水泥厂变频节能改造
水泥厂变频节能改造
近*、两年我*大量引进变频调速器为各行各业进行节能改造，水泥厂的罗茨风机、立窑卸料机，供水泵等设备应用变频调速器，经过*内特别是广东的多个水泥厂的应用，长期测量的数据（如江门市水泥厂的统计数据）表明，节能效果是相当惊人的，每生产*吨水泥平均节约４３％的电耗量。由此可见水泥行业使用变频器有明显的节能效果，是目前*为先进的设备，也是水泥厂今后技改的*个重要方向为了让更多的厂*认识这种先进的节能技术，大胆应用，在此将变频调速器节能的原理，以及安装调试，使用中的问题作*个综合报告。
1、罗茨风机应用变频调速的节能原理
我*水泥厂较多采用立窑配备１５５～２１５ＫＷ罗茨风机，传统的风量控制办法是倚靠放风阀进行调节。由于罗茨风机的供风量较为恒定的，煅烧时根据窑的情况需要随时调节风量，当窑内需要少风量时，通过放风阀放走多余的风量，造成严重的能源浪费。怎样才能节省放风所浪费的能源呢？当然*根本的办法是控制罗茨风机的转速，进行风量调节，保证窑内需多少风量就供多少风，*免除放风所造成的浪费。因此把风机的节能问题会聚焦点，成为风机**调速的问题，针对１５５～２１５ＫＷ或更大功率电机、风机、**调速的课题，**们不懈的努力进行研究、攻关，*终是变频调速的方法，获得了成功。*论是造价、可靠性、改造周期是*为适合大面积推广使用的。直流电机调速的方法，如此大功率的直流电机造价很昂贵更主要的是在水泥厂大粉尘环境下，直流电机的电气寿命很短，因此*法应用。液力偶合器的调速效率较低，并需要改基础，改造周期*个多月。根据*内多个水泥厂应用结果表明，平均节能在５～１０％，这个节能效果比起采用变频调速的方法节能在３０～４５％是*法比拟的，因此很多厂*纷纷放弃液力偶合器采用变频器。
已经采用变频调速技术的厂*通过实践，实测对其可靠性，节能效果是毫不怀疑了。但是对于尚未使用过的厂*来说，会有这样的疑问，在其它厂使用也许有它的特定条件，因此有此效果，它是否适合自己的设备呢？不能下*个定论。在此我们在理论和实践上阐明，怎样估计未使用变频器的风机的节能效果。
罗茨风机的风压是不受风机转速限制的，不论转速变化如何其风压可以保持不变。而风量则与风机转速成正比的，如公式（１－１）
Ｑ＝ＫＮ（式１－１）
Ｑ：表示风量 Ｎ：表示风机转速 Ｋ：为系数因此风量调节，*由变频器改变电机频率达到**变速，起到调节风量的效果。根据现场应用工艺风机的*低频１５ＨＺ，通常在３５ＨＺ左右，有个别时刻５０ＨＺ满风量运行，由于立窑工艺基本是*致的，因此在不同的立窑风量调节量是基本相同的，凡立窑应用变频技术都可以获４０％左右的节能效果。
2、立窑卸料调速电机改造
立窑卸料机是采用１８•５～３０ＫＷ的滑差调速电机，转速通常控制在３００－１０００ｒｐｍ，这是工艺上根据窑的情况，对卸料速度进行控制的。采用变频调速的方法取代滑差电机经过多个厂*的应用结果表明，平均节能量４０％左右、为什么对滑差电机进行变频改造会有如此大的节能效果呢，因为利用滑差调速方法是的*种耗能的低效调速方法，如公式（２－１）滑差电机主电机轴输出功率：
Ｐ０∝Ｍ０*Ｎ０ 式２－１
Ｐ０：表示轴输出功率
Ｍ０：表示负载转矩
Ｎ０：表示主电机转速
滑差头输出功率：
Ｐ１∝Ｍ０•Ｎ１ 式２－２
Ｐ１：表示输出功率
N１：表示滑差头转速
滑差头损耗功率：
△Ｐ＝Ｐ０－Ｐ１∝Ｍ０（Ｎ０－Ｎ１） 式２－３
由滑差头损耗功率公式（２－３）可以清楚看到，滑差电机的转速越低，浪费能源越大，然而卸料机的转速通常在４００ｒｐｍ左右运行，因此改用变频调速的方式会有５０～６０％的节能效果。在水泥厂中除了立窑卸料机是采用滑率调速电机，还有很多设备同样是采用滑差电机，要进*步挖潜应全面对低效耗能的滑差电机进行变频改造，节能前景大有可为。
3、离*式风机、水�*嗌璞傅慕谀茉�
�*承┧喑遣捎酶哐估�*式风机进行供风的，该种水泥窑的风量调节是通过风门开启度对风量进行调节。对于离*式风机、水泵的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。我们通过沸腾式锅炉高压离*式风机应用变频调速的方法调节风量，实践证明其节能效果在３０～５０％。对于水泵的变频改造节能效果高达７０％。为什么离*式风机，�*嗌璞竿ü魉俚鹘诜缌炕蛄髁坑腥绱司说慕谀苣兀吭诖私湓砑右圆鳌＠�*式风机、�*嗌璞傅牧髁坑胱俪烧龋绻剑ǎ常保┭沽τ胱倨椒匠烧龋绻剑ǎ常玻┕β视胱俚牧⒎匠烧龋绻剑ǎ常常�
Ｑ∝Ｎ 式３－１ Ｑ：表示流量
Ｐ∝Ｎ３ 式３－３ Ｈ：表示压力
Ｐ：表示功率
将经上３个公式绘成*张图，如图３－１可以清楚看到，改变转速其流量线性变化的， 而功耗则是立方关系变化，因此在调节风量或流量时如降低２０％的风量或流量，功耗 ，则会下降５０％。但是必须注意，转速与压力是平方关系，当转速下降２０％压力则会下降６４％，因此必须要注意工艺要求压力范围不能象罗茨风机那样，不用考虑转速与P风压的关系。
离*风机、�*嗌璞复车姆缌俊⒘髁靠刂频模罅康哪茉春脑诜缑呕蚪亓鞣У淖枇ι希绻剑ǎ常矗缑呕蚪亓鞣Э刂屏髁康墓挠肓髁抗叵担�
Ｐ＝Ｐ０＋Ｋ•Ｑ 式３－４
Ｑ：表示流量 Ｋ：为系数
Ｐ：表示功耗 Ｐ０：表示基本功率
由此可以看到在流量变化范围，采用变频调速的方法具有很大的节能潜力，因此在
水泥厂的供水泵或其它离*风机上进行变频改造同样会取得很大的节能效果。
4、变频调速的基本原理及特性
对于普通异步电机的**调速，必须采用变频变压，同时进行的方法才能够实现，异步电机的调速如，公式（４－１）因此利用变频技术，调整电机的供电频率，使电机得到任意转速。
Ｎ＝６０ｆ（１－Ｓ）／Ｐ 式４－１
Ｎ：表示转速 ｆ：表示频率 Ｓ：表示滑差率 Ｐ：表示电机*对数从电机的设计特性，如单纯改变频率，会造成严重的磁过饱和或转矩变软，根据电机转矩特性公式（４－２）可知只要在频率Ｆ变化时，电压Ｖ跟踪变化，保持压频比Ｖ／Ｆ为常数，即可保证电机在变频调速的同时，保证恒转矩输出。如图４－１所示
Ｍ＝Ｋ（Ｖ／Ｆ） 式４－２ Ｍ：表示转矩 Ｖ：表示电压 Ｆ：表示频率 Ｋ：为系数
5、电机及水泵的变频改造
滑差调速电机的变频改造：改造滑差调速电机有两种方法。
*先是切换滑差电调速电机，改用普通异步电机，由变频器直接控制转速如图５－２，将原来的滑差电机拆除换上异步电机，将原调速控制改为变频控制，这种改造方案，在机械结构上需要换电机及电气改造，需要时间不多，可以让调速系统发挥*高效率。
另外*种方法是*需更换滑差调速电机，用变频器直接控制滑差调速电机的主电机转速，将滑差头控制器设定在*大转速。这样减少了机械改造工作。但节能效果因滑差头有所损耗，会比直接用异步机调速的方法低１０％左右。
供水泵的恒压供水改造方案：
在工业生产中，用水几乎是每*个工厂必不可少的，水泥厂同样不会例外，但由于工厂用水不是每时每刻都处于恒定状态。因此水泵的流量不加控制的话，在用水低峰期，泵口压力增加，浪费能源，根据上文论述的�*喔涸氐慕谀茉恚帽淦灯鞫运媒械魉佟＜纯纱锏浇谀苣康摹２捎醚沽Υ衅鳎校桑牡鹘谄饔氡淦灯鞴钩�*个闭环自动控制回路，使整系统自动控制流量，保持压力恒定，从而使供水泵在*佳节能状态运行。
6、成球预加水系统
生料成球工序是影响水泥熟料烧结质量的关键工序之*，其中，料、水比例直接影响成球好坏。变频器通过对成球预加水泵电机转速进行**调速调节，时刻跟踪生料供给量，进行等比例加水，从而使半机械化、半手工加“人脑”（即凭经验）控制的落后工艺跨上了全自动化、电脑控制的新台阶。料水配合比较稳定，成球效果良好，水泥烧结质量得到提高
7、生料均化给料系统
为确保产品质量必须*大限度消除生料中石料质量的随机波动，实现均化是必要的。但螺旋给料机“堵料”、“亏料”现象时有发生，间断给料不仅影响生产，而且造成机械设备和电器设备的损伤。各生料仓下送料口的送料比例人为性较大，使均化效果受到影响，*直*法解决。此系统用变频改造之后，将*送料口处的送料电机用变频器同步进行**调速，等比例送料，操作人员只需观察螺旋给料机的总输料量，调整送料电机转速快慢即可。这样均化效果大大提高，非生产耽搁时间减少50%以上。
8、水泥选粉系统
根据水泥桔的不同，要求水泥成品粉粒细度不同，而老式选粉机要改变选粉细度，其过程相当麻烦，不单要停产，而且要将选粉机拆开，调速同轴上每组扇叶的数量和角度。这个过程又没有*定的标准，只能按照经验*次*次对比试验，每次都重复这样的过程：
拆开机组→调整扇叶→装上机组→试选→*验细度
直到选出的粉粒达到要求的细度为止。变频改造之后的选粉系统，只须按下提前预置的不同标号细度按钮，选粉机选出的粉粒就对应所需要的细度。做到了连续化、自动化生产，即节约了宝贵的时间又提高效率，降低劳动强度，综合效益明显。
9、安装、调试、使用变频器应注意的几个问题
１、变频器通常是安装在配电室内，环境温度不要超过４０℃，灰尘要较为小，特别注意避免导电性、保湿性和腐蚀性，粉尘和气体的环境安装设备。
２、电气安装时要特别注意，电源输入输出线绝对禁止错接，将电源输入线接上变频器的输出，如发生错误即马上损坏设备。
３、远距离控制线必须采用屏敝线，并且在布线范围内必须与电力动力线相距*米，相交时必须转９０°角，更不要将控制线与动力线放在同*个线框内，被免控制信号受到干扰。
４、变频器开机调试前必须根据负载特点，将*参数设定好，*查*错误方可开机运行，特别注意变频器输出电流，在起动过程中，恒转速过程中，减速过程中，认真观察，如果第*次设定的参数不是十分理想时，应逐步接近。具体调试规则请参看本公司的《变频器调试手册》。
５、总结各*水泥厂在罗茨风机、立窑卸料机、水泵等设备应用，变频器所碰到的问题以及解决方法在此向各厂*作*个简介。
⑴、机械共振问题：有个别厂*在使用变频器前，*机械共振现象的。但利用变频调速之后，在某些频率，机械共振很强烈，有的甚至影响到整座建筑，其原因是原风机系统只是设计在５０ＨＺ市电下运行，改变频后，则在１５－５０ＨＺ之间**变化。因此在某些频率点上造成机械共振，调试时必须细**查是否存在机械共振的问题，如果有应采用频率回避的方法，即在发生共振的频率范围，跳过该频率范围使变频器不输出发生共振的频率范围。
⑵、电机低速运行的散热问题：由于电机的散热是由电机转子带的风叶吹风进行的，电机的转速降低时，吹风量减小，低速时，散热风量不够，长期运行会造成电机过热，因此在长期低速运行时，必须另加散热风扇。
近*、两年我*大量引进变频调速器为各行各业进行节能改造，水泥厂的罗茨风机、立窑卸料机，供水泵等设备应用变频调速器，经过*内特别是广东的多个水泥厂的应用，长期测量的数据（如江门市水泥厂的统计数据）表明，节能效果是相当惊人的，每生产*吨水泥平均节约４３％的电耗量。由此可见水泥行业使用变频器有明显的节能效果，是目前*为先进的设备，也是水泥厂今后技改的*个重要方向为了让更多的厂*认识这种先进的节能技术，大胆应用，在此将变频调速器节能的原理，以及安装调试，使用中的问题作*个综合报告。
1、罗茨风机应用变频调速的节能原理
我*水泥厂较多采用立窑配备１５５～２１５ＫＷ罗茨风机，传统的风量控制办法是倚靠放风阀进行调节。由于罗茨风机的供风量较为恒定的，煅烧时根据窑的情况需要随时调节风量，当窑内需要少风量时，通过放风阀放走多余的风量，造成严重的能源浪费。怎样才能节省放风所浪费的能源呢？当然*根本的办法是控制罗茨风机的转速，进行风量调节，保证窑内需多少风量就供多少风，*免除放风所造成的浪费。因此把风机的节能问题会聚焦点，成为风机**调速的问题，针对１５５～２１５ＫＷ或更大功率电机、风机、**调速的课题，**们不懈的努力进行研究、攻关，*终是变频调速的方法，获得了成功。*论是造价、可靠性、改造周期是*为适合大面积推广使用的。直流电机调速的方法，如此大功率的直流电机造价很昂贵更主要的是在水泥厂大粉尘环境下，直流电机的电气寿命很短，因此*法应用。液力偶合器的调速效率较低，并需要改基础，改造周期*个多月。根据*内多个水泥厂应用结果表明，平均节能在５～１０％，这个节能效果比起采用变频调速的方法节能在３０～４５％是*法比拟的，因此很多厂*纷纷放弃液力偶合器采用变频器。
已经采用变频调速技术的厂*通过实践，实测对其可靠性，节能效果是毫不怀疑了。但是对于尚未使用过的厂*来说，会有这样的疑问，在其它厂使用也许有它的特定条件，因此有此效果，它是否适合自己的设备呢？不能下*个定论。在此我们在理论和实践上阐明，怎样估计未使用变频器的风机的节能效果。
罗茨风机的风压是不受风机转速限制的，不论转速变化如何其风压可以保持不变。而风量则与风机转速成正比的，如公式（１－１）
Ｑ＝ＫＮ（式１－１）
Ｑ：表示风量 Ｎ：表示风机转速 Ｋ：为系数因此风量调节，*由变频器改变电机频率达到**变速，起到调节风量的效果。根据现场应用工艺风机的*低频１５ＨＺ，通常在３５ＨＺ左右，有个别时刻５０ＨＺ满风量运行，由于立窑工艺基本是*致的，因此在不同的立窑风量调节量是基本相同的，凡立窑应用变频技术都可以获４０％左右的节能效果。
2、立窑卸料调速电机改造
立窑卸料机是采用１８•５～３０ＫＷ的滑差调速电机，转速通常控制在３００－１０００ｒｐｍ，这是工艺上根据窑的情况，对卸料速度进行控制的。采用变频调速的方法取代滑差电机经过多个厂*的应用结果表明，平均节能量４０％左右、为什么对滑差电机进行变频改造会有如此大的节能效果呢，因为利用滑差调速方法是的*种耗能的低效调速方法，如公式（２－１）滑差电机主电机轴输出功率：
Ｐ０∝Ｍ０*Ｎ０ 式２－１
Ｐ０：表示轴输出功率
Ｍ０：表示负载转矩
Ｎ０：表示主电机转速
滑差头输出功率：
Ｐ１∝Ｍ０•Ｎ１ 式２－２
Ｐ１：表示输出功率
N１：表示滑差头转速
滑差头损耗功率：
△Ｐ＝Ｐ０－Ｐ１∝Ｍ０（Ｎ０－Ｎ１） 式２－３
由滑差头损耗功率公式（２－３）可以清楚看到，滑差电机的转速越低，浪费能源越大，然而卸料机的转速通常在４００ｒｐｍ左右运行，因此改用变频调速的方式会有５０～６０％的节能效果。在水泥厂中除了立窑卸料机是采用滑率调速电机，还有很多设备同样是采用滑差电机，要进*步挖潜应全面对低效耗能的滑差电机进行变频改造，节能前景大有可为。
3、离*式风机、水�*嗌璞傅慕谀茉�
�*承┧喑遣捎酶哐估�*式风机进行供风的，该种水泥窑的风量调节是通过风门开启度对风量进行调节。对于离*式风机、水泵的变频调速改造同样有巨大的节能潜力。我们通过沸腾式锅炉高压离*式风机应用变频调速的方法调节风量，实践证明其节能效果在３０～５０％。对于水泵的变频改造节能效果高达７０％。为什么离*式风机，�*嗌璞竿ü魉俚鹘诜缌炕蛄髁坑腥绱司说慕谀苣兀吭诖私湓砑右圆鳌＠�*式风机、�*嗌璞傅牧髁坑胱俪烧龋绻剑ǎ常保┭沽τ胱倨椒匠烧龋绻剑ǎ常玻┕β视胱俚牧⒎匠烧龋绻剑ǎ常常�
Ｑ∝Ｎ 式３－１ Ｑ：表示流量
Ｐ∝Ｎ３ 式３－３ Ｈ：表示压力
Ｐ：表示功率
将经上３个公式绘成*张图，如图３－１可以清楚看到，改变转速其流量线性变化的， 而功耗则是立方关系变化，因此在调节风量或流量时如降低２０％的风量或流量，功耗 ，则会下降５０％。但是必须注意，转速与压力是平方关系，当转速下降２０％压力则会下降６４％，因此必须要注意工艺要求压力范围不能象罗茨风机那样，不用考虑转速与P风压的关系。
离*风机、�*嗌璞复车姆缌俊⒘髁靠刂频模罅康哪茉春脑诜缑呕蚪亓鞣У淖枇ι希绻剑ǎ常矗缑呕蚪亓鞣Э刂屏髁康墓挠肓髁抗叵担�
Ｐ＝Ｐ０＋Ｋ•Ｑ 式３－４
Ｑ：表示流量 Ｋ：为系数
Ｐ：表示功耗 Ｐ０：表示基本功率
由此可以看到在流量变化范围，采用变频调速的方法具有很大的节能潜力，因此在
水泥厂的供水泵或其它离*风机上进行变频改造同样会取得很大的节能效果。
4、变频调速的基本原理及特性
对于普通异步电机的**调速，必须采用变频变压，同时进行的方法才能够实现，异步电机的调速如，公式（４－１）因此利用变频技术，调整电机的供电频率，使电机得到任意转速。
Ｎ＝６０ｆ（１－Ｓ）／Ｐ 式４－１
Ｎ：表示转速 ｆ：表示频率 Ｓ：表示滑差率 Ｐ：表示电机*对数从电机的设计特性，如单纯改变频率，会造成严重的磁过饱和或转矩变软，根据电机转矩特性公式（４－２）可知只要在频率Ｆ变化时，电压Ｖ跟踪变化，保持压频比Ｖ／Ｆ为常数，即可保证电机在变频调速的同时，保证恒转矩输出。如图４－１所示
Ｍ＝Ｋ（Ｖ／Ｆ） 式４－２ Ｍ：表示转矩 Ｖ：表示电压 Ｆ：表示频率 Ｋ：为系数
5、电机及水泵的变频改造
滑差调速电机的变频改造：改造滑差调速电机有两种方法。
*先是切换滑差电调速电机，改用普通异步电机，由变频器直接控制转速如图５－２，将原来的滑差电机拆除换上异步电机，将原调速控制改为变频控制，这种改造方案，在机械结构上需要换电机及电气改造，需要时间不多，可以让调速系统发挥*高效率。
另外*种方法是*需更换滑差调速电机，用变频器直接控制滑差调速电机的主电机转速，将滑差头控制器设定在*大转速。这样减少了机械改造工作。但节能效果因滑差头有所损耗，会比直接用异步机调速的方法低１０％左右。
供水泵的恒压供水改造方案：
在工业生产中，用水几乎是每*个工厂必不可少的，水泥厂同样不会例外，但由于工厂用水不是每时每刻都处于恒定状态。因此水泵的流量不加控制的话，在用水低峰期，泵口压力增加，浪费能源，根据上文论述的�*喔涸氐慕谀茉恚帽淦灯鞫运媒械魉佟＜纯纱锏浇谀苣康摹２捎醚沽Υ衅鳎校桑牡鹘谄饔氡淦灯鞴钩�*个闭环自动控制回路，使整系统自动控制流量，保持压力恒定，从而使供水泵在*佳节能状态运行。
6、成球预加水系统
生料成球工序是影响水泥熟料烧结质量的关键工序之*，其中，料、水比例直接影响成球好坏。变频器通过对成球预加水泵电机转速进行**调速调节，时刻跟踪生料供给量，进行等比例加水，从而使半机械化、半手工加“人脑”（即凭经验）控制的落后工艺跨上了全自动化、电脑控制的新台阶。料水配合比较稳定，成球效果良好，水泥烧结质量得到提高
7、生料均化给料系统
为确保产品质量必须*大限度消除生料中石料质量的随机波动，实现均化是必要的。但螺旋给料机“堵料”、“亏料”现象时有发生，间断给料不仅影响生产，而且造成机械设备和电器设备的损伤。各生料仓下送料口的送料比例人为性较大，使均化效果受到影响，*直*法解决。此系统用变频改造之后，将*送料口处的送料电机用变频器同步进行**调速，等比例送料，操作人员只需观察螺旋给料机的总输料量，调整送料电机转速快慢即可。这样均化效果大大提高，非生产耽搁时间减少50%以上。
8、水泥选粉系统
根据水泥桔的不同，要求水泥成品粉粒细度不同，而老式选粉机要改变选粉细度，其过程相当麻烦，不单要停产，而且要将选粉机拆开，调速同轴上每组扇叶的数量和角度。这个过程又没有*定的标准，只能按照经验*次*次对比试验，每次都重复这样的过程：
拆开机组→调整扇叶→装上机组→试选→*验细度
直到选出的粉粒达到要求的细度为止。变频改造之后的选粉系统，只须按下提前预置的不同标号细度按钮，选粉机选出的粉粒就对应所需要的细度。做到了连续化、自动化生产，即节约了宝贵的时间又提高效率，降低劳动强度，综合效益明显。
9、安装、调试、使用变频器应注意的几个问题
１、变频器通常是安装在配电室内，环境温度不要超过４０℃，灰尘要较为小，特别注意避免导电性、保湿性和腐蚀性，粉尘和气体的环境安装设备。
２、电气安装时要特别注意，电源输入输出线绝对禁止错接，将电源输入线接上变频器的输出，如发生错误即马上损坏设备。
３、远距离控制线必须采用屏敝线，并且在布线范围内必须与电力动力线相距*米，相交时必须转９０°角，更不要将控制线与动力线放在同*个线框内，被免控制信号受到干扰。
４、变频器开机调试前必须根据负载特点，将*参数设定好，*查*错误方可开机运行，特别注意变频器输出电流，在起动过程中，恒转速过程中，减速过程中，认真观察，如果第*次设定的参数不是十分理想时，应逐步接近。具体调试规则请参看本公司的《变频器调试手册》。
５、总结各*水泥厂在罗茨风机、立窑卸料机、水泵等设备应用，变频器所碰到的问题以及解决方法在此向各厂*作*个简介。
⑴、机械共振问题：有个别厂*在使用变频器前，*机械共振现象的。但利用变频调速之后，在某些频率，机械共振很强烈，有的甚至影响到整座建筑，其原因是原风机系统只是设计在５０ＨＺ市电下运行，改变频后，则在１５－５０ＨＺ之间**变化。因此在某些频率点上造成机械共振，调试时必须细**查是否存在机械共振的问题，如果有应采用频率回避的方法，即在发生共振的频率范围，跳过该频率范围使变频器不输出发生共振的频率范围。
⑵、电机低速运行的散热问题：由于电机的散热是由电机转子带的风叶吹风进行的，电机的转速降低时，吹风量减小，低速时，散热风量不够，长期运行会造成电机过热，因此在长期低速运行时，必须另加散热风扇。