案例應(yīng)用：變頻器在水泥廠中的節(jié)能分析

一、概述：

      目前在我國(guó)各行各業(yè)的各類機(jī)械與電氣設(shè)備中與風(fēng)機(jī)水泵配套的電機(jī)約占全國(guó)電機(jī)裝機(jī)量的60%，耗用電能約占全國(guó)發(fā)電總量的三分之一。并且大多數(shù)風(fēng)機(jī)、水泵在使用過程中都存在大馬拉小車的現(xiàn)象。因生產(chǎn)、工藝等方面的變化，需要經(jīng)常調(diào)節(jié)氣體和液體的流量、壓力、溫度等；目前，許多單位仍然采用落后的調(diào)節(jié)檔風(fēng)板或閥門開啟度的方式來調(diào)節(jié)氣體或液體的流量、壓力、溫度等。這實(shí)際上是通過人為增加阻力的方式，并以浪費(fèi)電能和金錢為代價(jià)來滿足工藝和工況對(duì)氣體、液體流量調(diào)節(jié)的要求。這種落后的調(diào)節(jié)方式，不僅浪費(fèi)了寶貴的能源，而且調(diào)節(jié)精度差，很難滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)及服務(wù)等方面的要求，負(fù)面效應(yīng)十分嚴(yán)重。

      變頻調(diào)速器的出現(xiàn)為交流調(diào)速方式帶來了一場(chǎng)革命。隨著近十幾年變頻技術(shù)的不斷完善、發(fā)展。變頻調(diào)速性能日趨完美，已被不同學(xué)科、不同行業(yè)的工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域的交流調(diào)速。為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化進(jìn)程。

      變頻調(diào)速用于交流異步電機(jī)調(diào)速，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往任何交、直流調(diào)速方式。而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、安裝調(diào)試使用方便、保護(hù)功能完善、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、節(jié)能效果顯著，已經(jīng)成為交流電機(jī)調(diào)速的最新潮流。

 

二、變頻調(diào)速節(jié)能原理：

      風(fēng)機(jī)是傳送氣體的機(jī)械設(shè)備，從流體力學(xué)原理得知，風(fēng)機(jī)風(fēng)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速功率相關(guān)：風(fēng)機(jī)的風(fēng)量（流量）與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)機(jī)的軸功率等于風(fēng)量與風(fēng)壓的乘積，故風(fēng)機(jī)的軸功率與風(fēng)機(jī)（電機(jī)）的轉(zhuǎn)速的二次方成正比（即風(fēng)機(jī)的軸功率與供電頻率的二次方成正比）：

      眾所周知，在供風(fēng)系統(tǒng)中，對(duì)于風(fēng)機(jī)，其風(fēng)壓（H）、風(fēng)量（Q）、轉(zhuǎn)速（n）和軸功率（P）之間存在如下關(guān)系：

      Q＝K1×n

      H＝K2×n2

      P＝K3×H×Q＝K1×K2×K3×n3＝K×n3

      結(jié)論:改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變風(fēng)機(jī)的功率

      根據(jù)電學(xué)原理交流電機(jī)轉(zhuǎn)速如下：

      n=60f(1-s)/p

式中：n-電機(jī)轉(zhuǎn)速， f-電源頻率，p-電機(jī)的極對(duì)數(shù)， s-轉(zhuǎn)差率。

      由公式可見，電機(jī)調(diào)速有多種，如調(diào)壓調(diào)速，變極調(diào)速，串級(jí)調(diào)速和變頻調(diào)速等。其中變頻調(diào)速方式的調(diào)速范圍寬，電機(jī)效率高、適用面廣，節(jié)能效果好。結(jié)論:改變風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率就可改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

電機(jī)轉(zhuǎn)速與節(jié)能率的關(guān)系表 ：

頻率f（Hz）	轉(zhuǎn)速N%	風(fēng)量Q%	風(fēng)壓H%	軸功率P%	節(jié)電率
50	100%	100%	100%	100%	0.00%
45	90%	90%	81%	72.9%	27.10%
40	80%	80%	64%	51.2%	48.80%
35	70%	70%	49%	34.3%	65.70%
30	60%	60%	36%	21.6%	78.40%

 

根據(jù)上述原理可知改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可改變風(fēng)機(jī)的功率。

                                           

      將供電頻率由50 Hz降為40Hz，則P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50 ，理論上節(jié)電率達(dá)48.2%。

 

三、水泥廠的的生產(chǎn)情況：

      風(fēng)機(jī)是水泥生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備,也是消耗電量最大的設(shè)備之一。不過，電量消耗的絕對(duì)數(shù)字本身并不重要。重要的是，該消耗量的相當(dāng)部份并沒有用于生產(chǎn)需要，而是白白的浪費(fèi)掉了！在行業(yè)竟?fàn)幦找婕ち业氖袌?chǎng)條件下，企業(yè)為了贏得市場(chǎng)，必須采取各種挫施不斷提高企業(yè)在市場(chǎng)竟?fàn)幹械木範(fàn)幠芰ΑＨ绻f開源節(jié)流是從管理的角度提高企業(yè)的竟?fàn)幠芰Φ姆椒ǎ瑒t提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品單耗就是提高企業(yè)竟?fàn)幠芰Φ闹匾Ｕ稀?/p>

      水泥生產(chǎn)的主要設(shè)備是窯爐，窯爐有分立式（立窯）和臥式（回轉(zhuǎn)式）。就綜合指標(biāo)而言，立窯遠(yuǎn)不能與回轉(zhuǎn)窯相比，然而，立窯在現(xiàn)在中小水泥廠中仍占有很大的比例，且不可能馬上全部退出生產(chǎn)應(yīng)用。對(duì)一臺(tái)3-10年內(nèi)不能退出生產(chǎn)的立窯進(jìn)行技術(shù)改造即具有極其重要的意義。

      立窯的生產(chǎn)過程:燃料和水泥原料分別從立窯的頂端送入窯體中，在窯的中部混合燃燒，燃燒所需的空氣由鼓風(fēng)機(jī)從窯的底部送入。燃燒過后產(chǎn)生的熟料由窯的底部出口送出。

      在上述生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的送風(fēng)系統(tǒng)由羅茨鼓風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管道和放風(fēng)閥門組成。由于生產(chǎn)過程中風(fēng)的需求量取決于燃料質(zhì)量、原材料質(zhì)量。另外，整過生產(chǎn)過程中不同的時(shí)間段對(duì)風(fēng)的需求量也有很大的不同。因此，在整過生產(chǎn)過程中，送入窯爐的通風(fēng)量需要經(jīng)常調(diào)整。在傳統(tǒng)的送風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)時(shí)刻處于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，即送風(fēng)量是固定的。風(fēng)量的調(diào)整是靠放風(fēng)閥的開度進(jìn)行的。或是說，每當(dāng)窯爐對(duì)風(fēng)的需求量減少時(shí)（此時(shí)進(jìn)行放風(fēng)），便是能量浪費(fèi)產(chǎn)生的時(shí)刻。因?yàn)轱L(fēng)是由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的，放掉的風(fēng)就是放掉電能，白白地放掉電能是一種極大的浪費(fèi)。窯爐需要的風(fēng)量越小，放掉的就越大，能量浪費(fèi)就越嚴(yán)重。據(jù)某一水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，窯爐20%的時(shí)間需要滿風(fēng)量，40%時(shí)間處于80%的滿風(fēng)量，另40%時(shí)間風(fēng)量的需求量約為65%的滿風(fēng)量。在這種情況下，不需要的那20%和35%的風(fēng)量就白白地浪費(fèi)掉了，前者的能量浪費(fèi)約為48%，而后者的能量浪費(fèi)竟高達(dá)65%。

 

四、水泥機(jī)立窯、回轉(zhuǎn)旋窯節(jié)能應(yīng)用

      深圳市日業(yè)電氣有限公司的工程技術(shù)人員針對(duì)水泥廠旋窯、機(jī)立窯供風(fēng)系統(tǒng)、進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤專門研究，開發(fā)生產(chǎn)了水泥廠專用變頻器及《變頻調(diào)速控制柜》，通過上百條水泥生產(chǎn)線實(shí)際應(yīng)用，該裝置安裝調(diào)試方便，運(yùn)行可靠，節(jié)電效果明顯，在提高生產(chǎn)效率、改善生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品品質(zhì)和環(huán)保等方面效果明顯，受到水泥行業(yè)的歡迎。

機(jī)立窯、回轉(zhuǎn)旋窯供風(fēng)系統(tǒng)變頻調(diào)速裝置

      采用《變頻調(diào)速控制柜》或變頻器調(diào)速取代調(diào)節(jié)擋風(fēng)板或閥門開啟度來調(diào)節(jié)用風(fēng)量的比例（即調(diào)節(jié)風(fēng)量利用率），滿足原水泥生料燒結(jié)時(shí)不同用風(fēng)量的落后的傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)節(jié)方法，（這種傳統(tǒng)供風(fēng)方法缺點(diǎn)是電能浪費(fèi)嚴(yán)重、調(diào)節(jié)精度差、啟動(dòng)電流大、噪音大、粉塵污染嚴(yán)重）。變頻改造后的供風(fēng)系統(tǒng)是在保留原工頻控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套變頻回路與原工頻控制并聯(lián)，形成的雙回路控制系統(tǒng)，從而保障生產(chǎn)的連續(xù)正常運(yùn)行。其特點(diǎn)：由于變頻器具有軟起動(dòng)功能，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)無大電流沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命；由于變頻器可任意調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)電機(jī)輸入頻率改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，因此可按燒結(jié)時(shí)不同階段所需風(fēng)量，準(zhǔn)確調(diào)節(jié)供風(fēng)量，無須旁通放風(fēng)、減少水泥粉塵污染、節(jié)電可達(dá)15%—40%。綜合效益可觀，一般6個(gè)月—12個(gè)月可收回全部投資。（如山東煙臺(tái)長(zhǎng)榮水泥廠2003年7月選用280KW變頻器用于立窯風(fēng)機(jī)改造，節(jié)電率高達(dá)35%，僅節(jié)電一項(xiàng)，7個(gè)月即可收回投資。）

      交流鼠籠電機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維修方便，應(yīng)用十分廣泛。約占全國(guó)電機(jī)總用量的80%。采用變頻調(diào)速技術(shù)與交流鼠籠電機(jī)結(jié)合，作為新一代調(diào)速設(shè)備，可謂是良馬配好鞍。是當(dāng)今最佳調(diào)速設(shè)備的完善結(jié)合。