高压变频器在活化石灰回转窑引风机的应用引言
随着我国经济的持继发展，国内各类能源消耗逐渐增大，限于能源开采能力与从国外进口的限制，使我国的能源供应十分紧张。但我国各行业的能源利用处于比较原始，能源浪费还非常严重，如何高效利用能源已经被国家摆在重要的战略位置。
工业大型风机在设计时都按20-30年的运行期考虑，综合风机叶片，炉膛，风道等损耗，密封的变化，风动介质的扰动的综合因素，余量都选得较大。特别对于炉膛运行用的风机，在运行后，由低温空气介质变为高温空气介质，在同等的输出风量条件下，其要求的功率也随之大幅下降。档板的开度经常处于60%-40%之间运行，使大量的电能都浪费在的档板截流，介质扰动，和风压损耗上。利用调速运行的方式降低各类损耗，提高电能的利用率，已经是大型风机节能高效运行的首要选择方式。
随着现代变流技术的发展，硅元件制造工艺的提高，大功率、高电压的电力电子器件制造愈加成熟，性能不断提高，价格不断下降。应用大功率IGBT、CPLD、DSP制作的大功率高压变频器技术相应成熟，价格逐步下降，已能将高压变频器高昂的价格降为企业能够接受的价格门槛，在大型风机进行节能调速的范围内，高压变频器出现了大规模的实际应用，本文专门介绍在钢厂中的石灰回转窑引风机的高压变频技术改造的应用。
2 华菱涟源钢铁集团石灰车间石灰回转窑系统简介
（1）回转窑系统示意图
华菱涟源钢铁集团田湖公司活性石灰车间，活化石灰生产线上的核心设备是石灰烧制回转窑系率，其结构示意图如图1所示。
图1 回转窑系统示意图
（2）工作流程
回转窑处于备用→窑中加预热木料→用煤油点火→窑中温度升到额定→引风机运行→喷煤粉→连续投料→连续出料→根据窑温对风量进行调节→定时冲窑皮→根据生产计划停料→停止喷煤→强风冷却窑体→停止引风机→修窑→备用
（3）引风机设备型号
风机型号为GW-GR168D,额定压力8000Pa;
电动机型号YKK450-2-4，功率500kW。
引风机电机启动采用水阻启动器，启动器内水溶液为2t，启动一次的温升为30℃。
（4）引风机运行流程
在木料烘窑后期，启动引风机，点燃煤粉，使木料充份燃烧，并将灰分吸出。当窑内温度均衡后，降低出风量，连续投料开始。风量采用档板调节，正常时回转窑内的负压为100-250Pa，运行挡板开度为25%左右。冷却窑体时，运行档板开度为90%。在冷却完毕后，修窑初期，挡板开度为10%，用于窑内清灰。
3 引风机电机定速拖动的运行简介
（1）引风机的启动
引风机的惯量力矩较大，在厂内的电网容量条件下，直接启动时电机的启动电流很高，将引起高压电源进线保护动作，必须采用软启动器进行启动。每一次启动引起水阻启动器温升30至40℃，当连续三次启动时，将会使启动器内水溶液沸腾，电动机启动失败。水阻器在沸腾后，需2天的时间方能冷却至正常温度。操作决定了电机每天的启动次数在二次之内。
（2）引风机运行
运行中，由于电机的余量较大，常常将档板调到25%左右运行，在高转速，低负荷的运行工况下，风机振动较大，现场噪音极强，工作环境非常恶劣。当挡板调到10%以下时，由于负压过大，会引起管道和前侧高压除尘器的喘振，危及设备运行安全。
（3）石灰烧制期间的运行
回转窑采用煤粉加热，由于煤粉的灰度较大，在燃烧中灰分在窑壁上积累，俗称窑皮。当窑皮积累到一定程度时，将会影响出料。这时将停下煤枪，用水将窑皮炸开，称为冲窑皮。在冲窑皮时，引风机挡板关至最低。
在上午出料，下午入料时，引风机运行挡板开度调至15%左右，晚间大火烧制时，引风机挡板调至25%左右。
（4）引风机运行时风量由挡板进行调节，档板执行机构为大力矩电动机，在控制室内进行操作。
4 引风机定速拖动时的缺陷
4.1 引风机电能损耗严重
（1）电机启动时，每次启动水阻启动器的电能消耗约为正常运行时一天耗电量;
（2）正常运行时，挡板开度在25%左右，在挡板两侧风压较大，出现极大的节流损耗和风压损耗;
（3）由于电机工作时负荷远远小于电机额定负荷，且风机流量远远小于设定流量，在高速运行时产生大量的扰动，使电机运行振动较大，风机效率低;
（4）由于启动次数的限制与启动时电能的消耗，在其它附属设备出现问题、进行短时维修时，引风机继续保持运行，由于风量较大，散热较快，不但耗费电能，而且为保持窑温，还需经常喷粉加温，增大的煤粉的消耗量。
4.2 工作环境恶劣
（1）在进行木料烘窑时，由于引风机启动后风量太大，引起木料燃烧过快，使窑内加温时间不够。烘窑时，不运行引风机，不但点火费油费时，而且现场烟雾很大，环境变差，每次烘窑后车间都是遍地黑灰。
（2）冲窑皮时，引风机不停，使冲窑皮时危险性加大，易出现灼伤事故。
（3）在进行修窑时，为防止系统喘振，引风风量较大，增加了工作的危险程度。
（4）引风机运行时，振动，噪音极大，使旁边的电工室内振动和噪音都超标，危害操作者的人身健康。
4.3 对设备的危害
（1）启动时电流较大，不但使厂内电源产生波动，耗电较大，电机寿命也降低;
（2）运行中振动大，使电机轴承，风机轴承磨损较大，且造成风道，高压除尘装置的使用年限降低;
（3）挡板内外风压相差较大，使挡风板调节机构与调节电机磨损程度加快。
5 风机调速运行时的节能原理
5.1 风机运行特性
离心式风机，属于平方转矩类型的负载，在额定转速运行的特性曲线如图2所示。
图2 离心式风机特性曲线（β=90°）
Ｈ—Q曲线:当转速为恒定时，表示风压与风量间的关系特性。
P—Q曲线:当转速为恒定时，表示功率与风量间的关系特性。
η—Q曲线:当转速为恒定时，表示风机的效率特性。
5.2 风机流量的确定
风机在运行时，一定转速的风机产生的离心压力作用在一个截面上时，介质在单位时间内的通过量，即为流量。风机在运行时，通过风机压力与管网阻力的共同作用，出现一个稳定的流量输出，称之为工况点，其特性曲线如图3所示。
图3 风机运行工况点
M ——工况点
R ——管网的阻力曲线
H ——风机压力曲线
5.3 风机流量的调节方法
（1）改变管网阻力实现对风机输出的调节
当管网阻力发生变化时，风机转速保持不变，风压随之上升，风机运行的工况点将改变，风机的输出流量将随之发生变化，其特性曲线如图4所示。
图4 管网阻力变化时的风机流量特性曲线
在实际运行中，是通过调节挡风板的开度来实现的，当挡板的开度减小时，管网阻力随之加大。
挡板的三种开度对应R1、R2、R3三种阻力工况，则在风机转速不变时，其与风机压力特性曲线分别出现了M1、M2、M3三种工况点。
三种工况点对应的三个流量Q1、Q2、Q3就是在转速不变时，三种挡板开度所对应的三个流量。调节挡板的开度，即可以调整风机输出流量的多少。
（2）改变风机的转速来实现对风机的风量调节
改变风机的转速时，风机的压力特性曲线随之改变，当管网阻力不变时，其特性曲线如图5所示。
图5 改变风机的转速的特性曲线
当风机的转速定为n1、n2、n3时，每个转速都对应其相应的压力特性曲线，在管网阻力R不变的情况下，工况点随之改变为M1、M2，其对应的流量变为Q1、Q2。
在实际中，采用高压变频器，内反馈串级调速电机，液力耦合器等方法都可达到对风机转速的调节，从而在管网阻力不变的情况下调节流量。
5.4 风机定速运行与风机调速运行在输出同等风量时的比较
当风机的额定转速为n1，挡板全开管网压力为R1，额定流量为Q1时，通过调节管网压力和风机转速的2种方法，将输出流量改变为Q2，其运行工况的差异如图6所示。
图6 管网阻力与风机速度调节流量时的工况点差异
从图6中可以看出，在输出同等流量的情况下，用挡板调节的工况点是M3，运行时压力为Hf。用速度调节的工况点是M2，运行时压为H2。
两种风量调节方法消耗能量的差异：
从上面可以看出，调节挡板与调节转速的最大差异在于风压，两种运行方式风机消耗的轴功率的差异为:
根据风机功率消耗的相拟性理论，得出结论:
用挡板调节风量与用转速调节风量对比，随着实际输出流量与风机额定流量差值的加大，其能量的消耗差异也呈平方比例系数加大。
6 风机调速改造方案的调研
6.1 液力耦合器调速方案
（1）优点
液力耦合器价格便宜;
操作简单，维修方便;
水冷却系统不需单独安装，可以直接使用回转窑的水冷系统。
（2）缺点
调速效率低，节能效果差;
机械传动方式，运行故障率高，且需定时加液力油;
安装时需加在电机与风机中间，则要重作电机基础，故障时将造成生产停顿;
当在运行中液力耦合器出现问题时，只能停产修理。
6.2 串级调速电机调速方案
（1）优点
价格宜中;
可以安装于原电机基础上;
调速时效率高。
（2）缺点
需更换电机;
调速范围窄，最低速只到额定的50%;
6.3 高压变频器调速方案
（1）优点
全范围调速，启动时间可以根据工况自行设定;
运行效率高，功率因数高;
技术先进，在低速运行时，电机温升低，噪音低，增加电机寿命;
可以频繁启动，保持启动电流在电机额定电流之内。
（2）缺点
价格较贵;
操作参数较多，需对操作人员培训。
6.4 采用调速运行后节能效果计算
（1）设备参数
设备参数如表1，表2所示。
表1 引风机型号为GW-GR168D（IDF），其性能参数为
表2 异步电动机型号为YKK450-2-4，其性能参数为
（2）回转窑运行时的风机参数
回转窑引风机工频运行时的测试结果如表3所示。
2005年2月1日—3月2日回转窑引风机工频运行时的测试结果如下:
表3 运行时的测试结果
（3）利用相似理论分析回转窑引风机调速的运行数据
风机调速运行后的运行状态关系式为:
Qa=QAn/n0
Pa=PA(n/n0 )2(ρ/ρ0)
Qb=QBn/n0
Pb=PB(n/n0)2(ρ/ρ0)
为了方便计算，近似认为性能曲线成线性关系，即:
(Pc-Pb)/(Qc-Qb)=(Pa-Pb)/(Qa-Qb)
风机转速与运行电流:
Ia=IA(n/n0)3
（4）根据原运行数据和以上公式计算后得出调速运行工作状态
根据原运行数据和以上公式计算后得出调速运行工作状态如表4所示。
表4 调速运行工作状态
6.5 调速运行后的效益估算
（1） 根据以上计算出的调速运行状态，定速运行单位电耗280.32kW·h，调速运行后单位电耗61.8kW·h，每小时节电达212.52kW·h;
（2）以上为在理想状况下的单位节能，在实际运用中，考虑到计算和效率转换，调速装置的损耗，还应乘以0.85的额外消耗系数，实际单位节电应按180kW·h进行计算;
（3）以正常年工作300天计算，其节电总量为:1,296,000kW·h;
（4）以电价每kW·h费用0.57元计算,年节约电量应达738,720元。
6.6 最终选择方案
经过对以上对调速方案的论证，节能效果的计算。并对进行了上述三种方案改造过的厂家进行现场考察，并结合回转窑实际流程的要求，综合以上因素，选用高压变频器调速方案作为石灰车间回转窑引风机调速改造方案。
7 高压变频器性能参数
7.1 高压变频器的类型
（1）高—低—高三电平高压变频器;
（2）功率器件直接串联变频器;
（3）多电平单元串联叠加电压源型变频器;
（4）SGCT器件串联电流型变频器。
7.2 变频器类型的选择
在选择时除了考虑一些常规的性能指标外，还着重注意:设计上是否有其特点，选用的元件是否稳定、成熟;产生的谐波分量是否符合国家标准;电源短时中断恢复时对其影响程度;个别元件故障时能保持短时间的运行等功能等。
在以上类型中，SGCT器件串联电流型变频器最为先进，但是国内无法生产，均为国外产品，其中加拿大罗克韦尔公司的PowerFlexM7000系列的变频器性能优秀，且对现场适应能力强，但是价格过于昂贵。
在国内，多电平单元串联叠加电压源型变频器属于最为先进，同时在现场考察中，其运行稳定，节能效果良好，功率因数高。经过多方比较，决定采用多电平单元串联叠加电压源型变频器。
7.3 多电平单元串联叠加电压源型变频器性能
通过对国内生产多电平单无串联叠加电压源型变频器厂家的情况，并进行了比较，最后选择了哈尔滨九洲电气股份有限公司，其产品特点:
（1）调速范转宽，可以从零转速到工频转速的范围内进行平滑调节;
（2）在大电机上能实现小电流的软启动，启动时间和启动的方式可以根椐现场工况进行调整;
（3）频率的调整是根据电机在低频下的压频比系数进行电压和频率的输出，在低转速下，电机不仅是发热量低，而且输入电压低，将使电机绝缘老化速度降低;
（4）串联多重化叠加技术的应用实现了真正意义的高-高电力变换，无需升压变压器，降低了装置的损耗，提高了可靠性，解决了高压电力变换的困难。串联多重化叠加技术的应用还为实现纯正弦波、消除电网谐波污染开辟了崭新的途径;
（5）高功率因数，达0.95以上，无需另加功率因数补偿装置，避免了因无功带来的罚款;
（6）效率高，高达96%以上，远远高于晶闸管大功率调速装置;
（7）符合IEEE519-1992标准的严格要求，不对电网产生谐波污染，完全无需任何滤波装置;
（8）对电机不产生谐波污染，有效降低了电机的发热量，噪声与采用工频供电时相近;
（9）转矩脉冲很低，不会导致电机等机械设备的共振，同时也减少了传动机构的磨损;
(10）输出波形完美，失真度小于1%;
(11）电动机的电应力强度与采用工频供电时相近，无需配备特殊电动机;
(12）与电机的连接不受电缆长度的限制;
(13）采用大规模门阵列CPLD电路，实现了PWM控制的高度实时性、快速性和准确性;
(14）采用光纤实时传送技术，获得了国家发明专利，使得控制单元与功率单元之间的通讯更加迅速、可靠;
(15）特别设计的H桥逆变电路，已获得了国家专利，为系统运行的可靠性提供了保障;
(16）完善的功率单元旁通技术，已获得了国家专利，进一步提高了系统运行的可靠性;
控制部分采用高性能的DSP和FPGA芯片，使得控制系统的性能大大提高，实现恒定V/F和恒转矩控制，提升特性可任意设定，满足各种机械启动及运行的要求;
(17）优秀的DSP软件数学模型，使得系统运行的实时性和效率大大提高。
8 设备安装系统调试
2005年3月，高压变频器在在灰车间安装。
8.1 系统回路
在系统回路中，加旁路系统，当变频器故障时即可通过，继续运行引风机;
保持原有高压开关保护设定;
将水阻启动器嵌入旁路系统，用于旁路运行时启动引风机;
根据以上的需求，的经过优化设计分析，其主回路如图7所示。
图7 引风机调速系统图
8.2 变频器安装流程
根据变频器安装要求，做变频器基础;
安装变频器;
做高压联屏电缆;
接控制连锁线;
接入控制电源电缆;
8.3 调试流程
（1）调试前的检查
相关变频器工作的一、二次设备安装、组态完毕;
变频器柜内变压器耐压试验、直流电阻测量合格;
6kV电缆、变频器闸刀柜内支持瓷瓶、避雷器等试验合格;
检查各接线正确、紧固;
变频器参数设置正确;
引风机等机务设备具备试车条件。
闸刀闭锁功能试验:
主要检查出线闸刀和旁路闸刀的机械闭锁功能;“高压允许合闸”闭锁功能;防止带负荷拉合闸刀功能。
（2）静态调试
将变频器控制电源送上，引风机开关处于试验状态。检查“本机控制”（数字键盘控制）、“远方控制”（液晶触摸屏控制，远方控制箱控制）时的开关动作状态及变频器面板、触摸屏画面上的各种状态显示是否正确对应。
（3）动态调试
引风机开关、变频器柜将正式通电。分别检查“工频旁路”状态以及“变频控制”状态下，在变频器面板和远方控制箱上操作引风机、变频器的启、停、调是否正常，转速、电流是否正确;在“工频旁路”状态时与“变频控制”状态时的转向是否一致;在“变频控制”时人为模拟故障保护动作、信号是否正确。
（4）带负荷试验
主要了解正常运行工况下引风机、变频器运行时的风量、电流、转速（频率）;检查变频器额定输出电流时的电机转速、变频器频率等。
9 回转窑引风机变频调速改造后的运行
石灰车间回转窑引风机于2005年3月18日用高压变频器调节引风机转速方法投入生产。
（1）石灰回转窑运行参数变化
变频器启动时间设定为120s，在启动中电机运行平稳，电机电流保持在60A电流之内。在回转窑用木料烘窑时，引风机电机在8Hz的频率下运行，风机运行时极为安静，此时的风量正可满足木材充分燃烧，且不会使燃烧速度过快。最大负荷运行时，电机在25Hz运行，风机振动大大减轻，在旁边的电工室内已感不到明显的风机震动。
在进行冲窑皮或进行短时维修时，风机运行于2Hz或停止，不但引风机电量消耗减少，同时风量减小，使回转窑温度下降速度变慢，在比较短时间内完成,不必进行喷煤加温。通过变频器频率的精确调整，使入料和出料时窑温保持在最佳状态。
（2）引风机调速运行后的电量消耗
6月17日到6月23日变频运行实测数据统计如表5所示。
表5 变频运行实测数据统计
高压变频改造后，引风机在满足回转窑负压的情况下，风机电流明显减少，由25A-35A降为11A-23.5A,变频器输入电流则降到6A以下，风机平均 电耗也由280.32kW·h/h降到54.5kW·h/h，节电率为80.1%。
（3）高压变频运行后，相关设备的运行变化:
避免了电动机启动时对电机的冲击损害，对电网的冲击;
提高了引风机的自动控制能力;
减少了引风机和高压除尘器的振动;
由于转速的降低,对风机的叶轮、轴承等寿命得以延长;
挡风板保持全开状态，降低了磨损，且大力矩执行机构工作次数减少，故障率降低。
10 石灰车间回转窑引风机变频调速运行时的节能与效益
（1）引风机运行时间
石灰车间回转窑生产为十二天一个生产周期，十天进行活性石灰生产，二天进行修窑。
引风机月运转时间:
24h×30天×10天/12天=600h
引风机年运转时间:
600h×11月=6600h
（2）引风机运行单耗节约量
280.32kW·h-54.5kW·h=225.82kW·h
引风机月节约电量:
225.82×600=135492kW·h
引风机年节约电量:
225.82×6600=1490412kW·h
石灰车间电价是0.57元/kW·h
引风机变频运行年节约电费:
1490412×0.57=849534元
11 结束语
高压变频器通过在活性石灰回转窑上的应用，其变频调速运行的用电量和定速运行的用电量的差异，显示出的在我国企业中老式风机运行方式所造成的能源浪费相当触目惊心。
国外的一些经济学家说过，中国是在能源紧缺的情况下大量地浪费能源，同时外国将高压变频器这种现代电力电子产品对我国以高昂价格进行推销，获得高额的利润。
国产的高压变频器在中等功率开发与生产已经成熟，可以和国外的产品一比高下。当随着我国在大功率与超大功率高压变频器的不断取得进展，其价格将进一步趋于合理，预示高压变频器这种现代电力电子的高科技产品将在我国能源高效利用的领域得到更加广泛的应用。
|
