变频器在水泥厂中的应用

变频器在水泥厂中的应用

随着节能法的颁布与实施，节能作为企业增效降耗、降低经营成本的重要手段，已普遍被人们所认识和接受，在利国利民的同时，也有利于树立企业社会形象，提高设备自动化水平。

根据水泥制造工艺要求，结合水泥厂所使用的生产设备，我们得到如下结论：大部分水泥厂的一些设备尤其是大功率设备在生产过程中绝大部分时间都不是满负荷,设备运行的自动化程度相当低,几乎完全靠人工调节,如立窑供风系统、成球预加水系统、生料均化给料系统、水泥选粉系统、机立窑卸料系统等。

我司是多年从事变频节能技术研究、开发与应用的专业公司，结合曾经成功为多家企业进行节能改造项目的实践经验，开发出比较成熟的水泥厂七大生产系统变频调速控制的改造方案。此方案的优点明显，1、投资少；2、安装、调试及控制方便；3、及时保护电机和其他设备，保证设备可靠运行；4、节电效果明显，回收成本快；5、提高了生产过程的自动化程度；6、提高了生产过程的加工工艺精度。从总体的效果来看，改造后的实际系统在水泥制造行业深受客户的普遍欢迎。为其取得了显著的经济效益和良好的社会效应。

1、变频器在立窑罗茨风机上的应用经验

在水泥厂的立窑风机上，一般都是采用挡风板进行调节，其原理是调节阀门的开度，亦即利用风道的阻力特性调节风量，其缺点是：风机始终在全速运转，无法根据需求准确地调节其风量，因此造成风量的跑、冒、漏严重，也使电机作为无用功而大量白白地消耗。

立窑煅烧熟料所耗的电能中，罗茨鼓风机的电耗一般

占60% 左右，随着电价的调整，电费在水泥生产成本中所占的比例越来越高。因此，降低鼓风机的能耗成为提高企业经济效益的重要一环。

一、节能原理简介：

1、变频节能功能

通常在设计中，用户风机设计风量比实际需要的高出很多，这样容易形成了人们常说的“大马拉小车”的现象，造成电能的浪费，而且无计可施，利用变频器可以通过适当降低风机电机的运行频率，恰到好处地满足风量的需求，从而轻易地将此部分电能节约下来。

2、动态功率补偿功能

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低，降低了电网的有功功率，S2=P2+Q2，当COSФ≈1 时，Q=S×sin Ф≈0,此时有功功率P≈S。变频器的动态功率因数补偿功能可使无功功率近似为0，从而增大电网的有功功率，减少了无功损耗。另外，功率因数的改善还可节省很大一部分电网容量，直观的体现在风机电机温升降低、噪音降低，供电发电机机组温升降低、噪音降低、耗油量大幅度降低，大大地延长设备维修周期及使用寿命。

二、设备参数：

某厂有立窑罗茨风机185KW一台，最大运行电流200A，最小运行电流160A,额定电流为355A,频率50HZ，用风板调节风量最大调节60%,

每天运行24 小时,每月运行20 天,每年需运行11个月,电费0.58 元/度。

三、改造方案：

用变频器带动风机电动机传动，对风机实现无级调速，放弃传统的挡风板，既降低电机转速，又达到节能目的。

四、投资分析

投资回收分析：

对风机、泵类负载

P（功率）=Q（流量）×H（扬程）

当电机转速从n 降至n’时，流量Q、扬程H 及轴功率P 的关系如下：

Q’=Q（n/n）

H’=H（n/n）2

P’= P（n/n）3

显然，当电机转速下降时，流量按线性关系变化，而电功率却按立方,根据我司长期的经验，我们认为该厂风机系统节能在30%以上

是完全可能和可行的。即单台185KW 风机系统按每年运行11 个月，每月20天，每天24 小时计算，每度电按0.58元计费，每年电费为：P= ×11×20×24×0.58=321552，按节电30%计算，每年节约电费为：321552×0.3=96465.6 元.工程改造费用需9.35 万元.即12 个月左右即可收回全部投资。

五、系统特点：

1、由于采用电位器控制，因此可靠性高，稳定性好，容易操作。

2、由于加装变频调速器，减小启动时启动电流对电机冲击，延长机械使用寿命，减小维修工作强度。

3、提高了电网功率因数，避免增加电网增容费。

2 、在离心风机上的应用

有某些水泥厂是采用高压离心式风机进行供风的，该种水泥窑的风量调节是通过风门开启度对风量进行调节。对于离心式风机、水泵的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。我们通过沸腾式锅炉高压离心式风机应用变频调速的方法调节风量，实践证明其节能效果在３０～５０％。对于水泵的变频改造节能效果高达７０％。为什么离心式风机，泵类设备通过调速调节风量或流量有如此惊人的节能呢？在此将其原理加以阐明。离心式风机、泵类设备的流量与转速成正比，如公式（３－１）压力与转速平方成正比，如公式（３－２）功率与转速的立方成正比，如公式（３－３）

Ｑ∝Ｎ 式３－１ Ｑ：表示流量

Ｈ∝Ｎ２ 式３－２ Ｎ：表示转速Ｐ∝Ｎ３ 式３－３ Ｈ：表示压力

Ｐ：表示功率将经上３个公式绘成一张图，如图３－１可 压力关系以清楚看到，改变转速其流量线性变化的，而功耗则是立方

关系变化，因此在调节风量或流量时如降低２０％的风量或流量，功

耗(图3-1)则会下降５０％。但是必须注意，转速与压力是平方关

系，当转速下降２０％压力则会下降６４％，因此必须要注意工艺要

求压力范围不能象罗茨风机那样，不用考虑转速与风压的关系。

离心风机、泵类设备传统的风量、流量 风门控制控制的，大量的能源耗在风门或截流阀的阻力上，如公式（３

－４），风门或截流阀控制流量的功耗与

流量关系：

Ｐ＝Ｐ０＋Ｋ·Ｑ 式３－４变速控制

Ｑ：表示流量 Ｋ：为系数

Ｐ：表示功耗 Ｐ０：表示基本功率 由图３－２比较风门或截流阀控制与变频调速调节，可以看到在

流量变化范围，采用变频调速的方法具有很大的节能潜力，因此在水

泥厂的供水泵或其它离心风机上进行变频器改造同样会取得很大的

节能效果。

p 0 N

3 在立窑卸料机上的应用

立窑卸料机若采用滑差调速电机，其转速通常控制

在300~1000rpm （工艺上根据窑的情况，对卸料速度进行控制的）。采用变频调速的方法取代滑差电机，经过多个厂家应用结果表明，平均节能达40% 左右，这是因为滑差调速是一种耗能的低效调速方法。

由下列公式可知：

滑差电机主电机轴的输出功

率：P 0 = KM 0 N 0 （P 0 表示输出功率，M 0 表示负载转速，N 0 表示电机转速，K 为常数）

滑差头输出功率P 1 = KM 0 N 1 （P 1 表示输出功率，N 1 表示滑差头转速）

滑差头损耗功

率：P = P 0- P 1= KM 0 （N 0 —N 1 ）由此可见，滑差电机的转速越低，浪费能源越大，而卸料机的转速通常在400rpm 左右运行，因此改用变频调速的方法会

有50~60% 的节能效果。

4 在空气压缩机上的节能应用

气压缩机恒压供气使用变频器与压力控制构成闭环控制系统，使压力波动减少 1.5% ，降低噪音、减少振动。保证设备长期稳

定运行，从而减少了设备维护工作量，延长了设备使用寿命。用变频器后，空压机可在任何压力下随意起动，打破了以前不允许带压起动的规定，起动电流也较以前大大降低。通过使用变频器后的实例，多数压缩机节电率约在20% 左右，比节电率较大的风机低，但压缩机的电动机功率都较大，从几十瓦直到几百瓦甚至几千瓦，其节电量值较大，经济效益十分显著，同时控制平质大为提高，可使压缩空气的压力始终保持恒定，用户感到十分满意。总之压缩机使用变频实现节能计改项目使值得推广的。

5 在预加水成球系统中的应用

目前，预加水成球技术在立窑水泥厂中应用已相当普遍。它在提高成球质量，改善煅烧操作条件，提高立窑熟料产量和质量方面取得了比较明显的效果。其结合微机双回路调节器，就能实现水料比例自动跟踪，自动调节，做到恒压供水。调节及时，极大地减轻了工人的劳动强度，同时也改善了成球质量，使预加水系统真正起到预湿成球的作用，为立窑生产出优质高产的熟料创造了条件。

6 在选粉机上的应用

某水泥有限公司的旋风式选粉机，原设计

由JZT392-4 型75KW 电磁调速异步电动机（滑差电机）拖动，其优点是调速系统简单。价格低廉，有一定的调速范围，缺点也较多：电机本体噪音高、振动大能、耗高、无功损耗大、轴

承故障率特别高，滑差控制仪安装于粉尘飞扬的电机旁边，多次出现带负荷起动,不能调速和突然失速等故障，现场维护量大，影响整个系统的安全运行。

针对上述问题，结合生料车间选粉机负荷转速不超

过600r/min 的特点，对选粉机电气部分进行变频调速技术改造。经实际测量，选粉机改造前，运行速度在594r/min 时，输入电

压385V ，输入电流72A ，功率因数0.82 ，故输入功率

为40KW ；改造后，运行速度在594r/min 时，输入电

压387V ，输入电流18A ，（热继电器也做了相应调整），功率因数0.92 （变频器加装了直接电抗器）则输入功率为11KW 。改造后一年中，没发生过任何故障，保证了系统的安全运行，大大减少了维护工作量和维修费用，而且节能效果十分显著。

变频器在水泥厂的应用还不止这些，比如说回转窑球磨

机、卸料圆、盘给料机、双管绞刀裙、板喂料机调速皮带称喂、煤绞刀、蓖冷机等一切需交流调速的设备都可以采用变频调速器。

从以上应用情况可以看出，水泥厂使用变频器有以下突出优

点：

A ．满足调速的工艺要求，变频调速器的调速范围

在10 ： 1 以上，而水泥生产工艺过程中调速范围

在10 ： 1 范围内即可满足要求。

B ．便于实现自动化控制，由于变频器本身是由一

个16 （或32 ）位微处理器所控制，设

有RS485 （或422 ），A/D 输入，D/A 输出接口，为自动控制（与上位机联网）创造了充分的条件。

C ．获得可观的节能效果。

D ．降低工人的劳动强度，由于调速系统整体可靠性提高，故障率低，免维护周期较长，可减轻有关维护人员的工作量。

E ．提高产品质量及产量。

7、在水泥粉磨工艺中应用

在水泥粉磨工艺中球磨机入磨物料粒度的大小，对其台时产量影响较大，预破碎工艺作为提高磨机台时产量、降低粉磨电耗的重要途径，引起了许多水泥企业的重视。根据工艺要求，水泥立窑放料每次持续2～3 min，间隔2～3 min，但目前几乎所有水泥企业中破碎机处于工频恒速运行状态，24 h连续运转，造成电能的巨大浪费，并影响电机和破碎机的使用寿命。另一方面，由于破碎机具有十分大的惯性，不易频繁启停，所以即使使用变频器也难以解决系统制动时产生的泵升电压引起保护电路动作，使系统无法正常工作。

针对系统的以上特点，利用系列变频器实现破碎机的变频调速和软启动；利用再生能量回馈单元克服破碎机制动过程中产生的过高的

泵升电压；利用PLC实现系统的逻辑闭环控制，使破碎机的工作与立窑放料同步，实现间歇运行。从而在改善工艺控制质量的同时，最大限度地节约了电能，降低了生产成本。现场调试和运行结果表明，系统运行可靠，节电率可达60%以上。

上述系统已在某水泥厂投入实际运行。系统根据送料信号自动实现启制动运行，破碎机运行速度连续可调。电机可以实现频繁软启动，基本无启动电流冲击，启动力矩足够。系统在变频运行条件下，若变频器突然故障，则自动切换至“工频”状态继续运行，同时发出声光报警信号(内部可选)。根据现场工况需要，将有放料信号时变频运行给定频率设为43 Hz，系统运行电流为27 A，运行电压280 V，改造后的系统平均每年耗电5.7万度。根据现场记录，系统在改造前工作频率为工频50 Hz，运行电流为32 A，运行电压400 V，平均每年耗电19.42万度。改造后的节电率为70.6%。该系统的突出优点如下：

1、利用变频调速技术改造了水泥熟料破碎机的拖动系统，满足了破碎机的低速、间歇运行特点，保证了工艺控制质量，节能效果明显，并有利于延长破碎机和电机的使用寿命。

2、利用能量回馈控制技术克服破碎机大惯性引起的泵升电压，有效地保证了变频器的安全运行。系统除了变频器和能量回馈装置所具有的20余种保护功能和故障自诊断功能外，还增设了电机过热、控制回路保护及报警。

3、利用可编程控制器PLC实现了各种逻辑控制、变频器启制动自动控制及手动/自动、工频/变频转换和故障自切换等功能，使系统控制灵活方便，功能齐全

成功的经验充分说明了水泥行业变频改造的巨大潜力，变频改造后在短短几个月的时间里仅仅靠节约电费就收回整体投资，在以后的生产经营中也能够以较低的生产成本在市场的竞争中处于更有力的位置。水泥制造的变频改造势在必行，一方面体现出公司强大的经济实力和公司领导层非凡的远见卓识，另一方面能够给公司带来丰厚的利益回报，并提高了公司生产方面的自动化程度。

我司愿与贵公司携手共进，在节能领域中共创美好未来！附：安装、调试、使用变频器应注意的几个问题

１、变频器通常是安装在配电室内，环境温度不要超过４０℃，灰尘要较为小，特别注意避免导电性、保湿性和腐蚀性，粉尘和气体的环境安装设备。

２、电气安装时要特别注意，电源输入输出线绝对禁止错接，将电源输入线接上变频器的输出，如发生错误即马上损坏设备。

３、远距离控制线必须采用屏敝线，并且在布线范围内必须与电力动力线相距一米，相交时必须转９０°角，更不要将控制线与动力线放在同一个线框内，被免控制信号受到干扰。

４、变频器开机调试前必须根据负载特点，将所有参数设定好，检查无错误方可开机运行，特别注意变频器输出电流，在起动过程中，恒转速过程中，减速过程中，认真观察，如果第一次设定的参数不是十分理想时，应逐步接近。具体调试规则请参看本公司的《变频器调试手册》。

５、总结各家水泥厂在罗茨风机、立窑卸料机、水泵等设备应用，变频器所碰到的问题以及解决方法在此向各厂家作一个简介。

⑴、机械共振问题：有个别厂家在使用变频器前，无机械共振现象的。但利用变频调速之后，在某些频率，机械共振很强烈，有的甚至影响到整座建筑，其原因是原风机系统只是设计在５０ＨＺ市电下运行，改变频后，则在１５－５０ＨＺ之间无级变化。因此在某些频率点上造成机械共振，调试时必须细心检查是否存在机械共振的问题，如果有应采用频率回避的方法，即在发生共振的频率范围，跳过该频率范围使变频器不输出发生共振的频率范围。

⑵、电机低速运行的散热问题：由于电机的散热是由电机转子带的风叶吹风进行的，电机的转速降低时，吹风量减小，低速时，散热风量不够，长期运行会造成电机过热，因此在长期低速运行时，必须另加散热风扇。