產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
5000t/d水泥生產(chǎn)線高溫風機變頻改造紀實
烏蘭察布中聯(lián)水泥有限公司是中國建材集團水泥業(yè)務(wù)平臺中國聯(lián)合水泥集團有限公司旗下的核心企業(yè)，是中國建材在香港H股上市成員企業(yè)之一。公司總部位于烏蘭察布市察哈爾右翼后旗紅格爾圖鎮(zhèn)，于1996年10月成立，注冊資金5.6億元。下設(shè)有呼和浩特中聯(lián)水泥有限公司（位于呼和浩特金川開發(fā)區(qū)臺閣牧鎮(zhèn)霍寨村）和集寧分公司（位于烏蘭察布市集寧區(qū)福新東路19號），目前以形成水泥生產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)和純低溫發(fā)電為一體的大型企業(yè)，是國家重點支持產(chǎn)業(yè)調(diào)整的60家大型水泥企業(yè)之一。
公司依托中央企業(yè)的政策優(yōu)勢、規(guī)模優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢、品牌優(yōu)勢，本著“平等合作、互利共贏”的原則，與更多的客戶、供應商和行業(yè)同仁在多個領(lǐng)域開展合作，實現(xiàn)互惠共贏，努力將公司建設(shè)成為資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、創(chuàng)新績效型、社會責任型的現(xiàn)代化企業(yè)。
2現(xiàn)場設(shè)備工況
烏蘭察布中聯(lián)水泥集寧分公司有一條5000t/d熟料生產(chǎn)線，于2008年投產(chǎn)，生產(chǎn)線高溫風機采用水電阻軟啟動設(shè)備啟動運行。風量調(diào)節(jié)通過液力耦合器及改變風門、檔板的開度來實現(xiàn)，這導致負載運行效率較低，并且有大量能量浪費在節(jié)流損失中，還有液力耦合器運行運轉(zhuǎn)效率比較低，液力偶合器目前故障率高，軸封、軸承等部件經(jīng)常更換，維護工作量大，致使大量人力、物力的浪費。水泥廠領(lǐng)導經(jīng)過多方考察，比較液力耦合器調(diào)速與高壓變頻調(diào)速兩種高壓電機調(diào)速方式，認為：
（1）高壓變頻器調(diào)速范圍為0-100%,而液力耦合器的調(diào)速范圍一般為40-95%，即高速段造成的5%的速度損失，液力耦合器下限一般只能到額定速度的40%。
（2）高壓變頻器在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率（大于96%），而液力耦合器在調(diào)速越低時效率越低，本身帶來不小的損耗，調(diào)速的節(jié)能效果大打折扣。
（3）高壓變頻器對電機及負載機械實現(xiàn)真正的軟啟動，如果工藝需要，電機可以在短時間內(nèi)多次重復啟動，液力耦合器不能解決電機啟動問題，電機仍然為直接啟動，需要啟動裝置，啟動沖擊也大，并且不能頻繁啟動。
（4）高壓變頻器是高科技產(chǎn)品，可靠性高，基本免維護，萬一變頻器故障，電機還可以直接掛電網(wǎng)工頻運行，不會造成生產(chǎn)損失，而液力耦合器本身包含油路，水路等多套系統(tǒng)，故障率高，液力耦合器一旦故障，負載機械將無法運行，只能停機維修。維修工作量大，造成有效工作時間的縮短。
所以變頻調(diào)速技術(shù)各方面遠遠高于液力耦合器調(diào)速，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場狀況，變頻調(diào)速優(yōu)于其他調(diào)速技術(shù)，還有水泥行業(yè)變頻改造已非常普遍，技術(shù)非常成熟。水泥廠經(jīng)過招標方式，選取新風光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的JD-BP37-3150F型（3150kW/6kV）高壓變頻器對窯尾高溫風機進行改造，2015年7月20日變頻器一次性投入使用，至今運行正常，改造取得了成功。改造后的高壓變頻器現(xiàn)場運行如圖1所示。本文對風光牌JD-BP37-3150F型高壓變頻器在5000t/d窯尾高溫風機的改造情況進行簡要介紹。
圖1
高壓變頻器現(xiàn)場運行圖
3現(xiàn)場窯尾高溫風機及電機參數(shù)
4風光JD-BP37系列高壓變頻系統(tǒng)技術(shù)特點
新風光電子公司是國家高新技術(shù)企業(yè)，生產(chǎn)的風光牌JD-BP37系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度傳感器矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
4.1
JD-BP37-3150F高壓變頻器技術(shù)指標
JD-BP37-3150F高壓變頻器技術(shù)指標如表3所示。
4.2
JD-BP37-3150F高壓變頻器技術(shù)特點
具體來說，風光高壓變頻器除具有一般普通高壓變頻器的性能外，還具有以下突出特點：
(1)高性能矢量控制，啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應快，調(diào)速精度高，帶負載能力強，提高設(shè)備運行的平穩(wěn)性；
(2)振蕩抑制技術(shù)，采用優(yōu)越的電流算法，有效地抑制輕載電機電流的振蕩，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作；
(3)快速飛車啟動技術(shù)，特別適用于變頻保護后的重新啟動，可實現(xiàn)變頻器在0.1s之內(nèi)從保護狀態(tài)復位重新帶載運行；
(4)電網(wǎng)瞬時掉電重啟技術(shù)，電網(wǎng)瞬間掉電可自動重啟，可提供最長60s的等待時間；
(5)星點漂移技術(shù)，檢測到單元故障后，可在100us之內(nèi)將單元旁路，執(zhí)行星點漂移技術(shù)，保持輸出線電壓平衡，最大程度提高電壓利用率；
(6)工、變頻無擾切換技術(shù)，該技術(shù)可滿足多電機綜合控制及大容量電機軟啟動的需要；可以實現(xiàn)大容量電機雙向無擾動投切，能有效保證生產(chǎn)的正常進行；
(7)輸出電壓自動穩(wěn)壓技術(shù)，變頻器實時檢測各單元母線電壓，根據(jù)母線電壓調(diào)整輸出電壓，從而實現(xiàn)自動穩(wěn)壓功能；
(8)故障單元熱復位技術(shù)，若單元在運行中故障，且變頻器對其旁路繼續(xù)運行，此時可在運行中對故障單元進行復位，不必等變頻器停機；
(9)多種控制方式，可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS控制，支持MODBUS、PROFIBUS等通訊協(xié)議，頻率設(shè)定可以現(xiàn)場給定、通訊給定等，支持頻率預設(shè)、加減速功能；
(10)單元直流電壓檢測：實時顯示檢測系統(tǒng)的直流電壓，從而實現(xiàn)輸出電壓的優(yōu)化控制，降低諧波含量，保證輸出電壓的精度，提升系統(tǒng)控制性能，并可使保證運行維護人員實現(xiàn)對功率單元運行狀況的全面把握；
(11)單元內(nèi)電解電容因采取了公司專利技術(shù)，可以將其使用壽命提高1倍；
(12)具備突發(fā)相間短路保護功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時如果變頻器不具備相間短路保護功能，將會導致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時能夠立即封鎖變頻器輸出，保護設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生；
(13)限流功能：當變頻器輸出電流超過設(shè)定值，變頻器將自動限制電流輸出，避免變頻器在加減速過程中或因負載突然變化而引起的過流保護，最大限度減少停機次數(shù)；
(14)故障自復位功能：當變頻器由于負載突變造成單元或是整機過電流保護時，可自動復位，繼續(xù)運行。
5改造系統(tǒng)方案介紹
水泥廠領(lǐng)導在高溫風機改造中，在處理液力偶合器的問題上，考慮到該設(shè)備故障率高，決定拆除液力耦合器，將電機前移與風機直接相連接；改造后，現(xiàn)場電機如圖2所示。變頻器接入風機側(cè)高壓開關(guān)和擬改造電機之間，變頻器控制接入原有的DCS系統(tǒng)。為了充分保證系統(tǒng)的可靠性，變頻器加裝了工頻旁路裝置，保留了原有管道上的擋板（閥門）。高溫風機現(xiàn)有的控制設(shè)備和運行方式仍將保留，控制回路上設(shè)計工頻/變頻運行切換選擇，工/變頻選擇由人工切換操作，實現(xiàn)高溫風機在工頻或變頻運行。
改造后，高溫風機的控制根據(jù)生產(chǎn)工藝需求風量的大小，通過高壓變頻器實時調(diào)整風機電機頻率來實現(xiàn)調(diào)節(jié)風量。采用變頻器后保持進擋板全開，系統(tǒng)可隨時隨意改變風量以適應變化，保持風機的有效運行。
通過目前已有的DCS系統(tǒng)可顯示變頻器的運行數(shù)據(jù)和當前狀態(tài)，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行。操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統(tǒng)的安全性能。變頻器包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(如RS485)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴展控制開關(guān)量，增強了系統(tǒng)的靈活性。利用高壓變頻器根據(jù)實際需要對高溫風機進行變負荷運行，既保證和改善了工藝，又達到節(jié)能降耗的目的和效果。
圖2
改造后電機現(xiàn)場照片
6 改造主回路方案
高溫風機是水泥生產(chǎn)線正常運行的關(guān)鍵設(shè)備之一，如果不能保證高溫風機正常運行，將迫使水泥生產(chǎn)線停運。因此，高溫風機變頻改造要在選擇可靠性高的變頻器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，還應該配備工頻旁路柜。配備工頻旁路柜的作用是，如果發(fā)生變頻器故障跳閘，能夠切換為工頻旁路運行。變頻器故障消除恢復投運時，可以先切除高溫風機旁路開關(guān)，依托變頻器的飛車啟動功能，在高溫風機高速惰走的情況下恢復變頻器設(shè)備運行，從而大大減小風壓波動的時間。其主回路如圖3所示，采用一拖一手動旁路帶星點柜控制方案。
圖3
手動旁路柜帶星點柜一次回路圖（利用原有星點柜及軟起柜）
高溫風機原配置帶星點柜配置液阻啟動柜，本次改造保留原有星點柜和液阻柜保持不變。需要將星點柜斷路器的一組常開點引至變頻器。需要變頻拖動電機時，液阻柜按原控制方式啟動。即上級高壓開關(guān)柜給變頻器送電后，液阻柜得到開關(guān)柜閉合狀態(tài)信號后就啟動。星點柜閉合后，變頻器檢測到閉合信號后方具備開機條件，然后根據(jù)實際情況給變頻器啟動信號，變頻投入運行。工頻運行時，閉合K3，斷開K1，K2，液阻柜按原先工頻方式啟動，完成星點柜和液阻柜的啟動，達到電機軟啟動。
保持現(xiàn)有運行狀態(tài)不變。
旁路柜中，共有3個高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K2與K3采用機械互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)機械互鎖。當K1、K2閉合，K3斷開時，電機變頻運行；當K1、K2斷開，K3閉合時，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。
旁路柜必須與上級高壓斷路器DL連鎖，DL合閘時，絕對不允許操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，確保操作人員和設(shè)備的安全。
故障分閘：將變頻器“高壓分斷”信號與旁路柜“變頻投入”信號串聯(lián)后，并聯(lián)于高壓開關(guān)分閘回路。在變頻投入狀態(tài)下，當變頻器出現(xiàn)故障時，分斷變頻器高壓輸入；旁路投入狀態(tài)下，變頻器故障分閘無效。
保護：保持原有對電機的保護及其整定值不變。對于差動保護，在變頻運行期間不可用，可以通過后臺控制退出保
護壓板，在旁路運行時投入保護壓板。
7高壓變頻器在水泥行業(yè)應用中的主要問題及應對措施
7.1高溫風機的管道“塌料”問題導致電機過流甚至跳停問題
窯尾高溫風機是保證水泥生產(chǎn)線窯內(nèi)負壓的重要負載，即使在以往工頻運行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風機，也常見由于管道“塌料”導致高溫風機電機過負荷跳閘，導致生產(chǎn)中斷。而對于由于變頻器裝置的電力電子器件的過負荷能力的限制，以上由于塌料造成的高溫風機過負荷導致的變頻器保護停機現(xiàn)象如無專業(yè)技術(shù)是不可避免的，將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。
高溫風機由于“塌料”導致的過負荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加或如果垂直煙道或預熱器內(nèi)在清結(jié)皮或有物料塌料時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象，會不定期的導致電機運行電流在極短的時間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用目前國內(nèi)外一般廠家的通用型高壓變頻器，可能導致變頻器運行過程中頻繁跳機，直接影響高溫風機與水泥生產(chǎn)線的正常運行。
新風光公司生產(chǎn)的水泥行業(yè)專用變頻器采用無速度矢量控制技術(shù)，技術(shù)人員針對水泥廠高溫風機塌料引起的電機過載保護現(xiàn)象，采用矢量控制技術(shù)，在塌料發(fā)生時，變頻器能夠根據(jù)測量到電壓、電流信號的變化，以及事先測得的電機參數(shù)，根據(jù)內(nèi)建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速。而后根據(jù)該轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的偏差，對輸出轉(zhuǎn)矩進行控制，使得即使塌料發(fā)生時變頻器照樣運行不過載，有效地避免了其他廠家的通用高壓變頻器載運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，保證了生產(chǎn)的連續(xù)運行。
7.2高溫風機變頻的電源波動與運行可靠性問題
水泥行業(yè)連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)決定了用于水泥廠用的高壓變頻器需要有很高的可靠性，保證安全生產(chǎn)。國內(nèi)的許多企業(yè)往往裝備多條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線均有主要輔機設(shè)備組成，每當大容量輔機設(shè)備啟動時，電源母線電壓都有較大的跌落（超過-15%），會影響到同條母線上的其他設(shè)備正常運行，針對這種現(xiàn)象，風光高壓變頻器在軟件上進行了特殊設(shè)計，保證了電網(wǎng)電壓在-35%-15%波動時變頻器維持運行，不停機。
7.3變頻器應用的環(huán)境與散熱問題
由于水泥現(xiàn)場粉塵較大，環(huán)境相對惡劣，作為電子與電力電子設(shè)備，而且由于產(chǎn)生約3～4％的損耗發(fā)熱需要散熱，而一般采用風冷散熱，新風光公司生產(chǎn)的水泥行業(yè)專用變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的器件選型設(shè)計裕度大，單元布局獨特布局，優(yōu)化散熱器與風道設(shè)計，提高單元散熱效果，以確保系統(tǒng)運行溫升低，環(huán)境適應能力強，實踐證明可以經(jīng)受住水泥廠惡劣環(huán)境的考驗。
8
變頻改造后效果
為了對窯尾高溫風機系統(tǒng)變頻改造后的效果進行評價，在系統(tǒng)投入正常運行后對設(shè)備實際使用和節(jié)電情況進行了測定和數(shù)據(jù)分析。工、變頻生產(chǎn)工況基本相同，隨機抽取一個正常工作日，將系統(tǒng)切換工頻運行采用風門調(diào)節(jié)風量，網(wǎng)側(cè)記錄運行數(shù)據(jù)，然后將系統(tǒng)切換變頻運行，記錄運行數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如表4所示。
電價按0.5元/
kW·h，一年運行時間24×300h，一年節(jié)電量W為：W=(P工-P變)×7200小時=(2802.7kW
-2240.5kW)×7200小時=4047840kW·h。
一年可節(jié)省電費W×0.5=202.3萬元。
9結(jié)束語
烏蘭察布中聯(lián)水泥集寧分公司通過對窯尾高溫風機進行變頻改造，工作電流大幅度下降，電動機運行振動及噪聲明顯下降，提高了設(shè)備運轉(zhuǎn)率、降低了維護費用。既滿足了生產(chǎn)要求，又達到了節(jié)約電能，為水泥廠可帶來了可觀的效益，切實響應了國家節(jié)能降耗的號召。
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