引言

水泥工業在國民經濟中占有重要的地位，水泥產品是建筑工程不可或缺的建筑材料，被稱為建筑業的基礎。2016年我國水泥產量約24億t，耗電近2400億kW?h。相當于30個裝機容量為120萬kw(1200MW)的發電廠為全國水泥企業輸送的電能。水泥生產采用新型干法技術裝備與先進的管理，實現水泥單位電耗降低10(kw?h)/t已成可能，節省的電量就是3個上述電廠的發電量。按近年火力發電的主要生產運行指標計算，可節省標準煤1944萬t，減排二氧化碳4820萬t，社會效益十分顯著。水泥行業可降低生產成本144億元，平均每個水泥企業降低成本415萬元，企業經濟效益相當可觀。故此節能成為企業發展所需。

1、變頻技術是水泥生產電氣節能一項關鍵技術

水泥生產工藝過程高度概括為“兩磨一燒”，由礦山開采，材料處理，生料制備，熟料煅燒，水泥制成，產品包裝發運等工序組成。水泥生產過程中，電費在水泥生產成本中占比約為30%，節電至關重要。水泥工業節能體現在采用先進的水泥生產技術和方法，合理選擇的工藝流程及優化所配置的機械、電氣設備，確定最佳的產品品種、品質與材料的性能指標及生產科學管理等各個方面。其中電氣節能尤為關鍵，它能夠提高機械設備運轉，生產過程的運行效率。水泥廠節電體現在工藝、技術、裝備、材料與管理各個方面，本文僅就電氣節電技術的變頻技術進行論述。眾所周知，水泥廠電力系統的構成及在供電、配電、使用電能的環節中，須科學實施的電氣節能技術有以下幾個方面：供配電系統的優化，包括電壓的選擇;變壓器的選擇;無功補償技術的應用;合理選擇導線截面及節能型金具的使用。還有節能型電氣設備的應用：選用高效節能型電動機;變頻調速技術的應用;其中變頻技術是水泥生產電氣節能一項關鍵技術。

2、變頻調速節電技術的節電效果

水泥廠的主要拖動設備是電動機，其分布在各個生產工藝環節，因此電動機的裝機容量能夠超過總裝機容量的90%。故此電動機節能至關重要，電動機本體的節能與其相關設備如磨機、風機、水泵是聯系在一起的。減少電動機能耗的主要途徑是提高電動機的效率與功率因數，而在水泥廠的設計選型，尤其在已經運行的生產線電動機，一般是工藝專業按現行慣例對機械設備配套傳動設備，電機的功率與減速機的傳動功率、機械設備的軸功率按儲備系數計算取值，修正后對照樣本選取確定，由設備制造廠生產供貨。因此，水泥生產企業電氣專業的電動機節電只能在生產運行中體現，包括電動機就地補償，減少低效的電動機的輕載和空載運行，為提高這種狀態下電動機的效率，切實可行的方法是采用變頻器控制調整電動機的轉速，實現節約電能的目的。在水泥行業，風機類負載約占全部負荷40%左右。水泥生產線的窯尾廢氣系統，生料粉磨系統的循環風機及煤磨系統、窯頭除塵、水泥磨除塵器風機，冷卻機的冷卻風機是負荷較大的風機，這些風機在使用時進行風壓、風量調節是優質高產節能所必須的。風壓風量的調節方式主要有三種：

第一種傳統的調節方法是改變風門大小、檔板的開度;

第二種方法是使用液力耦合器;

第三種方法采用變頻調速技術。

前兩種方法會使負荷運行效率低下，節流或機械傳動浪費大量電能。風機類負載應用第三種方法對風壓、風量實施控制，可以降低能耗，實現高效生產及保證生產系統的安全。調節生產線風機類負載工況所需的風壓、風量大小，通過變頻調速技術改變設備的運行速度就可以實現，這是目前普遍采用的調速技術。同時，其在提高生產線自動化程度，節約電能，安全啟動等方面亦能顯示出優勢。目前在大中型水泥廠，高壓、中壓、低壓各類變頻器的應用為節電做出貢獻。2500t/d以上的新型干法水泥生產線，主要工藝設備如生料立磨或輥壓機配置循環機、廢氣風機，水泥窯、預熱器分解爐配置的窯尾高溫風機、窯頭除塵風機、冷卻機風機及煤磨、水泥磨的除塵風機等，其功率約占全廠設備總功率的38%~42%。電耗是構成水泥生產成本主要因數，風機電耗約占總電耗的10%~15%，占比相當大。所以，對上述風機配置的電機進行節能改造是十分必要的，采用高壓變頻器技術當為首選。某生產線立磨循環風機軸功率為4000kW，配置相應的電動機。50Hz工頻運行，風量控制采用調節風門的方式進行，電耗高，因此節電技術改造的關鍵是取消風門，取而代之是高壓變頻技術，進行調速，控制風量。電動機與高壓變頻器連接，非工頻運行，當頻率為43.6Hz時，節電率約為20%，還可根據生產工況可以適當調節變頻器的頻率，取得理想的節電效果。又如LB公司生料循環風機、窯尾風機、窯頭風機煤磨風機工頻運行與變頻運行節電數據見下表1.注：工頻調速方式，循環風機：水阻;窯尾風機：液力耦合器開度55%;窯頭風機、煤磨風機調節風門。從表1中風機的工頻運行與變頻運行對比數據可以看出，水泥生產線的主要大功率工藝設備并非都是滿負荷運行，電機在工頻下運行時，若是采用機械調節方法如調節擋風板開度或調節閥門開啟角度達到風機(水泵)風(水)量，其最大缺點是：電機及風機或水泵的轉速高，負荷強度重，電能浪費嚴重。變頻技術是改變電機轉速，達到調節風量和壓力的變化滿足生產均衡穩定的需要，又可取得節電降低成本，提高效益的效果。

3、變頻技術與節電原理

3.1平滑調速

電動機轉速n公式：n=60f/p(1-s)(1)式中：n-電動機轉速;f-電機定子頻率即工頻(電網頻率);p-電機定子的繞組極對數;s-滑差(轉差率)。由式(1)看出：(1)配置的電動機定子的繞組極P對數是固定的，電機的轉速是相對固定的;(2)滑差(轉差率)S不太大時，忽略其對轉速n的影響，則轉速n與f成正比，表明了改變電源頻率，就可以實現交流電動機在一定范圍的連續平滑調速。對已配置的電動機而言P是一定的，通過改變s進行調速可以忽略不計。因此，異步電動機最為合理的調速方法是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉速，通過變頻調速則可實現。依據生產工況，適宜地改變供電頻率f，即可改變電動機的同步轉速。在調速操作過程中，從高速(工頻下的速度)到低速(選擇的頻率)調速具有范圍寬、平滑性較高的優點，能夠保持很小的s滑差(轉差率)，消耗很小的滑差(轉差率)功率。目前異步電動機合理的調速方式就是變頻調速，在水泥企業風機負載調速節能獲得了廣泛的應用。水泥熟料生產線，全部風機裝機功率約占全廠總功率的35%，其中主要工藝風機約占風機裝機功率的60%，風機變頻技術節電舉足輕重，故此探討變頻器節電技術的原理須與風機(泵)的特性參數結合起來。

3.2風機(泵)轉速n與流量

Q壓力H功率P的關系流體力學相似原理定律表明：Q1/Q2=(n1/n2)(2)由(2)式可以看出輸出風量Q與轉速n成正比;H1/H2=(n1/n2)2(3)由(3)式可以看出輸出壓力H與轉速n2成正比;P1/P2=(n1/n2)3(4)由(4)式可以看出輸出軸功率P與轉速n3成正比。采用變頻調速調節風量，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，理論節電量可以計算得出[1]。3.3理論節電量采用變頻調速，風機實際轉速低于額定轉速時，理論節電量由下式計算。E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(5)式中：n—額定轉速;n′—實際轉速;P—額定轉速下的電機功率;T—工作時間。式(5)是進行變頻改造計算節電數量理論依據。

4、變頻技術應用

在探討變頻節能技術時，應注意到水泥廠的實際，如5500t/d水泥熟料生產線，全廠總裝機功率33500kw，全部風機裝機功率約13250kw，占全廠總功率的35%，其中主要工藝風機如窯頭、窯尾、生料廢氣處理，煤磨系統、水泥磨系統風機，冷卻機系統鼓風機，窯頭燃燒器羅茨風機的裝機功率約7870kw，約占風機裝機功率的60%，風機變頻技術節能尤為重要。恒轉矩負載，平方轉矩負載，恒功率負載三類負載涵蓋水泥廠的各種機械設備的運行轉矩類型，而生料磨機、水泥磨機、輥壓機、煤磨機等工藝設備因功率大，少有討論變頻技術的應用，同樣是球磨機，陶瓷廠使用的球磨機可以采用變頻技術。水泥廠的變頻技術的功能還體現在優異的電動機的啟動及制動方面。變頻器在水泥工業的應用比較普遍，鑒于發展過程中的技術進步歷程，針對現在有些企業變頻器技術須更新換代的情況，結合以往的變頻器應用取得的效果、經驗與教訓的實踐，介紹變頻技術應用案例以資說明變頻器的節電效果，更為重要的是為企業尋求拓展變頻技術的應用范圍、為企業采用先進變頻技術提供節能決策的思路。

4.1高壓變頻器在煤磨排風機上的應用

3000t/d生產線，采用繞線式異步電動機拖動煤磨排風機，轉速1480rpm。電動機型號YRKK500-4，630kw，10kv，43A。電機啟動方式為液體電阻啟動，即轉子串接液體電阻啟動。啟動后電機立即轉入轉子滑環自動短接，至此電動機則在工頻下全速運行。風門開度56%時，電動機平均電流27.5A，功率381.6kw，采用變頻調速兼啟動，變頻頻數31.6Hz，電流16.2A。變頻器額定容量790kVA，電流45A，輸入電壓10kv，變頻器輸出電壓10kv。節電率40%。

4.2高壓變頻器-窯尾高溫風機節能改造效果

窯尾高溫風機型號W6-2-29-1No19.5，溫度450℃，介質密度1.4kg/m3，進口風量170000m3/h,軸功率556kw，風壓8400Pa，風機主軸轉速1450rpm。拖動電機y500-4，額定功率630kw，額定電流43.3A，額定電壓10kv，額定轉速1490rpm，額定頻率50Hz,功率因數0.885，接線方法Y，絕緣等級F，電動機與風機之間采用液力耦合器傳遞能量與調速。變頻器為電壓源型，高-高變換方式。內置移相式變壓器，10kv輸入，不設輸出變壓器、濾波器，適配高壓電動機。變頻器功率單元為多電平串聯的主控器件。變頻器功率800kw，工頻輸入、頻率范圍50±5Hz，輸入額定電壓10kv，其波動范圍±10%，輸入功率因數0.98。輸出電流50A，輸出頻率范圍0～50Hz，輸出電壓10kv，頻率分辨率0.01Hz，防護等級IP20，過載能力100%～160%連續1min，160%～220%允許1.5s。加速時間300s，減速時間300s。改造前后的工藝參數相當，五級預熱器C1出口負壓4500Pa，轉速1170rpm。改造工程中，取消液力耦合器，電機與風機采用聯軸器連接。電機轉速比為0.8，改后的輸出轉矩為改前的70%，取得節能效果。

4.3中壓變頻器在水泥廠的應用實踐

風機的風壓風量控制有兩種基本方式，擋板控制與液力耦合器控制。采用擋板控制配置繞線式異步電動機，采用液力耦合器為鼠籠式異步電動機。工頻運轉水電阻啟動。采用中壓變頻器，可以保留原電動機，對于繞線式異步電動機，短封轉子，定子與變頻器輸出相直接連接，去掉水電阻，啟動由變頻器承擔。去掉擋板，減少了擋板控制的阻力，去掉液力耦合器的機械損失和容積損失。電動機直接啟動時的啟動電流為額定電流的4～7倍。A水泥廠采用變頻調速、B水泥廠采用液力耦合器調速，兩水泥廠生產線規模相同為5000t/d，相關節電數據見表2：5000t/t熟料生產線年生產熟料150000t，年節電量4200000kw?h，降低成本約210萬元。水泥企業應用變頻器取得節電的作用體現在兩個方面，一是控制調速電機的轉速，降低運行電流;二是利用變頻器對電機的軟啟動功能，降低電機的啟動電流，并防止的電網的沖擊。這樣就可使水泥企業的電力系統及電機相關聯的機械設備如減速機、聯軸器等，在電機啟動與運行中的負荷強度降低，保護了電網，延長設備的使用年限。

4.4低壓變頻器用于水泥磨風機的節電運行

水泥磨規格Φ4.2m×13.5m，產量160t/h。磨機配置的通風機風機風量138024m3/h，風壓10340Pa，溫度80℃，風機轉速730rpm,風門開度34%，電機輸入功率205.9kw。風機配置的電動機型號YFKK500-8，355kw，10kv，29.1A，745rpm。風機效率低，電動機的運轉負荷低，經過分析，采用變頻技術，可以更換新的低壓380v的電機。電機型號YVF2-355L-10，額定功率160kw，額定電壓380v，額定電流333A。現場測定風機運行參數：風量157500m3/h，壓力1426Pa，溫度80℃，轉速475～540rpm時新電機運行數據列入表3。電動機輸入功率在90～110kw可以滿足生產要求[2]，運行頻率在30～35之間。

5、結語

變頻調速節能的三大優點是：減少電能損耗，降低成本，節約電能;拓寬了系統的調速范圍，提高了系統運行的靈活性;改變了電動機的啟動方式，真正實現了電機的軟啟動，延長了它們的使用壽命。文中做了系統的試論。對于變頻器的功能、性能指標及選擇應考慮以下幾點：即型號、電壓級別、最大適配電機、電源、控制特性。同時結合水泥企業的規模、生產實際、環境條件、變頻技術的性價比進行綜合考量，選擇適用變頻節能技術。