高压变频器在水泥生产线窑尾高温风机中的应用

程培旺

（河北金牛化工股份有限公司，河北 沧州 061108）

水泥生产行业是耗能大户，我国水泥行业与国际水泥生产先进能耗指标相比，还存在一定差距，节能空间较大。水泥生产能耗成本占总成本大约60%，做好节能工作，企业就抓住了降低生产成本的关键，也抓住了增加利润、提高竞争力的关键。在水泥行业推广应用节能技术，具有十分重大的意义。

河北金牛化工股份有限公司水泥分公司是以电石渣为原材料，年产30万t水泥的环保企业，公司现有一条年产20万t熟料生产线，水泥生产线上的窑尾高温风机，存在“大马拉小车”的现象，同时由于工况、产量的变化，所需的风量也要随之调整，以前通过调节进、出口风门的开度来调整风量，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来实现的，高温风机设备的磨损厉害，电能损耗严重。经过多方调研考察，最终选用性价比较高的北京利德华福电子科技发展有限公司生产HARSVERT-A系列高压变频器对生产线上窑尾高温风机进行变频改造。

1 水泥生产设备简介

生产工艺主要包括生料制备、熟料煅烧、熟料入库与散装发运、水泥配料及粉磨、水泥存贮等几部分。在上述过程中原料粉磨与废气处理、煤粉制备、熟料烧成、水泥配料及粉磨工艺中有大功率的风机，可进行中高压变频改造。现结合实际工艺介绍一下变频改造中主要风机-废气处理风机，其主要作用是使在整个生产过程中产生的废气经过除尘后排入大气，窑尾高温风机是熟料生产线上最重要的负载，高温风机变频改造是国家在水泥行业强制执行的标准。

2 变频改造方案

2.1 窑尾高温风机的改造方案

原系统是采用绕线电机串电阻降压启动，然后全压运行的方式进行控制的，如图1所示。变频改造后的系统主电路如图2所示，从变频器的输入隔离开关QS1、输出隔离开关QS2各取一对动断触点串入电阻柜内接触器KM的合闸回路，保证变频启动时切除电阻启动。

图1 原系统主电路

图2 变频改造主电路

2.2 变频改造后实现的功能

实现工变频相互手动切换；将变频控制纳入用户的DCS系统，实现远方／就地控制；用户的以往的保护在变频时退出，工频时保留；变频器除了对电动机软启动外，具有过流、过压、过载等保护。

2.3 高压变频器的特点

变频器采用北京利德华福电子科技发展有限公司生产HARSVERT-A系列高压变频器。该系列变频器采用H桥单元级联式结构，输入端采用隔离变压器多级移相叠加的整流方式改善网侧的电流波形，减少输入端的电流谐波成分，提高功率因数，一般可达到0.95以上。输出侧采用先进的载波移相技术，减少输出端的电压谐波，实测输入、输出端的谐波都在4%以内，在国家标准要求的范围内。并采用了星点漂移、飞车启动、三次谐波补偿技术、针对高温风机的“塌料”功能等，使整套设备技术先进，单元备份经济，更换方便，维护成本低，设备运行稳定，满足了用户的需求。

3 高压变频器应用的主要问题与解决措施

水泥分公司生产线风机从工艺上对风量、风压的调节要求，对高压变频器有一定针对性要求，特别是现场环境恶劣，一般粉尘较大，而高压变频器作为电力、电子器件与较精密的电子控制系统组成的设备，对环境要求较高，因此在设计、安装、运行、维护方面要有一定的针对性，主要表现在以下几个方面。

3.1 高温风机的管道“塌料”导致电动机过电流甚至跳停

由于在旋窑生产线生产过程中的窑尾管道的粉尘黏附到一定厚度时就会坍塌滑落，造成管道内粉尘浓度加大，阻力增加，负压升高，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏，尤其是对碳刷和滑环的破坏。在实际使用过程中的塌料现象，会不定期的导致电动机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前通用型变频器，可能导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。

北京利德华福电子科技发展有限公司的科研人员在总结高温风机大量实践经验的技术上，推出了针对水泥生产线的窑尾高温风机的专用变频技术，从设备的硬件、控制软件设计等多方面对高温风机的不定期尖峰负荷运行进行全方位有针对性的改进设计。通过加大变频器功率单元中IGBT功率器件的电流余量，以增加变频器承受冲击电流的能力。在过载保护时，提高保护电流的限值（2.5Ie～3.0Ie），延长保护设定时间（10s）以上，从而实现“塌料”期间不跳机，保证窑炉正常生产。“塌料”期间适当降低转速，以降低电动机的输出轴功率，从而降低输出电流。

这样有效避免了通用变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，从而使该条水泥生产线达到既节能又增效，降低了电动机和风机设备的故障率，为水泥企业保证安全生产、经济运行提供了技术与设备保障。

3.2 变频改造后对原系统的主电路的处理

原来采用绕线式电动机转子串电阻调速的，可将转子短接，使滑环不再流过电流，从而降低烧损。

3.3 电网电压的波动等电源质量对高压变频器的影响

水泥分公司由母公司金牛化工股份有限公司供电，供电质量相对较高，对设备的电网适应性问题并不突出。高压变频器对电网的适应范围宽（-85%Ue～＋115%Ue），采用单元故障线电压均衡技术、工频旁路、瞬时停电再启动，包括相间短路保护等完善的保护措施，在提高启动力矩和转速精度的同时，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高了运行的可靠性。

3.4 散热问题与环境条件

作为电力电子设备，变频器自身损耗大约在3%～4%左右，由于高温风机功率较大，因此必须做好变频器室的散热问题。由于水泥分公司环境比较恶劣，现场粉尘较大，可采用空调散热与风道散热相结合的方式，加强防尘设计和日常维护，定期进行滤网清洁，从而保证设备的正常运行。

4 应用情况

该系统自2008年11月份开始进行变频器系统改造，在高温风机上进行设备更新，到2009年3月10日投产，经过几个月的试运行，收到了良好的效果。原来设备采用绕线电机转子串水电阻调速启动，额定转速全速运行，靠调整出口挡风板的开度调节风量。这种调速方式存在明显的缺点，如风门调节反应滞后，调节速度慢，调节精度不高；耗能严重，启动过程复杂，电阻损耗大，维护工作量大。采用变频器改造后，与其他调速方式相比具有巨大的优势。

（1）电动机可实现软启动，启动电流非常小，减轻了对电网及机械部分的冲击，有利于保护电网及电机。

（2）基本解决了高温风机由于“塌料”导致的跳闸停运、生产中断的问题，减少了对生产的影响，降低了电动机设备的故障率，取得了节能增效的巨大效益，得到了用户的好评。

（3）改善了工艺，调速精度高，变频器可以平滑、稳定的调整风量，提高了效率，保证了产品质量的稳定、可靠。

（4）采用变频调速后，原来的转子电阻滑环烧损、碳刷更换频率降低，维护量减少很多，避免了设备的维护造成的停产损失，不仅使设备的运行与维护成本下降，也使运行的可靠性得到提高。

（5）变频器实现了低频、低压的软启动，降低了启动电流，避免了工频下3～4倍的大电流，可延长电动机定子、转子轴及轴承等电气及机械寿命。

（6）可延长风机风叶、轴承等机械寿命。

改造前后窑尾高温风机设备参数如下所示。

改造前，窑尾高温风机设备中采用西安电机有限公司生产的型号为YRKK4502-6的电机，其参数：功率为355kW，额定电压为6kV，额定电流为44.2A，功率因数为0.875，绝缘等级为F。

改造后，新高温风机的运行参数：运行频率为40Hz，输入电流为26A，输出电流为44.2A，输入电压为5950V，输出电压为5593V。

原工频运行电流是37A，则每小时工频用电量为P1＝287.99kW·h

每小时变频用电量为P2＝262.09kW·h

每小时节约电量为ΔP＝P1-P2＝287.99-262.09＝25.9kW·h

节电率为η＝ΔP／P1＝25.9／287.99×100%＝9.1%

根据以上节能数据可以看出，节电率一般在10%左右，电费若以0.5元／（kW·h）计算，不到2年即可收回投资。除了节能降耗外，其他方面的效益也是非常明显的。

5 结论

从改造后高温风机的运行参数看，此次变频器改造是非常成功的。水泥分公司有很多的大功率设备，其电能的损耗也是非常严重的，可借鉴在风机上改造的成功经验，进行其他设备的变频升级改造，其应用也是非常有前景的。

[1]唐英伟.中高压变频器在水泥行业中的运用[M].北京：中国建材工业出版社，2012.

[2]邹敬军.HIVERT高压变频器在水泥生产窑尾高漫风柜中的应用[J].城市建设理论研究，2012（28）.