1、概述

　　在水泥制造行業(yè)一些功率大、連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備耗電量高，是水泥制造成本高居不下的一個(gè)重要因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)在水泥制造成本中，電費(fèi)成本約占總成本的30%左右。因此，應(yīng)用變頻技術(shù)，對(duì)耗電大的設(shè)備做一些工藝上的節(jié)能改造,利用節(jié)能的效果來降低水泥的制造成本,可提高經(jīng)營上的利潤空間和市場競爭力。

　　根據(jù)水泥制造工藝及對(duì)一些水泥廠生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行的實(shí)際考察和分析可以知道。在生產(chǎn)過程中，大部分水泥廠的設(shè)備，尤其是一些中高壓大功率設(shè)備，絕大部分時(shí)間都不是滿負(fù)荷運(yùn)行,設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度相當(dāng)?shù)汀Ｈ缁剞D(zhuǎn)窯的生料磨風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、窯頭風(fēng)機(jī)、窯尾廢氣風(fēng)機(jī)、水泥磨收塵風(fēng)機(jī)、煤磨排風(fēng)機(jī)等，在這些設(shè)備和系統(tǒng)中，存在著相當(dāng)大的容量富裕和能量浪費(fèi)，為進(jìn)行變頻調(diào)速改造，節(jié)能形成了空間。

2、水泥生產(chǎn)工藝流程介紹

　　水泥的生產(chǎn)制造主要經(jīng)過破碎、儲(chǔ)存和預(yù)均化、粉磨、生料的均化和儲(chǔ)存、煅燒、水泥的粉磨這幾個(gè)重要的過程。粉磨就是磨機(jī)帶有巨大內(nèi)部金屬防護(hù)的金屬圓筒，在磨筒中裝有許多球形鋼。由于磨機(jī)在旋轉(zhuǎn)，這些鋼球碾碎原料成小顆粒，稱其為生料。煅燒就是在均化后，生料通過稱為預(yù)熱器的旋風(fēng)筒系統(tǒng)運(yùn)送，經(jīng)歷逐漸地?zé)崽幚頊囟冗_(dá)900℃,進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯，回轉(zhuǎn)窯烘烤物料。窯身是50～150m長，直徑3～5m的長圓筒，筒內(nèi)壁貼有耐火磚，窯的回轉(zhuǎn)作用和其驅(qū)動(dòng)角使物料朝出口運(yùn)行，溫度上升至1400℃。由于這個(gè)過程在窯內(nèi)，生料轉(zhuǎn)變成粒狀的硬物，稱之為熟料。熟料是水泥的主要成分，熟料決定了zui終產(chǎn)品的質(zhì)量，水泥作為完成產(chǎn)品是一種很細(xì)粉未，粉未要滿足于生產(chǎn)熟料，石膏，一些天然和人造的材料（例如：火山灰）混合物的要求。水泥磨機(jī)類似于生料磨，嚴(yán)格控制和不斷監(jiān)測(cè)物料的混合，水泥品種和zui重要的特性抗壓強(qiáng)度的水平，取決于熟料的化學(xué)成分，粉磨的持續(xù)時(shí)間及各種外加劑的摻加和不摻加。

3、轉(zhuǎn)窯供風(fēng)系統(tǒng)變頻改造

3.1風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況

　　一般轉(zhuǎn)窯窯頭風(fēng)機(jī)為離心風(fēng)機(jī)，離心風(fēng)機(jī)的供風(fēng)調(diào)節(jié)方式為進(jìn)風(fēng)閥門調(diào)節(jié)。正常工作時(shí)，閥門的開啟度約為70%～90%，即有一部份的風(fēng)量浪費(fèi)了。把浪費(fèi)的這部分風(fēng)量節(jié)省下來，就是節(jié)電了，鼓風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)是按zui大供風(fēng)需求（zui大工況加備用）來考慮的，鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行工況也相同（即按單機(jī)的zui大供風(fēng)需求量來考慮的）；在實(shí)際使用中有很多時(shí)間風(fēng)機(jī)都需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的做法是用開關(guān)風(fēng)門的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)方式增大了供風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)流損失，在啟動(dòng)風(fēng)機(jī)時(shí)還會(huì)有啟動(dòng)沖擊電流，且對(duì)系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)也是階段性的，調(diào)節(jié)速度緩慢，減少損失的能力很有限，也使整個(gè)系統(tǒng)工作在波動(dòng)狀態(tài)。而通過在送風(fēng)機(jī)加上裝變頻調(diào)速器，則可一勞永逸的解決好這些問題，可使系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，并可通過變頻節(jié)能回收投資。

3.2從風(fēng)機(jī)使用的一般性經(jīng)驗(yàn)可以知道：工頻運(yùn)行狀態(tài)下，用風(fēng)門（風(fēng)閥）調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)在使用過程中的負(fù)荷是在40～90%之間波動(dòng)；負(fù)荷越小風(fēng)門（風(fēng)閥）的節(jié)流損失就越大，風(fēng)機(jī)效率也就越低。而改用變頻器調(diào)速方式（即電機(jī)改變供電頻率的方式）就幾乎不存在風(fēng)門的節(jié)流損失，同時(shí)變頻裝置對(duì)電動(dòng)機(jī)可以采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)，不存在啟動(dòng)沖擊電流，可提高系統(tǒng)的安全系數(shù)。

3.3改造后的變頻供風(fēng)系統(tǒng)是在保留原來供風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套變頻回路與原回路并聯(lián)使用，形成雙回路可轉(zhuǎn)換的控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)（風(fēng)機(jī)）的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)燒結(jié)時(shí)的用風(fēng)量。其特點(diǎn)：

● 節(jié)電效果好。由于電機(jī)消耗的功率跟電機(jī)轉(zhuǎn)速的三次方成正比，改造后電機(jī)大部分時(shí)間運(yùn)行在35-43Hz左右即可滿足用風(fēng)量，節(jié)電率大于25%；

● 具有軟啟動(dòng)功能，降低負(fù)荷強(qiáng)度，延長設(shè)備使用壽命，啟動(dòng)電流小，提高用電安全系數(shù)及減少電網(wǎng)容量；

● 調(diào)節(jié)風(fēng)量精度準(zhǔn)確、及時(shí)方便；

3.4總之，風(fēng)機(jī)機(jī)組采用變頻調(diào)速改造后，不僅節(jié)約了大量電能，由于對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，對(duì)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、高壓開關(guān)等設(shè)備以及電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊大大減少，它們的使用壽命得以延長，可以大幅度節(jié)省這些設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。另外，變頻器高精度、寬范圍的無級(jí)調(diào)速功能，不僅可以全 面滿足流量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型設(shè)備，完全可以實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率和機(jī)組自動(dòng)化水平的要求。

4、節(jié)能分析計(jì)算

　　風(fēng)機(jī)的流量和轉(zhuǎn)速成正比，壓力和轉(zhuǎn)速平方成正比，其內(nèi)功率則和轉(zhuǎn)速立方成正比，這時(shí)風(fēng)機(jī)的工況點(diǎn)符合相似定律。一般情況下，很多人都用相似定律的比例率來計(jì)算風(fēng)機(jī)、水泵變頻調(diào)速的節(jié)電率。但是,實(shí)際中卻沒有這樣的節(jié)能效果。由于相似定律是研究、設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)本身的規(guī)律，它是就風(fēng)機(jī)而論風(fēng)機(jī)的定律。對(duì)于工作在管道系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)必須視具體工況進(jìn)行分析計(jì)算，由于風(fēng)機(jī)的入口和出口風(fēng)壓是否為大氣壓，直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)的軸功率變化。因此，風(fēng)機(jī)的節(jié)能計(jì)算不能照搬照抄相似定律，風(fēng)機(jī)的節(jié)能計(jì)算必須根據(jù)具體實(shí)際工況進(jìn)行分析計(jì)算。也應(yīng)當(dāng)考慮變頻調(diào)速之后風(fēng)機(jī)的效率、電動(dòng)機(jī)的效率、變頻器的效率等因素的影響。

4.1、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性

4.1.1、工頻運(yùn)行特性

4.1.1.1工頻運(yùn)行特性曲線

圖1---風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行特性曲線

4.1.1.2風(fēng)機(jī)工頻運(yùn)行具有的特點(diǎn)

(1)  圖1中，F(xiàn)1為工頻運(yùn)行時(shí)的（Q-p）性能曲線，也是變頻風(fēng)機(jī)在50Hz下滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的性能曲線。E點(diǎn)為工頻運(yùn)行時(shí)的額定工作點(diǎn)，即擋風(fēng)板在某一固定位置時(shí)的工作點(diǎn)。A點(diǎn)為流量小于額定流量時(shí)的工作點(diǎn)，即通過關(guān)小擋風(fēng)板沿著（Q-p）特性曲線向左上方滑動(dòng)的一系列的工作點(diǎn)；B點(diǎn)為流量大于額定流量的工作點(diǎn)，即擋風(fēng)板開大直至全開，并且沿著（Q-p）特性曲線向左下方滑動(dòng)的一系列工作點(diǎn)。請(qǐng)注意擋風(fēng)板全開之后，應(yīng)當(dāng)防止電動(dòng)機(jī)過載。

(2)  pa為流量小于額定流量時(shí)的風(fēng)機(jī)出口全壓；pe為額定流量時(shí)的風(fēng)機(jī)出口全風(fēng)壓；pb為流量大于額定流量時(shí)風(fēng)機(jī)的出口全風(fēng)壓。Re為額定流量時(shí)，即擋風(fēng)板在某一固定位置時(shí)的管網(wǎng)阻力曲線；Ra為小于額定流量時(shí)，即關(guān)小擋風(fēng)板之后的管網(wǎng)阻力曲線；Rb為大于額定流量時(shí)，即擋風(fēng)板開大直至全開之后的管網(wǎng)阻力曲線。擋風(fēng)板在不同的位置時(shí)，Re，Ra，Rb實(shí)際是一系列曲線族。η1為效率曲線。

(3)  從圖1中我們可以看出，pa>pe>pb；Qaηb。在額定工作點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)的效率zui高，等于定效率。在額定工作點(diǎn)以外的任何工作點(diǎn)的效率都小于額定效率。

4.1.2、變頻運(yùn)行特性

4.1.2.1變頻運(yùn)行特性曲

圖2---風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行特性曲線

4.1.2.2變頻運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)

（1）F2、F3不僅僅是二條曲線，而是F1性能曲線下方偏左的一系列曲線族，即工作頻率不同，（Q-p）曲線就沿著管網(wǎng)阻力曲線向左下方滑動(dòng)形成不同的（Q-p）曲線族。

（2）Fn變化時(shí)，工作點(diǎn)A、E、B、也分別沿著管網(wǎng)阻力曲線Rb，Re，Ra變?yōu)镃、D、F。效率曲線η1也隨著向左推移，并且形成高效扇形區(qū)。因此，風(fēng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)，pb降為pc，pe 降為pd或pg；pa降為pf。流量Qb減小到Qe；Qe減小到Qa；Qa變得更小。

（3）如果Fn變化時(shí)，把擋風(fēng)板打開到某個(gè)固定位置，使管網(wǎng)阻力為Re，保持流量Qa不變，即Qa恒定。工作點(diǎn)A即壓力pa降為pg。

（4）如果Fn變化時(shí)，把擋風(fēng)板打開到zui大位置，使管網(wǎng)阻力為Rb，分別保持流量不變，即Qa、Qe、Qb恒定。工作點(diǎn)A、E即壓力pa 、pe也分別降為ph 、pc。Pb恒定不變。

（5）隨著頻率Fn的降低，當(dāng)管網(wǎng)阻力一定時(shí)（假設(shè)為Re），變頻運(yùn)行風(fēng)機(jī)的出口壓力逐漸降低為pd或pg，變頻后流量從Qe快速減少為Qa，工作點(diǎn)G所需要的壓力也隨著降低。而頻率增加時(shí)，風(fēng)機(jī)的出口壓力也上升，使流量Qa反而增加，直至到Qe。如果要繼續(xù)增加流量，此時(shí)必須把擋風(fēng)板全部打開，流量zui大可以達(dá)到Qb，此時(shí)要防止工頻過載。

（6）變頻運(yùn)行時(shí)，頻率不能調(diào)的過低，因?yàn)檫^低的頻率運(yùn)行，將滿足不了工藝要求。

4.2、節(jié)能分析計(jì)算

4.2.1、設(shè)備參數(shù)

4.2.2、參數(shù)說明與計(jì)算

4.2.2.1參數(shù)與計(jì)算說明

風(fēng)機(jī)的額定軸功率（Nz＝225 kW）、風(fēng)機(jī)效率（η＝85％）從樣本上查取；電動(dòng)機(jī)效率（η＝91.83％）、電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出功率（Ns＝182.4kW）為計(jì)算值，其余參數(shù)表中數(shù)據(jù)全部由廠家提供。

4.2.2.2風(fēng)量比和轉(zhuǎn)速比的參數(shù)確定

　　由于風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)量為Qe=380000m3/h，實(shí)際風(fēng)量用戶沒有提供。額定風(fēng)壓為pe=1450 Pa，實(shí)際入口風(fēng)壓為936 Pa。風(fēng)壓比 ，所以計(jì)算流量比 ，即計(jì)算實(shí)際風(fēng)量Qs=307800 m3/h。所以，采用變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速比：k=0.81。

4.2.3、節(jié)能分析計(jì)算

4.2.3.1節(jié)電量節(jié)電率與節(jié)電費(fèi)

　　根據(jù)GB12497-1995《三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行》中電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的規(guī)定公式計(jì)算節(jié)電量。采入口用擋板調(diào)節(jié)流量時(shí)對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)輸入功率Nzs與流量的關(guān)系為：

調(diào)速后節(jié)約電量:

節(jié)電率為：

　　式中Nze為額定軸功率，按照225kW計(jì)取。

4.2.3.2調(diào)速比為0.81時(shí)的節(jié)電量節(jié)電率與節(jié)電費(fèi)

　　根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際輸入電流與額定電流的比值β＝25/37＝0.676,從《電動(dòng)機(jī)的輸出功率的相位電流法》查得：Nzs=182 kW。

圖3---電動(dòng)機(jī)的輸出功率的相位電流法

窯頭風(fēng)機(jī)年運(yùn)行按照24*330=7920天計(jì)算，電費(fèi)單價(jià)按0.54元/度計(jì)算。

按照公式（1）計(jì)算風(fēng)門節(jié)流時(shí)電動(dòng)機(jī)輸入功率：

按照公式（2）計(jì)算的節(jié)電量：ΔN1=0.90（0.45+0.55×0.812－0.813）225=56.6kW;

按照公式（3）計(jì)算的節(jié)電率：λ=31%。

或:     ΔN1=λ×Nzs=0.31×182.4=56.6 kW

節(jié)電費(fèi)：W=ΔN1×T×F=56.6×7920×0.54=24.2萬元

4.2.4說明

　　上述計(jì)算采用的數(shù)據(jù)為某一時(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù),不具有普遍性。如果實(shí)際運(yùn)行工況與此時(shí)點(diǎn)的數(shù)據(jù)有比較大的波動(dòng)差異，誤差也是會(huì)增大的。計(jì)算時(shí)點(diǎn)的實(shí)際入口風(fēng)壓為936 Pa。如果入口風(fēng)壓向上波動(dòng)比較大，節(jié)電效果就會(huì)降低；如果入口風(fēng)壓向下波動(dòng)比較大，節(jié)電效果就會(huì)比較好。如果需要提供比較準(zhǔn)確的計(jì)算分析數(shù)據(jù)，所以用戶應(yīng)當(dāng)提供比較準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)。運(yùn)行數(shù)據(jù)可以按照下面日、月、年的工況曲線圖提供。

圖1―日工況曲線圖

圖2―月工況曲線圖

圖3―年工況曲線圖

　　另外還要說明的是，由于用戶只提供入口風(fēng)壓，沒有出口風(fēng)壓。所以只有靜風(fēng)壓數(shù)據(jù)，而沒有動(dòng)風(fēng)壓數(shù)據(jù)。既提供的風(fēng)壓數(shù)據(jù)并不是全壓數(shù)據(jù)，計(jì)算可能會(huì)有一些誤差。

5、技術(shù)方案

圖4一拖一方案　　

　　由于只有一臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速,采用一拖一的變頻驅(qū)動(dòng)方式，變頻裝置采用旁路進(jìn)行切換。建議采用國產(chǎn)哈爾濱九洲POWERSMART-40A/400KVA/6KV變頻器1套。具體主接線見圖4。

6、供貨范圍

　　配置JZEPOWERSMART-40A/400KVA/6KV變頻裝置1套；旁路切換柜1套。

7、設(shè)備投資與回收期限

　　一套設(shè)備一次性投資大約為48萬元，年節(jié)電費(fèi)在24.2萬元，回收期限為2年。如果設(shè)備壽命以20年計(jì)算，維護(hù)費(fèi)用按照節(jié)電收益的3%計(jì)取。在設(shè)備壽命期內(nèi)節(jié)電效益將達(dá)到：24.2×20×0.97-48=421.48萬元，可見節(jié)電效益是非常可觀的。　

8、結(jié)束語

　　通過上述的分析計(jì)算我們認(rèn)為，哈爾濱水泥廠轉(zhuǎn)窯窯頭風(fēng)變頻調(diào)速節(jié)能與否,取決于實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)壓和流量。因此對(duì)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)必須給出準(zhǔn)確的參數(shù)范圍,方能確定其具體準(zhǔn)確的節(jié)能效果。

　　通過上面的分析計(jì)算,無論是從技術(shù)上還從經(jīng)濟(jì)效益上哈爾濱水泥廠轉(zhuǎn)窯窯頭風(fēng)變頻調(diào)速都是可行的。風(fēng)機(jī)機(jī)組采用變頻調(diào)速改造后，不僅節(jié)約了大量電能，由于對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)，對(duì)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、風(fēng)門、高壓開關(guān)等設(shè)備以及電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊大大減少，它們的使用壽命得以延長，可以大幅度節(jié)省這些設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。另外，變頻器高精度、寬范圍的無級(jí)調(diào)速功能，不僅可以全 面滿足流量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型設(shè)備，完全可以實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率和機(jī)組自動(dòng)化水平的要求。