一、概述:

水泥制造業(yè)一直以來是傳統(tǒng)的能耗大戶，其中，水泥廠電動機(jī)電耗占成本近30％，而拖動風(fēng)機(jī)用的高壓電動機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重。近年來，市場競爭的加劇，水泥企業(yè)的利潤空間越來越小，各家水泥企業(yè)都在努力尋求節(jié)能降耗的方法。在國家政策《中華人民共和國節(jié)約能源法》和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)《GB50443-2007水泥廠節(jié)能設(shè)計規(guī)范》及時引導(dǎo)下，水泥企業(yè)節(jié)能降耗工作被放到了非常重要的位置。

水泥廠使用了大量的機(jī)電設(shè)備，例如：離心風(fēng)機(jī)、水泵類設(shè)備、空氣壓縮?、選粉機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、球磨機(jī)、板式喂料機(jī)、調(diào)速皮帶秤、喂煤絞刀、篦冷機(jī)機(jī)及立窯羅茨風(fēng)機(jī)、卸料機(jī)等。在水泥的生產(chǎn)中，風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)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(jī)采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進(jìn)、出風(fēng)口閥門的開度來實(shí)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)效率低，損耗嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)電動機(jī)特別利用調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運(yùn)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(dá)到節(jié)約電能，同時減少管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在水泥廠風(fēng)機(jī)采用調(diào)速技術(shù)，節(jié)約大量能源，提高生產(chǎn)效率，可為水泥廠帶來較大的效益。水泥廠的這些機(jī)電設(shè)備，很多需要交流調(diào)速，都可以用變頻器。

水泥廠使用變頻器有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、滿足水泥生產(chǎn)工藝的調(diào)速要求。變頻器的調(diào)速范圍在10:1以上，而水泥生產(chǎn)工藝過程中調(diào)速范圍在10:1范圍內(nèi)即可滿足工藝要求。

2、易于實(shí)現(xiàn)自動化控制。由于七喜變頻器由CPU控制，設(shè)有模擬量輸入輸出、RS485接口，為整個工廠自動化創(chuàng)造了充分的條件。

3、良好的節(jié)能效果。如某廠的篦冷機(jī)每年可節(jié)電約70,000kWh，一室風(fēng)機(jī)每年可節(jié)電約110,000kWh，按照此兩項每年可以節(jié)約資金90,000元。

4、能夠提高工作效率、產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。?調(diào)速系統(tǒng)的整體可靠性提高，故障率低，可減少維護(hù)和停機(jī)次數(shù)。

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二、變頻節(jié)能原因

所謂的“節(jié)能”，不僅僅是節(jié)省能耗，還包括不浪費(fèi)能源，用一句最簡單的話說就是：“你需要多少，我就給你提供多少!”。通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率lP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。

在實(shí)際生產(chǎn)中，往往利用調(diào)節(jié)高溫風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)系統(tǒng)風(fēng)量。而隨著轉(zhuǎn)速的降低，風(fēng)機(jī)在維持效率不變（風(fēng)阻不變?yōu)榍疤幔┑臓顟B(tài)下，軸功率以轉(zhuǎn)速的立方關(guān)系下降，電機(jī)消耗的電能急劇減小。各種風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，因P?∝n3，故應(yīng)用變頻器后，節(jié)電效果顯著，見表1。表1為風(fēng)機(jī)泵類應(yīng)用變頻器后，在不同流量Q*，轉(zhuǎn)速n*，軸功率P*（額定值的相對值百分?jǐn)?shù)）以某頻率值時的節(jié)電率。

表1??風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載應(yīng)用變頻器后的節(jié)電率

當(dāng)采用進(jìn)口導(dǎo)流葉片調(diào)節(jié)時，風(fēng)量下降導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率降低和風(fēng)壓的升高，運(yùn)行工況偏離額定工況越遠(yuǎn)效率越低。因此，風(fēng)量雖然下降了，但風(fēng)機(jī)軸功率及電機(jī)消耗的電能變化并不大，這就是風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速的節(jié)能依據(jù)。?????????

而在風(fēng)機(jī)調(diào)速的的方法上，目前使用較多的還有液力偶合器調(diào)速及液體電阻調(diào)速。液力耦合器是一種以液體（多數(shù)是油）為工作介質(zhì)，利用液體傳遞能量的傳動裝置。通過改變液力耦合器工作腔內(nèi)液體的充滿度，就可以改變液力偶合器所傳遞的轉(zhuǎn)矩和輸出軸的轉(zhuǎn)速，使液力偶合器電機(jī)端和風(fēng)機(jī)端的轉(zhuǎn)速不一致，從而在電動機(jī)速度不改變的條件下對風(fēng)機(jī)調(diào)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)風(fēng)量的目的。由于液力偶合器在調(diào)節(jié)過程中要產(chǎn)生轉(zhuǎn)差功率損耗、容積損耗、機(jī)械損耗，這些損耗所產(chǎn)生的熱量需要大量冷卻介質(zhì)來冷卻，而液力耦合器傳動效率等于轉(zhuǎn)速比，速度越低，液力偶合器效率越低。所以液力偶合器節(jié)能效果不太理想。它主要有以下一些不足：效率低、損耗大、調(diào)速精度低、速度響應(yīng)慢、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、滑差大、有時丟轉(zhuǎn)、需配備相應(yīng)的油系統(tǒng)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、可靠性低。??????????

液體電阻調(diào)速器是通過調(diào)整液體電阻中兩極板間的距離，來改變串入電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中的電阻，從而改變轉(zhuǎn)差率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈串入不同電阻后，對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率不同。電阻越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低；電阻為零，電機(jī)達(dá)到全速，這就是液體電阻啟動調(diào)速器的基本原理。由于液體電阻調(diào)速器在調(diào)節(jié)過程中要產(chǎn)生轉(zhuǎn)差功率損耗、電阻通電所產(chǎn)生的熱耗，所以液體調(diào)速器節(jié)能效果也不太理想。它的缺點(diǎn)主要是：調(diào)速范圍小，最大為2：1；由于通過檢測實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定值比較來升降極板，在實(shí)際運(yùn)用中，調(diào)速精度低、速度響應(yīng)慢、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、易受溫度影響；并且在調(diào)速過程中，電解液中流過轉(zhuǎn)子電流會產(chǎn)生大量熱量，需使用循環(huán)水進(jìn)行冷卻；采用繞線型電機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)工作量大，需增加轉(zhuǎn)子電纜接線。

交流變頻調(diào)速的特點(diǎn)是效率高，沒有調(diào)速帶來的附加轉(zhuǎn)差損耗，調(diào)速的范圍大、精度高、無級調(diào)速，并且實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動，延長電機(jī)使用壽命，減小啟動電流對電網(wǎng)的沖擊。使用結(jié)構(gòu)簡單、可靠耐用、維護(hù)方便的鼠籠式電動機(jī)，又能達(dá)到節(jié)電的顯著效果，是風(fēng)機(jī)節(jié)能的較理想的方法。

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三、原有設(shè)備工況分析：

水泥廠立窯煅燒熟料所耗用的電能中，羅次鼓風(fēng)機(jī)的電耗一般占60%左右，隨著電價的調(diào)整，電費(fèi)在水泥生產(chǎn)成本中所占的比例越來越高。因此降低鼓風(fēng)機(jī)的能耗成為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要一環(huán)。

（一）、立窯羅次風(fēng)機(jī)工作原理

在水泥立窯煅燒生產(chǎn)過程中所需要的風(fēng)量是經(jīng)常隨工藝及操作的需要不同程度調(diào)節(jié)的，而傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方案是通過放風(fēng)閥來調(diào)節(jié)的，用來帶動風(fēng)機(jī)的電動機(jī)本身轉(zhuǎn)速是不可調(diào)節(jié)的，這種操作方式的缺點(diǎn)是明顯的：

1、電能浪費(fèi)嚴(yán)重;

2、調(diào)節(jié)精度差;

3、啟動電流對電網(wǎng)沖擊大;

4、電機(jī)及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高，負(fù)荷強(qiáng)度重;

5、起動時機(jī)械沖擊大，設(shè)備使用?壽命低;

6、噪聲大，粉塵污染嚴(yán)重等。

根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。

　　Q1/Q2=N1/N2

　　式中：Q1、Q2為轉(zhuǎn)速快和慢的風(fēng)量???米/分　　

　　鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓和轉(zhuǎn)速的平方成正比。

　　H1/H2=（N1/N2）

　　式中：H1、H2為轉(zhuǎn)速快和慢的風(fēng)壓

　　鼓風(fēng)機(jī)所需的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

　　N1/N2=（N1/N2）

　　式中：N1、N2為轉(zhuǎn)速快和慢所需功率kW。

從上述關(guān)系可知，如果我們使用改變轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)改變風(fēng)量的方法，就不至于把大量的風(fēng)量白白放掉，從而節(jié)約了大量的電能。

立窯羅茨風(fēng)機(jī)在設(shè)計時一般考慮到最大生產(chǎn)量時需要的風(fēng)量，且留有一定的裕量，以延長風(fēng)機(jī)及電機(jī)的使用壽命。又因為在生產(chǎn)過程中不同階段立窯所需供風(fēng)量也不同，因此在生產(chǎn)時就常會出現(xiàn)風(fēng)量過大，風(fēng)壓過高的情況。目前立窯供風(fēng)系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開啟角度來滿足燒結(jié)時不同用風(fēng)量的需求，而這種操作方式的缺點(diǎn)非常明顯

（1）風(fēng)機(jī)長期運(yùn)行在高速狀態(tài)，電能嚴(yán)重浪費(fèi);

（2）工頻直接啟動，啟動電流為額定電流的4~7倍，對電網(wǎng)沖擊大;

（3）電機(jī)及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高、調(diào)節(jié)精度差，負(fù)荷強(qiáng)度重;

（4）起動時機(jī)械沖擊大，機(jī)械磨損嚴(yán)重;

（5）噪聲大，粉塵污染嚴(yán)重等。

（二）：立窯卸料系統(tǒng)工況分析：

為使水泥燒結(jié)過程“三平衡”（即加料、供風(fēng)、卸料三平衡），生產(chǎn)者普遍選用滑差電機(jī)作為盤塔式卸料裝置的動力。該電機(jī)在同等條件下運(yùn)行較普通Y系列電機(jī)多耗電20%，而且調(diào)整特性軟，帶載能力差，在粉塵嚴(yán)重的水泥行業(yè)滑差頭故障率高而且維修困難。

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四、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn):

1、平滑啟動、電流小，減少對電網(wǎng)沖擊；

2、降低機(jī)械磨損，減小電機(jī)和機(jī)械設(shè)備的故障率，延長使用壽命，降低維護(hù)成本；

3、提高功率因數(shù)，有效降低設(shè)備噪音；

4、低頻力矩大，過載能力強(qiáng)。

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五、改造方案：

1、立窯羅茨風(fēng)機(jī)改造方案

（1）使用七喜HD700高性能矢量通用變頻器進(jìn)行改造，在保留原星三角降壓啟動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套變頻調(diào)速系統(tǒng)，與原控制系統(tǒng)并聯(lián)，形成雙回路控制系統(tǒng)。如下圖所示，其特點(diǎn)是：

1)?雙控制回路互為備用、可靠性高、設(shè)備檢修時不用停機(jī)，保障了生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行；

2)?可以關(guān)閉放風(fēng)門，通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變系統(tǒng)供風(fēng)量，降低噪音，高效節(jié)能。

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（2）為方便窯面操作人員控制風(fēng)量，將變頻器設(shè)置為端子控制，控制信號引至窯面，在窯面裝一塊操作面板，通過操作面板便可控制風(fēng)機(jī)的啟停、調(diào)節(jié)供風(fēng)量，操作人員根據(jù)煅燒工況，可隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。操作面板上可安裝一轉(zhuǎn)速表，顯示風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

接線圖如下：

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2、立窯卸料系統(tǒng)改造方案

將滑差調(diào)速電機(jī)的滑差頭鉆孔裝配螺絲，使電機(jī)軸與負(fù)載軸作硬性連接，如滑差電機(jī)快到使用壽命可更換成普通的籠形電機(jī)，改造后的電機(jī)通過變頻器來啟動和調(diào)節(jié)。盤塔式卸料裝置屬典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，用變頻調(diào)速代替原來的滑差調(diào)速系統(tǒng)效率大大提高。?

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六、改造收益

1、?改善生產(chǎn)工藝

改造后可根據(jù)生產(chǎn)的不同階段平滑地調(diào)節(jié)供風(fēng)量，使保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

2、?改善生產(chǎn)環(huán)境

由于變頻器可任意調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此可按所需風(fēng)量準(zhǔn)確調(diào)節(jié)風(fēng)量，無須旁路放風(fēng)，大大降低因排風(fēng)引起的噪音，減少水泥粉塵污染。?

3、?減少設(shè)備維護(hù)工作量

由于變頻器具有軟起動功能，電機(jī)啟動時，無大電流沖擊，延長設(shè)備使用壽命，維護(hù)工作量大大減少。

4、?節(jié)能降耗

改造后節(jié)電效顯著，根據(jù)原設(shè)備及生產(chǎn)工藝狀況，節(jié)電率可達(dá)15%-40%，一般6～12個月可收回全部投資，投資回收周期短，綜合效益可觀。

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七、采用HD700系列變頻器的優(yōu)點(diǎn)：

?1、超寬電網(wǎng)電壓設(shè)計：380~480V（±10%）電網(wǎng)電壓，從容應(yīng)付各種電網(wǎng)狀況；

?2、精準(zhǔn)的雙CPU硬件控制平臺，控制性能大幅提升；

3、加、減速過程平滑，大大減輕了機(jī)械沖擊；

4、易于與外部控制設(shè)備接口相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)中控/現(xiàn)場靈活切換；

5、特殊的三防漆涂層防護(hù)，適應(yīng)更惡劣的環(huán)境。