水泥廠電動機節(jié)能分析

　　目前，水泥行業(yè)的競爭非常激烈，但關(guān)鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗占成本30%，因此做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。所以，我們要從調(diào)速方式、電動機的選型、啟動裝置等方面入手等每個環(huán)節(jié)開展細致的工作，同時要大力應(yīng)用新技術(shù)新成果，促進企業(yè)的節(jié)能降耗。 

　　一、變頻調(diào)速節(jié)能

　　1、風(fēng)機、水泵上的變頻調(diào)速節(jié)能

　　大部分水泥廠的一些設(shè)備尤其是一些大功率設(shè)備在生產(chǎn)過程中絕大部分時間都是不滿負荷，在生產(chǎn)過程中都是通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或閥門的開啟角度的機械調(diào)節(jié)方法來滿足不同的用風(fēng)(水)量，這種操作方式的缺點是：(1)電機及風(fēng)機或水泵的轉(zhuǎn)速高，負荷強度重，電能浪費嚴重；(2)設(shè)備運行的自動化程度相當?shù)?幾乎完全靠人工調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度差，控制不精確；(3)電氣控制采用直接或降壓起動，啟動時電流對電網(wǎng)沖擊大，需要的電源(電網(wǎng))容量大，功率因素較低。(4)起動時機械沖擊大,設(shè)備使用壽命低；(5)噪聲大，粉塵污染嚴重等。在水泥廠主要有生料磨排風(fēng)機，窯尾廢氣處理風(fēng)機，羅茨風(fēng)機，水泥磨排風(fēng)機，煤磨風(fēng)機、蓖冷機風(fēng)機、選粉機、循環(huán)水泵、給水泵等。由于變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n =60 f(1-s)/p，(式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機轉(zhuǎn)差率、電機磁極對數(shù))；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。通過流體力學(xué)的基本定律可知：風(fēng)機、泵類設(shè)備均屬平方轉(zhuǎn)矩負載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。n1-代表電機在額定轉(zhuǎn)速運行時的特性；n2-代表電機降速運行在n2轉(zhuǎn)速時的特性；R1-代表風(fēng)機、泵類管路阻力最小時的阻力特性；R2-代表風(fēng)機、泵類管路阻力增大到某一數(shù)組時的阻力特性。

　　風(fēng)機、泵類在管路特性曲線R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風(fēng)機、泵類所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小流量到Q2，實際上通過增加管網(wǎng)管阻，使風(fēng)機、泵類的工作點移到R2上的B點，壓力增大到H2，這時風(fēng)機、泵類所需的功率正比于H2與Q2的乘積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風(fēng)機、泵類所需的功率增大了。這種調(diào)節(jié)方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制方式。若采用變頻調(diào)速，風(fēng)機轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調(diào)速后風(fēng)機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖可見功率的減少是明顯的。

　　也就是當風(fēng)機水泵的轉(zhuǎn)速下降10%時，電機消耗功率下降27.1%.所以風(fēng)機水泵采用變頻調(diào)速節(jié)能效果非常明顯。

　　2、用變頻調(diào)速取代傳統(tǒng)調(diào)速

　　傳統(tǒng)調(diào)速所采用的晶閘管串級調(diào)速、直流調(diào)速、電磁滑差調(diào)速、液力耦合器調(diào)速和異步電動機的變級調(diào)速等存在傳動效率低、難維護等缺點，而變頻調(diào)速結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，調(diào)速精度高，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣。所以采用變頻調(diào)速在提高機械的傳動效率就可節(jié)能20%左右。

　　3、變頻在空氣壓縮機上應(yīng)用

　　空壓機恒壓供氣使用變頻器與壓力控制構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使壓力波動減少1.5%，降低噪音、減少振動。保證設(shè)備長期穩(wěn)定運行，從而減少了設(shè)備維護工作量，延長了設(shè)備使用壽命。用變頻器后，空壓機可在任何壓力下隨意起動，打破了以前不允許帶壓起動的規(guī)定，起動電流也較以前大大降低。通過使用變頻器后的實例，多數(shù)壓縮機節(jié)電率約在20%左右。

　　總之：采用變頻器控制將有以下諸多優(yōu)點：(1)、采用變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速，取消擋板調(diào)節(jié)，降低了設(shè)備的故障率，節(jié)電效果顯著；(2)、采用變頻器控制電機，實現(xiàn)了電機的軟啟動，延長了設(shè)備的使用壽命，避免了對電網(wǎng)的沖擊；(3)、電機在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運行，減少了噪聲對環(huán)境的影響；(4)、具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能；(5)、提高產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量。

　　實踐證明，變頻改造具有顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且還大大減少了設(shè)備維護、維修費用，另外當采用變頻調(diào)速時，由于變頻裝置內(nèi)的直流電抗器能很好的改善功率因數(shù)，也可以為電網(wǎng)節(jié)約容量。直接和間接經(jīng)濟效益十分明顯。

　　二、電動機的功率因數(shù)補償 　

　　籠型電動機通常采用并聯(lián)電容器就地補償?shù)姆椒?。繞線式電動機可采用進相機補償?shù)姆绞?。進相機補償分旋轉(zhuǎn)式和靜止式2種，由于旋轉(zhuǎn)式進相機結(jié)構(gòu)上的缺陷，目前逐步被靜止式進相機所代替。

　　三、合理選用電動機類型

　　Y系列電動機是全國統(tǒng)一設(shè)計的新系列產(chǎn)品，是國內(nèi)目前較先進的三相異步電動機。20世紀80年代中期即在全國推廣應(yīng)用。其優(yōu)點是效率高、節(jié)能、啟動性能好。而目前國內(nèi)許多老水泥企業(yè)仍大量采用JO2系列電動機，相比來說Y系列比JO2系列電動機效率提高了0.413%。因此用Y系列電動機取代舊式電動機勢在必行。

　　選擇電動機類型除了滿足拖動功能外，還應(yīng)考慮經(jīng)濟運行性能。對于年運行時間大于3000h，負載率大于50%的場合，應(yīng)選擇YX系列高效率的三相異步電動機。與Y系列相比，其效率平均高3%，損耗降低20%～30%，雖然價格高于Y系列電動機，但從長期運行考慮，經(jīng)濟性還是明顯的。

　　同步電動機能提高企業(yè)電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電線路損耗，但控制系統(tǒng)繁雜，價格較高。

　　合理選用電動機的額定容量

　　國家對三相異步電動機3個運行區(qū)域作了如下規(guī)定：負載率在70%～100%之問為經(jīng)濟運行區(qū)；負載率在40%～70%之間為一般運行區(qū)；負載率在40%以下為非經(jīng)濟運行區(qū)。若電動機容量選得過大，雖然能保證設(shè)備的正常運行，但不僅增加了投資，而且它的效率和功率因數(shù)也都很低，造成電力的浪費。因此考慮到既能滿足水泥廠設(shè)備運行需要，又能使其盡可能地提高效率，水泥企業(yè)一般負載率保持在60%～l00%較為理想。對于負載率小于40%的三角形接法電動機可改為星型接法，以提高其效率。

　　同步電動機能提高企業(yè)電網(wǎng)的功率因數(shù)，降低供電線路損耗，但控制系統(tǒng)繁雜，價格較高。隨著異步電動機制造水平的提高，新設(shè)備已很少采用。

　　四、電動機啟動和運行形式

　　低壓籠型大中型電動機

　　若采用全壓直接啟動方式，這要求電力系統(tǒng)有足夠大的容量，而實際運行時，電力系統(tǒng)負載率很低，影響供電效率，并且用直接啟動方式易燒毀開關(guān)、電動機，影響電網(wǎng)其他設(shè)備的運行，往往為了盡量減少電動機啟動次數(shù)而寧愿讓電動機空轉(zhuǎn)而不停車，造成大量浪費。此類電動機可以用電動機軟啟動器啟動。電動機軟啟動器是采用大功率晶閘管模塊作為主回路的開關(guān)元件，通過控制它的導(dǎo)通角以實現(xiàn)軟特性的電壓爬升。它具有對電網(wǎng)無過大沖擊，對機械傳動系統(tǒng)(齒輪及軸連接器)震動小，啟動轉(zhuǎn)矩平滑穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。啟動電流在2.5～3.5倍額定電流之間可調(diào)，啟動時間可調(diào)。

　　高壓籠型電動機

　　傳統(tǒng)的啟動方式多選用電抗器、自耦變壓器等，但這些啟動設(shè)備都不能很好地滿足啟動要求，很難獲得理想的啟動參數(shù)。目前出品的熱變電阻軟啟動裝置能較好地滿足啟動要求。熱變電阻器由具有負溫度系數(shù)的電阻材料制成，電阻器串于電動機定子回路，當電動機啟動、電阻體通過啟動電流時，其溫度升高，而阻值隨之減小，從而使電動機端電壓逐步升高，啟動轉(zhuǎn)矩逐步增加，以實現(xiàn)電動機的平穩(wěn)啟動。根據(jù)電動機參數(shù)和負載要求的啟動轉(zhuǎn)矩，能方便地配置適當?shù)膯与娮柚但@得最佳的啟動參數(shù)，即在較小的啟動電流下，獲得足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩。

　　大型繞線型電動機

　　以前大多采用頻敏變阻器啟動，但其故障率太高。目前較為成熟的方式是采用液體變阻啟動器。它是利用兩極問的液體電阻，通過機械傳動裝置使極板的距離逐步接近，直至接觸，達到串人轉(zhuǎn)子回路中的電阻無級變小最后為零，實現(xiàn)電動機無沖擊的平滑啟動。其特點是啟動電流小，對電網(wǎng)無沖擊，熱容量大，可連續(xù)啟動5～10次，維護方便，使用可靠。目前我廠該類型電動機已全部采用液體變阻啟動器。 

　　一、中、小型繞線電動機

　　以前主要采用頻敏電阻器和油浸電阻器啟動，由于有滑環(huán)、碳刷、短路環(huán)等零件與繼電器、交流接觸器、頻敏或油浸變阻器等電器元件組成的啟動系統(tǒng)都安裝在粉塵較大的生產(chǎn)現(xiàn)場，因此它具有故障率高、維修量大的缺點，經(jīng)常影響設(shè)備的正常運行，而無刷無環(huán)啟動器較好地解決了上述問題，它是一種啟動平滑，不改變運行特性且不受粉塵干擾的啟動設(shè)備。其一次啟動電流限制在3.0～4.0Ⅰe之間，適合于11～600kW的高低壓繞線型電動機。該啟動器是利用頻敏變阻器的原理，利用鐵磁性材料的頻感特性研制而成，安裝在電動機轉(zhuǎn)軸原來裝集電環(huán)的位置，與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，省去了電動機的輔助啟動裝置。

　　二、成球供水系統(tǒng)

　　生料成球工序是影響水泥熟料燒結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一，其中水、料比例直接影響成球好壞。應(yīng)用變頻器后能通過跟蹤生料供給量對成球預(yù)加水泵的轉(zhuǎn)速進行無級調(diào)速，從而實現(xiàn)全自動化的閉環(huán)控制，料水配合穩(wěn)定，成球效果良好，大大提高水泥燒結(jié)質(zhì)量。此系統(tǒng)改造主要為提高自動化程度和制造工藝水平考慮，由于功率較小省電效果還在其次。

　　三、生料均化給料系統(tǒng)

　　此系統(tǒng)用變頻改造后，將所有送料口處的送料電機用變頻器進行同步無機調(diào)速，等比例送料，提高均化效果，此點也是從制造工藝角度考慮。

　　四、水泥選粉系統(tǒng)

　　水泥選粉系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)所生產(chǎn)的水泥的標號的不同，調(diào)節(jié)選粉機和選粉風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，從而選出不同細度的水泥制品。老式選粉機要調(diào)整風(fēng)機軸上的扇葉的數(shù)量和角度，經(jīng)過對比試驗達到所要求的選粉細度；新式選粉系統(tǒng)分選粉機和選粉風(fēng)機兩部分，選粉機由滑差電機調(diào)速，選粉風(fēng)機靠調(diào)節(jié)擋風(fēng)板角度調(diào)節(jié)用風(fēng)量。這兩種系統(tǒng)都存在操作工藝復(fù)雜、調(diào)節(jié)精度差、浪費電能嚴重的缺點，特別是滑差點機不但費電，由于水泥制造環(huán)境粉塵嚴重，因此滑差頭骨脹率特別高，維修困難。變頻改造后，不管是老式系統(tǒng)還是新式系統(tǒng)，只要將電機調(diào)節(jié)到一個特定的轉(zhuǎn)速就能選出所需要的細度的顆粒，在節(jié)約電能的同時還做到了連續(xù)化、自動化生產(chǎn)，既提高了勞動效率，又降低了勞動強度，綜合效益明顯。

　　五、立窯卸料系統(tǒng)

　　為使水泥燒結(jié)過程中加料、供風(fēng)、卸料三平衡，立窯普遍采用滑差電機(電磁調(diào)速電機)做為盤塔式卸料裝置的動力，該電機不但防護等級滿足不了水泥生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的需要，而且在相同輸出轉(zhuǎn)速的條件下消耗的功率也比系列電機高出百分之二十左右，在降低轉(zhuǎn)速時相差更多，因此采用變頻調(diào)速系統(tǒng)代替滑差調(diào)速后，解決以上所訴的缺點，且調(diào)速性能遠遠高于滑差調(diào)速電機，在節(jié)電的同時維修費用也大大降低，在各行業(yè)得到普遍應(yīng)用。

　　應(yīng)用變頻器對可以調(diào)速的電機進行控制，在節(jié)約大量電能的同時，還具有軟起功能，同時降低了電機的起動電流和運行電流，降低整個電力系統(tǒng)和機械系統(tǒng)啟動和工作時的負荷強度，延長了機械部件的使用壽命。另外對滑差電機的變頻改造提高了電機的防護等級，減少了因環(huán)境惡劣而造成的電機故障率。

　　六、意外收獲

　　由于變頻器工作和啟動時電流的下降，為其他設(shè)備的啟動提供了必要的保證，無形中增加了工廠的電力容量，這對電網(wǎng)電壓不穩(wěn)和電力容量偏小的場合尤為有利。象天馬水泥有限公司這樣整體改造后,可省下200KVA的變壓器容量,新上設(shè)備時變電所可暫不增容,可節(jié)省大量投資。當然，經(jīng)過變頻改造后還應(yīng)加強生產(chǎn)工藝方面的管理，再生產(chǎn)允許的條件下合理的調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，以達到理想的節(jié)能結(jié)果。這有待于在以后的工作中加以不斷的完善。

　　1在立窯羅茨風(fēng)機上的應(yīng)用
　　立窯煅燒熟料所耗的電能中，羅茨鼓風(fēng)機的電耗一般占60%左右，隨著電價的調(diào)整，電費在水泥生產(chǎn)成本中說占的比例越來越高。因此，降低鼓風(fēng)機的能耗成為提高企業(yè)經(jīng)濟效益的重要一環(huán)。

　　對羅茨風(fēng)機可由變頻器改變風(fēng)機的供電電源頻率進行無級調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，重慶地維水泥有限公司在1號窯132KW羅茨風(fēng)機上安裝變頻器，節(jié)電率高達62.2%。噸熟料電耗由安裝變頻器前的15.22度下降到安裝后的5.55度;河南焦作水泥廠在10000/噸水泥熟料旋窯生產(chǎn)線生料流態(tài)化系統(tǒng)55KW羅茨風(fēng)機上安裝了變頻器后節(jié)電率高達73.2%,平均每日用電量由安裝前的606度下降到安裝后的162度,每日節(jié)電444度。

　　2在離心風(fēng)機上的應(yīng)用
　　有某些水泥廠是采用高壓離心式風(fēng)機進行供風(fēng)，該種水泥窯的風(fēng)量調(diào)節(jié)是通過風(fēng)門開啟度對風(fēng)量進行調(diào)節(jié)。對離心風(fēng)機的變頻調(diào)速改造同樣有巨大的節(jié)能潛力。這是因為離心式風(fēng)機設(shè)備的流量與轉(zhuǎn)速的成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此在調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量時，如降低20%的風(fēng)量或流量，功耗則會下降50%，但是必須注意，轉(zhuǎn)速與壓力是成平方關(guān)系，當轉(zhuǎn)速下降20%時，壓力則會下降60%，因此必須注意工藝要求的壓力范圍不能象羅茨風(fēng)機那樣，不用考慮轉(zhuǎn)速與風(fēng)壓的關(guān)系。

　　3在立窯卸料機上的應(yīng)用
　　立窯卸料機若采用滑差調(diào)速電機，其轉(zhuǎn)速通常控制在300～1000rpm(工藝上根據(jù)窯的情況，對卸料速度進行控制的)。采用變頻調(diào)速的方法取代滑差電機，經(jīng)過多個廠家應(yīng)用結(jié)果表明，平均節(jié)能達40%左右，這是因為滑差調(diào)速是一種耗能的低效調(diào)速方法。

　　由下列公式可知：滑差電機主電機軸的輸出功率：P0 = KM0N0(P 0表示輸出功率，M 0表示負載轉(zhuǎn)速，N 0表示電機轉(zhuǎn)速，K為常數(shù))滑差頭輸出功率P 1 = KM 0 N 1(P 1表示輸出功率，N 1表示滑差頭轉(zhuǎn)速)滑差頭損耗功率：P = P 0- P 1= KM 0(N 0—N 1)由此可見，滑差電機的轉(zhuǎn)速越低，浪費能源越大，而卸料機的轉(zhuǎn)速通常在400rpm左右運行，因此改用變頻調(diào)速的方法會有50～60%的節(jié)能效果。

　　5在預(yù)加水成球系統(tǒng)中的應(yīng)用
　　目前，預(yù)加水成球技術(shù)在立窯水泥廠中應(yīng)用已相當普遍。它在提高成球質(zhì)量，改善煅燒操作條件，提高立窯熟料產(chǎn)量和質(zhì)量方面取得了比較明顯的效果。其結(jié)合微機雙回路調(diào)節(jié)器，就能實現(xiàn)水料比例自動跟蹤，自動調(diào)節(jié)，做到恒壓供水。調(diào)節(jié)及時，極大地減輕了工人的勞動強度，同時也改善了成球質(zhì)量，使預(yù)加水系統(tǒng)真正起到預(yù)濕成球的作用，為立窯生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的熟料創(chuàng)造了條件。

　　6在選粉機上的應(yīng)用
　　重慶地維水泥有限公司的旋風(fēng)式選粉機，原設(shè)計由JZT392-4型75KW電磁調(diào)速異步電動機(滑差電機)拖動，其優(yōu)點是調(diào)速系統(tǒng)簡單。價格低廉，有一定的調(diào)速范圍，缺點也較多：電機本體噪音高、振動大能、耗高、無功損耗大、軸承故障率特別高，滑差控制儀安裝于粉塵飛揚的電機旁邊，多次出現(xiàn)帶負荷起動,不能調(diào)速和突然失速等故障，現(xiàn)場維護量大，影響整個系統(tǒng)的安全運行。

　　針對上述問題，結(jié)合生料車間選粉機負荷轉(zhuǎn)速不超過600r/min的特點，對選粉機電氣部分進行變頻調(diào)速技術(shù)改造。經(jīng)實際測量，選粉機改造前，運行速度在594r/min時，輸入電壓385V，輸入電流72A，功率因數(shù)0.82，故輸入功率為40KW；改造后，運行速度在594r/min時，輸入電壓387V，輸入電流18A，(熱繼電器也做了相應(yīng)調(diào)整)，功率因數(shù)0.92(變頻器加裝了直接電抗器)則輸入功率為11KW。改造后一年中，沒發(fā)生過任何故障，保證了系統(tǒng)的安全運行，大大減少了維護工作量和維修費用，而且節(jié)能效果十分顯著。

　　變頻器在水泥廠的應(yīng)用還不止這些，比如說回轉(zhuǎn)窯球磨機、卸料圓、盤給料機、雙管絞刀裙、板喂料機調(diào)速皮帶稱喂、煤絞刀、蓖冷機等一切需交流調(diào)速的設(shè)備都可以采用變頻調(diào)速器。