霍城水泥廠原為年產(chǎn)20萬(wàn)噸水泥粉磨站，于2006年12月配套建成一條φ3.2×52m回轉(zhuǎn)窯帶旋風(fēng)預(yù)熱器及管道型分解爐1600t/d熟料預(yù)分解窯水泥生產(chǎn)線。窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、煤磨排風(fēng)機(jī)原來(lái)采用風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量與風(fēng)壓，在窯內(nèi)負(fù)壓發(fā)生變化時(shí)，需要人工調(diào)節(jié)風(fēng)門，由于人調(diào)節(jié)不準(zhǔn)，造成電能嚴(yán)重的浪費(fèi)。本工程利用成熟、先進(jìn)、可靠的技術(shù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造，是典型的節(jié)能改造項(xiàng)目，既符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略，又是節(jié)約用能和合理利用能源的體現(xiàn)。
一、項(xiàng)目提出背景、意義及必要性
水泥生產(chǎn)企業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的能源消耗大戶，在水泥的生產(chǎn)中，電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗占生產(chǎn)成本的30%，而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)負(fù)載中占有很大比重。對(duì)于一條水泥成產(chǎn)線其中有35～40%的電能是用于拖動(dòng)各種類型風(fēng)機(jī)上，因此做好風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的降耗工作就顯得極為重要。
目前很多水泥廠由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需要的風(fēng)量也隨之變化，大部分風(fēng)機(jī)采用調(diào)節(jié)進(jìn)、出口閥門開(kāi)度的傳統(tǒng)做法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而該方法存在人為增加風(fēng)阻、風(fēng)機(jī)效率低、損耗嚴(yán)重等缺點(diǎn)。如果采用變頻調(diào)速技術(shù)通過(guò)改變電機(jī)的運(yùn)行速度，以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，可以滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時(shí)減少因調(diào)節(jié)風(fēng)門而造成的擋板磨損和管道磨損，以及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的額外經(jīng)濟(jì)損失。隨著電力電子技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，變頻技術(shù)日趨成熟，國(guó)際上對(duì)于風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓調(diào)節(jié)已普遍摒棄靠調(diào)整配套的風(fēng)門開(kāi)度的手段，改而采用變頻調(diào)速的電器傳動(dòng)調(diào)節(jié)，變頻調(diào)速已成為風(fēng)機(jī)、泵類節(jié)能降耗的最佳、首選的電氣傳動(dòng)方式。
節(jié)約能源是我國(guó)的基本國(guó)策，國(guó)家制定了“節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃”，為落實(shí)此規(guī)劃目標(biāo)，國(guó)家發(fā)改委最近啟動(dòng)了十大重點(diǎn)工程，作為耗能大戶的水泥行業(yè)是國(guó)家宏觀調(diào)控的重點(diǎn)，也是節(jié)能的重點(diǎn)行業(yè)，通過(guò)各種措施，如果能把生產(chǎn)每噸水泥電耗控制在78kWh內(nèi)，按我國(guó)水泥年產(chǎn)15億噸計(jì)算，如達(dá)到節(jié)能指標(biāo)，則每年可節(jié)約百萬(wàn)噸煤，節(jié)電百億度，并且可使廢氣排放量降低，有利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)也降低了成本。目前在我國(guó)，水泥行業(yè)相對(duì)于其它如冶金、電力等行業(yè)，高壓變頻改造的進(jìn)度相對(duì)緩慢，如果中國(guó)大多數(shù)水泥制造企業(yè)都能合理、深度挖潛自身潛力，那么有理由相信，中國(guó)的天將會(huì)更藍(lán)，水會(huì)更清，節(jié)能型的和諧社會(huì)煤耗前景定會(huì)展現(xiàn)在我們的面前。
伊犁南崗建材(集團(tuán))有限責(zé)任公司高壓變頻技術(shù)在新型干法水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用及示范項(xiàng)目，是在國(guó)家對(duì)水泥行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展新型干法水泥生產(chǎn)線、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、淘汰落后產(chǎn)能作為水泥行業(yè)節(jié)能降耗的四方面措施的情況下提出的，隨著水泥行業(yè)輥式磨系統(tǒng)越來(lái)越多地被采用，水泥生產(chǎn)線上的主機(jī)電機(jī)耗電比重越來(lái)越大，為了提高水泥效率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，其意義深遠(yuǎn)，是非常必要的。
二、技術(shù)探討
(一)、技術(shù)難點(diǎn)
在于技術(shù)的穩(wěn)定性，穩(wěn)定長(zhǎng)期的運(yùn)行，技術(shù)處理，以及今后解決突發(fā)變化的技術(shù)的能力。
技術(shù)在矢量變換數(shù)字模型的推導(dǎo)、速度環(huán)的跟蹤響應(yīng)等等。這些是技術(shù)領(lǐng)域里的研發(fā)難點(diǎn)。
1、在中高壓領(lǐng)域，矛盾的焦點(diǎn)在自關(guān)斷器件如IGBT的耐壓?jiǎn)栴}，對(duì)3kV、6kV、10kV或更高的工作電壓IGBT的耐壓是短期內(nèi)無(wú)法解決的，對(duì)高速功率開(kāi)關(guān)器件的串聯(lián)問(wèn)題是公認(rèn)的難題。
2、輸入輸出諧波的指標(biāo)。多重化被稱為“完美無(wú)諧波”，是外國(guó)公司營(yíng)銷技術(shù)名詞，以為中國(guó)人對(duì)變頻技術(shù)不了解，用輸入端滿載諧波含量做誤導(dǎo)宣傳，以概念混淆，偷梁換柱的說(shuō)法。事實(shí)上，變頻器產(chǎn)生的諧波應(yīng)嚴(yán)格分為兩部分，即：(1)、輸入端諧波含量指標(biāo)，指對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的騷擾作用。(2)、輸出端諧波含量指標(biāo)，指對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)轉(zhuǎn)的脈動(dòng)性、溫升、絕緣老化、升華軸承疲勞的副作用。
(二)、創(chuàng)新點(diǎn)
首次在疆內(nèi)新型干法水泥建材企業(yè)的高壓風(fēng)機(jī)大規(guī)模推廣應(yīng)用高壓變頻技術(shù)。
1、采用具備PFC功率因數(shù)校正電路的IGBT直接串聯(lián)在高壓變頻器主電路中，并且應(yīng)用現(xiàn)代的DSC(直接速度控制)技術(shù)，解決了高速功率開(kāi)關(guān)器件的串聯(lián)問(wèn)題。由于采用二極管整流，可以保證電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)在0.95以上。
2、高壓變頻器效率高，無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，其效率達(dá)0.95以上，并且不隨調(diào)速的范圍而變化。液力耦合器效率低，其效率與調(diào)速比成正比，負(fù)載的轉(zhuǎn)速越低，其效率越低，下圖所示為液力耦合器的效率曲線。
圖一 液力耦合器的效率曲線
液力耦合器屬轉(zhuǎn)差損耗型調(diào)速，是低效調(diào)速設(shè)備，在調(diào)速的過(guò)程中,轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中。這不僅消耗了能量，而且使液力耦合器油溫升高，為此必須采取妥善的冷卻方式，特別是在環(huán)境溫度較高的場(chǎng)合應(yīng)用，對(duì)冷卻的要求更高。我廠的3#窯高溫風(fēng)機(jī)的液力耦合器在夏季不得不采取不間斷的沖水冷卻等措施，即使如此，有時(shí)仍會(huì)因溫度過(guò)高，威脅到液力耦合器安全時(shí)，不得不停機(jī)，以使溫度降下來(lái)。
3、高壓變頻器調(diào)速范圍寬，達(dá)到10:1以上，甚至達(dá)到100:1以上，而調(diào)速型液力耦合器的調(diào)速范圍最大為4:1。
4、高壓變頻器調(diào)速精度達(dá)到0.1Hz，而且穩(wěn)定性高，這是一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)。調(diào)速精度高、穩(wěn)定性高，意味著所傳動(dòng)的風(fēng)機(jī)(水泵)的壓力和風(fēng)量(流量)穩(wěn)定，這對(duì)于穩(wěn)定生產(chǎn)工藝過(guò)程是很重要的，液力耦合器調(diào)速精度差，轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，難以保證穩(wěn)定生產(chǎn)。
5、高壓變頻器具有真正意義上的軟起動(dòng)功能，它可以使起動(dòng)電流值保持在額定電流以內(nèi)，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，也不會(huì)對(duì)所傳動(dòng)的風(fēng)機(jī)、泵類的機(jī)械設(shè)備帶來(lái)沖擊，是最理想的軟啟動(dòng)設(shè)備。液力耦合器屬于直接起動(dòng)類型，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流約為額定電流的4～7倍，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，特別是在電網(wǎng)容量受限而電機(jī)容量較大時(shí)，這種直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)所造成的沖擊有時(shí)是不允許的。
6、采用現(xiàn)代的PWM控制技術(shù)，產(chǎn)生的電壓波形能基本消除低次諧波，在低頻段波形優(yōu)于多電平和多重化，基本消除了變頻器對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的騷擾作用和對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)轉(zhuǎn)的脈動(dòng)性、溫升、絕緣老化、升華軸承疲勞的副作用。
(三)國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀
目前在國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)存在的問(wèn)題及現(xiàn)狀：
1、采用擋板調(diào)節(jié)時(shí)，大量的能量損耗在擋板的截流過(guò)程中。
2、采用擋板調(diào)節(jié)時(shí)，介質(zhì)對(duì)擋板閥門和管道沖擊較大，設(shè)備損壞較大。
3、擋板執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般為大力矩的電動(dòng)執(zhí)行器，故障較多，不能適應(yīng)長(zhǎng)期頻繁調(diào)節(jié)。
4、擋板動(dòng)作遲緩，手動(dòng)時(shí)人員不易操作，調(diào)節(jié)線性度差，閉環(huán)自動(dòng)控制較難，動(dòng)態(tài)性能不理想，操作不當(dāng)會(huì)造成風(fēng)機(jī)震動(dòng)。
5、異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)電流一般達(dá)到額定電流的6-8倍，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，引起電機(jī)發(fā)熱，強(qiáng)大的沖擊轉(zhuǎn)矩影響電機(jī)和風(fēng)機(jī)的機(jī)械壽命。
6、繞線式電機(jī)采用水電阻啟動(dòng)或調(diào)速，設(shè)備復(fù)雜，可靠性低。
7、液力耦合器調(diào)速，體積大、噪聲大、調(diào)速范圍窄、效率低、油系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜。
(四)目標(biāo)和內(nèi)容
1、變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)約了原來(lái)?yè)醢褰亓舻哪芰繐p耗或液力耦合器機(jī)械損耗和水電阻內(nèi)部發(fā)熱的能量損耗。
2、實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械負(fù)載的沖擊大大較小，延長(zhǎng)了電機(jī)和風(fēng)機(jī)的壽命。
3、風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，降低了介質(zhì)對(duì)風(fēng)機(jī)扇葉哈擋板的磨損，降低了軸承、密封的損壞，減少了維護(hù)工作量，電機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和噪聲明顯降低。
4、采用變頻調(diào)速技術(shù)，方便自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)行閉環(huán)控制，線性度較好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，風(fēng)量調(diào)節(jié)平衡，使設(shè)備在更經(jīng)濟(jì)得狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行。
三、項(xiàng)目建設(shè)必要性
窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、煤磨排風(fēng)機(jī)原來(lái)采用風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)量與風(fēng)壓，在窯內(nèi)負(fù)壓發(fā)生變化時(shí)，需要人工調(diào)節(jié)風(fēng)門，由于人調(diào)節(jié)不準(zhǔn)，造成電能嚴(yán)重的浪費(fèi)。
循環(huán)風(fēng)機(jī)與高溫風(fēng)機(jī)采用水電阻啟動(dòng)，采用液力耦合器調(diào)節(jié)風(fēng)量與風(fēng)壓，由于液力耦合器漏油，需要經(jīng)常加油，經(jīng)常由于液力耦合器的故障引起停產(chǎn)。
由于世界能源緊缺，煤、電、油等能源價(jià)格不斷攀升，能耗高已嚴(yán)重制約企業(yè)的生存和可持續(xù)發(fā)展。近幾年變頻調(diào)速的優(yōu)越性和節(jié)能效果已在低壓變頻器的運(yùn)用中得到充分體現(xiàn)，同時(shí)高壓變頻技術(shù)的日趨成熟，并逐步在冶金、化工、電力、建材等眾多行業(yè)中得到推廣和應(yīng)用。我公司作為新疆清潔生產(chǎn)的試點(diǎn)企業(yè)，節(jié)能降耗勢(shì)在必行。公司各部門根據(jù)各自在操作、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備可靠性、控制、節(jié)能和管理等方面對(duì)公司工藝控制復(fù)雜、設(shè)備維護(hù)量大、故障率高;電氣控制復(fù)雜、耗電量較高、有較高的節(jié)能空間的設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研和可行性分析，確定將窯尾高溫風(fēng)機(jī)、系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的高壓電機(jī)作為第一批變頻節(jié)能技術(shù)的研究。
在國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等六部門聯(lián)合下發(fā)的《十大節(jié)能工程實(shí)施意見(jiàn)》中指出，我國(guó)目前電機(jī)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題有電動(dòng)機(jī)及被拖動(dòng)設(shè)備效率低，電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵等設(shè)備陳舊落后;系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重，設(shè)備長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行;系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式落后，大部分風(fēng)機(jī)、泵類采用機(jī)械節(jié)流方式調(diào)節(jié)，效率比調(diào)速方式約低30%。因此，在電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程中國(guó)家要求推廣變頻調(diào)速、永磁調(diào)速等先進(jìn)電機(jī)調(diào)速技術(shù)，改善風(fēng)機(jī)、泵類電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機(jī)械節(jié)流調(diào)節(jié)方式。重點(diǎn)對(duì)大中型變工況電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速改造，合理匹配電機(jī)系統(tǒng)，消除“大馬拉小車”現(xiàn)象。
伊犁南崗建材(集團(tuán))有限責(zé)任公司伊犁水泥廠和霍城水泥廠三條生產(chǎn)線中的10臺(tái)高壓風(fēng)機(jī)目前均通過(guò)調(diào)整擋板開(kāi)度的定速機(jī)械節(jié)流方式來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)風(fēng)量的控制。在水泥生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中，由于對(duì)風(fēng)機(jī)可靠性考慮較多，因而經(jīng)濟(jì)性被忽略，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型偏于保守，留有相當(dāng)大的富余量。在正常運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)達(dá)不到滿出力，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，浪費(fèi)更大，很大部分的電能都浪費(fèi)在節(jié)流損失上。出現(xiàn)了調(diào)節(jié)方式落后，效率低下，系統(tǒng)匹配不合理，嚴(yán)重的“大馬拉小車”現(xiàn)象。
目前作為大容量傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用。而且高壓電機(jī)利用高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足電機(jī)調(diào)速控制的要求，可大幅度節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本。其顯著的特點(diǎn)已成為企業(yè)進(jìn)行節(jié)能降耗改造的首選方案。
四、市場(chǎng)需求
本項(xiàng)目中，為達(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的，擬對(duì)伊犁水泥廠和霍城水泥廠這三條生產(chǎn)線的風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)研究應(yīng)用。
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16780-2007《水泥單位產(chǎn)品能源消耗限額》對(duì)通用硅酸鹽水泥企業(yè)能耗指標(biāo)做出了以下強(qiáng)制性規(guī)定：
現(xiàn)有生產(chǎn)線：2000噸/日～4000噸/日可比熟料綜合電耗限額限定值為≤73千瓦時(shí)/噸，可比水泥綜合電耗限額限定值為≤110千瓦時(shí)/噸;1000噸/日～2000噸/日可比熟料綜合電耗限額限定值為≤76千瓦時(shí)/噸，可比水泥綜合電耗限額限定值為≤115千瓦時(shí)/噸。
根據(jù)對(duì)本項(xiàng)目實(shí)施單位的電耗情況的測(cè)算，本項(xiàng)目3條生產(chǎn)線的產(chǎn)品單耗較高，達(dá)不到國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的電耗限額限定值的要求，生產(chǎn)線各風(fēng)機(jī)未安裝變頻調(diào)速裝置是主要原因。
推廣應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)電20～30%，填補(bǔ)新疆建材行業(yè)新型干法水泥生產(chǎn)線大規(guī)模推廣應(yīng)用該技術(shù)的空白。
五、產(chǎn)品應(yīng)用
該項(xiàng)目在我公司伊犁水泥廠、霍城過(guò)水泥廠研究推廣應(yīng)用后，我們把該技術(shù)成果推廣應(yīng)用在南崗水泥廠、博樂(lè)南崗建材有限公司、北屯建材有限公司、哈密南崗建材公司的高壓風(fēng)機(jī)上，南崗集團(tuán)在高壓變頻技術(shù)成為自治區(qū)新型干法建材企業(yè)節(jié)能減排的典范和方法基地，在自治區(qū)建材行業(yè)及其它相關(guān)行業(yè)大力推廣應(yīng)用。
本項(xiàng)目采用EMC合同能源管理模式進(jìn)行建設(shè)。本工程利用成熟、先進(jìn)、可靠的技術(shù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)系統(tǒng)變頻節(jié)能改造，是典型的節(jié)能改造項(xiàng)目，既符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略，又是節(jié)約用能和合理利用能源的體現(xiàn)。本工程實(shí)施后每年可節(jié)約電力1166萬(wàn)千瓦時(shí)。符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策和環(huán)境保護(hù)政策的，具有很好的節(jié)能效益和環(huán)境效益。
項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益分析
年節(jié)電效益為1166萬(wàn)千瓦時(shí)
年節(jié)能收益：1166 × 0.35 元/千瓦時(shí) = 466.5 萬(wàn)元
項(xiàng)目減排效益計(jì)算：
根據(jù)本項(xiàng)目完成后，年實(shí)現(xiàn)節(jié)能量為4081噸標(biāo)準(zhǔn)煤的情況，結(jié)合新疆煤質(zhì)情況，計(jì)算本項(xiàng)目年可減少二氧化碳排放量為10162噸，減少二氧化硫排放量為53噸。
項(xiàng)目節(jié)能量計(jì)算：
本項(xiàng)目實(shí)施后，以上三條生產(chǎn)線合計(jì)節(jié)能量為：
(284+996+308) kW·h/h×7344h=11662272kW?h
年節(jié)約電費(fèi)量(按0.40元/kW?h計(jì)算)：
11662272kW·h×0.40元/kW·h=466.49萬(wàn)元
按照國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的2007年全國(guó)平均供電煤耗為350克標(biāo)準(zhǔn)煤/kW?h計(jì)算得節(jié)能量為：11662272kW·h×350kce/ kW·h=4081噸標(biāo)準(zhǔn)煤
本工程所采用技術(shù)成熟可靠，項(xiàng)目年收益466.5萬(wàn)元，簡(jiǎn)單投資回收期3.16年，內(nèi)部收益率35.85%，經(jīng)濟(jì)效益顯著，抗風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)。
六、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，本工程符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策和環(huán)保政策，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益、社會(huì)效益和抗風(fēng)險(xiǎn)能力。
