高压变频器在水泥厂高温风机上的应用_湖南省建筑材料研究设计院有限公司
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高压变频器在水泥厂高温风机上的应用
2021-02-02 16:33:57

摘要:窑尾高温风机是水泥厂中非常重要的用电设备,因生产工艺的要求需要调节风压和风量,而采用高压变频器对风量进行调整,操作简单灵活,并且中控控制更为便捷,本文通过对高压变频器在高温风机上的应用情况介绍,希望能够对工程人员在设计选型时能有所帮助。
关键词:高压变频器 高温风机 高原 水泥厂

前言       

       变频调速技术作为一种先进的电动机调速方式,其技术和性能明显优于其它调速方式(如转子水阻调速、串级调速、液力耦合器调速和风门调速等等),高压变频调速装置不仅可以大幅度节能降耗,而且可以改善工艺控制水平,减少对电网的冲击,延长设备使用寿命,提高生产效率。其优异的性能以及所带来的经济效益早已被广大工程人员所认同。

      目前新建的新型干法水泥生产线,规模大、投资大、技术要求高,特别是节能和控制要求这块要求越来越高,所以在水泥厂中能够采用变频的地方一般都会用,包括高压的和低压的电机。水泥厂中可以采用变频的设备包括高温风机、窑头排风机、窑尾排风机、煤磨循环风机、生料磨排风机、水泥磨风机等等,这些风机一般是大功率的高压电机,且生产工艺上都有调速的要求,所以高压变频器的应用不可避免地越来越多,我国在07颁发、2008年5月1日开始执行的水泥行业标准《水泥厂节能设计规范》GB50443-2016中的第3.1.2条规定:“窑尾高温风机应采用变频调速装置”,并且是作为强条存在,那么高温风机相对于水泥厂其它风机来说,采用变频控制的要求是最强烈的。本文就以高温风机为分析对象,结合实际案例,就高压变频器的应用情况做介绍,旨在为工程技术人员提供这方面的参考。

1.应用方案 

1.1项目情况

      本文的案例为我公司设计并总承包的项目-西藏藏中建材股份有限公司4000t/d(相当于平原5000t/d)熟料水泥生产线,该项目地处海拔3750m的拉萨市堆龙德庆县,是世界上海拔最高的新型干法熟料生产线,同时也是西藏自治区建材行业的龙头企业。

1.2设备技术参数      

                                                 

                                                         现场高温风机、电机及高压变频器的参数表如下:

      因本项目位于高原地区,海拔高度对于变频器的选择是有影响的,主要体现在变频器的散热和降容问题上。海拔越高空气密度就越小,空气密度低会导致冷却能力不足,影响散热效果。从1000米开始,每超过100米容许温升就下降1%,另外海拔高大气的压力也会下降,设备的电气绝缘也会变差。本项目地处3750m的高原地区,通过降容计算,我们选择了该型号。
1.3现场工况情况

     干法水泥生产线的窑尾高温风机是保证窑内负压的重要设备,操作不当或者控制设备的性能不佳,都可能会引起生产的不顺畅,严重时会造成窑内塌料的现象,这个塌料现象产生原因并不是突然出现的,他是一个慢慢积累的过程,主要是因为生产过程中,预热器内壁的物料粘附到一定厚度时突然的坍塌脱落,造成预热器内部堵塞,使风机负荷增加,从而使高温风机电机的运行电流在极短的时间内增大,并可能会过负荷跳闸。水泥窑系统在正常生产时,高温风机的突然跳停是比较严重的事故了,轻则停窑,重则会损坏设备造成长时间的停产。由于水泥厂高温风机的这个重要性,还因为高原的实际情况,所以高温风机高压变频器的选型也是不容马虎的。
1.4控制方式介绍

     高压变频器的控制原理(见下图)从外部看一般是大同小异的,但内部的控制方式一般有矢量化VF控制、开环矢量和闭环矢量控制三种控制方式,根据高温风机的运行特点,我们采用了矢量化VF控制方式,事实上绝大部分风机的变频控制也都是采用这种控制方式,这种控制方法对电机的参数依赖会变小。并且在低频运行时输出的电流波形还能保持正弦波的形状,可以有效避免电机共振的现象。这个控制方式也能够更好的适应弱磁环境,当变频器在基频以下运行时,可以忽略弱磁环境的影响,随着速度的增加恒定转矩还是可以保持的,但变频器在基频以上运行时,采用其它控制当时只能保证额定功率的输出,随着速度的增加恒定转矩就不能保持了,这是变频调节处于弱磁区的现象,但采用矢量化VF控制可以抑制这样的现象发生。


 
高压变频器的控制原理图

2应用分析总结

2.1总体情况
     本项目于2017年4月份投入运行,至今已有半年的时间,整个项目从产量(生产能力比设计值高20%)、质量和能耗指标都已经超过设计目标,但高温风机高压变频这一块,至少到目前为止没有发现什么异常情况的。正常工作时的运行参数可见下图:

满负荷状态下的基本参数

     从定期对变频器的巡检来看,各项参数未见异常,包括变压器温升、功率单元温升、输出电压、输出电流等,完全正常。在整个运行范围内,电机始终运行平稳,温升正常。风机启动时的噪音和启动电流非常小,无任何异常振动和噪音,各项指标满足工艺要求,为水泥厂安全稳定连续生产提供了保证。
2.2稳定性分析

     由于高压变频器采用的LVRT低电压穿越技术,可以做到电网掉电时间长度5秒的不停机,所以对外部电源波动适应能力是很强的,另外由于采用四象限驱动技术和IGBT整流技术,可以让变频器的三相输出波形非常接近于标准正弦波,从下面两张图可以看出,在非正常操作时,输出的波形也接近近乎完美的正弦波。

电机突然减速时的输出电流波形

2秒内电机由50Hz减到0的电流波形

2.3节能情况

     谈到变频就不得不谈节能情况,高温风机采用高压变频的初衷并不是为了节能,高温风机的调速需求是由工艺生产需要提出的,但节能确是实实在在的,水泥厂风机风量的调节一般有变频调速和风门调速两种方法,如果采用风门调速的方法,则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上,虽然一次投入会小很多,但从长远看肯定是不划算的;如采用变频调速调节风量,可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时,当风机低于额定转速时,理论节电为:
E=〔1-( n′/n)3〕×P×T (kWh) 式中:

n——额定转速 

n′——实际转速 

P——额定转速时电机功率(本项目电机功率为3000KW)  

T——工作时间(水泥厂平均每天生产时间大于20小时) 
      假设工、变频生产工况相同,从平时运行的频率看,满负荷工况时,频率不到45Hz,将数据代入上述的公式的:       

      E=〔1-( 45/50)3〕×3000×20 (kWh) = 16260(kWh)

      每年按运行300天,每度电按0.8元计算,每年可为用户节约电费为:16260×300×0.8元=3902400元。

3结束语       
       本项目通过结合客户现场工艺情况,为客户量身打造最优方案,不仅因节能所产生的直接经济效益,还有其他的附加效益:实现电机的软启动,避免了启动时的机械冲击,延长了电动机寿命,当然更重要的是实现工艺上要求的平稳调速;目前高压变频调速技术已经比较成熟,国产变频器与国外进口品牌并没有明显的差距,并且配件的供应更有保障,所以理应大力推广。
4参考文献
[1]冯垛生,变频器实用指南,北京:人民邮电出版社,2006.282-287.
[2]王仁祥,王小曼,通用变频器选型、应用与维护[M],北京:人民邮电出版社,2005.136.
[3]张选正,张金远,变频器应用经验,北京:中国电力出版社.2006.3-6.
 [4]林育兹,谢炎基,变频器应用案例,北京:高等教育出版社.2007.6

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