HIVERT高壓變頻器在2500t/d熟料生產(chǎn)線窯尾高溫風(fēng)機上的應(yīng)用
一、前言
魯南中聯(lián)水泥有限公司原有兩條2300t/d熟料生產(chǎn)線為國家的“七五”重點建設(shè)項目，由于運行20多年之久，設(shè)備已趨于老化，使得設(shè)備的維護量和維護成本不斷增加，而且原燃材料消耗和電力消耗較高，致使生產(chǎn)成本逐年呈上升趨勢。為響應(yīng)國家節(jié)能減排之號召，我公司于2009年底對2#2300t/d熟料生產(chǎn)線進行改造。其主機設(shè)備均為目前高效能設(shè)備，而且許多風(fēng)機均采用了高壓變頻器、低壓變頻器、軟啟動器等節(jié)能降耗電氣產(chǎn)品，為2500t/d熟料生產(chǎn)線的高效低耗打下了堅實的基礎(chǔ)。2300t/d熟料生產(chǎn)線原窯尾高溫風(fēng)機調(diào)速為液力耦合器調(diào)速，能耗較高，為提高生產(chǎn)效率降低消耗，通過綜合比較我們選用了HIVERT高壓變頻器，還有生料系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機，均采用了HIVERT高壓變頻器。
二、魯南中聯(lián)水泥有限公司簡介
魯南中聯(lián)水泥有限公司的前身——魯南水泥廠作為國家的“七五”重點建設(shè)項目始建于1987年，是全國水泥行業(yè)中首家通過ISO9001質(zhì)量體系、ISO14001環(huán)境管理體系、ISO10012計量體系三項國際認證的企業(yè)。1999年成為中國建材集團水泥業(yè)務(wù)平臺――中國聯(lián)合水泥有限責(zé)任公司旗下的核心企業(yè)，2006年3月公司在境外上市，根據(jù)集團公司進一步發(fā)展需要，為統(tǒng)一品牌，統(tǒng)一管理模式，2007年1月1日更名為魯南中聯(lián)水泥有限公司，也是中國聯(lián)合水泥山東運營管理區(qū)所在地。
公司在注重環(huán)境保護的前提下合理利用自然資源，崇尚“善用資源，服務(wù)建設(shè)”的發(fā)展理念，首家提出了“綠色水泥”的概念，充分利用科技手段，不斷加強資源利用的科研工作，廢渣替代粘土資源利用率100%，石灰石綜合利用率98%以上；不斷促進地方社會環(huán)境的改善，取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
三、變頻器應(yīng)用的意義
水泥生產(chǎn)企業(yè)是國民經(jīng)濟生產(chǎn)中的能源消耗大戶，它面臨著節(jié)能降耗的艱巨任務(wù)，所以必須通過各種途徑降低能耗，以獲得最佳的經(jīng)濟效益和最高的勞動生產(chǎn)率。在一個日產(chǎn)5000噸水泥熟料的水泥廠，全廠的風(fēng)機裝機容量約占全廠總裝機功率的34.8~37.7%，耗電量約占整個廠用電量30%~40%，因此做好風(fēng)機電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。
眾所周知，風(fēng)機的選型是按照滿負荷狀態(tài)設(shè)計的，而實際生產(chǎn)過程中由于工況和產(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)機采用調(diào)節(jié)進風(fēng)口、出風(fēng)口閥門的開度來實現(xiàn)，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機的效率來達到要求的。如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度來調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，既可以滿足生產(chǎn)要求，又能達到節(jié)約電能的效果。
四、高壓變頻器的發(fā)展及選型
1、高壓變頻器的發(fā)展
隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，以變頻調(diào)速為代表的近代交流調(diào)速技術(shù)有了飛速的發(fā)展。交流變頻調(diào)速傳動克服了直流電機的缺點，發(fā)揮了交流電機本身固有的優(yōu)點（結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、經(jīng)濟可靠、動態(tài)響應(yīng)好等），并且很好地解決了交流電機調(diào)速性能先天不足的問題。交流電機變頻調(diào)速是當今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及改善運行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其高效率，高功率因數(shù)，以及優(yōu)異的調(diào)速和啟制動性能等諸多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。
目前，在國內(nèi)有大量的低壓變頻器廠商，其大部分為AC380V的中小功率產(chǎn)品，而能夠研制、生產(chǎn)、并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商，僅有少數(shù)的具備科研能力或資金實力的個別企業(yè)（如：合康億盛公司）。隨著國內(nèi)高壓變頻器行業(yè)的迅速發(fā)展，國產(chǎn)主流高壓變頻器在功能、可靠性等方面已經(jīng)達到國際水平，在成本和服務(wù)方面則占據(jù)很大優(yōu)勢，目前國產(chǎn)高壓變頻器占有率超過60%，極大的提高了我國工業(yè)的傳動水平，促進了各個行業(yè)的變頻節(jié)能改造。
2、變頻器的選型
（1）電壓等級
我國高壓電機常用電壓等級為6kV和10kV，另有少量3kV等級的高壓電機。絕大部分的高壓變頻器輸入都有一個隔離變壓器，所以變頻器輸入電壓通常能滿足不同電網(wǎng)電壓等級的要求。對于技改項目，本來電機工頻運行，由于通常不會更換電機，加裝變頻器后，要求變頻器的輸出電壓和電網(wǎng)電壓一致。
（2）電壓源型和電流源型
目前絕大部分的高壓變頻器均屬于交直交型變頻器，按中間直流環(huán)節(jié)所用儲能元件的不同，可分為電壓源型和電流源型。
電流源型變頻器的優(yōu)點是能量可以回饋電網(wǎng)，可以實現(xiàn)四象限運行。電源側(cè)常采用三相橋式晶閘管整流電路，輸入電流的諧波較大，輸入功率因數(shù)一般較低，電網(wǎng)電壓波動較大時容易停機。
電壓源型高壓變頻器由于采用二極管不可控整流，輸入功率因數(shù)相對較高，且不易受電網(wǎng)電壓波動的影響，在電網(wǎng)條件比較差的應(yīng)用場合。
（3）對電網(wǎng)諧波污染和輸入功率因數(shù)
對電網(wǎng)的諧波污染主要取決于整流電路的結(jié)構(gòu)和特性，減少電網(wǎng)諧波污染的主要方式有兩種：多重化整流和PWM整流。單元串聯(lián)多電平高壓變頻器通常整流脈沖數(shù)較多，對電網(wǎng)諧波污染較小。為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，電流源型變頻器通常采用18脈沖整流。三電平電壓源型變頻器至少需要12脈沖以上，要求高時可采用24脈沖。
（4）輸出波形及對電機適用性
輸出諧波對電機的影響主要有：引起電機附加發(fā)熱，導(dǎo)致電機的額外溫升，電機往往要降額使用，諧波還會引起電機轉(zhuǎn)矩脈動，噪音增加，所以檢測波形應(yīng)穩(wěn)定、諧波少。
（5）節(jié)電率
如風(fēng)機或水泵，應(yīng)用變頻器后節(jié)電率和變頻器本身關(guān)系不大，主要由改造前變頻器的運行工況決定。如原來擋板、閥門的開度等。
（6）旁路柜或切換柜（選配）
旁路柜或切換柜開關(guān)可根據(jù)用戶工況要求選用隔離刀閘、真空接觸器或兩者的組合方式。
旁路柜的作用是在變頻器退出運行后，將電機投入工頻電網(wǎng)運行，保證生產(chǎn)的連續(xù)性。
切換柜的作用是將變頻器輸出切換到不同電機。
五、HIVERT高壓變頻器在調(diào)試期間出現(xiàn)的問題及處理
1、出現(xiàn)過流故障報警（跳車）
原因分析：窯尾廢氣通過高溫風(fēng)機給生料系統(tǒng)供風(fēng)，由于高溫風(fēng)機出風(fēng)管道比較長而且角度較大，致使窯尾廢氣中存在的灰塵附著在出風(fēng)管道壁上，粉塵積攢到一定程度就會發(fā)生塌料現(xiàn)象，瞬間粉塵就會進入高溫風(fēng)機，增大了高溫風(fēng)機的負荷，甚至出現(xiàn)風(fēng)機倒轉(zhuǎn)，嚴重造成了點擊堵轉(zhuǎn)，致使高壓變頻器出現(xiàn)過流故障報警（跳車）。如圖1a示意圖所示。
解決措施：在高溫風(fēng)機出風(fēng)管道中間位置開一孔，下面焊接一錐形管道，當附著在高溫風(fēng)機出風(fēng)管道壁上的粉塵出現(xiàn)塌料時，粉塵就會通過管道進入地面小倉進行處理。如圖1b示意圖所示。
2、出現(xiàn)驅(qū)動單元故障
高溫風(fēng)機高壓變頻器資料：功率單元型號：HPU690/250D1P，額定電流：250A，沒有旁路系統(tǒng)。高壓變頻器上電后運行1天左右有3個功率單元損壞，在變頻器的位置為A4、B4、C4，其中一個單元C4內(nèi)部的IGBT炸裂，另外兩個功率單元沒有器件損壞，上電調(diào)試正常。
原因分析：
C4單元IGBT上面吸收板的螺絲松動，與IGBT正-負極接觸電阻增大，導(dǎo)致吸收板并沒有起到吸收作用從而使C4單元IGBT被擊穿而炸裂，懷疑是因為長途運輸過程中導(dǎo)致的螺絲松動。
另外兩個功率單元A4、B4驅(qū)動故障并不是器件損壞造成的，而是由于IGBT自身保護而動作，因為之前C4功率單元已經(jīng)工作不正常導(dǎo)致三相輸出不平衡，由此引起了電流的波動，而IGBT自身有電流異常保護功能，當電流很大、周期又很短時（此時的電流波動超過了變頻器自身保護的反應(yīng)時間，變頻器來不及進行保護）如果超出了IGBT的最高限值，為了避免IGBT損壞，則會發(fā)出報警信號并自動封鎖輸出，因此引起了變頻器的停機，但是變頻器的故障類型還是驅(qū)動故障，其實IGBT并沒有損壞。
解決措施：更換經(jīng)過廠家做過檢測試驗的功率單元。
3、無故障現(xiàn)象和故障記錄，電機跳車
原因分析：在設(shè)備運行過程中，當外來干擾信號特別是脈沖信號，對高壓變頻器造成干擾，致使高壓變頻器誤動作而停車，即設(shè)備偷停。
解決措施：做好高壓變頻器信號線的接地，同時對DCS系統(tǒng)的輸入輸出信號線做好接地處理，減少因信號干擾造成的故障。
六、日常工作中應(yīng)注意的幾點問題
1、變頻器應(yīng)用的環(huán)境與散熱問題
由于水泥生產(chǎn)現(xiàn)場粉塵較大，環(huán)境相對惡劣。作為電力電子設(shè)備，由于產(chǎn)生約3%～4%的損耗發(fā)熱需要散熱（一般采用風(fēng)冷散熱），所以高壓變頻器應(yīng)加強防塵處理和日常維護，并定期進行吹灰除塵。
2、諧波干擾問題
諧波超標會使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，并將導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，影響各種電氣設(shè)備的正常工作。為避免控制干擾，高壓變頻器的控制線應(yīng)采用屏蔽電纜且單端接地，在布線時與動力纜分設(shè)在不同的電纜橋架內(nèi)。
3、風(fēng)機工況發(fā)生變化負荷瞬間增大跳車問題
對風(fēng)機不定期的尖峰負荷運行狀況進行全方位、針對性的檢測，消除風(fēng)機工況發(fā)生變化負荷瞬間增大故障隱患，確保設(shè)備的平穩(wěn)運行，這樣降低了電機、風(fēng)機設(shè)備的故障率。
七、改造后效益分析
1、直接效益：即改造后的節(jié)能分析。
（1）風(fēng)機節(jié)電原理（如圖2所示）：
圖中曲線L1為風(fēng)機在轉(zhuǎn)速N1工作時的特性曲線，曲線L2為風(fēng)機在轉(zhuǎn)速N2工作時的特性曲線，曲線L3、L4為管網(wǎng)的阻力曲線。
風(fēng)機在轉(zhuǎn)速N1工作時，風(fēng)機運行在A點，風(fēng)量為Q1，壓力為H1，風(fēng)機功率為PA=H1*Q1；如果生產(chǎn)工藝要求，風(fēng)量需要從Q1減至Q2（用擋板調(diào)節(jié)），風(fēng)機仍然按照速度N1運行，風(fēng)壓將上升至H3，風(fēng)機工作點移至B點，風(fēng)機功率為PB=H3*Q2。由于擋板的截流作用，管網(wǎng)阻力曲線由L3變?yōu)長4。雖然Q2＜Q1，但是H3＞H1，所以風(fēng)機在A、B兩點的功率變化不大。
如果風(fēng)機風(fēng)量不采用擋調(diào)節(jié)，這時管網(wǎng)阻力曲線保持L3不變，用改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速來減少風(fēng)量，風(fēng)機按照速度N2運行，工作特性曲線為L2，風(fēng)機工作在C點，風(fēng)量仍然為Q2，壓力為H2。相比B、C兩點，風(fēng)機減少的軸功率為：ΔP=PB-PC=（H3-H2）×Q2
在風(fēng)道阻力特性不變的情況下，離心式風(fēng)機的風(fēng)量Q、壓力H、軸功率P和轉(zhuǎn)速N之間滿足以下關(guān)系（相似定理）：Q∝N、H∝N2、P∝N3，
所以：Q1/Q2=N1/N2，H1/H2=(Q1/Q2)2，PA/PC=(Q1/Q2)3
通過以上關(guān)系式可以看出：通過調(diào)速方式改變風(fēng)機風(fēng)量，當風(fēng)機風(fēng)量下降到一半時，在不考慮效率的情況下，風(fēng)機軸功率將下降87.5%（PA/PC=0.53=0.125，1-0.125=0.875），所以變頻器在風(fēng)機上的應(yīng)用節(jié)能效果非常顯著。
（2）節(jié)能量計算
排風(fēng)機電機參數(shù)：額定功率1600KW，額定電壓6000V，額定電流192.6A，額定轉(zhuǎn)速1485r/min，功率因素0.88，風(fēng)機電機在正常工頻工作狀態(tài)下的電流為160A。
風(fēng)機在工頻狀態(tài)下的功率：P閥門=1.732UI閥門COSφ=1.732×6×160×0.88=1463.2KW
風(fēng)機在變頻調(diào)速狀態(tài)下的功率：由轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式f/fe=n/ne，轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系式P/Pe=(n/ne)3可得： P= Pe×（f/fe）3，變頻器在正常工作時輸出頻率為40HZ，工頻為50HZ，則：P變頻=1600*（40/50）3=819.2 KW
則：P節(jié)=P閥門-P變頻=644KW
節(jié)約資金（每日）：644×24×0.5×95%=7341.6元
注：按照高溫風(fēng)機95%的運轉(zhuǎn)率進行計算，每度電電費按照0.5元計算。
2、間接效益：
高溫風(fēng)機采用高壓變頻調(diào)速控制后，除實現(xiàn)節(jié)能降耗經(jīng)濟效益外，其它方面的效益也是明顯的：
（1）延長了電機等設(shè)備的使用壽命。變頻改造后，高壓電機實現(xiàn)了軟起動，起動電流大大減少，避免了起動電流對電網(wǎng)和電機的沖擊，同時實現(xiàn)了生產(chǎn)對風(fēng)量的自動控制，提高了設(shè)備自動化控制程度和設(shè)備運行的安全性、可靠性；
（2）改善了工藝狀況，調(diào)速精度得到保證，可以平滑穩(wěn)定地調(diào)整風(fēng)量風(fēng)壓，提高了生產(chǎn)效率，特別是使生產(chǎn)線設(shè)備利用率得到了保證，進一步提高了產(chǎn)量；
（3）設(shè)備運行與維護費用下降，采用變頻調(diào)節(jié)后維修費用減少近70%。
（4）高壓變頻器輸入電流諧波含量小于國家標準要求的限制要求，功率因數(shù)可保證在0.95以上，再無需投資功率補償設(shè)備，并可降低有關(guān)的設(shè)備投資與維護費用。
八、日常巡檢與維護
1、運行數(shù)據(jù)記錄，故障記錄
每天要記錄變頻器及電機的運行數(shù)據(jù)，包括變頻器輸出頻率，輸出電流，輸出電壓等參數(shù)，與合理數(shù)據(jù)對照比較，以利于早日發(fā)現(xiàn)故障隱患。變頻器如發(fā)生故障跳閘，務(wù)必記錄故障和跳閘時變頻器的運行工況，以便具體分析故障原因。
2、變頻器日常檢查
每兩周進行一次，檢查記錄環(huán)境溫度，散熱器溫度；察看變頻器有無異常振動，聲響，風(fēng)扇是否運轉(zhuǎn)正常。
3、變頻器保養(yǎng)
變頻器每季度要清灰保養(yǎng)1次。保養(yǎng)要清除變頻器內(nèi)部和風(fēng)路內(nèi)的積灰，臟物，將變頻器表面擦拭干凈；仔細察看變頻器內(nèi)有無發(fā)熱變色部位。
（1) 夏季溫度較高時，應(yīng)加強變頻器安裝場地的通風(fēng)。確保周圍空氣中不得有過量的塵埃、酸、鹽、腐蝕性及爆炸性氣體；
（2) 夏季是多雨季節(jié)，防止雨水進入變頻器室，確保變頻器安裝的環(huán)境清潔干燥。
4、每次維護變頻器后，要認真檢查有無遺漏的螺絲及導(dǎo)線等，防止小金屬物品造成變頻器短路事故。特別是對電氣回路進行較大改動后，確保電氣連接線的連接正確、可靠。
九、合康億盛公司現(xiàn)場服務(wù)
現(xiàn)場服務(wù)是服務(wù)企業(yè)與客戶交流的終端，企業(yè)大量服務(wù)舉措都是通過現(xiàn)場員工為顧客提供服務(wù)來實現(xiàn)的，現(xiàn)場服務(wù)水準的高低直接關(guān)系到企業(yè)的服務(wù)終端——現(xiàn)場服務(wù)，并對貫徹企業(yè)管理制度、提升企業(yè)競爭力有著直接影響。
合康億盛公司作為國內(nèi)高壓變頻技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的龍頭企業(yè)，非常重視其產(chǎn)品的質(zhì)量和現(xiàn)場服務(wù)。現(xiàn)場服務(wù)中隨時都有可能發(fā)生意想不到的事情，許多問題必須馬上解決，此處所要強調(diào)的并非是對顧客抱怨的快速反應(yīng)，而是當服務(wù)條件發(fā)生變化時，現(xiàn)場調(diào)試人員應(yīng)當承擔起“實時決斷”的職責(zé)，快速處理突發(fā)事件。現(xiàn)場調(diào)試工程師就和電氣運行人員一道進行值班，顧不得休息和勞累，以精湛的技術(shù)多次及時排除了出現(xiàn)的問題，體現(xiàn)了貴公司技術(shù)人員的快速反應(yīng)能力和敬業(yè)愛崗的精神。
同時，針對高壓變頻器在高溫風(fēng)機應(yīng)用上出現(xiàn)的問題，貴公司高度重視，專門派出了公司技術(shù)主管和我公司電氣人員進行了技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)交流，使我公司電氣人員不僅從理論上、實踐上學(xué)到了很多，而且從貴公司技術(shù)人員“果斷、迅速、高效”的敬業(yè)精神上獲益匪淺，受到了我公司領(lǐng)導(dǎo)和員工的一致贊揚。合康億盛公司做的不僅是產(chǎn)品，做的更是品牌，這也是為什么合康億盛公司保持企業(yè)在行業(yè)中的領(lǐng)先地位的一個最好的詮釋。
十、結(jié)束語
通過HIVERT高壓變頻器在我公司3個多月的實際運行情況來看，該設(shè)備運行比較穩(wěn)定、調(diào)速操作簡單、維護方便，給操作人員和維護人員帶來了很大方便，在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、降低能耗和安全環(huán)保等方面發(fā)揮了很大作用，達到了設(shè)計預(yù)期效果，并創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，值得在新型干法水泥生產(chǎn)線上推廣和使用。
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