案例應用：變頻器在水泥廠中的節能分析

一、概述：

      目前在我國各行各業的各類機械與電氣設備中與風機水泵配套的電機約占全國電機裝機量的60%，耗用電能約占全國發電總量的三分之一。并且大多數風機、水泵在使用過程中都存在大馬拉小車的現象。因生產、工藝等方面的變化，需要經常調節氣體和液體的流量、壓力、溫度等；目前，許多單位仍然采用落后的調節檔風板或閥門開啟度的方式來調節氣體或液體的流量、壓力、溫度等。這實際上是通過人為增加阻力的方式，并以浪費電能和金錢為代價來滿足工藝和工況對氣體、液體流量調節的要求。這種落后的調節方式，不僅浪費了寶貴的能源，而且調節精度差，很難滿足現代化工業生產及服務等方面的要求，負面效應十分嚴重。

      變頻調速器的出現為交流調速方式帶來了一場革命。隨著近十幾年變頻技術的不斷完善、發展。變頻調速性能日趨完美，已被不同學科、不同行業的工程技術人員廣泛應用于不同領域的交流調速。為企業帶來了可觀的經濟效益，推動了工業生產的自動化進程。

      變頻調速用于交流異步電機調速，其性能遠遠超過以往任何交、直流調速方式。而且結構簡單，調速范圍寬、調速精度高、安裝調試使用方便、保護功能完善、運行穩定可靠、節能效果顯著，已經成為交流電機調速的最新潮流。

 

二、變頻調速節能原理：

      風機是傳送氣體的機械設備，從流體力學原理得知，風機風量與電機轉速功率相關：風機的風量（流量）與風機（電機）的轉速成正比，風機的風壓與風機（電機）的轉速的平方成正比，風機的軸功率等于風量與風壓的乘積，故風機的軸功率與風機（電機）的轉速的二次方成正比（即風機的軸功率與供電頻率的二次方成正比）：

      眾所周知，在供風系統中，對于風機，其風壓（H）、風量（Q）、轉速（n）和軸功率（P）之間存在如下關系：

      Q＝K1×n

      H＝K2×n2

      P＝K3×H×Q＝K1×K2×K3×n3＝K×n3

      結論:改變風機的轉速就可改變風機的功率

      根據電學原理交流電機轉速如下：

      n=60f(1-s)/p

式中：n-電機轉速， f-電源頻率，p-電機的極對數， s-轉差率。

      由公式可見，電機調速有多種，如調壓調速，變極調速，串級調速和變頻調速等。其中變頻調速方式的調速范圍寬，電機效率高、適用面廣，節能效果好。結論:改變風機的運行頻率就可改變風機的轉速。

電機轉速與節能率的關系表 ：

頻率f（Hz）	轉速N%	風量Q%	風壓H%	軸功率P%	節電率
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%

 

根據上述原理可知改變風機的轉速就可改變風機的功率。

                                           

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

 

三、水泥廠的的生產情況：

      風機是水泥生產過程中的重要設備,也是消耗電量最大的設備之一。不過，電量消耗的絕對數字本身并不重要。重要的是，該消耗量的相當部份并沒有用于生產需要，而是白白的浪費掉了！在行業竟爭日益激烈的市場條件下，企業為了贏得市場，必須采取各種挫施不斷提高企業在市場竟爭中的竟爭能力。如果說開源節流是從管理的角度提高企業的竟爭能力的方法，則提高生產效率，降低產品單耗就是提高企業竟爭能力的重要保障。

      水泥生產的主要設備是窯爐，窯爐有分立式（立窯）和臥式（回轉式）。就綜合指標而言，立窯遠不能與回轉窯相比，然而，立窯在現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應用。對一臺3-10年內不能退出生產的立窯進行技術改造即具有極其重要的意義。

      立窯的生產過程: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機從窯的底部送入。燃燒過后產生的熟料由窯的底部出口送出。

      在上述生產過程中，傳統的送風系統由羅茨鼓風機、送風管道和放風閥門組成。由于生產過程中風的需求量取決于燃料質量、原材料質量。另外，整過生產過程中不同的時間段對風的需求量也有很大的不同。因此，在整過生產過程中，送入窯爐的通風量需要經常調整。在傳統的送風系統中，風機時刻處于額定轉速運轉，即送風量是固定的。風量的調整是靠放風閥的開度進行的。或是說，每當窯爐對風的需求量減少時（此時進行放風），便是能量浪費產生的時刻。因為風是由風機產生的，放掉的風就是放掉電能，白白地放掉電能是一種極大的浪費。窯爐需要的風量越小，放掉的就越大，能量浪費就越嚴重。據某一水泥生產現場統計，窯爐20%的時間需要滿風量，40%時間處于80%的滿風量，另40%時間風量的需求量約為65%的滿風量。在這種情況下，不需要的那20%和35%的風量就白白地浪費掉了，前者的能量浪費約為48%，而后者的能量浪費竟高達65%。

 

四、水泥機立窯、回轉旋窯節能應用

      深圳市日業電氣有限公司的工程技術人員針對水泥廠旋窯、機立窯供風系統、進行了長期跟蹤專門研究，開發生產了水泥廠專用變頻器及《變頻調速控制柜》，通過上百條水泥生產線實際應用，該裝置安裝調試方便，運行可靠，節電效果明顯，在提高生產效率、改善生產工藝，提高產品品質和環保等方面效果明顯，受到水泥行業的歡迎。

機立窯、回轉旋窯供風系統變頻調速裝置

      采用《變頻調速控制柜》或變頻器調速取代調節擋風板或閥門開啟度來調節用風量的比例（即調節風量利用率），滿足原水泥生料燒結時不同用風量的落后的傳統的機械調節方法，（這種傳統供風方法缺點是電能浪費嚴重、調節精度差、啟動電流大、噪音大、粉塵污染嚴重）。變頻改造后的供風系統是在保留原工頻控制系統的基礎上增加一套變頻回路與原工頻控制并聯，形成的雙回路控制系統，從而保障生產的連續正常運行。其特點：由于變頻器具有軟起動功能，電機啟動時無大電流沖擊，延長設備使用壽命；由于變頻器可任意調節風機電機輸入頻率改變電機轉速，因此可按燒結時不同階段所需風量，準確調節供風量，無須旁通放風、減少水泥粉塵污染、節電可達15%—40%。綜合效益可觀，一般6個月—12個月可收回全部投資。（如山東煙臺長榮水泥廠2003年7月選用280KW變頻器用于立窯風機改造，節電率高達35%，僅節電一項，7個月即可收回投資。）

      交流鼠籠電機因結構簡單、價格低廉、維修方便，應用十分廣泛。約占全國電機總用量的80%。采用變頻調速技術與交流鼠籠電機結合，作為新一代調速設備，可謂是良馬配好鞍。是當今最佳調速設備的完善結合。