泥廠生產(chǎn)工藝圖。水泥生產(chǎn)工藝主要包括：礦山開采、原料破碎、原料均化與存貯、原料配料、原料粉磨與廢氣處理、生料均化與入窯、熟料燒成、熟料入庫與散裝發(fā)運、水泥配料及粉磨、水泥存貯等幾部分；在上述過程中原料粉磨與廢氣處理、煤粉制備、熟料燒成、水泥配料及粉磨工藝中設(shè)計有大功率的風(fēng)機，可進行中高壓變頻改造。現(xiàn)結(jié)合實際工藝介紹一下變頻改造風(fēng)機的作用。
　?。?）廢氣處理風(fēng)機的主要作用是使在整個生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過除塵后排入大氣；
　?。?）窯尾排風(fēng)機兼有生料磨循環(huán)風(fēng)機（指兩風(fēng)機系統(tǒng)）與廢氣處理風(fēng)機功能；
　?。?）煤磨排風(fēng)機主要做用是把窯尾高溫廢氣引入煤磨對煤塊、煤粒烘干，再把廢氣引入收塵裝置收塵后排入大氣；
　?。?）窯頭排風(fēng)機主要是把篦床產(chǎn)生含粉塵的高溫氣體引入收塵系統(tǒng)收塵，再排至大氣水泥磨循環(huán)風(fēng)機主要使水泥磨生產(chǎn)工藝微負壓，減小粉塵外溢，循環(huán)風(fēng)機使粉塵氣體通過收塵器后，排至大氣。

　　圖1水泥廠生產(chǎn)工藝圖

　　具體的生產(chǎn)流程是：
　　（1）水泥原料的破碎及預(yù)均化
　?、倨扑椋核嗌a(chǎn)過程中，大部分原料要進行破碎，如石灰。
　?、谠项A(yù)均化：使原料堆場同時具備貯存與均化的功能。
　?。?）水泥生料制備
　　水泥生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)1噸硅酸鹽水泥至少要粉磨3噸物料，干法水泥生產(chǎn)線粉磨作業(yè)需要消耗的動力約占全廠動力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占約3%，水泥粉磨約占40%。
　?。?）水泥生料均化
　　新型干法水泥生產(chǎn)過程中，穩(wěn)定入窯生料成分是穩(wěn)定熟料燒成熱工制度的前提，生料均化系統(tǒng)起著穩(wěn)定入窯生料成分的最后一道把關(guān)作用。
　?。?）水泥物料的預(yù)熱分解
　　把生料的預(yù)熱和部分分解由預(yù)熱器與分解爐來完成，代替回轉(zhuǎn)窯部分功能，達到縮短回轉(zhuǎn)窯長度的目的，同時使窯內(nèi)以堆積狀態(tài)進行氣料換熱過程，移到預(yù)熱器內(nèi)在懸浮狀態(tài)下進行，使生料能夠同窯內(nèi)排出的熾熱氣體充分混合，增大了氣料接觸面積，傳熱速度快，熱交換效率高，達到提高窯系統(tǒng)生產(chǎn)效率、降低熟料燒成熱耗的目的。
　　（5）水泥熟料的燒成
　　生料在旋風(fēng)預(yù)熱器中完成預(yù)熱和預(yù)分解后，下一道工序是進入回轉(zhuǎn)窯中進行熟料的燒成。在回轉(zhuǎn)窯中碳酸鹽進一步的迅速分解并發(fā)生一系列的固相反應(yīng)。
　?。?）水泥粉磨
　　水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗電最多的工序。其主要功能在于將水泥熟料粉磨至適宜的粒度，形成一定的顆粒級配，增大其水化面積，加速水化速度，滿足水泥漿體凝結(jié)、硬化要求。
　?。?）水泥包裝
　　水泥出廠有袋裝和散裝兩種發(fā)運方式。
　　水泥生產(chǎn)主要工藝過程簡要包括為“兩磨一燒”。按主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)論述為：礦山采運、生料制備、熟料煅燒、水泥的粉磨與水泥包裝等。
4高壓變頻節(jié)能原理
　　異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的，在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率，因而消耗轉(zhuǎn)差功率小，效率高，是異步電動機較為合理的調(diào)速方法。
　　由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均勻地改變供電頻率f，即可平滑地改變電動機的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前，變頻調(diào)速已成為異步電動機較主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
　　高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點：
　?。?）由負載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失，在變頻改造后不再有節(jié)流損失。
　?。?）網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高。
　?。?）可實現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動，避免啟動沖擊電流，減輕了沖擊扭振。
　　（4）高壓變頻器本身損耗極小，整機效率在97％以上。
　　對離心式風(fēng)機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比；即：
　　Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3
　　當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量需要改變時，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時，當(dāng)風(fēng)機低于額定轉(zhuǎn)速時，理論節(jié)電為：
　　E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW·h）
　　式中： n是額定轉(zhuǎn)速，n′是實際轉(zhuǎn)速，P是額定轉(zhuǎn)速時電機功率，T是工作時間。
　　可見，通過變頻對風(fēng)機進行改造，不但節(jié)能，而且大大提高了設(shè)備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
5 風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點
　　風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEE519-1992的諧波國家標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。產(chǎn)品2003年被列為國家重點新產(chǎn)品，高壓提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)2005年被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目資助。具體來說，風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
　　（1）采用高速DSP作為中央處理器，運算速度更快，控制更精準。
　?。?）飛車啟動功能。能夠識別電機的速度并在電機不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動。
　?。?） 針對水泥生產(chǎn)線的窯尾高溫風(fēng)機的“塌料”問題，變頻器從設(shè)備的硬件、控制軟件設(shè)計等多方面對高溫風(fēng)機的不定期尖峰負荷進行全方位的設(shè)計。
　?。?）完整的工頻/變頻自動互切技術(shù)?，F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時能使高壓電機轉(zhuǎn)至工頻運行，旁路切換有手動旁路和自動旁路切換兩種型式，手動旁路需人工操作，適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運行工況，自動旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動轉(zhuǎn)換至工頻運行。新風(fēng)光公司提供的自動旁路切換柜，不僅可實現(xiàn)變頻故障情況下自動由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運行狀態(tài)，還可實現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運行的功能，整個轉(zhuǎn)換過程不會對用戶設(shè)備的運行造成任何影響。
　?。?）旋轉(zhuǎn)中再啟動功能。運行過程中高壓瞬時掉電3s內(nèi)恢復(fù)，高壓變頻器不停機，高壓恢復(fù)后變頻自動運行到掉電前的頻率。
　　（6）線電壓自動均衡技術(shù)（星點漂移技術(shù)）。變頻器某相有單元故障后，為了使線電壓平衡，傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓，而線電壓自動均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角，在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
　　（7）單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握。
　?。?）單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍。
　　（9）散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu)，IGBT承受的電壓較低，可以有較寬的過壓范圍（≥1.15Ue），設(shè)備可靠性更高。
　?。?0）具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
　　（11） 故障自復(fù)位功能：當(dāng)變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復(fù)位，繼續(xù)運行。
6 變頻改造方案
　　在風(fēng)機改造過程中，窯頭排風(fēng)機（800kW/10kV）、窯尾排風(fēng)機（900kW/10kV）、煤磨排風(fēng)機（560kW/10kV）采用“一拖一”控制加手動旁路柜。將變頻控制納入用戶的DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)遠方/就地控制。用戶的以往的保護在工頻時保留，變頻時退出，比如差動保護功能等。
　　原系統(tǒng)是采用繞線電機串電阻降壓啟動，然后全壓運行的方式進行控制的，如圖2示。

　　變頻改造后的系統(tǒng)主電路如圖3示，從變頻器的輸入隔離開關(guān)QS1、輸出隔離開關(guān)QS2各取一對動斷觸點串入電阻柜內(nèi)接觸器KM的合閘回路，保證變頻啟動時切除電阻啟動。

　　旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，QS2與QS3采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)QS1、QS2閉合，QS3斷開時，電機變頻運行，此時風(fēng)機風(fēng)門全部打開；當(dāng)QS1、QS2斷開，QS3閉合時，電機工頻運行，電動執(zhí)行器配合工藝需要將風(fēng)機風(fēng)門達到所需開度，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。
　　旁路柜必須與上級高壓斷路器QF連鎖， QF合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。
　　故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。
7 應(yīng)用情況
　　在莒縣中聯(lián)水泥廠利用設(shè)備檢修時間，在窯頭排風(fēng)機、窯尾排風(fēng)機、煤磨排風(fēng)機上進行變頻器系統(tǒng)改造，到2012年3月10日投產(chǎn)，經(jīng)過幾個月的試運行，收到了良好的效果。
　　為了對比變頻改造節(jié)能情況，在相同產(chǎn)量下，對工頻、變頻相應(yīng)的運行數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，現(xiàn)將部分數(shù)據(jù)整理如下。
7.1水泥生產(chǎn)風(fēng)機工頻運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
　　改造前，水泥生產(chǎn)線工頻耗電情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

7.2水泥生產(chǎn)風(fēng)機變頻運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計表
　　改造后，水泥生產(chǎn)線變頻耗電情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表3所示。

7.3 直接效益
　　如表2、表3所示，工頻運行時，三風(fēng)機運行一天耗電為：
　　16800+20300+9050=46150 kW?h
　　變頻運行時，三風(fēng)機運行一天耗電為：
　　8970+14300+7900=31170 kW?h
　　變頻改造后，三風(fēng)機每天節(jié)約電量為：46150-31170=14980 kW?h
　　每kW?h按0.68元，一年按運行300天計算，一年節(jié)約電費計算如下：
　　14980kW?h×0.68元/kW?h×300天=305.592萬元。
7.4間接效益
　?。?）變頻改造后，實現(xiàn)電機軟啟動，啟動電流小于額定電流值，啟動更平滑。
　?。?）有效地改善了現(xiàn)場運行環(huán)境，由于電機以及負載轉(zhuǎn)速下降，大大降低了設(shè)備噪聲污染，現(xiàn)場操作人員非常歡迎。
　?。?）功率因數(shù)提高到0.95以上，減少了線路損耗。
　?。?）減少了維護工作量和維護費用，延長了設(shè)備的使用壽命。
　　采用變頻技術(shù)調(diào)速后，設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變負荷運行，大大降低了設(shè)備負荷率，延長了風(fēng)機、電機等設(shè)備的使用壽命。
　?。?）變頻器具有多項保護功能，十分完善。
　　與原來舊系統(tǒng)相比較，變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護等多項保護功能，更精確地保護了電機。
　?。?）調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高。
　　與過去擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量相比較，采用變頻拖動風(fēng)機可以在0～50Hz范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，調(diào)節(jié)頻率波動可保持在0.1～0.01Hz范圍內(nèi)，便于實現(xiàn)風(fēng)機系統(tǒng)自動化控制。
8結(jié)束語
　　目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗就占成本近30％，而拖動風(fēng)機用的高壓電動機在電機中占有很大的比重，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調(diào)速技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，是水泥廠節(jié)能改造的理想設(shè)備，具有很高的推廣價值，同時使熟料質(zhì)量更加穩(wěn)定、可靠。