基于水泥工厂中压变频节能改造的研究与实践

    由建设部和国家质量监督检验检疫总局颁布的国家标准《水泥工厂节能设计规范》(GB50443—2007)已于2008年5月1日起正式实施。该《规范》4．3．5条规定窑尾高温风机应采用变频调速装置（此条为强制性条文)；4．6．1条规定主要生产工艺风机应采用变频调速装置；5．2．3条有调速要求的电动机应采用变频调速装置。基于此，水泥工厂随着余热发电的广泛配套，对高温风机、窑头收尘风机的拖动电机直接应用高压变频技术显得非常必要。

1 变频调速节能原理

    水泥工厂对离心风机风量传统的控制方式有两种，一种是风机恒速旋转，通过调节入口挡板的开度控制风量；另一种是电机以工频运转，通过液力耦合器调节风机转速来控制风量。下面就以上两种情况改用变频调速控制方式后的节能原理进行详细分析。

    从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的离心式风机、水泵负载，其输出轴功率P与流量Q以及扬程H的关系为：p∝Q*H。

    当电动机的转速由n1变化到n2时，相对应的Q、H、P与转速的关系：

    Q₂=Q1 X (n₂n_l)       (1)

    H₂=H₁X(n₂／n₁)²       (2)

    P₂=P₁X(n₂／n_l)³       (3)

    (1)当风机类负载使用挡板调节风量时，由于挡板在部分关闭时对系统通风形成阻力，从而消耗掉部分能量。而变频器自身消耗能量相对较少(含变压器4％左右)，所以，将使用挡板调节风机风量的控制系统，当能量损耗较多时，改用变频器控制风机转速，即可节约部分能量。从而提高电能的利用率。

    见图l所示，从风机的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。

    当所需风量从Q₂减小到Q₁时，如果采用调节阀门的办法，转速不变，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况从A点移到B点，所需轴功率P₂与面积H₃×Q₁成正比；如果采用变频调速控制方式，风机转速由n₁下降到n₂，而管网特性并不发生改变，但风机的特性曲线将下移，系统的运行工况由A点移至C点。所需轴功率P₁与面积H₁XQ₁成正比。理论上，所节约的轴功率P与(H₃-H₁)XQ₁的面积成正比。

    (2)当风机类负载使用液力耦合器通过调节风机转速调节风量时，由于液力耦合器的发热和机械磨损，从而消耗掉部分能量。

    液力耦合器的调速效率η=P₂／P_1`=P_T/P_B。

    其中P₂为液力耦合器的输出功率，P₁为液力耦合器的输入功率；P_B为稳定流动时，泵轮叶片作用于液体的功率；P_T为稳定流动时，液体作用于涡轮的功率。

图1风机的运行曲线图

    在忽略各种阻力扭矩时可以近似认为：M_T=-M_B

    其中M_B为稳定流动时，泵轮叶片作用于液体的扭矩，M_T为稳定流动时，液体作用于涡轮的扭矩。

    则有：η≈P_T/P_B=-M_Tω_T/M_Bω_B=ω_T/ω_B=n_T/n_B=i

    其中ω_B、n_B分别为对应于M_B的转动角速度和转速，ω_T、n_T分别为对应于M_T的转动角速度和转速，i转速比。风机在低速运转时，液力耦合器的效率极低。

2   节电率测算及测算依据

    (1)挡板调节风量

    ①使用额定风量和测量风量

    根据GBl2497对电机经济运行管理的规定有如下的计算公式。

    采用档板调节流量电动机输入功率P与对应流量Q的关系为：

    P=[0．45+0．55(Q／Q_n)²]pe

    其中Pe为额定流量时电动机输入功率(kw)，Q_n为额定流量。

    节电率K_i=1-(Q／Q_n)³／(0.45+0.55(Q／Q_n)²)-0.04

    ②使用压力和流量计算风机轴功率

    N=Q×P／(1 000×η×3 600×0．98)

    其中P为风机全压，Q为系统流量，η为风机效率

    (2)使用液力耦合器调节风量

    液力耦合器的调速效率η等于输出功率P₂与输入功率P₁之比。近似地等于输出转速与输入转速的比值(忽略液力耦合器的机械磨损，一般不超过3％)。

    节电率K_i≈l-η-0.04

    在忽略液力耦合器的机械损失和容积损失等损失时，液力耦合器的调速效率等于转速比。转速比越小，其调速效率也越低。

3  改造方案

    传统的风机控制，当采用液力耦合器控制时，其电机一般采用鼠笼式异步电动机；而采用挡板控制时，其电机一般采用绕线式异步电动机，工频运转，水电阻启动。由于目前随着中压变频器技术的不断完善，其输出电流非常近似正弦波，谐波分量低于4％，因此，改造时可不采用变频电机，为了降低改造成本，可采用原有电机，若为绕线式电机，将电机转子短封，定子直接与变频器输出相连。去掉水电阻。

    由于变频器散热量较大，建议安装从变频器到电气室外的专用散热通道，同时为了防尘，建议通过过滤网向电气室内鼓风，使电气室内形成正压。

    对于使用液耦调速的风机需要拆除液力耦合器，增加连接轴。或将电机向前移动直接与风机连接，这时需要有土建技术人员核对液力耦合器基础是否能承载电动机，并加工电动机底座(钢结构)。

4  改造中需要注意的问题及解决方法

    (1)使用带减速器的液力耦合器改造时需要更换电机。改造工作量较大，有时需要处理土建基础，时间长对生产有一定影响。对于这种设备进行改造时，因此，建议适当控制节电率要高一些，同时具体情况综合考虑。

    (2)现场管理人员和工艺技术人员担心改用变频器后，降低风机转速，只保证风量，而对系统风压产生影响。

    ①系统风压是由气体流动时系统对气体的阻力所形成的，当系统阻力不变、系统通过的风量不变时，系统风压不会改变。

    ②打开风机挡板降低风机转速，维持风量不变时只影响风机与阀门之间的压力，不会影响其它位置的压力。在水泥生产线上几乎没有一台风机在风机叶轮与阀门之间安装压力检测装置。各单位所报风机入口压力，实际上都是阀门之前的压力。

    ③所用挡板都只是起到节流作用，没有逆止作用，因此挡板不会起到保持风压作用。

    综上几点理由，只要是保持风量不变，调整风机转速对生产线上的风压(不含罗茨风机)不会产生影响。

    (3)改用变频器后对机电设备的影响。改用变频器调速后，由于启动平滑、转速适当降低，对电机和风机设备的轴和轴承冲击力减小、磨损减轻，因此有利于提高机械设备的寿命和减少维护量；由于变频器输出带有一定的谐波分量，加之电动机转速降低后冷却风量减少，电机定子温度有时会有一定的上升(强制冷却型电机无此问题)，但一般都在电机温升容许范围内。