一、前言 目前，隨著水泥企業(yè)競爭的日益加劇，生產(chǎn)成本的高低決定了水泥企業(yè)在市場競爭的地位，水泥生產(chǎn)企業(yè)很大一部分成本浪費在能耗上，降低水泥生產(chǎn)過程中的電能消耗越來越引起了業(yè)界的重視。 在水泥生產(chǎn)過程中，風機被大量的采用，而風機負載耗電量較大，起動電流較高，同時用電動閥門、擋風板等裝置來調節(jié)風量，工作效率低，而且開動閥門時，還發(fā)出嘯聲和振動，經(jīng)常發(fā)生事故；為滿足生產(chǎn)環(huán)境的最大要求，風道系統(tǒng)設計時的風量和壓力往往偏大，功率的偏大設計必然造成能量的浪費。 變頻調速技術作為一種先進的電機調速方式，其優(yōu)異的性能以及帶來可觀的經(jīng)濟效益早已為人們所知。實踐證明在風機的系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng)，利用變頻技術改變電機轉速來調節(jié)風量和壓力的變化用來取代閥門控制風量，能取得明顯的節(jié)能效果。本文就SH-HVF系列高壓變頻器在華新金貓水泥（蘇州）有限公司中應用進行分析總結。 二、變頻器節(jié)能原理 由電動機的同步轉速公式：n1＝60f/p 而異步電動機轉速n與同步轉速n1存在一個滑差關系：n＝ n1（1—s）=60f/p（1—s） 由上式可以得到，改變異步電動機的轉速可以通過改變f、p、s可以達到。針對某一電動機而言P是一定的，而通過改變S進行調速空間非常小，所以變頻調速通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速是異步電動機的最為合理的調速方法。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速。異步電動機變頻調速具有調速范圍寬、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，目前變頻調速已成為異步電動機最主要的調速方式，在很多領域都獲得了廣泛的應用。 根據(jù)流體力學相似定律： Q1/Q2＝n1/n2 輸出風量Q與轉速n成正比； H1/H2＝（n1/n2）2 輸出壓力H與轉速n2正比； P1/P2＝（n1/n2）3 輸出軸功率P與轉速n3正比。 當風機風量需要改變時，如調節(jié)風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調速調節(jié)風量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調速時，當風機低于額定轉速時，理論節(jié)電為 E=〔1-（ n′/n） 3〕×P×T （kWh） 式中： n——額定轉速 n′—— 實際轉速 P——額定轉速時電機功率 T——工作時間 可見，通過變頻對風機進行改造，不但節(jié)能而且大大提高了設備運行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。 三、SH-HVF變頻器原理特點 SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研制開發(fā)的新一代高壓變頻器，采用直接高高變換的方式，多電平串聯(lián)倍壓的技術方案，優(yōu)化的PWM控制算法，實現(xiàn)優(yōu)質的可變頻變壓（VVVF）的正弦電壓和正弦電流的輸出。 1、SH-HVF高壓變頻器原理 SH-HVF系列高壓變頻裝置選用電壓源型交－直－交變頻器方式，變壓器采用移相技術，使得電網(wǎng)電流接近為正弦電流。功率單元的主電路由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及IGBT模快組成。 進入功率單元的低壓交流經(jīng)過整流模塊的整流和電容的濾波后變成中間直流，在控制系統(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調制輸出。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相K個單元疊加，就可產(chǎn)生2K＋1種不同的電平等級。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。 K個功率單元在逆變側串聯(lián)成一相，將每個功率單元輸出的電平相疊加，再配以動態(tài)分配技術和適當?shù)目刂扑惴?，在輸出側得到一組逼近正弦波的階梯波，與低壓變頻器采用的單純PWM方式相比，輸出的dv/dt非常低，波形本質與正弦波的擬合程度非常好，再配以優(yōu)化的PWM控制，使輸出諧波大為降低。由于這種波形正弦度好，du/dt小，可減小對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器，輸出電纜長度幾乎不受限制，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減少了軸承和葉片的機械應力。 2、控制單元原理特點 整個系統(tǒng)的控制部分由一套PLC，一套主控制器，一套旁路控制器、一個智能操作面板（觸摸屏）和一些開關、電源、繼電器等組成。 其中，PLC完成整個變頻調速系統(tǒng)的管理，邏輯處理，包括起停車邏輯、報警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示，完成變頻器參數(shù)設定、運行參數(shù)狀態(tài)顯示和報警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號的產(chǎn)生、移相，并轉換成光信號，通過光纖傳送到功率單元，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個系統(tǒng)提供了較高的容錯能力，當工作中的某個功率單元故障時，旁路控制能自動將其從工作中退出，并將備用功率單元投入運行。整套控制系統(tǒng)的設計原則是可靠、實用、簡單。 四、原料磨循環(huán)風機的變頻改造 1、生料磨系統(tǒng)簡介： 華新金貓水泥（蘇州）有限公司是一條3000T/D的水泥生產(chǎn)線，其生料磨循環(huán)風機電機為6KV/1600KW，采用擋板（閥門）調節(jié)風量大小，風機消耗功率大，節(jié)流損失較大。調節(jié)風門擋板控制風量，由于擋板處于較高壓力下工作，易磨損，易造成管道內(nèi)風量調節(jié)不準確，對生料磨系統(tǒng)工藝影響也較大。其生料磨系統(tǒng)簡易圖如圖1所示： 圖1立式生料磨系統(tǒng)簡易圖 生料磨循環(huán)風機在生料磨系統(tǒng)中起到很大作用，通過調節(jié)循環(huán)風機可以控制磨系統(tǒng)的以下參數(shù)： 1>、磨內(nèi)通風量：立磨靠風掃磨，通風量要適當。風量不足，合格的生料不能及時帶出，料層增厚，排渣量增多，設備負荷高，產(chǎn)量降低；風量過大，料層過薄，影響磨機穩(wěn)定運轉。 2>、料層厚度：立磨穩(wěn)定運轉的另一重要因素是料床穩(wěn)定。料層穩(wěn)定，風量、風壓和喂料量才能穩(wěn)定，否則就要通過調節(jié)風量和喂料量來維持料層厚度。若調節(jié)不及時就會引起震動加劇，電機負荷上升或系統(tǒng)跳停等問題。 3>、磨機振動：振動是輥式磨機工作中普遍存在的一個現(xiàn)象,合理的振動是允許的,但若振動過大，則會造成磨盤和磨輥以及襯板的機械損壞。 4>、磨內(nèi)壓差： 壓差是指風環(huán)處的壓力損失,在磨機運行時，磨內(nèi)負荷量的變化不僅從磨機電流、料層厚度、振動幅度等參數(shù)上反應出來，而且壓差更能反映磨內(nèi)狀況。 5>、磨機出口溫度：有效的控制出口溫度，可以保持良好的烘干及粉磨作業(yè)條件。 6>、產(chǎn)品細度：磨內(nèi)通風量的大小對產(chǎn)品細度也有一定影響 。 另外磨的運行穩(wěn)定因素還有喂料量、噴水量、研磨壓力、循環(huán)風量和選粉機轉速等參數(shù)。 2、主回路設計 為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)華新金貓水泥負載的相關參數(shù)選配SH-HVF -Y6K/2000系列高壓變頻器，變頻器配置方案采用一拖一方式，其主回路原理圖如圖2所示： 圖2 SH-HVF高壓變頻器主回路原理圖 6KV高壓電源經(jīng)用戶開關柜高壓開關QF到刀閘柜，經(jīng)輸入刀閘QS1到高壓變頻裝置，變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS2送至電動機；高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動電動機。進出線刀閘QS2和旁路刀閘QS3的作用是：一旦變頻裝置出現(xiàn)故障，即可馬上斷開進出線刀閘QS2，將變頻裝置隔離，手動合旁路刀閘QS3，在工頻電源下起動電機運行。QF保留用戶原斷路器，QS1、QS2、QS3安裝在一個刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過機械閉鎖，防止誤操作。 3、控制方式： 該設備有三種控制方式： 1>、以壓力、流量為控制對象的閉環(huán)控制：以輸入的4～20mA模擬量值為控制依據(jù)，實現(xiàn)自動控制。 2>、 以轉速為控制對象的開環(huán)控制：該方式在遠程操作（DCS或遠程操作箱上操作）用戶可根據(jù)工況條件自設定轉速，變頻器以該轉速為控制值，該方式下頻率的變化依據(jù)用戶輸入的模擬量，4mA對應0轉速，20mA對應額定轉速。 3>、以頻率為控制對象的開環(huán)控制：該方式在就地操作（設備本體上操作）直接從觸摸屏上設置輸出頻率，變頻器以該頻率為控制目標值。 以上三種控制方式用戶可通過人機界面（觸摸屏）設置，滿足不同的工況要求。 4、變頻改造后華新金貓水泥原料磨系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)：（現(xiàn)場實測） 由以上測量數(shù)據(jù)顯示，滿足立式原料磨的料層厚度、原料細度、磨內(nèi)壓差、振動等工藝要求的基礎上，配合調節(jié)變頻器轉速和選粉機轉速，使整個原料磨系統(tǒng)達到一個動態(tài)平衡，從而在保證原料工藝要求的情況下，達到較好的節(jié)能目的。 五、變頻改造后收益分析： 1、直接收益： 改造前：在運行時閥門開度為56％－58％，當閥門開度為58％時，電流為147A；當閥門開度為5％時，電流為101A；當閥門開度為20％時，電流為116.5A；當閥門開度為55％時，電流為142－145A；當閥門開度為60％時，電流為150－152A。 變頻改造后：閥門開度為100％，變頻器轉速為1300－1360r/min，此時變頻器電流為102－110A。 改造前平均功率為：1310KW 改造后平均功率：1008KW 根據(jù)現(xiàn)場實測變頻后設備節(jié)電率為： ΔP＝（P1－P2）/P1=（1310－1008）/1310＝23% 變頻改造后節(jié)電功率為： PB= P1-P2=1310-1008=302 kW 由上數(shù)據(jù)說明SH-HVF-Y6K/2000高壓變頻器在金貓水泥循環(huán)風機上的應用節(jié)能效果顯著。 2、間接效