变频器在立窑送风系统中的节能应用

邓榆林，何妙英

（广东顺德学院，广东 顺德 528333）

变频器的出现，为交流调速方式带来了一场革命。由于性能远超以往任何交、直流调速方式，且结构简单，调速范围宽，调速精度高，保护功能完善，运行稳定可靠，节能效果显著，成为了交流电机调速的潮流，被不同学科、不同行业的工程技术人员广泛应用于不同的交流调速领域，推动了工业生产的自动化进程，提高了企业的经济效益。

1 立窑的生产流程及送风系统的高能耗分析

水泥厂的立窑是一种立式窑炉（见图1）。燃料和水泥原料从立窑的顶端送入窑体，在窑体的中部混合燃烧，燃烧所需的空气由罗茨风机从窑体的底部送入。燃烧过后所产生的熟料（水泥）由窑体的底部送出。

图1 立窑结构示意图

传统的立窑送风系统由罗茨风机、送风管道和放风阀组成。风的需求量，取决于燃料与水泥原料的品质，而且在生产过程的不同时段，对风的需求量也有很大不同。

在传统的送风系统中，罗茨风机的转速是固定的，即送风量是固定的，当需要调整送入窑炉内的风量时，通过调节放风阀的开度来实现（见图2）。

图2 传统送风系统风量调节示意图

无论送风量的需求是多少，电机都以额定负载功率运行，因此放走的风量对电能造成了巨大的浪费，以至在立窑煅系统所耗的电能中，送风系统的电耗一般占60%左右。

2 风机调速的节能原理及分析

从流体力学原理得知，影响风机的流量、风压的最重要一个因素，是风机的转速，它们之间的关系如下：

式中，

Q为风机流量；

H为风机风压；

K1为风机的横截面系数；

K2为风机的阻力系数；

n为电机转速。

从式（1）、式（2）可见，风机转速与流量成正比关系，与风压成平方关系。

而风机的负载功率（即电能消耗）是流量与风压的乘积，即

式中，P 为风机负载功率，K=K1·K2。

由式（3）可知，风机的负载功率与风机转速成立方关系。假设电机转速从n1降低到n2，可得到如下功率变化公式

式中，

P1为转速降低前风机负载功率；

P2为转速降低后风机负载功率。

由式（1）到式（4），可得到如表1所列的相互关系。

表1 风机转速与送风量、风压、负载功率、节能率之间的关系表

由表1可知，风机的转速，是送风量、风压、负载功率及节能率的决定因素。转速越高，风压送风量与风压越大，负载功率越高，节能率越低，反之亦然。因此，降低立窑送风系统高能耗的关键点，是在罗茨风机的转速。

3 立窑送风系统的节能改造方案

根据上述分析，可在罗茨风机前加装电机调速环节，对传统的立窑送风系统进行改造，可大幅度降低立窑的能耗。

目前，罗茨风机的驱动电机大多采交流用异步电机，其转速公式如下

式中，

n为电机转速；

f为电源频率；

s为转差率；

p为极对数。

由式（5）式可见，交流异步电机的调速方式有多种，如调压调速、变极调速、变频调速等，其中变频调速方式，具有调速范围宽、可实现无极调速等优点。因此，在立窑送风系统中，选用变频器对罗茨风机进行变频调速控制，是最佳的改造方案（见图3）。

图3 改造方案

由表1可知，送风量与风压成正比关系。控制柜根据水泥原料及燃料的质量，在不同的生产时段，向变频器给出不同的风压给定信号，变频器驱动罗茨风机产生相应的风压，通过管道向窑炉内注入相应的风量。

同时，立窑炉内的传感器采集压力信号，经变送器反馈给控制器及变频器，形成一个双闭环控制系统。这样即确保各生产时段送风量的稳定，保障了水泥的生产品质，又极大地减低了电能耗。

4 结束语

众所周知，水泥是高能耗产业，在提倡低碳经济的今天，降低能耗是这个产业可持续发展的必由之路。在我国，由于立窑投资少，回报周期短，使得其在全国水泥窑炉中所占的比例最高。而在立窑所耗的电能中，送风系统的电耗是最高的，因此对传统立窑的送风系统进行节能改造，不仅能够降低水泥行业的整体能耗，保护好我们的生态环境，还能为实现降低我国单位GDP能耗的可持续发展模式，作出重要贡献。

[1]王明荣.变频器在罗茨风机上的应用[J].能源工程，1999，（2）：42-43.

[2]陶东光.立窑罗茨风机变频节能[J].中国水泥，2005，（11）：73-74.

[3]王念春.罗茨风机中应用变频调速技术的节能分析[J].电工技术，2001，（11）：15-16.