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1 引言
　　中國聯(lián)合水泥集團下屬某水泥有限公司1000t/d特種水泥熟料生產(chǎn)線(xiàn)，核心生產(chǎn)設備為∮3×48m五級旋風(fēng)預熱器窯外分解回轉窯，主要產(chǎn)品為硫鋁酸鹽特種水泥及相關(guān)工程材料，由于受當時(shí)電氣設備制造技術(shù)、性能價(jià)格比的限制及設計思想的影響，窯尾高溫風(fēng)機設計采用液力偶合器調速方式，近幾年隨著(zhù)電力電氣技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)的日益成熟，其優(yōu)越的調速節能節電特性得到更大范圍發(fā)揮，應用推廣工作正在各相關(guān)行業(yè)快速推進(jìn)，在其產(chǎn)生巨大節能節電效益后，高壓變頻器成為國家水泥節能設計規范標準要求的設備，我國在2007年10月25日頒布、2008年5月1日起執行的強制性標準《GB50443-2007水泥工廠(chǎng)節能設計規范》中的第4.3.5條明確規定：“窯尾高溫風(fēng)機應采用變頻調速裝置。”第5.2.3條明確規定：“有調速要求的電動(dòng)機應采用變頻調速裝置。”因此2011年8月份，公司淘汰了原液力偶合器，新增高壓變頻器調速的節能改造方案。
2原設備概況
　　公司現場(chǎng)高溫風(fēng)機機組的主要參數如下：
2.1高溫風(fēng)機銘牌參數
　　型號：W6-2-29-1 NO19.5   最高使用介質(zhì)密度：1.4kg/m3   溫度：450℃   進(jìn)口流量（風(fēng)量）：170000m3/h  軸功率556kW   全壓（風(fēng)壓）： 8400Pa   主軸轉速：1450rpm
2.2電機銘牌參數
　　電機型號：Y500-4  額定功率：630kW   額定電壓：10000V  額定電流：43.3A
　　額定轉速：1490rpm  功率因數：0.885 額定頻率：50Hz 接線(xiàn)方法：Y  絕緣等級：F
3 改造前液力偶合器工作簡(jiǎn)述
　　液力偶合器又稱(chēng)液力聯(lián)軸器，是以液體為工作介質(zhì)，利用液體的動(dòng)能的變化來(lái)傳遞能量的葉片式傳動(dòng)機械。液力偶合器由泵輪、渦輪、轉動(dòng)外殼、導流管等組成。液力偶合器有以下工作特點(diǎn)：
　　優(yōu)點(diǎn)：液力偶合器屬于機械調速，調速方法簡(jiǎn)單，初投資低，容易實(shí)施。
　　缺點(diǎn)：
　　（1）液力偶合器在調節過(guò)程中存在滑差損失，由于滑差功率都是以發(fā)熱的形式消耗，然后通過(guò)冷卻水冷卻后白白浪費掉，機械效率比較低。
　　（2）由于用油用水，現場(chǎng)油路水路管道布置復雜，尤其是現場(chǎng)漏油滲油現象普遍。
　　（3）與變頻調速方式相比，液力偶合器調速的精度還比較差，對于對設備轉速要求較嚴的場(chǎng)合，液力偶合器調速無(wú)法滿(mǎn)足機組的運行要求。同時(shí)，液力偶合器在負載低轉速時(shí)，電機的功率因數也不如變頻調速。
　　液力偶合器在高壓變頻器技術(shù)成熟前，在水泥行業(yè)窯尾高溫風(fēng)機調速場(chǎng)合，應用十分廣泛，屬于一段時(shí)期內的主流設計配置，但液力偶合器調速畢竟屬于有滑差損失的低效調速方式，因此上世紀90年代迅速發(fā)展起來(lái)并在近幾年成熟的高壓變頻調速技術(shù)正得到大面積推廣與應用。
4高壓變頻調速系統簡(jiǎn)介
4.1變頻原理及高壓變頻特點(diǎn)
　　異步電動(dòng)機的變頻調速是通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉速而實(shí)現調速的，在調速中從高速到低速都可以保持較小的轉差率，因而消耗轉差功率小，效率高，是異步電動(dòng)機較為合理的調速方法。目前，變頻調速已成為異步電動(dòng)機較主要的調速方式，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用。
　　高壓變頻調速具有如下顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：
　　（1）有效節能：含變壓器在內的整機效率在96％以上，高于原液力偶合器，可減少由負載檔板或閥門(mén)調節方式導致的節流損失。
　　（2）提高功率因數：目前單元級聯(lián)式的高壓變頻器，其輸入電流諧波含量小于國家標準的限制要求，功率因數可保證在0.95以上，與采用液力偶合器、轉子串阻等調速方式相比，輸入功率因數大大提高，無(wú)需投資功率補償設備，并可降低有關(guān)的設備投資與維護費用。
　　（3）軟啟、軟停：減少對電網(wǎng)和負載的沖擊，延長(cháng)電機等設備的使用壽命。采用變頻調速后，可以實(shí)現軟起動(dòng)和軟制動(dòng)，幾乎不產(chǎn)生沖擊，正常運行時(shí)又大多低于電機額定轉速，可大大延長(cháng)電機定子、轉子軸及軸承等電氣與機械壽命。
　　（4）節能效果明顯。
　　對離心式風(fēng)機而言，流體力學(xué)有以下原理：輸出風(fēng)量Q與轉速n成正比；輸出壓力H與轉速n的平方成正比；輸出軸功率P與轉速n的立方成正比；即：

　　風(fēng)機特性如圖1所示。風(fēng)機工作在A(yíng)點(diǎn)時(shí)，其功率為PA=H1×Q1／102；風(fēng)機工作在B點(diǎn)時(shí)，其功率為PB=H2×Q2／102。因Q2H1，故PA與為PB的值變化較大，說(shuō)明采用變工頻工作方式時(shí)，改變風(fēng)機的風(fēng)量，風(fēng)機的軸功率減小很大，節能效果顯著(zhù)。

　　當風(fēng)機風(fēng)量需要改變時(shí)，如調節風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，則會(huì )使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統阻力上。如采用變頻調速調節風(fēng)量，可使軸功率隨流量的減小大幅度下降，加上自身功效高于液力偶合器，綜合節能節電效果會(huì )更優(yōu)。可見(jiàn)，通過(guò)變頻對風(fēng)機進(jìn)行改造，可以實(shí)現節能，且節能空間可觀(guān)。
4.2高壓變頻調速系統結構及高壓主回路方案
　　這次改造公司選用了山東新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP38-800F高壓變頻調速系統，采用直接“高-高”變換方式，屬電壓源型，可直接10kV輸入，直接10kV輸出， 電流諧波小，輸入功率因數高，輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱和轉矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問(wèn)題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
　　風(fēng)光高壓變頻器，采用若干個(gè)低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現直接高壓輸出，單元電路模塊化設計，維護簡(jiǎn)單，互換性好，高壓主回路與控制器之間為光纖連接，強弱電隔離，安全可靠，該10kV高壓變頻器，變壓器有24組付邊繞組，分為8個(gè)功率單元∕相，三相共24個(gè)單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分低于國標規定，高壓變頻器系統結構如圖2所示，單元電路的主電路如圖3所示。
 

　　        高溫風(fēng)機電機的高壓主回路方案如圖4所示：

　　K0 原高壓電機配電系統高壓斷路器
　　K1、K2和K3 新增高壓變頻器旁路開(kāi)關(guān)柜
　　BPQ JD-BP38-800F高壓變頻器
　　M 高壓電動(dòng)機
　　變頻器控制高溫風(fēng)機為一拖一控制，旁路開(kāi)關(guān)柜用于工/變頻切換。K1,K2和K3為三個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)，要求K2和K3不能同時(shí)閉合，在機械上實(shí)現互鎖。K3斷開(kāi)，K1和K2閉合，風(fēng)機可以變頻運行；K1和K2斷開(kāi)，K3閉合，風(fēng)機可以工頻運行。
　　本高壓變頻器采用風(fēng)冷裝置，只對變頻器的出風(fēng)處加裝隔熱的通風(fēng)管道，將熱風(fēng)直接排出室外，降低柜體內的微環(huán)境溫度，確保功率器件的管芯溫度在允許值以下。未對變頻器房間設置空調設備，只增加房間換氣軸流風(fēng)機一臺。
4.3.JD-BP38-800F高壓變頻器主要性能指標及常見(jiàn)問(wèn)題處理
　　（1）主要性能指標
　　變頻器功率：800kW  額定輸出電流：50A  輸入頻率：50Hz±5Hz   額定輸入電壓：10kV   允許電壓波動(dòng)：±20%  輸入功率因數：≥0.98   輸出頻率范圍：0-50Hz   輸出電壓范圍：0-10kV   頻率分辨率：0.01Hz　加速時(shí)間：0～3600s　　減速時(shí)間：0～3600s  變頻器效率：≥96%　過(guò)載能力：100%連續 160%連續1min   防護等級：IP20 保護功能：?jiǎn)卧月饭δ堋卧^(guò)壓保護、單元欠壓保護、過(guò)流保護、過(guò)載保護、變頻器過(guò)熱保護、缺相保護等。
　　（2）常見(jiàn)問(wèn)題的處理
　　風(fēng)光牌JD-BP38-800F高壓變頻器具有高度的智能化水平和完善的故障檢測電路 并能對所有故障提供精確的定位，在人機界面或工控機界面上作出明確的指示。用戶(hù)根據顯示的故障信息，分別采取相應的處理措施。
　　為保證設備的可靠性，使設備最大程度不間斷運行。系統發(fā)生下列故障時(shí)，按照一般故障處理：變壓器輕度過(guò)熱，柜門(mén)連鎖故障，單元柜風(fēng)機故障，工控機故障。對于一般故障的發(fā)生，系統不作記憶處理。在停機狀態(tài)下，如果存在這類(lèi)故障，用戶(hù)還能進(jìn)行啟動(dòng)等操作。
　　系統發(fā)生下列故障時(shí)，按照重故障處理：?jiǎn)卧毓收希儔浩鲊乐剡^(guò)熱，以上重故障發(fā)生后，系統作記憶處理。故障一旦發(fā)生，系統報警并自動(dòng)跳閘停機。只有故障徹底排除后，才能重新開(kāi)機。
5改造項目實(shí)施及運行情況
　　2011年8月1日，公司與山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司正式簽定變頻器的供貨合同和技術(shù)協(xié)議，根據現場(chǎng)空間情況及生產(chǎn)形勢，在原來(lái)系統還在正常運行時(shí)，提前將高壓變頻器柜體及功率單元等部件運抵現場(chǎng)并進(jìn)行本體組合安裝，安裝完畢后，在高壓變頻器輸入側通入220V普通交流電，用示波器對各功率單元輸出波形進(jìn)行測試與對比，初步驗證安裝聯(lián)線(xiàn)質(zhì)量與器件性能；8月底在停窯檢修項目改造對接期間，將原液力偶合器拆除，高壓電動(dòng)機與高溫風(fēng)機直連對接，連接外圍控制線(xiàn)及與DCS接口，引入10kV主電源，輸出側連接高壓電機定子，做好高壓通電試機準備，按步驟對高壓變頻器進(jìn)行空載、帶載運行調試，做好調試運行記錄。
　　（1）變頻器具有多項保護功能，十分完善，與原來(lái)舊系統相比較，變頻器具有過(guò)流、短路、缺相保護等多項保護功能，能更精確地保護電機，運行穩定，安全可靠。特別指出的是，一次進(jìn)廠(chǎng)10kV線(xiàn)路B相斷相故障及全廠(chǎng)突然跳閘停電，并沒(méi)有對變頻器造成損害，說(shuō)明產(chǎn)品具有比較高的可靠性。
　　（2）可根據生產(chǎn)現場(chǎng)的實(shí)際工況，通過(guò)DCS系統給定變頻器調節信號，靈活調整高溫風(fēng)機轉速，調節精度高于原來(lái)液力耦合器方式，達到工藝需要及節能節電目的。
　　（3）減少了維護費用。由于對于高壓電機實(shí)現真正意義上軟啟動(dòng)、軟停止，所以對電機、風(fēng)機等各種設備以及電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊大大減少，減少了設備維護費用，延長(cháng)了設備的使用壽命，大大降低了維護成本。
　　（4）節能節電效果顯著(zhù)，大大降低了高溫風(fēng)機電耗。為了對高溫風(fēng)機系統變頻改造后的效果進(jìn)行評價(jià)，在系統改造前、原使用液力偶合器調速時(shí)，就對正常工作日用電量進(jìn)行數據統計與分析，記錄好電源電壓、電機電流及系統壓力等參數，改造為高壓變頻調速后再對設備實(shí)際使用和節電情況進(jìn)行了測定和數據分析，我們認為采用高壓變頻調速后與原使用液力偶合器調速相比（改造前后窯況相同，窯尾預熱器C1筒出口負壓4500Pa左右，高溫風(fēng)機轉速全天穩定在1170rpm左右時(shí)）節電率大約在15%左右，每天節電1200kW·h左右，一年按照300天運行時(shí)間計算，年節約用電36萬(wàn)kW·h，每kW·h電價(jià)按0.70元，年創(chuàng )直接經(jīng)濟效益25.2萬(wàn)元。
6結束語(yǔ)
　　山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的JD-BP38-800F高壓變頻器在特種水泥生產(chǎn)線(xiàn)高溫風(fēng)機上的改造是成功的，它不僅滿(mǎn)足了回轉窯煅燒硫鋁酸鹽特種水泥生產(chǎn)工藝的要求，節能效果顯著(zhù)，而且性能穩定，運行可靠。隨著(zhù)電氣電力技術(shù)的發(fā)展，相信不久的將來(lái)，高壓變頻器技術(shù)應用會(huì )越來(lái)越廣闊。