1、概述

　　在水泥制造行業一些功率大、連續運行的設備耗電量高，是水泥制造成本高居不下的一個重要因素。據統計在水泥制造成本中，電費成本約占總成本的30%左右。因此，應用變頻技術，對耗電大的設備做一些工藝上的節能改造,利用節能的效果來降低水泥的制造成本,可提高經營上的利潤空間和市場競爭力。

　　根據水泥制造工藝及對一些水泥廠生產設備進行的實際考察和分析可以知道。在生產過程中，大部分水泥廠的設備，尤其是一些中高壓大功率設備，絕大部分時間都不是滿負荷運行,設備運行的自動化程度相當低。如回轉窯的生料磨風機、高溫風機、窯頭風機、窯尾廢氣風機、水泥磨收塵風機、煤磨排風機等，在這些設備和系統中，存在著相當大的容量富裕和能量浪費，為進行變頻調速改造，節能形成了空間。

2、水泥生產工藝流程介紹

　　水泥的生產制造主要經過破碎、儲存和預均化、粉磨、生料的均化和儲存、煅燒、水泥的粉磨這幾個重要的過程。粉磨就是磨機帶有巨大內部金屬防護的金屬圓筒，在磨筒中裝有許多球形鋼。由于磨機在旋轉，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，生料通過稱為預熱器的旋風筒系統運送，經歷逐漸地熱處理溫度達900℃,進入回轉窯，回轉窯烘烤物料。窯身是50～150m長，直徑3～5m的長圓筒，筒內壁貼有耐火磚，窯的回轉作用和其驅動角使物料朝出口運行，溫度上升至1400℃。由于這個過程在窯內，生料轉變成粒狀的硬物，稱之為熟料。熟料是水泥的主要成分，熟料決定了zui終產品的質量，水泥作為完成產品是一種很細粉未，粉未要滿足于生產熟料，石膏，一些天然和人造的材料（例如：火山灰）混合物的要求。水泥磨機類似于生料磨，嚴格控制和不斷監測物料的混合，水泥品種和zui重要的特性抗壓強度的水平，取決于熟料的化學成分，粉磨的持續時間及各種外加劑的摻加和不摻加。

3、轉窯供風系統變頻改造

3.1風機運行情況

　　一般轉窯窯頭風機為離心風機，離心風機的供風調節方式為進風閥門調節。正常工作時，閥門的開啟度約為70%～90%，即有一部份的風量浪費了。把浪費的這部分風量節省下來，就是節電了，鼓風系統在設計時是按zui大供風需求（zui大工況加備用）來考慮的，鼓風機的運行工況也相同（即按單機的zui大供風需求量來考慮的）；在實際使用中有很多時間風機都需要根據實際工況進行調節，傳統的做法是用開關風門的方式進行調節，這種調節方式增大了供風系統的節流損失，在啟動風機時還會有啟動沖擊電流，且對系統本身的調節也是階段性的，調節速度緩慢，減少損失的能力很有限，也使整個系統工作在波動狀態。而通過在送風機加上裝變頻調速器，則可一勞永逸的解決好這些問題，可使系統工作狀態平緩穩定，并可通過變頻節能回收投資。

3.2從風機使用的一般性經驗可以知道：工頻運行狀態下，用風門（風閥）調節風量的風機在使用過程中的負荷是在40～90%之間波動；負荷越小風門（風閥）的節流損失就越大，風機效率也就越低。而改用變頻器調速方式（即電機改變供電頻率的方式）就幾乎不存在風門的節流損失，同時變頻裝置對電動機可以采用軟啟動方式啟動，不存在啟動沖擊電流，可提高系統的安全系數。

3.3改造后的變頻供風系統是在保留原來供風系統的基礎上增加一套變頻回路與原回路并聯使用，形成雙回路可轉換的控制系統，通過調節電機（風機）的轉速來調節燒結時的用風量。其特點：

● 節電效果好。由于電機消耗的功率跟電機轉速的三次方成正比，改造后電機大部分時間運行在35-43Hz左右即可滿足用風量，節電率大于25%；

● 具有軟啟動功能，降低負荷強度，延長設備使用壽命，啟動電流小，提高用電安全系數及減少電網容量；

● 調節風量精度準確、及時方便；

3.4總之，風機機組采用變頻調速改造后，不僅節約了大量電能，由于對電機實現真正的軟啟動，對電機、風機、風門、高壓開關等設備以及電網的啟動沖擊大大減少，它們的使用壽命得以延長，可以大幅度節省這些設備的維護費用。另外，變頻器高精度、寬范圍的無級調速功能，不僅可以全 面滿足流量的動態調節需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型設備，完全可以實現提高生產效率和機組自動化水平的要求。

4、節能分析計算

　　風機的流量和轉速成正比，壓力和轉速平方成正比，其內功率則和轉速立方成正比，這時風機的工況點符合相似定律。一般情況下，很多人都用相似定律的比例率來計算風機、水泵變頻調速的節電率。但是,實際中卻沒有這樣的節能效果。由于相似定律是研究、設計風機本身的規律，它是就風機而論風機的定律。對于工作在管道系統中的風機必須視具體工況進行分析計算，由于風機的入口和出口風壓是否為大氣壓，直接關系到風機的軸功率變化。因此，風機的節能計算不能照搬照抄相似定律，風機的節能計算必須根據具體實際工況進行分析計算。也應當考慮變頻調速之后風機的效率、電動機的效率、變頻器的效率等因素的影響。

4.1、風機的運行特性

4.1.1、工頻運行特性

4.1.1.1工頻運行特性曲線

圖1---風機工頻運行特性曲線

4.1.1.2風機工頻運行具有的特點

(1)  圖1中，F1為工頻運行時的（Q-p）性能曲線，也是變頻風機在50Hz下滿負荷運行時的性能曲線。E點為工頻運行時的額定工作點，即擋風板在某一固定位置時的工作點。A點為流量小于額定流量時的工作點，即通過關小擋風板沿著（Q-p）特性曲線向左上方滑動的一系列的工作點；B點為流量大于額定流量的工作點，即擋風板開大直至全開，并且沿著（Q-p）特性曲線向左下方滑動的一系列工作點。請注意擋風板全開之后，應當防止電動機過載。

(2)  pa為流量小于額定流量時的風機出口全壓；pe為額定流量時的風機出口全風壓；pb為流量大于額定流量時風機的出口全風壓。Re為額定流量時，即擋風板在某一固定位置時的管網阻力曲線；Ra為小于額定流量時，即關小擋風板之后的管網阻力曲線；Rb為大于額定流量時，即擋風板開大直至全開之后的管網阻力曲線。擋風板在不同的位置時，Re，Ra，Rb實際是一系列曲線族。η1為效率曲線。

(3)  從圖1中我們可以看出，pa>pe>pb；Qaηb。在額定工作點運行時，風機的效率zui高，等于定效率。在額定工作點以外的任何工作點的效率都小于額定效率。

4.1.2、變頻運行特性

4.1.2.1變頻運行特性曲

圖2---風機變頻運行特性曲線

4.1.2.2變頻運行時的特點

（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）曲線就沿著管網阻力曲線向左下方滑動形成不同的（Q-p）曲線族。

（2）Fn變化時，工作點A、E、B、也分別沿著管網阻力曲線Rb，Re，Ra變為C、D、F。效率曲線η1也隨著向左推移，并且形成高效扇形區。因此，風機變頻運行時，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，把擋風板打開到某個固定位置，使管網阻力為Re，保持流量Qa不變，即Qa恒定。工作點A即壓力pa降為pg。

（4）如果Fn變化時，把擋風板打開到zui大位置，使管網阻力為Rb，分別保持流量不變，即Qa、Qe、Qb恒定。工作點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，當管網阻力一定時（假設為Re），變頻運行風機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G所需要的壓力也隨著降低。而頻率增加時，風機的出口壓力也上升，使流量Qa反而增加，直至到Qe。如果要繼續增加流量，此時必須把擋風板全部打開，流量zui大可以達到Qb，此時要防止工頻過載。

（6）變頻運行時，頻率不能調的過低，因為過低的頻率運行，將滿足不了工藝要求。

4.2、節能分析計算

4.2.1、設備參數

4.2.2、參數說明與計算

4.2.2.1參數與計算說明

風機的額定軸功率（Nz＝225 kW）、風機效率（η＝85％）從樣本上查取；電動機效率（η＝91.83％）、電動機實際輸出功率（Ns＝182.4kW）為計算值，其余參數表中數據全部由廠家提供。

4.2.2.2風量比和轉速比的參數確定

　　由于風機的額定風量為Qe=380000m3/h，實際風量用戶沒有提供。額定風壓為pe=1450 Pa，實際入口風壓為936 Pa。風壓比 ，所以計算流量比 ，即計算實際風量Qs=307800 m3/h。所以，采用變頻調速運行時的轉速比：k=0.81。

4.2.3、節能分析計算

4.2.3.1節電量節電率與節電費

　　根據GB12497-1995《三相異步電動機經濟運行》中電動機經濟運行的規定公式計算節電量。采入口用擋板調節流量時對應電動機輸入功率Nzs與流量的關系為：

調速后節約電量:

節電率為：

　　式中Nze為額定軸功率，按照225kW計取。

4.2.3.2調速比為0.81時的節電量節電率與節電費

　　根據電動機的實際輸入電流與額定電流的比值β＝25/37＝0.676,從《電動機的輸出功率的相位電流法》查得：Nzs=182 kW。

圖3---電動機的輸出功率的相位電流法

窯頭風機年運行按照24*330=7920天計算，電費單價按0.54元/度計算。

按照公式（1）計算風門節流時電動機輸入功率：

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

按照公式（3）計算的節電率：λ=31%。

或:     ΔN1=λ×Nzs=0.31×182.4=56.6 kW

節電費：W=ΔN1×T×F=56.6×7920×0.54=24.2萬元

4.2.4說明

　　上述計算采用的數據為某一時點的數據,不具有普遍性。如果實際運行工況與此時點的數據有比較大的波動差異，誤差也是會增大的。計算時點的實際入口風壓為936 Pa。如果入口風壓向上波動比較大，節電效果就會降低；如果入口風壓向下波動比較大，節電效果就會比較好。如果需要提供比較準確的計算分析數據，所以用戶應當提供比較準確的運行數據。運行數據可以按照下面日、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壓，沒有出口風壓。所以只有靜風壓數據，而沒有動風壓數據。既提供的風壓數據并不是全壓數據，計算可能會有一些誤差。

5、技術方案

圖4一拖一方案　　

　　由于只有一臺風機進行變頻調速,采用一拖一的變頻驅動方式，變頻裝置采用旁路進行切換。建議采用國產哈爾濱九洲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、設備投資與回收期限

　　一套設備一次性投資大約為48萬元，年節電費在24.2萬元，回收期限為2年。如果設備壽命以20年計算，維護費用按照節電收益的3%計取。在設備壽命期內節電效益將達到：24.2×20×0.97-48=421.48萬元，可見節電效益是非常可觀的。　

8、結束語

　　通過上述的分析計算我們認為，哈爾濱水泥廠轉窯窯頭風變頻調速節能與否,取決于實際運行的風壓和流量。因此對實際運行參數必須給出準確的參數范圍,方能確定其具體準確的節能效果。

　　通過上面的分析計算,無論是從技術上還從經濟效益上哈爾濱水泥廠轉窯窯頭風變頻調速都是可行的。風機機組采用變頻調速改造后，不僅節約了大量電能，由于對電機實現真正的軟啟動，對電機、風機、風門、高壓開關等設備以及電網的啟動沖擊大大減少，它們的使用壽命得以延長，可以大幅度節省這些設備的維護費用。另外，變頻器高精度、寬范圍的無級調速功能，不僅可以全 面滿足流量的動態調節需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型設備，完全可以實現提高生產效率和機組自動化水平的要求。