產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
少用電 用好電 再生電 存儲(chǔ)電 防爆電
解決方案
高壓變頻器在莒縣中聯(lián)水泥生產(chǎn)線中的應(yīng)用
1引言
水泥工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的能源消耗大戶,已被列為國家節(jié)約資源的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。在國務(wù)院提出加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的政策環(huán)境下,提高水泥行業(yè)的節(jié)能技術(shù)和應(yīng)用水平,建立節(jié)約型水泥工業(yè)體系意義重大。在當(dāng)前國內(nèi)外能源供需矛盾突出的情況下,水泥生產(chǎn)企業(yè)必須通過各種途徑降低能耗,以獲得較佳的經(jīng)濟(jì)效益和較高的勞動(dòng)生產(chǎn)率。
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(shí)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)口擋板開度大小來實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié),而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機(jī)的效率來達(dá)到要求的,損耗嚴(yán)重。電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗就占成本近30%,而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重。風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)特別利用變頻調(diào)速技術(shù)改變?cè)O(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(shí)減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失,降低設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用,延長電機(jī)等設(shè)備使用壽命,獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
2用戶基本情況
莒縣中聯(lián)水泥有限公司是中國建材集團(tuán)水泥業(yè)務(wù)平臺(tái)--中國聯(lián)合水泥集團(tuán)有限公司旗下的核心企業(yè)。公司位于新亞歐大陸橋頭堡、“日出初光先照”的日照市,南靠兗石鐵路,北近膠濟(jì)鐵路,東臨日照港,交通十分便利。公司現(xiàn)有一條日產(chǎn)4000t熟料生產(chǎn)線,采用新型干法窯外預(yù)分解工藝,技術(shù)裝備達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平,具有科技含量高、資源消耗低、經(jīng)濟(jì)效益好、環(huán)境污染少、管理模式新等特點(diǎn)。水泥生產(chǎn)線上的風(fēng)機(jī),設(shè)計(jì)裕量比較大,存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。由于工況、產(chǎn)量的變化,所需的風(fēng)量也需隨之變化,調(diào)整風(fēng)量通過電動(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)進(jìn)、出口風(fēng)門的開度來完成,該方法雖然可以調(diào)節(jié)風(fēng)量,但電能浪費(fèi)嚴(yán)重,風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率低。
鑒于以上原因,經(jīng)過多方調(diào)研考察,比較性價(jià)比,莒縣中聯(lián)水泥有限公司選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38系列高壓變頻器3套對(duì)生產(chǎn)線上窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、煤磨通風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造。表1為改造各風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)。
3 水泥生產(chǎn)工藝
如圖1示是水泥廠生產(chǎn)工藝圖。水泥生產(chǎn)工藝主要包括:礦山開采、原料破碎、原料均化與存貯、原料配料、原料粉磨與廢氣處理、生料均化與入窯、熟料燒成、熟料入庫與散裝發(fā)運(yùn)、水泥配料及粉磨、水泥存貯等幾部分;在上述過程中原料粉磨與廢氣處理、煤粉制備、熟料燒成、水泥配料及粉磨工藝中設(shè)計(jì)有大功率的風(fēng)機(jī),可進(jìn)行中高壓變頻改造?,F(xiàn)結(jié)合實(shí)際工藝介紹一下變頻改造風(fēng)機(jī)的作用。
?。?)廢氣處理風(fēng)機(jī)的主要作用是使在整個(gè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過除塵后排入大氣;
(2)窯尾排風(fēng)機(jī)兼有生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)(指兩風(fēng)機(jī)系統(tǒng))與廢氣處理風(fēng)機(jī)功能;
?。?)煤磨排風(fēng)機(jī)主要做用是把窯尾高溫廢氣引入煤磨對(duì)煤塊、煤粒烘干,再把廢氣引入收塵裝置收塵后排入大氣;
?。?)窯頭排風(fēng)機(jī)主要是把篦床產(chǎn)生含粉塵的高溫氣體引入收塵系統(tǒng)收塵,再排至大氣水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)主要使水泥磨生產(chǎn)工藝微負(fù)壓,減小粉塵外溢,循環(huán)風(fēng)機(jī)使粉塵氣體通過收塵器后,排至大氣。
圖1水泥廠生產(chǎn)工藝圖
具體的生產(chǎn)流程是:
?。?)水泥原料的破碎及預(yù)均化
?、倨扑椋核嗌a(chǎn)過程中,大部分原料要進(jìn)行破碎,如石灰。
?、谠项A(yù)均化:使原料堆場(chǎng)同時(shí)具備貯存與均化的功能。
?。?)水泥生料制備
水泥生產(chǎn)過程中,每生產(chǎn)1噸硅酸鹽水泥至少要粉磨3噸物料,干法水泥生產(chǎn)線粉磨作業(yè)需要消耗的動(dòng)力約占全廠動(dòng)力的60%以上,其中生料粉磨占30%以上,煤磨占約3%,水泥粉磨約占40%。
?。?)水泥生料均化
新型干法水泥生產(chǎn)過程中,穩(wěn)定入窯生料成分是穩(wěn)定熟料燒成熱工制度的前提,生料均化系統(tǒng)起著穩(wěn)定入窯生料成分的最后一道把關(guān)作用。
?。?)水泥物料的預(yù)熱分解
把生料的預(yù)熱和部分分解由預(yù)熱器與分解爐來完成,代替回轉(zhuǎn)窯部分功能,達(dá)到縮短回轉(zhuǎn)窯長度的目的,同時(shí)使窯內(nèi)以堆積狀態(tài)進(jìn)行氣料換熱過程,移到預(yù)熱器內(nèi)在懸浮狀態(tài)下進(jìn)行,使生料能夠同窯內(nèi)排出的熾熱氣體充分混合,增大了氣料接觸面積,傳熱速度快,熱交換效率高,達(dá)到提高窯系統(tǒng)生產(chǎn)效率、降低熟料燒成熱耗的目的。
(5)水泥熟料的燒成
生料在旋風(fēng)預(yù)熱器中完成預(yù)熱和預(yù)分解后,下一道工序是進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行熟料的燒成。在回轉(zhuǎn)窯中碳酸鹽進(jìn)一步的迅速分解并發(fā)生一系列的固相反應(yīng)。
?。?)水泥粉磨
水泥粉磨是水泥制造的最后工序,也是耗電最多的工序。其主要功能在于將水泥熟料粉磨至適宜的粒度,形成一定的顆粒級(jí)配,增大其水化面積,加速水化速度,滿足水泥漿體凝結(jié)、硬化要求。
?。?)水泥包裝
水泥出廠有袋裝和散裝兩種發(fā)運(yùn)方式。
水泥生產(chǎn)主要工藝過程簡要包括為“兩磨一燒”。按主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)論述為:礦山采運(yùn)、生料制備、熟料煅燒、水泥的粉磨與水泥包裝等。
4高壓變頻節(jié)能原理
異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率f來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的,在調(diào)速中從高速到低速都可以保持較小的轉(zhuǎn)差率,因而消耗轉(zhuǎn)差功率小,效率高,是異步電動(dòng)機(jī)較為合理的調(diào)速方法。
由公式n=60f/p(1-s)可以看出,若均勻地改變供電頻率f,即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn),目前,變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)較主要的調(diào)速方式,在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
高壓變頻調(diào)速具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn):
(1)由負(fù)載檔板或閥門調(diào)節(jié)導(dǎo)致的大量節(jié)流損失,在變頻改造后不再有節(jié)流損失。
?。?)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)明顯提高。
?。?)可實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速啟動(dòng),避免啟動(dòng)沖擊電流,減輕了沖擊扭振。
?。?)高壓變頻器本身損耗極小,整機(jī)效率在97%以上。
對(duì)離心式風(fēng)機(jī)而言,流體力學(xué)有以下原理:輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比;輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比;即:
Q1/Q2=n1/n2,H1/H2=(n1/n2)2,P1/P2=(n1/n2)3
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí),如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度,則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量,可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí),當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí),理論節(jié)電為:
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kW·h)
式中: n是額定轉(zhuǎn)速,n′是實(shí)際轉(zhuǎn)速,P是額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率,T是工作時(shí)間。
可見,通過變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造,不但節(jié)能,而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
5 風(fēng)光JD-BP38系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)
風(fēng)光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心,采用無速度矢量控制技術(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(biāo)小于IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn),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(bǔ)償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題,可以使用普通的異步電機(jī)。產(chǎn)品2003年被列為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品,高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)2005年被列為國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目,獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助。具體來說,風(fēng)光高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外,還具有以下突出特點(diǎn):
?。?)采用高速DSP作為中央處理器,運(yùn)算速度更快,控制更精準(zhǔn)。
?。?)飛車啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接起動(dòng)。
?。?) 針對(duì)水泥生產(chǎn)線的窯尾高溫風(fēng)機(jī)的“塌料”問題,變頻器從設(shè)備的硬件、控制軟件設(shè)計(jì)等多方面對(duì)高溫風(fēng)機(jī)的不定期尖峰負(fù)荷進(jìn)行全方位的設(shè)計(jì)。
?。?)完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)?,F(xiàn)在的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)一般設(shè)置工頻旁路切換柜,變頻器發(fā)生故障時(shí)能使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行,旁路切換有手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路切換兩種型式,手動(dòng)旁路需人工操作,適應(yīng)于無備用裝置或不重要的運(yùn)行工況,自動(dòng)旁路可在變頻器發(fā)生故障后直接自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行。新風(fēng)光公司提供的自動(dòng)旁路切換柜,不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài),還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能,整個(gè)轉(zhuǎn)換過程不會(huì)對(duì)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。
?。?)旋轉(zhuǎn)中再啟動(dòng)功能。運(yùn)行過程中高壓瞬時(shí)掉電3s內(nèi)恢復(fù),高壓變頻器不停機(jī),高壓恢復(fù)后變頻自動(dòng)運(yùn)行到掉電前的頻率。
?。?)線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)(星點(diǎn)漂移技術(shù))。變頻器某相有單元故障后,為了使線電壓平衡,傳統(tǒng)的處理方法是將另外兩相的電壓也降至與故障相相同的電壓,而線電壓自動(dòng)均衡技術(shù)通過調(diào)整相與相之間的夾角,在相電壓輸出最大且不相等的前提下保證最大的線電壓均衡輸出。
?。?)單元直流電壓檢測(cè):實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)系統(tǒng)的直流電壓,從而實(shí)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(yùn)行維護(hù)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)功率單元運(yùn)行狀況的全面把握。
(8)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。
?。?)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,單元串聯(lián)多重化并聯(lián)結(jié)構(gòu),IGBT承受的電壓較低,可以有較寬的過壓范圍(≥1.15Ue),設(shè)備可靠性更高。
(10)具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路,此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能,將會(huì)導(dǎo)致重大事故。變頻器在發(fā)生類似問題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出,保護(hù)設(shè)備不受損害,避免事故的發(fā)生。
?。?1) 故障自復(fù)位功能:當(dāng)變頻器由于負(fù)載突變?cè)斐蓡卧蚴钦麢C(jī)過電流保護(hù)時(shí),可自動(dòng)復(fù)位,繼續(xù)運(yùn)行。
6 變頻改造方案
在風(fēng)機(jī)改造過程中,窯頭排風(fēng)機(jī)(800kW/10kV)、窯尾排風(fēng)機(jī)(900kW/10kV)、煤磨排風(fēng)機(jī)(560kW/10kV)采用“一拖一”控制加手動(dòng)旁路柜。將變頻控制納入用戶的DCS系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方/就地控制。用戶的以往的保護(hù)在工頻時(shí)保留,變頻時(shí)退出,比如差動(dòng)保護(hù)功能等。
原系統(tǒng)是采用繞線電機(jī)串電阻降壓啟動(dòng),然后全壓運(yùn)行的方式進(jìn)行控制的,如圖2示。
變頻改造后的系統(tǒng)主電路如圖3示,從變頻器的輸入隔離開關(guān)QS1、輸出隔離開關(guān)QS2各取一對(duì)動(dòng)斷觸點(diǎn)串入電阻柜內(nèi)接觸器KM的合閘回路,保證變頻啟動(dòng)時(shí)切除電阻啟動(dòng)。
旁路柜中,共有3個(gè)高壓隔離開關(guān),為了確保不向變頻器輸出端反送電,QS2與QS3采用電磁互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電磁互鎖。當(dāng)QS1、QS2閉合,QS3斷開時(shí),電機(jī)變頻運(yùn)行,此時(shí)風(fēng)機(jī)風(fēng)門全部打開;當(dāng)QS1、QS2斷開,QS3閉合時(shí),電機(jī)工頻運(yùn)行,電動(dòng)執(zhí)行器配合工藝需要將風(fēng)機(jī)風(fēng)門達(dá)到所需開度,此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來,便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。
旁路柜必須與上級(jí)高壓斷路器QF連鎖, QF合閘時(shí),絕對(duì)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?jǐn)唷毙盘?hào)與旁路柜“變頻投入”信號(hào)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(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入;旁路投入狀態(tài)下,變頻器故障分閘無效。
7 應(yīng)用情況
在莒縣中聯(lián)水泥廠利用設(shè)備檢修時(shí)間,在窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、煤磨排風(fēng)機(jī)上進(jìn)行變頻器系統(tǒng)改造,到2012年3月10日投產(chǎn),經(jīng)過幾個(gè)月的試運(yùn)行,收到了良好的效果。
為了對(duì)比變頻改造節(jié)能情況,在相同產(chǎn)量下,對(duì)工頻、變頻相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)整理如下。
7.1水泥生產(chǎn)風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
改造前,水泥生產(chǎn)線工頻耗電情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。
7.2水泥生產(chǎn)風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
改造后,水泥生產(chǎn)線變頻耗電情況統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。
7.3 直接效益
如表2、表3所示,工頻運(yùn)行時(shí),三風(fēng)機(jī)運(yùn)行一天耗電為:
16800+20300+9050=46150 kW?h
變頻運(yùn)行時(shí),三風(fēng)機(jī)運(yùn)行一天耗電為:
8970+14300+7900=31170 kW?h
變頻改造后,三風(fēng)機(jī)每天節(jié)約電量為:46150-31170=14980 kW?h
每kW?h按0.68元,一年按運(yùn)行300天計(jì)算,一年節(jié)約電費(fèi)計(jì)算如下:
14980kW?h×0.68元/kW?h×300天=305.592萬元。
7.4間接效益
(1)變頻改造后,實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng),啟動(dòng)電流小于額定電流值,啟動(dòng)更平滑。
?。?)有效地改善了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境,由于電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降,大大降低了設(shè)備噪聲污染,現(xiàn)場(chǎng)操作人員非常歡迎。
?。?)功率因數(shù)提高到0.95以上,減少了線路損耗。
?。?)減少了維護(hù)工作量和維護(hù)費(fèi)用,延長了設(shè)備的使用壽命。
采用變頻技術(shù)調(diào)速后,設(shè)備隨生產(chǎn)工藝變負(fù)荷運(yùn)行,大大降低了設(shè)備負(fù)荷率,延長了風(fēng)機(jī)、電機(jī)等設(shè)備的使用壽命。
?。?)變頻器具有多項(xiàng)保護(hù)功能,十分完善。
與原來舊系統(tǒng)相比較,變頻器具有過流、短路、過壓、欠壓、缺相、溫升保護(hù)等多項(xiàng)保護(hù)功能,更精確地保護(hù)了電機(jī)。
?。?)調(diào)速范圍寬,調(diào)速精度高。
與過去擋板調(diào)節(jié)風(fēng)量相比較,采用變頻拖動(dòng)風(fēng)機(jī)可以在0~50Hz范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)精度高,調(diào)節(jié)頻率波動(dòng)可保持在0.1~0.01Hz范圍內(nèi),便于實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化控制。
8結(jié)束語
目前,水泥行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,但關(guān)鍵還是制造成本的競(jìng)爭(zhēng),而電動(dòng)機(jī)電耗就占成本近30%,而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重,因此做好電動(dòng)機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。高壓變頻調(diào)速技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟,是水泥廠節(jié)能改造的理想設(shè)備,具有很高的推廣價(jià)值,同時(shí)使熟料質(zhì)量更加穩(wěn)定、可靠。