高壓變頻器在水泥廠原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)中的應(yīng)用
一、前言
目前,隨著水泥企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇,生產(chǎn)成本的高低決定了水泥企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的地位,水泥生產(chǎn)企業(yè)很大一部分成本浪費(fèi)在能耗上,降低水泥生產(chǎn)過(guò)程中的電能消耗越來(lái)越引起了業(yè)界的重視。
在水泥生產(chǎn)過(guò)程中,風(fēng)機(jī)被大量的采用,而風(fēng)機(jī)負(fù)載耗電量較大,起動(dòng)電流較高,同時(shí)用電動(dòng)閥門(mén)、擋風(fēng)板等裝置來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量,工作效率低,而且開(kāi)動(dòng)閥門(mén)時(shí),還發(fā)出嘯聲和振動(dòng),經(jīng)常發(fā)生事故;為滿(mǎn)足生產(chǎn)環(huán)境的最大要求,風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)量和壓力往往偏大,功率的偏大設(shè)計(jì)必然造成能量的浪費(fèi)。
變頻調(diào)速技術(shù)作為一種先進(jìn)的電機(jī)調(diào)速方式,其優(yōu)異的性能以及帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益早已為人們所知。實(shí)踐證明在風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)中接入變頻系統(tǒng),利用變頻技術(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量和壓力的變化用來(lái)取代閥門(mén)控制風(fēng)量,能取得明顯的節(jié)能效果。本文就SH-HVF系列高壓變頻器在華新金貓水泥(蘇州)有限公司中應(yīng)用進(jìn)行分析總結(jié)。
二、變頻器節(jié)能原理
由電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速公式:n1=60f/p
而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1存在一個(gè)滑差關(guān)系:n= n1(1—s)=60f/p(1—s)
由上式可以得到,改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以通過(guò)改變f、p、s可以達(dá)到。針對(duì)某一電動(dòng)機(jī)而言P是一定的,而通過(guò)改變S進(jìn)行調(diào)速空間非常小,所以變頻調(diào)速通過(guò)改變定子供電頻率f來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速是異步電動(dòng)機(jī)的最為合理的調(diào)速方法。若均勻地改變供電頻率f,即可平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍寬、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn),目前變頻調(diào)速已成為異步電動(dòng)機(jī)最主要的調(diào)速方式,在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。
根據(jù)流體力學(xué)相似定律:
Q1/Q2=n1/n2 輸出風(fēng)量Q與轉(zhuǎn)速n成正比;
H1/H2=(n1/n2)2 輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n2正比;
P1/P2=(n1/n2)3 輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n3正比。
當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí),如調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度,則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統(tǒng)阻力上。如采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量,可使軸功率隨流量的減小大幅度下降。變頻調(diào)速時(shí),當(dāng)風(fēng)機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí),理論節(jié)電為
E=〔1-( n′/n) 3〕×P×T (kWh)
式中: n——額定轉(zhuǎn)速
n′—— 實(shí)際轉(zhuǎn)速
P——額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率
T——工作時(shí)間
可見(jiàn),通過(guò)變頻對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造,不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。以上公式為變頻節(jié)能提供了充分的理論依據(jù)。
三、SH-HVF變頻器原理特點(diǎn)
SH-HVF系列高壓變頻器是由湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司研制開(kāi)發(fā)的新一代高壓變頻器,采用直接高高變換的方式,多電平串聯(lián)倍壓的技術(shù)方案,優(yōu)化的PWM控制算法,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的可變頻變壓(VVVF)的正弦電壓和正弦電流的輸出。
1、SH-HVF高壓變頻器原理
SH-HVF系列高壓變頻裝置選用電壓源型交-直-交變頻器方式,變壓器采用移相技術(shù),使得電網(wǎng)電流接近為正弦電流。功率單元的主電路由熔斷器、三相全橋整流模塊、濾波電容及IGBT模快組成。
進(jìn)入功率單元的低壓交流經(jīng)過(guò)整流模塊的整流和電容的濾波后變成中間直流,在控制系統(tǒng)的控制下由IGBT逆變單元將中間直流逆變成交變的脈寬調(diào)制輸出。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平,每相K個(gè)單元疊加,就可產(chǎn)生2K+1種不同的電平等級(jí)。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器,也稱(chēng)為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器,采用功率單元串聯(lián),而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出,所以不存在器件均壓的問(wèn)題。
K個(gè)功率單元在逆變側(cè)串聯(lián)成一相,將每個(gè)功率單元輸出的電平相疊加,再配以動(dòng)態(tài)分配技術(shù)和適當(dāng)?shù)目刂扑惴?,在輸出?cè)得到一組逼近正弦波的階梯波,與低壓變頻器采用的單純PWM方式相比,輸出的dv/dt非常低,波形本質(zhì)與正弦波的擬合程度非常好,再配以?xún)?yōu)化的PWM控制,使輸出諧波大為降低。由于這種波形正弦度好,du/dt小,可減小對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞,無(wú)須輸出濾波器,輸出電纜長(zhǎng)度幾乎不受限制,電機(jī)不需要降額使用,可直接用于舊設(shè)備改造;同時(shí),電機(jī)的諧波損耗大大減少,消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng),減少了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。
2、控制單元原理特點(diǎn)
整個(gè)系統(tǒng)的控制部分由一套PLC,一套主控制器,一套旁路控制器、一個(gè)智能操作面板(觸摸屏)和一些開(kāi)關(guān)、電源、繼電器等組成。
其中,PLC完成整個(gè)變頻調(diào)速系統(tǒng)的管理,邏輯處理,包括起停車(chē)邏輯、報(bào)警故障邏輯等。觸摸屏為中文界面的液晶顯示,完成變頻器參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行參數(shù)狀態(tài)顯示和報(bào)警故障顯示等功能。主控制器完成PWM信號(hào)的產(chǎn)生、移相,并轉(zhuǎn)換成光信號(hào),通過(guò)光纖傳送到功率單元,低壓部分和高壓部分完全可靠隔離,系統(tǒng)具有極高的安全性,同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。旁路控制器為整個(gè)系統(tǒng)提供了較高的容錯(cuò)能力,當(dāng)工作中的某個(gè)功率單元故障時(shí),旁路控制能自動(dòng)將其從工作中退出,并將備用功率單元投入運(yùn)行。整套控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是可靠、實(shí)用、簡(jiǎn)單。
四、原料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)的變頻改造
1、生料磨系統(tǒng)簡(jiǎn)介:
華新金貓水泥(蘇州)有限公司是一條3000T/D的水泥生產(chǎn)線,其生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)為6KV/1600KW,采用擋板(閥門(mén))調(diào)節(jié)風(fēng)量大小,風(fēng)機(jī)消耗功率大,節(jié)流損失較大。調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)擋板控制風(fēng)量,由于擋板處于較高壓力下工作,易磨損,易造成管道內(nèi)風(fēng)量調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確,對(duì)生料磨系統(tǒng)工藝影響也較大。其生料磨系統(tǒng)簡(jiǎn)易圖如圖1所示:
圖1立式生料磨系統(tǒng)簡(jiǎn)易圖
生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)在生料磨系統(tǒng)中起到很大作用,通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)可以控制磨系統(tǒng)的以下參數(shù):
1、磨內(nèi)通風(fēng)量:立磨靠風(fēng)掃磨,通風(fēng)量要適當(dāng)。風(fēng)量不足,合格的生料不能及時(shí)帶出,料層增厚,排渣量增多,設(shè)備負(fù)荷高,產(chǎn)量降低;風(fēng)量過(guò)大,料層過(guò)薄,影響磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
2、料層厚度:立磨穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的另一重要因素是料床穩(wěn)定。料層穩(wěn)定,風(fēng)量、風(fēng)壓和喂料量才能穩(wěn)定,否則就要通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)量和喂料量來(lái)維持料層厚度。若調(diào)節(jié)不及時(shí)就會(huì)引起震動(dòng)加劇,電機(jī)負(fù)荷上升或系統(tǒng)跳停等問(wèn)題。
3、磨機(jī)振動(dòng):振動(dòng)是輥式磨機(jī)工作中普遍存在的一個(gè)現(xiàn)象,合理的振動(dòng)是允許的,但若振動(dòng)過(guò)大,則會(huì)造成磨盤(pán)和磨輥以及襯板的機(jī)械損壞。
4、磨內(nèi)壓差: 壓差是指風(fēng)環(huán)處的壓力損失,在磨機(jī)運(yùn)行時(shí),磨內(nèi)負(fù)荷量的變化不僅從磨機(jī)電流、料層厚度、振動(dòng)幅度等參數(shù)上反應(yīng)出來(lái),而且壓差更能反映磨內(nèi)狀況。
5、磨機(jī)出口溫度:有效的控制出口溫度,可以保持良好的烘干及粉磨作業(yè)條件。
6、產(chǎn)品細(xì)度:磨內(nèi)通風(fēng)量的大小對(duì)產(chǎn)品細(xì)度也有一定影響 。
另外磨的運(yùn)行穩(wěn)定因素還有喂料量、噴水量、研磨壓力、循環(huán)風(fēng)量和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。
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2、主回路設(shè)計(jì)
為了充分保證系統(tǒng)的可靠性,根據(jù)華新金貓水泥負(fù)載的相關(guān)參數(shù)選配SH-HVF -Y6K/2000系列高壓變頻器,變頻器配置方案采用一拖一方式,其主回路原理圖如圖2所示:
圖2 SH-HVF高壓變頻器主回路原理圖
6KV高壓電源經(jīng)用戶(hù)開(kāi)關(guān)柜高壓開(kāi)關(guān)QF到刀閘柜,經(jīng)輸入刀閘QS1到高壓變頻裝置,變頻裝置輸出經(jīng)出線刀閘QS2送至電動(dòng)機(jī);高壓電源還可經(jīng)旁路刀閘QS3直接起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。進(jìn)出線刀閘QS2和旁路刀閘QS3的作用是:一旦變頻裝置出現(xiàn)故障,即可馬上斷開(kāi)進(jìn)出線刀閘QS2,將變頻裝置隔離,手動(dòng)合旁路刀閘QS3,在工頻電源下起動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。QF保留用戶(hù)原斷路器,QS1、QS2、QS3安裝在一個(gè)刀閘柜中與變頻裝置配套供貨。QS2與QS3之間通過(guò)機(jī)械閉鎖,防止誤操作。
3、控制方式:
該設(shè)備有三種控制方式:
1、以壓力、流量為控制對(duì)象的閉環(huán)控制:以輸入的4~20mA模擬量值為控制依據(jù),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
2、 以轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象的開(kāi)環(huán)控制:該方式在遠(yuǎn)程操作(DCS或遠(yuǎn)程操作箱上操作)用戶(hù)可根據(jù)工況條件自設(shè)定轉(zhuǎn)速,變頻器以該轉(zhuǎn)速為控制值,該方式下頻率的變化依據(jù)用戶(hù)輸入的模擬量,4mA對(duì)應(yīng)0轉(zhuǎn)速,20mA對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速。
3、以頻率為控制對(duì)象的開(kāi)環(huán)控制:該方式在就地操作(設(shè)備本體上操作)直接從觸摸屏上設(shè)置輸出頻率,變頻器以該頻率為控制目標(biāo)值。
以上三種控制方式用戶(hù)可通過(guò)人機(jī)界面(觸摸屏)設(shè)置,滿(mǎn)足不同的工況要求。
4、變頻改造后華新金貓水泥原料磨系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù):(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè))
由以上測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,滿(mǎn)足立式原料磨的料層厚度、原料細(xì)度、磨內(nèi)壓差、振動(dòng)等工藝要求的基礎(chǔ)上,配合調(diào)節(jié)變頻器轉(zhuǎn)速和選粉機(jī)轉(zhuǎn)速,使整個(gè)原料磨系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,從而在保證原料工藝要求的情況下,達(dá)到較好的節(jié)能目的。
五、變頻改造后收益分析:
1、直接收益:
改造前:在運(yùn)行時(shí)閥門(mén)開(kāi)度為56%-58%,當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度為58%時(shí),電流為147A;當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度為5%時(shí),電流為101A;當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度為20%時(shí),電流為116.5A;當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度為55%時(shí),電流為142-145A;當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度為60%時(shí),電流為150-152A。
變頻改造后:閥門(mén)開(kāi)度為100%,變頻器轉(zhuǎn)速為1300-1360r/min,此時(shí)變頻器電流為102-110A。
改造前平均功率為:1310KW
改造后平均功率:1008KW
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)變頻后設(shè)備節(jié)電率為:
ΔP=(P1-P2)/P1=(1310-1008)/1310=23%
變頻改造后節(jié)電功率為:
PB= P1-P2=1310-1008=302 kW
由上數(shù)據(jù)說(shuō)明SH-HVF-Y6K/2000高壓變頻器在金貓水泥循環(huán)風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用節(jié)能效果顯著。
2、間接效益:
1、變頻改造后,實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng),啟動(dòng)電流小于額定電流值,啟動(dòng)更平滑。
2、電機(jī)以及負(fù)載轉(zhuǎn)速下降,系統(tǒng)效率得到提高,取得節(jié)能效果。大大減少了對(duì)設(shè)備的維護(hù)量,節(jié)約了人力物力資源。
3、由于電機(jī)以及負(fù)載采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后,工作特性改變,設(shè)備工況得到改善,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
4、功率因數(shù)由原來(lái)的0.8左右提高到0.95以上,不僅省去了功率因數(shù)補(bǔ)償裝置,而且減少了線路損耗。
5、廠房設(shè)備噪聲污染將降低。
6、能提高整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和工藝水平。
7、節(jié)能減排,減少了溫室氣體的排放,保護(hù)了環(huán)境。
8、負(fù)載改變頻后,由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù),因此在理論上可以消除35次以下諧波。由于實(shí)際制造工藝的限制,網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2%以?xún)?nèi),電流諧波總含量小于2%。延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
9、變頻輸出采用PWM技術(shù)控制,輸出電壓波形基本接近正弦波,諧波總含量小于1%,上述指標(biāo)均滿(mǎn)足IEEE-519國(guó)際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。
10、使用變頻調(diào)節(jié),可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)恒定運(yùn)行,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。
11、由于采用自動(dòng)控制,進(jìn)一步提高了設(shè)備運(yùn)行控制和系統(tǒng)運(yùn)行管理的自動(dòng)化水平,從而真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié),大大增強(qiáng)了運(yùn)行的安全可靠性。
六、結(jié)束語(yǔ)
在華新金貓水泥(蘇州)有限公司生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)采用SH-HVF-Y6K/2000高壓變頻器,不但操作方便、容易、維護(hù)量小,而且有明顯的節(jié)能效果。通過(guò)SH-HVF高壓變頻器在華新金貓水泥的應(yīng)用,增強(qiáng)了運(yùn)行的安全可靠性,提高了生料磨的產(chǎn)量,又達(dá)到較好的節(jié)能效果。因此在水泥廠生料磨系統(tǒng)循環(huán)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻技術(shù)是應(yīng)該倡導(dǎo)和推廣的。
編輯:王欣欣
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