1概述
　　水泥生產行業是耗能大戶，我國水泥行業與國際水泥生產先進能耗指標相比，還存在一定差距，節能空間較大。水泥生產能耗成本占總成本大約60%，做好節能工作，企業就抓住了降低生產成本的關鍵，也抓住了增加利潤、提高競爭力的關鍵。在水泥行業推廣應用節能技術，具有十分重大的意義。
　　曲阜中聯水泥有限公司是以水泥生產為主業的中央企業，是中國聯合水泥下屬子公司。經過50年的發展，曲阜中聯水泥已成為中國500家較大建材工業企業之一、全國水泥質量百佳企業、全國水泥企業50強、國家60戶重點支持水泥工業結構調整大型企業、全國規模較大、設備較先進的快硬硫鋁酸鹽水泥生產基地。
　　公司水泥年生產能力300萬噸，固定資產10億元，年銷售收入逾6億元，實現利稅6000萬元，是濟寧市較大的水泥企業。公司主導產品金魯城牌、魯城牌、華冠牌系列水泥通過了國家產品質量認證，是國家免檢產品、消費者信得過產品、山東名牌產品。
　　公司現有一條日產5000t熟料生產線，水泥生產線上的風機，存在“大馬拉小車”的現象，同時由于工況、產量的變化，所需的風量也要隨之調整，以前通過調節進、出口風門的開度來調整風量，而該方法是以增加風阻、犧牲風機的效率來實現的，電能損耗嚴重。
　　經過多方調研考察，比較性價比，曲阜中聯水泥有限公司選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP37系列高壓變頻器2套對生產線上窯尾排風機、窯尾高溫風機進行變頻改造。
2 設備參數
　　窯尾高溫風機
　　電機參數：
　　型號：YRKK630-6    功  率：1400kW
　　額定電壓：6kV       額定電流：160.8A
　　功率因數：0.875      絕緣等級：F
　　生產廠家：蘭州電機有限公司
　　窯尾排風機：
　　電機參數：
　　型號：YRKK450-10      功率：280kW
　　額定電壓：6kV          電流：39.21A
　　功率因數：0.749         絕緣等級：F
　　生產廠家：蘭州電機有限公司
3 水泥生產工藝
　　如圖1所示是水泥廠生產工藝圖。水泥生產工藝主要包括：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、熟料入庫與散裝發運、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計有大功率的風機，可進行中高壓變頻改造。現結合實際工藝介紹一下變頻改造主要風機的作用。
　　（1）廢氣處理風機的主要作用是使在整個生產過程中產生的廢氣經過除塵后排入大氣；
　　（2）窯尾排風機兼有生料磨循環風機（指兩風機系統）與廢氣處理風機功能；
　　（3） 窯尾高溫風機是熟料生產線上較為重要的負載，高溫風機變頻改造是國家在水泥行業強制執行的標準。

　　圖1 水泥廠生產工藝圖

　　具體的生產流程是：
　　（1）水泥原料的破碎及預均化
　　①破碎：水泥生產過程中，大部分原料要進行破碎，如石灰。
　　②原料預均化：使原料堆場同時具備貯存與均化的功能。
　　（2）水泥生料制備
　　水泥生產過程中，每生產1噸硅酸鹽水泥至少要粉磨3噸物料（包括各種原料、燃料、熟料、混合料、石膏），據統計，干法水泥生產線粉磨作業需要消耗的動力約占全廠動力的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%。
　　（3）水泥生料均化
　　新型干法水泥生產過程中，穩定入窯生料成分是穩定熟料燒成熱工制度的前提，生料均化系統起著穩定入窯生料成分的最后一道把關作用。
　　（4）水泥物料的預熱分解
　　把生料的預熱和部分分解由預熱器與分解爐來完成，代替回轉窯部分功能，達到縮短回轉窯長度的目的，同時使窯內以堆積狀態進行氣料換熱過程，移到預熱器內在懸浮狀態下進行，使生料能夠同窯內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，達到提高窯系統生產效率、降低熟料燒成熱耗的目的。
　　（5）水泥熟料的燒成
　　生料在旋風預熱器中完成預熱和預分解后，下一道工序是進入回轉窯中進行熟料的燒成。在回轉窯中碳酸鹽進一步的迅速分解并發生一系列的固相反應。
　　（6）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（及膠凝劑、性能調節材料等）粉磨至適宜的粒度（以細度、比表面積等表示），形成一定的顆粒級配，增大其水化面積，加速水化速度，滿足水泥漿體凝結、硬化要求。
　　（7）水泥包裝
　　水泥出廠有袋裝和散裝兩種發運方式。
　　水泥生產主要工藝過程簡要包括為“兩磨一燒”。按主要生產環節論述為：礦山采運（自備礦山時，包括礦山開采、破碎、均化）、生料制備（包括物料破碎、原料預均化、原料的配比、生料的粉磨和均化等）、熟料煅燒（包括煤粉制備、熟料煅燒和冷卻等）、水泥的粉磨（包括粉磨站）與水泥包裝（包括散裝）等。
4 變頻改造方案
　　（1）窯尾排風機的改造方案：
　　原系統是采用繞線電機串電阻降壓啟動，然后全壓運行的方式進行控制的，如圖2示。

　　變頻改造后的系統主電路如圖3示，從變頻器的輸入隔離開關QS1、輸出隔離開關QS2各取一對動斷觸點串入電阻柜內接觸器KM的合閘回路，保證變頻啟動時切除電阻啟動。

　　（2）高溫風機電動機改造方案
　　原系統主電路如圖4示，原系統電網通過真空斷路器直接進電機，采用液力耦合器進行調速。

        變頻改造后主電路如圖5示，把變頻器串在原系統的高壓真空斷路器與電動機之間，采用三個隔離開關進行工變頻轉換。變頻運行時閉合QS1、QS2，斷開QS3，工頻運行時閉合QS3，斷開QS1、QS2，QS2與QS3在電氣、機械方面雙互鎖，保證電氣回路的安全。考慮到變頻器調試期間的穩定性，先保留液力耦合器，變頻運行時將液力耦合器調到最大。

　　（3）變頻改造后實現的功能
　　①實現工變頻相互手動切換。
　　②將變頻控制納入用戶的DCS系統，實現遠方/就地控制。
　　③用戶的以往的保護在變頻時退出，工頻時保留。
　　④變頻器除了對電動機軟啟動外，具有過流、過壓、過載等保護。

　　（4）高壓變頻器的特點
　　變頻器采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP37系列高壓變頻器。該系列變頻器采用H橋單元級聯式結構，輸入端采用隔離變壓器多級移相疊加的整流方式改善網側的電流波形，減少輸入端的電流諧波成分，提高功率因數，一般可達到0.95以上。輸出側采用先進的載波移相技術，減少輸出端的電壓諧波，實測輸入、輸出端的諧波都在4%以內，在國家標準要求的范圍內。并采用了星點漂移、飛車啟動、三次諧波補償技術、針對高溫風機的“塌料”功能等，使整套設備技術先進，單元備份經濟，更換方便，維護成本低，設備運行穩定，滿足了用戶的需求。
5 高壓變頻器在水泥生產線風機應用的主要問題與解決措施
　　水泥廠生產線風機從工藝上對風量、風壓的調節要求，對高壓變頻器有一定針對性要求，特別是現場環境惡劣，一般粉塵較大，而高壓變頻器作為電力、電子器件與較精密的電子控制系統組成的設備，對環境要求較高，因此在設計、安裝、運行、維護方面要有一定的針對性，主要表現在：
　　（1）高溫風機的管道“塌料”導致電動機過電流甚至跳停。
　　由于在旋窯生產線生產過程中的預熱器管壁上的粉塵黏附到一定厚度時就會坍塌滑落，造成管道內粉塵濃度加大，阻力增加，負壓升高，使排風機負荷增加；如果垂直煙道或預熱器內在清潔皮或有物料塌陷時，同樣也會造成氣流波動，使排風管內氣流紊亂，造成高溫風機過負荷停機，該現象的頻繁出現對高溫風機電動機造成損壞。在實際使用過程中的塌料現象，會不定期的導致電動機運行電流在極短的時間內超出正常電流的數倍，如使用目前通用型變頻器，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線的正常運行。
　　針對這一情況，山東新風光電子的科研人員在總結高溫風機大量實踐經驗的技術上，推出了針對水泥生產線的窯尾高溫風機的專用變頻技術，從設備的硬件、控制軟件設計等多方面對高溫風機的不定期尖峰負荷運行進行全方位有針對性的設計改進。
　　①加大變頻器功率單元中IGBT功率器件的電流余量，以增加變頻器承受沖擊電流的能力。
　　②在過載保護時，提高保護電流的限值（2.5~3.0Ie），延長保護設定時間（10s）以上，從而實現“塌料”期間不跳機，保證窯爐正常生產。
　　③“塌料”期間適當降低轉速，以降低電動機的輸出軸功率，從而降低輸出電流。
　　采用以上技術后變頻器有效避免了通用變頻器在運行中由于“塌料”所導致的反復跳機，與原來的工頻液力耦合器相比也降低了跳機的可能性，從而使該條水泥生產線達到既節能又增效，降低了電動機和風機設備的故障率，為水泥企業保證安全生產、經濟運行提供了技術與設備保障。
　　（2）變頻改造后對原系統的主電路的處理。原來采用繞線式電動機轉子串電阻調速的，可將轉子短接，使滑環不再流過電流，從而降低燒損，原來采用液力耦合器調速的，仍可以保留，只是在變頻運行時將其調到最大，以便在變頻故障或檢修時作為備用設備，緊急時投運。
　　（3）電網電壓的波動等電源質量對高壓變頻器的影響。水泥廠一般地處偏遠，供電質量相對不高，對設備的電網適應性問題突出。高壓變頻器對電網的適應范圍寬（-85%~+115%Ue），采用單元故障線電壓均衡技術、工頻旁路、瞬時停電再啟動，包括相間短路保護等完善的保護措施，在提高啟動力矩和轉速精度的同時，提高了抗電網波動和負載擾動能力，大大提高了運行的可靠性。
　　（4）散熱問題與環境條件。作為電力電子設備，變頻器自身損耗大約在3%~4%左右，由于高溫風機功率較大，一般是1400~1800kW，其自身損耗約在56~70kW，因此必須做好變頻器室的散熱問題。由于水泥廠環境比較惡劣，現場粉塵較大，可因地制宜的采用空調散熱與風道散熱相結合的方式，并需加強防塵設計和日常維護，定期進行濾網清潔，從而保證設備的正常運行。
6 應用情況
　　該系統自2012年1月份開始進行變頻器系統改造，在曲阜中聯水泥廠的窯尾排風機、高溫風機上進行設備更新，到2012年2月10日投產，經過幾個月的試運行，收到了良好的效果。原來設備采用繞線電機轉子串電阻調速啟動，然后全速運行，靠調整出口擋風板的開度調節風量。這種調速方式存在明顯的缺點：風門調節反應滯后，調節速度慢，調節精度不高；耗能嚴重，啟動過程復雜，電阻損耗大，維護工作量大。采用變頻器改造后，與其他調速方式相比具有巨大的優勢。
　　（1）電動機可實現軟啟動，啟動電流非常小，減輕了對電網及機械部分的沖擊，有利于保護電網及電機。
　　（2）先進的“塌料”功能的實現，基本解決了高溫風機由于“塌料”導致的跳閘停運、生產中斷的問題，減少了對生產的影響，降低了電動機設備的故障率，取得了節能增效的巨大效益，得到了用戶的好評。
　　（3）改善了工藝，調速精度高，變頻器可以平滑、穩定的調整風量，提高了效率，保證了產品質量的穩定、可靠。
　　（4）設備運行與維護成本下降。采用變頻調速后，原來的轉子電阻滑環燒損、維護工作基本不再存在，避免了設備的維護造成的停產損失，運行的可靠性得到提高。
　　（5）延長電機等設備的使用壽命。變頻器實現了低頻、低壓的軟啟動，降低了啟動電流，避免了工頻下4~7倍或3~4倍的大電流，可延長電動機定子、轉子軸及軸承等電氣及機械壽命。
　　（6）變頻器采用液晶觸摸屏顯示，可隨時顯示輸入電壓、電流，輸出電壓、電流及運行頻率，非常直觀的顯示電機在任何時間的實時動態。
　　（7）變頻器具有通用的通訊接口，可以與PLC、工控機、用戶的DCS上位機等通訊，并可以與原控制設備相連接，構成閉環控制系統，實現數據交換與連鎖。
　　（8）節能效果明顯。
　　窯尾排風機
　　運行參數：
　　運行頻率：44Hz
　　輸入電流：22A          輸出電流   34A
　　輸入電壓：5950V        輸出電壓  5593V
　　原工頻運行電流是35A，
　　則工頻用電量為：P1=1.732*6000*35*0.749=272.426kW
　　變頻用電量為：P2=1.732*6000*22*0.97=221.765kW
　　節約電量為：△P=P1-P2=272.426-221.765=50.661kW
　　節電率為：η=△P/ P1=50.661/272.426*100%=18.6%
　　高溫風機
　　運行參數：
　　運行頻率：47Hz
　　輸入電流：114A          輸出電流   147A
　　輸入電壓：6050 V        輸出電壓  5324V
　　原工頻運行電流是145A
　　則工頻用電量為P1=1.732*6000*145*0.875=1318.485kW
　　變頻用電量為：P2=1.732*6000*114*0.97=1149.147kW
　　節電量為△P=P1-P2=1318.485-1149.147=169.338kW
　　節電率為：η=△P/ P1=169.338/1318.485*100%=12.8%
　　根據以上節能數據可以看出，節電率一般在15%左右，電費若以0.5元/kW·h計算，不到2年即可收回投資。除了節能降耗外，其他方面的效益也是非常明顯的。
7 結論
　　曲阜中聯水泥廠的變頻風機改造結果表明，變頻器在水泥廠相關設備上的改造是非常成功的，水泥廠有很多的大功率設備，其電能的損耗也是非常嚴重的，可借鑒在風機上改造的成功經驗，進行其他設備的變頻升級改造，其應用前景是非常樂觀的。