高壓變頻器在粉磨站收塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 周洪云 晏鵾
一、引言
濟(jì)南山水集團(tuán)平陰粉磨站具有一套年產(chǎn)100萬(wàn)噸水泥生產(chǎn)線，工程設(shè)計(jì)初期收塵器的收塵風(fēng)機(jī)是定速運(yùn)行，其風(fēng)量調(diào)節(jié)依靠檔板開(kāi)度來(lái)控制�？紤]產(chǎn)量變化及生產(chǎn)品種的變化（水泥成品的顆粒細(xì)度不同），需要不同的風(fēng)量來(lái)滿足工藝要求。若用檔板調(diào)節(jié)，不但控制精度較差，并且依靠檔板截流來(lái)減少風(fēng)量，電機(jī)的出力變化較小，造成大量電能被白白浪費(fèi)。為了改善工藝、降低能耗，山水水泥的設(shè)計(jì)人員決定對(duì)收塵風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，生產(chǎn)中風(fēng)量的調(diào)整通過(guò)變頻器來(lái)改變收塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。
用戶通過(guò)大量考察論證，最后選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的一臺(tái)HARSVERT-A06/055高壓變頻器驅(qū)動(dòng)收塵風(fēng)機(jī)。
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1、水泥生產(chǎn)工藝
水泥的生產(chǎn)步驟，可分為以下八個(gè)步驟：
原料的提�。ú傻V） 原料的破碎 原料的儲(chǔ)存和預(yù)均化 原料的粉磨（球磨機(jī)） 生料的均化和儲(chǔ)存 煅燒（生料通過(guò)旋風(fēng)筒預(yù)熱后再進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯烘烤物料，煅燒成熟料） 水泥的粉磨（根據(jù)水泥的品質(zhì)，混合其他的化學(xué)原料粉磨）
水泥的儲(chǔ)存與運(yùn)輸 其中物料的粉磨工藝流程是：
電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速機(jī)帶動(dòng)磨盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，物料從下料口落到磨盤(pán)中央，在離心力的作用下向磨盤(pán)邊緣移動(dòng)并受到磨輥的碾壓，粉碎后的物料離開(kāi)磨盤(pán)，被高速向上的氣流帶至與立磨一體的分離器，粗粉經(jīng)分離器后返回到磨盤(pán)上，重新粉磨；細(xì)粉則隨氣流出磨，在系統(tǒng)的收塵裝置中收集下來(lái)。
收塵風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（收塵器所需風(fēng)量）主要由管磨機(jī)內(nèi)工藝情況（產(chǎn)量及粉的細(xì)度）決定。
2、水泥粉磨系統(tǒng)主要設(shè)備：（表一）
| 設(shè)備名稱 | 規(guī)格 | 主要性能 | 電機(jī)功率（kW） |
| 輥壓機(jī) | RP120-80 | 輥直徑1200mm, 有效寬度899mm |
2×500 kW |
| 管磨機(jī) | ∮4.2×11.5 | 能力120t/h | 2800 kW |
| 高效選粉機(jī) | XWS40 | 處理能力150 t/h | 220 kW |
| 袋式收塵器 | LPM2X70 | 處理風(fēng)量157000m3/h | |
| 排風(fēng)機(jī) | R6-2X40No15.57 | 風(fēng)量160000 m3/h， 風(fēng)壓7300Pa |
450 kW |
3.水泥生產(chǎn)工藝圖
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| 圖一 |
三、收塵風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制方案
1、主回路方案工作原理：變頻器為一拖一配置，即一臺(tái)變頻器拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)。變頻器高壓進(jìn)線端直接接于6kV電壓等級(jí)的主動(dòng)力電源，輸出側(cè)直接連接電機(jī)。QF1為用戶現(xiàn)場(chǎng)高壓斷路器，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器故障保護(hù)，變頻器與QF1的合、分閘回路實(shí)現(xiàn)連鎖，只有變頻器控制系統(tǒng)正常才允許QF1合閘，而變頻器重故障則跳開(kāi)QF1。
2、控制回路方案
按照用戶要求,變頻器可以根據(jù)用戶反饋的風(fēng)壓信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓,也可以與用戶的風(fēng)門(mén)進(jìn)行開(kāi)、合聯(lián)動(dòng)。
變頻器控制柜有“本機(jī)控制/遠(yuǎn)程控制”選擇開(kāi)關(guān)，可以方便地選擇本地操作或遠(yuǎn)程操作，變頻器支持MODBUS、PROFIBUS、TCP/IP等協(xié)議及硬接線連接來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，本套系統(tǒng)與用戶中控室DCS采用硬接線連接。即DCS給變頻器發(fā)啟動(dòng)、停止指令及一路頻率給定信號(hào)，變頻器反饋給DCS“備妥”、“運(yùn)行”、“報(bào)警”、“故障”四路開(kāi)關(guān)量信號(hào)及“電機(jī)轉(zhuǎn)速”、“電機(jī)電流”兩路模擬量信號(hào)。
變頻器概略圖如下：
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| 圖二 |
3、變頻器技術(shù)參數(shù)
| 序 號(hào) | 規(guī) 范 | 單 位 | 參 數(shù) | 備 注 |
| 1 | 使用標(biāo)準(zhǔn) |
Q/CP BLH003-2004 | ||
| 2 | 型式及型號(hào) | HARSVERT-A06/055 | ||
| 3 | 制造商及產(chǎn)地 | 北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 | ||
| 4 | 技術(shù)方案 | 多級(jí)模塊串聯(lián)，交直交、高高方式 | ||
| 5 | 對(duì)電動(dòng)機(jī)要求 | 普通鼠籠式異步電機(jī) | ||
| 6 | 額定輸入電壓/允許變化范圍 | kV | 6kV±15% | |
| 7 | 系統(tǒng)輸入電壓 | kV | 6kV | |
| 8 | 額定輸入頻率/允許變化范圍 | 50Hz±10% | ||
| 9 | 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的敏感性 | +15%～-35% | ||
| 10 | 變頻器效率 | ＞0.98 | ||
| 11 | 諧波 | 輸入電流<4%,輸出電流<2% | ||
| 12 | 可靠性指標(biāo)（平均無(wú)故障工作時(shí)間） | H | 20000小時(shí) | |
| 13 | 輸入側(cè)功率因數(shù) | ＞0.95（＞20%負(fù)載） | ||
| 14 | 控制方式 | 多級(jí)正弦PWM控制 | ||
| 15 | 控制電源 | 外供220V±10%AC，3kVA， 220V±10%DC，3kVA |
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| 16 | UPS型式、參數(shù)及容量 | 掉電可維持30分鐘 | ||
| 17 | 變換器型式及元件 | 42脈沖，二極管三相全橋 | ||
| 18 | 逆變器型式及元件 | IGBT 逆變橋 串連 | ||
| 19 | 電隔離部分是否采用光纖電纜 | 采用安捷倫HFBR－EUS100光纖 | ||
| 20 | 噪聲等級(jí) | ≤75dB | ||
| 21 | 冷卻方式 | 強(qiáng)迫風(fēng)冷 | ||
| 22 | 過(guò)載能力 | 120% 1min，150%立即保護(hù)（<10μs） | ||
| 23 | 標(biāo)準(zhǔn)控制連接 | 與DCS硬連接 | ||
| 24 | 模擬量信號(hào)（輸入）規(guī)格及數(shù)量 | 4～20mA或0～10V，4路 | ||
| 25 | 模擬量信號(hào)（輸出）規(guī)格及數(shù)量 | 4～20mA或0～10V，2路 | ||
| 26 | 開(kāi)關(guān)量信號(hào)（輸入）規(guī)格及數(shù)量 | 繼電器干式接點(diǎn)，6點(diǎn) | ||
| 27 | 開(kāi)關(guān)量信號(hào)（輸出）規(guī)格及數(shù)量 | 繼電器干式接點(diǎn)，5點(diǎn) | ||
| 28 | 防護(hù)等級(jí) | IP20 | ||
| 29 | 操作鍵盤(pán) | 標(biāo)準(zhǔn)操作面板 | ||
| 30 | 界面語(yǔ)言 | 簡(jiǎn)體中文 | ||
| 31 | 變頻裝置外形尺寸 | 3956×1200×2574mm | ||
| 32 | 變頻裝置重量 | 5000Kg |
四、節(jié)能效果分析
1、變頻器參數(shù)
| 型號(hào) | HARSVERT-A06/055 | 輸入電壓 | 6kV |
| 額定電流 | 55A | 額定功率 | 450kW |
2、電機(jī)參數(shù)
| 額定功率 | 450kW | 額定電壓 | 6kV |
| 額定轉(zhuǎn)速 | 985rpm | 額定電流 | 55A |
3、能計(jì)算
通過(guò)流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。
根據(jù)風(fēng)機(jī)工作特性：原來(lái)系統(tǒng)采用檔板調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)將由A沿曲線向B點(diǎn)移動(dòng)；目前系統(tǒng)采用電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n0 調(diào)整為n’時(shí)，風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)將由B點(diǎn)降至C點(diǎn)。因此采用高壓變頻器調(diào)速，其節(jié)電量如下圖所示。
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根據(jù)工藝要求，收塵風(fēng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速降為額定轉(zhuǎn)速的80％時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)（變頻器＋電機(jī)）從電網(wǎng)側(cè)吸收功率約降為額定轉(zhuǎn)速時(shí)的51％，即0.83×100%=51%。因此若工藝要求收塵系統(tǒng)風(fēng)量下降即收塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，節(jié)能效果將十分明顯。
現(xiàn)在，平陰粉磨站的生產(chǎn)任務(wù)繁重，生產(chǎn)線基本在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行，水泥生產(chǎn)量基本在120－130t/h，在最大負(fù)荷下，變頻器運(yùn)行頻率約為37.5Hz，輸入電流（從變頻器網(wǎng)側(cè)吸收）約為28A。對(duì)比相同工況下的另外一條生產(chǎn)線，在產(chǎn)量基本相同情況下，沒(méi)有變頻改造的收塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流約為44A，從比較情況來(lái)看，經(jīng)變頻改造的收塵風(fēng)機(jī)節(jié)能效果非常明顯。
五、變頻改造對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的其他效果
通過(guò)對(duì)濟(jì)南山水集團(tuán)平陰粉磨站的變頻節(jié)能分析測(cè)算表明，設(shè)備進(jìn)行變頻改造后，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并且在其它方面也產(chǎn)生了一些顯著的影響：
（1）采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)啟動(dòng)電流只是額定電流，啟動(dòng)時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)和變壓器無(wú)大的沖擊，減輕了起動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩對(duì)電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命；
（2）變頻改造前，風(fēng)量的調(diào)節(jié)要靠調(diào)整檔板的開(kāi)度來(lái)完成，一次風(fēng)量的改變通常要反復(fù)調(diào)節(jié)多次才能完成。變頻改造后，電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變只要在DCS設(shè)定即可，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，風(fēng)量調(diào)節(jié)更平穩(wěn)、精確；
（3）收塵風(fēng)機(jī)改變頻后，由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù)，因此在理論上可以消除41次以下諧波。由于實(shí)際制造工藝的限制，網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2％以內(nèi)，電流諧波總含量小于4％；
（4）變頻輸出采用PWM技術(shù)控制，輸出電壓波形基本接近正弦波，諧波總含量小于1％，上述指標(biāo)均滿足IEEE-519國(guó)際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)要求；
（5）該變頻器為電壓源型結(jié)構(gòu)，功率因數(shù)可高達(dá)0.95；
（6）廠房設(shè)備噪聲污染大大降低。
六、小結(jié)
濟(jì)南山水集團(tuán)平陰粉磨站100t/h生產(chǎn)線自2005年5月份改造投產(chǎn)以來(lái)，收塵風(fēng)機(jī)變頻器一直運(yùn)行十分穩(wěn)定，不但節(jié)約了大量的電能，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且降低了運(yùn)行、檢修人員的工作強(qiáng)度，因此在山水集團(tuán)新建的粉磨站如昌樂(lè)、濱州等地的粉磨站收塵風(fēng)機(jī)先后都采用了我公司制造的變頻器。隨著國(guó)家相關(guān)政策的具體落實(shí)，相信在今后的應(yīng)用中，高壓變頻器將越來(lái)越多的在水泥行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。