1、概述

　　在水泥制造行業(yè)一些功率大、連續(xù)運行的設備耗電量高，是水泥制造成本高居不下的一個重要因素。據(jù)統(tǒng)計在水泥制造成本中，電費成本約占總成本的30%左右。因此，應用變頻技術，對耗電大的設備做一些工藝上的節(jié)能改造,利用節(jié)能的效果來降低水泥的制造成本,可提高經營上的利潤空間和市場競爭力。

　　根據(jù)水泥制造工藝及對一些水泥廠生產設備進行的實際考察和分析可以知道。在生產過程中，大部分水泥廠的設備，尤其是一些中高壓大功率設備，絕大部分時間都不是滿負荷運行,設備運行的自動化程度相當?shù)汀Ｈ缁剞D窯的生料磨風機、高溫風機、窯頭風機、窯尾廢氣風機、水泥磨收塵風機、煤磨排風機等，在這些設備和系統(tǒng)中，存在著相當大的容量富裕和能量浪費，為進行變頻調速改造，節(jié)能形成了空間。

2、水泥生產工藝流程介紹

　　水泥的生產制造主要經過破碎、儲存和預均化、粉磨、生料的均化和儲存、煅燒、水泥的粉磨這幾個重要的過程。粉磨就是磨機帶有巨大內部金屬防護的金屬圓筒，在磨筒中裝有許多球形鋼。由于磨機在旋轉，這些鋼球碾碎原料成小顆粒，稱其為生料。煅燒就是在均化后，生料通過稱為預熱器的旋風筒系統(tǒng)運送，經歷逐漸地熱處理溫度達900℃,進入回轉窯，回轉窯烘烤物料。窯身是50～150m長，直徑3～5m的長圓筒，筒內壁貼有耐火磚，窯的回轉作用和其驅動角使物料朝出口運行，溫度上升至1400℃。由于這個過程在窯內，生料轉變成粒狀的硬物，稱之為熟料。熟料是水泥的主要成分，熟料決定了最終產品的質量，水泥作為完成產品是一種很細粉未，粉未要滿足于生產熟料，石膏，一些天然和人造的材料（例如：火山灰）混合物的要求。水泥磨機類似于生料磨，嚴格控制和不斷監(jiān)測物料的混合，水泥品種和最重要的特性抗壓強度的水平，取決于熟料的化學成分，粉磨的持續(xù)時間及各種外加劑的摻加和不摻加。

3、轉窯高溫風機

　　一般水泥行業(yè)轉窯高溫風機為離心風機，高溫風機的調節(jié)方式一般為采用液力偶和器調速。正常工作時，閥門的開啟度為100%。

　　液力耦合器是利用液體的動能來傳遞功率的一種動力式液壓傳動裝置，它相當于離心泵和渦輪泵的組合。將其安裝在異步電機和負載(風機、水泵等)之間來傳遞轉矩，可以在電機恒速運轉情況下，無級調節(jié)負載的轉速。液力耦合器是一種轉差損耗的低效調速設備。在高壓變頻技術尚未成熟之前，液力耦合器在風機、水泵等調速節(jié)能方面曾有過較多的應用，發(fā)揮過其應有的作用。

表1—高壓變頻器和液力耦合器主要技術經濟指標的比較

3．1高壓變頻器與液力偶和器的技術經濟性能比較

3.1.1調速范圍

　　高壓變頻器調速范圍寬，達到10:1以上，甚至達到100:1以上;而調速型液力耦合器的調速范圍最大為4:1

3.1.2調速精度

　　高壓變頻器調速精度達到0.1Hz，而且穩(wěn)定性高，這是一個重要的技術指標。調速精度高、穩(wěn)定性高，意味著所傳動的風機(水泵)的壓力和風量(流量)穩(wěn)定，這對于穩(wěn)定生產工藝過程是很重要的，液力耦合器調速精度差，轉速波動大， 難以保證穩(wěn)定生產。

3.1.3效率

　　高壓變頻器效率高，無轉差損耗，其效率達0.95以上，并且不隨調速的范圍而變化。液力耦合器效率低，其效率與調速比成正比，負載的轉速越低，其效率越低，圖1所示為液力耦合器的效率曲線。

圖1—液力耦合器的效率曲線

　　液力耦合器屬轉差損耗型調速，是低效調速設備，在調速的過程中,轉差功率以熱能的形式損耗在油中。這不僅消耗了能量，而且使液力耦合器油溫升高，為此必須采取妥善的冷卻方式，特別是在環(huán)境溫度較高的場合應用，對冷卻的要求更高。例如某發(fā)電廠的給水泵的液力耦合器在夏季不得不采取不間斷的沖水冷卻等措施，即使如此，有時仍會因溫度過高，威脅到液力耦合器安全時，不得不停機，以使溫度降下來。

3.1.4額定轉差率

　　高壓變頻器沒有轉差率問題，負載與電動機同軸，電機能達到額定轉速，即電機轉速與負載轉速相同, 能達到額定壓力和額定風量(流量)。在電機結構允許的情況下，還可以超過額定轉速運行。液力耦合器由于是柔性連接，存在著固定的轉差率，即液力耦合器的轉差率≥3%，所以，負載的轉速不可能達到電機的轉速，最高只能達到電機轉速的97%，因此負載(風機、水泵等)就不能達到額定輸出，其壓力最高只能達到額定壓力的94%，而風量(流量)最高只能到額定值的91%左右。

3.1.5起動性能

　　高壓變頻器具有真正意義上的軟起動功能，它可以使起動電流值保持在額定電流以內，不會對電網造成沖擊，也不會對所傳動的風機、泵類的機械設備帶來沖擊，是最理想的軟啟動設備。液力耦合器屬于直接起動類型，電動機的起動電流約為額定電流的4~7倍，對電網造成沖擊，特別是在電網容量受限而電機容量較大時，這種直接起動對電網所造成的沖擊有時是不允許的。

3.1.6可靠性

　　調速設備的可靠性是客戶最關心的、最基本的、也是最主要的指標之一，它是能否保證生產的正常運行的關鍵指標。高壓變頻器的可靠性高，故障率低，這在許多高壓變頻器應用中得到證實。而液力耦合器則可靠性差，特別是漏油和打壞齒輪等。

3.1.7維修工作量

　　高壓變頻器由于可靠性高，故障率低而使其維修量少，據(jù)某電廠反映，給水泵采用的進口液力耦合器維修工作量僅打壞齒輪一項就需維修費30余萬元。當然，這也可能僅是個別的例子。但總的來看液力耦合器的維修工作量大于高壓變頻器的維修工作量。

3.1.8故障情況下對生產的影響

　　在調速設備一旦發(fā)生故障時對生產會有什么影響，也是用戶關心的一個問題。高壓變頻器一旦發(fā)生故障，則可立即切出，并切換到工頻電源上，使負載(風機、水泵等)能保持連續(xù)運行。液力耦合器由于連接在電機和風機之間，一旦液力耦合器出了故障，負載便不能運行，不能保證生產的連續(xù)性。

3.1.9設備的利用率

　　即是否能夠充分的利用調速設備。高壓變頻器可以一機多用，即一臺高壓變頻器可以通過開關切換設備控制幾臺高壓電機的運行。液力耦合器只能一機一用，一臺液力耦合器只能供一臺負載使用。

3.1.10功率因數(shù)

　　高壓變頻器由于采用二極管整流，可以保證電網側的功率因數(shù)在0.95以上。液力耦合器調速則使電網側功率因數(shù)降低，因為風機的電機的裕量都較大，輸入電流中無功分量就越大，導致其在低功率因數(shù)下運行。

3.1.11價格

　　價格的高低是客戶關心的重要指標之一。高壓變頻器的價格貴，液力耦合器價格便宜，這是液力耦合器與高壓變頻器相比的主要優(yōu)勢之一。

3.1.12占地面積

　　高壓變頻器設備占地面積較大，它包括變頻器本身和與之配套的設備，但它可分散安裝在控制室(如變頻器)或室外(如變壓器); 液力耦合器占地面積小，但它必須安裝在電機和負載之間并與之同軸，需作基礎固定。

3.2變頻改造后的特點

　　改造后的變頻供風系統(tǒng)是在保留原來供風系統(tǒng)的基礎上增加一套變頻回路與原回路并聯(lián)使用，形成雙回路可轉換的控制系統(tǒng)，通過調節(jié)電機（風機）的轉速來調節(jié)燒結時的用風量。其特點：

●節(jié)電效果好。由于電機消耗的功率跟電機轉速的三次方成正比，改造后電機大部分時間運行在35-43Hz左右即可滿足用風量，節(jié)電率大于25%；

●具有軟啟動功能，降低負荷強度，延長設備使用壽命，啟動電流小，提高用電安全系數(shù)及減少電網容量；

●調節(jié)風量精度準確、及時方便；

4、節(jié)能分析計算

　　風機的流量和轉速成正比，壓力和轉速平方成正比，其內功率則和轉速立方成正比，這時風機的工況點符合相似定律。一般情況下，很多人都用相似定律的比例率來計算風機、水泵變頻調速的節(jié)電率。但是,實際中卻沒有這樣的節(jié)能效果。由于相似定律是研究、設計風機本身的規(guī)律，它是就風機而論風機的定律。對于工作在管道系統(tǒng)中的風機必須視具體工況進行分析計算，由于風機的入口和出口風壓是否為大氣壓，直接關系到風機的軸功率變化。因此，風機的節(jié)能計算不能照搬照抄相似定律，風機的節(jié)能計算必須根據(jù)具體實際工況進行分析計算。也應當考慮變頻調速之后風機的效率、電動機的效率、變頻器的效率等因素的影響。

4.1、風機的運行特性

4.1.1、工頻運行特性

4.1.1.1工頻運行特性曲線

圖2---風機工頻運行特性曲線

4.1.1.2風機工頻運行具有的特點

(1)  圖中，F(xiàn)1為工頻運行時的（Q-p）性能曲線，也是變頻風機在50Hz下滿負荷運行時的性能曲線。E點為工頻運行時的額定工作點，即擋風板在某一固定位置時的工作點。A點為流量小于額定流量時的工作點，即通過關小擋風板沿著（Q-p）特性曲線向左上方滑動的一系列的工作點；B點為流量大于額定流量的工作點，即擋風板開大直至全開，并且沿著（Q-p）特性曲線向左下方滑動的一系列工作點。請注意擋風板全開之后，應當防止電動機過載。

(2)  pa為流量小于額定流量時的風機出口全壓；pe為額定流量時的風機出口全風壓；pb為流量大于額定流量時風機的出口全風壓。Re為額定流量時，即擋風板在某一固定位置時的管網阻力曲線；Ra為小于額定流量時，即關小擋風板之后的管網阻力曲線；Rb為大于額定流量時，即擋風板開大直至全開之后的管網阻力曲線。擋風板在不同的位置時，Re，Ra，Rb實際是一系列曲線族。η1為效率曲線。

(3)    從圖2中我們可以看出，pa>pe>pb；Qa<Qe<Qb；ηa<ηe>ηb。在額定工作點運行時，風機的效率最高，等于定效率。在額定工作點以外的任何工作點的效率都小于額定效率。

4.1.2、變頻運行特性

4.1.2.1變頻運行特性曲

圖3---風機變頻運行特性曲線

4.1.2.2變頻運行時的特點

（1）       F2、F3不僅僅是二條曲線，而是F1性能曲線下方偏左的一系列曲線族，即工作頻率不同，（Q-p）曲線就沿著管網阻力曲線向左下方滑動形成不同的（Q-p）曲線族。

（2）       Fn變化時，工作點A、E、B、也分別沿著管網阻力曲線Rb，Re，Ra變?yōu)镃、D、F。效率曲線η1也隨著向左推移，并且形成高效扇形區(qū)。因此，風機變頻運行時，pb降為pc，pe 降為pd或pg；pa降為pf。流量Qb減小到Qe；Qe減小到Qa；Qa變得更小。

（3）       如果Fn變化時，把擋風板打開到某個固定位置，使管網阻力為Re，保持流量Qa不變，即Qa恒定。工作點A即壓力pa降為pg。

（4）       如果Fn變化時，把擋風板打開到最大位置，使管網阻力為Rb，分別保持流量不變，即Qa、Qe、Qb恒定。工作點A、E即壓力pa 、pe也分別降為ph 、pc。Pb恒定不變。

（5）       隨著頻率Fn的降低，當管網阻力一定時（假設為Re），變頻運行風機的出口壓力逐漸降低為pd或pg，變頻后流量從Qe快速減少為Qa，工作點G的所需要的揚程也隨著降低。而頻率增加時，風機的出口壓力也上升，使流量Qa反而增加，直至到Qe。如果要繼續(xù)增加流量，此時必須把擋風板全部打開，流量最大可以達到Qb，此時要防止工頻泵過載。

（6）     變頻運行時，頻率不能調的過低，因為過低的頻率運行，將滿足不了工藝要求。

4.2、節(jié)能分析計算

4.2.1、設備參數(shù)

4.2.2、參數(shù)說明與計算

4.2.2.1調速型液力偶合器的傳動功率損失

公式中:k----轉速比；

4.2.2.2風量比和轉速比的參數(shù)確定

　　由于風機的額定風量為Qe=553000m3/h，實際風量用戶沒有提供。額定風壓為pe=7015 Pa，實際入口風壓為5800~6100Pa。風壓比，所以計算流量比 ，即計算實際風量Qs=503230～514290 m3/h。所以，采用變頻調速運行時的轉速比：k=0.90～0.95計算節(jié)電量。

4.2.3、節(jié)能分析計算

　　式中Nzs為實際軸功率，按照1500kW計取。風機年運行按照24*330=7920天計算，電費單價按0.50元/度計算。

4.2.3.1調速比k=0.9時的節(jié)電量節(jié)電率與節(jié)電費

變頻調速之后的節(jié)電功率：

節(jié)電率：

節(jié)電費：W1=ΔNB1×T×F=135×7920×0.50=53.46萬元

4.2.3.2調速比為k=0.95時的節(jié)電量節(jié)電率與節(jié)電費

變頻調速之后的節(jié)電功率：

節(jié)電率：

節(jié)電費：W2=ΔNB2×T×F=67.5×7920×0.50=26.73萬元

4.2.3.3年平均節(jié)電率

平均節(jié)電費：W=(W1+W2)/2=(53.46+26.73)/2=40萬元

平均節(jié)電率：

4.2.3.4如果調速比為k=0.85時的節(jié)電量節(jié)電率與節(jié)電費

變頻調速之后的節(jié)電功率：

節(jié)電率：

節(jié)電費：W3=ΔNB3×T×F=202.5×7920×0.50=80.19萬元

4.2.3.4如果調速比為k=0.8時的節(jié)電量節(jié)電率與節(jié)電費

變頻調速之后的節(jié)電功率：

節(jié)電率：

節(jié)電費：W4=ΔNB4×T×F=270×7920×0.50=106.92萬元

5、技術方案

圖4一拖一方案

　　由于只有一臺風機進行變頻調速,采用一拖一的變頻驅動方式，變頻裝置采用旁路進行切換。建議采用國產哈爾濱九洲POWERSMART-125A/2250KVA/10KV變頻器1套。具體主接線見圖4。

6、供貨范圍

　　配置JZEPOWERSMART-125A/2250KVA/10KV變頻裝置1套；旁路切換柜1套。

7、設備投資與回收期限

　　一套設備一次性投資大約為160萬元，平均年節(jié)電費在40萬元，回收期限為4年。如果設備壽命以20年計算，維護費用按照節(jié)電收益的3%計取。在設備壽命期內節(jié)電效益將達到：40×20×0.97-160=616萬元，可見節(jié)電效益是非?？捎^的。

8、結束語

　　通過上述的分析計算我們認為，水泥廠轉窯窯頭高溫風變頻調速節(jié)能與否,取決于實際運行時液力偶和器的調速比(風壓和流量)。因此對實際運行參數(shù)必須給出準確的參數(shù)范圍,方能確定其具體準確的節(jié)能效果。

　　通過上面的分析計算,無論是從技術上還從經濟效益上水泥廠轉窯窯頭風變頻調速都是可行的。風機機組采用變頻調速改造后，不僅節(jié)約了大量電能，由于對電機實現(xiàn)真正的軟啟動，對電機、風機、風門、高壓開關等設備以及電網的啟動沖擊大大減少，它們的使用壽命得以延長，可以大幅度節(jié)省這些設備的維護費用。另外，變頻器高精度、寬范圍的無級調速功能，不僅可以全面滿足流量的動態(tài)調節(jié)需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型設備，完全可以實現(xiàn)提高生產效率和機組自動化水平的要求。