水泥行业电气节能降耗技术分析

一、概况：
　　
　　近年，节能降耗已经成为我国中央到地方各级政府的重要工作。根据“十一五”规划，中国要在2010年末实现单位GDP能耗降低20％。因此，节能降耗也就成为目前各大企业急需解决的难题。
　　在我国水泥企业中，普遍存在着大型用电设备能耗高且利用率低的问题，在运行中造成极大的能源浪费，使生产成本居高不下，给企业造成了极大的经济损失；并且在未来几年里水泥行业将以年增幅7.2％的速度增长，因此水泥行业的节能降耗问题显得迫在眉睫。

二、生产工艺分析
1、水泥行业的主要生产设备及工艺流程
水泥生产的主要工艺过程,可以简要的概括为“两磨一烧”，即首先将原料粉磨成生料，然后经过煅烧形成熟料，再将熟料粉磨成水泥。其主要的用电设备有破碎机、球磨机、风机三种，这三种设备占整个水泥厂耗电量的98％以上，其中破碎机、球磨机在水泥行业中占耗能的70％，风机占整个能耗的20％左右。
　　(1)、主要生产设备的能耗分析
　　在水泥行业各个主要工艺环节流程中．电能浪费主要是南两个方面引起的：一方面是系统功率因数偏低，存在大量的无功损耗现象；另一方面是电能利用率偏低，存在大量的隐形浪费现象。具体表现在：
　　1)、原料磨、水泥磨、煤磨等球磨机需重载起动，在起动过程中存在起动电流过大：运行过程中功率因数过低的问题。传统的起动方式和电容补偿方式，并不能彻底解决上述问题，这些因素都使得球磨机运行效率偏低．线路损耗较高，从而严重影响企业的经济效益。
　　2)、石灰石等原料破碎机在使用过程中由．下负载变化幅度较大，电机经常处于“大马拉小车”的工作状态，这种轻载和空载运行工况下．造成电动机自然功率因数偏低，耗用无功比例较大，损失电能增加。
　　3)、水泥行业使用大量的大功率风机，比如：窑头风机、废气风机等。风机起动过程中同样存在起动电流过大，运行过程中功率因数过低等问题，使得风机运行效率较低，线路损耗较高，严重影响企业的经济效益。风机在我国使用过程中还普遍存在选型余量比较大的问题。风机放风率高达10—30％，而且还有企业采用挡风板或放风阀等老式方法控制风量．这种传统的调节风量的方法降低了设备的利用率，造成了不必要的能源浪费。
　　(2)、辅助设备的工艺流程
　　在整条水泥生产线上，还有多套低压配电系统，以保证水泥生产线的正常生产。这种类型的低压配电系统巾，也同样存在巨大的节能空间。其具体表现在：
　　1)、在一些水泥生产环节，使用大量中小型电机，来辅助生产，如：水泥粉磨站中使用的提升机、风机等，熟料库中使用的斗式提升机、离心风机等。这些电机功率相对较小，但数量众多，直接起动会造成对电网的频繁累积冲击，影响电网供电电压，形成瞬间电压跌落；并且有可能造成电机起动困难现象，需采取增加变压器容量的方法来解决此类问题，这样直接增加企业的成本投资．影响企业的经济效益。
　　2)、在上述低压配电系统中，由于众多中小型电机等感性负载的存在，使得低压配电系统功率因数偏低，并且电压配电系统中还伴随有一些单相负载，如照明负载等。这些单相负载的存在有可能拉低电网某相电压造成低压配电系统三相不平衡现象，使得低压配电系统损耗大大增加。若采用老式的三相电容集中补偿技术，会出现某相过补偿或欠补偿的现象，难以对系统的无功补偿进行有效补偿；另外，这种集中补偿方式还存在另一个弊端，即大量的无功电流仍然在企业内部的输配电线路中流动，这些无功电流依然会给企业造成大量的经济损失。

三、方案概述
　　根据对水泥厂以上工艺流程的分析，水泥厂众多用电设备都存在巨大的节能空间，对这些节能空间加以利用，企业会获得可观的经济效益。结合我公司节能系列产品的特点，我公司从两大方面提出了以下全新水泥行业节能降耗技术方案：
　　根据对水泥厂以上丁艺流程的分析，水泥厂众多用电设备都存在巨大的节能空间，从水泥生产线供、配、用的各环节上论述水泥厂电气节能的可行性及相应措施。
　　1、针对水泥生产线上的主要设备所能提供的节能措施
　　(1)针对水泥工艺流程中使用的众多球磨机目前较为成熟的方式是采用WYQ6系列液体电阻起动器。
　　WYQ6系列液体电阻起动器是为改善大中型绕线式异步电动机的起动性能而研制的新一代起动器。它利用两极问的液体电阻，通过机械传动装置使极板的距离逐步接近，直至接触，达到串人转子回路中的电阻无级变小最后为零，实现电机无冲击地平滑起动。其特点是启动电流小；对电网无冲击，热容量大，可连续启动5—10次，维护方便．使用可靠。
　　绕线式电动机可采用进相机补偿的方式。WP5系列静止式进相器是专为大中型绕线式异步电动机研制的新一代补偿设备，将T频电源变为和转子电流同频率，且相位超前的电势叠加到电机转子回路中．改变转子电流与转子电乐的相位关系，进而改变电机定子电流与定子电压的相位关系，最终达到对电机补偿的目的；同时电机自身运行电流减少，相应的电机铜损降低20-30％，效率提高，电机温升降低，产生良好的节能效果。
　　(2)、国家对三相异步电动机3个运行区域作了相关规定，考虑到既能满足水泥厂设备运行需要，又能使其尽可能地提高效率，水泥企业一般负载率保持在60％一100％较为理想。根据破碎机在水泥工况下的运行状况，采用新一代WDJ6系列智能型电机节电器作为电机节电设备。
　　WDJ6系列电机节电器适用于低压各种轻负载和变负载的鼠笼电机节能运行，是通过控制三路双向可控硅的导通状态，控制电机的起动电流和电机运行时的输m功率．实现电机恒流软起动．自动跟踪电机负载变化、自动调节输出功率。通过捕捉和过滤输电线路中有害的脉冲波一瞬流，而达到稳压，保护和节电的目的。
　　(3)、对于水泥厂使用的风机有三种方案进行节能改造：一种方案是采用WYQ6系列液体电阻起动器作为起动设备，WP5系列静止式进相器作为补偿设备。有效解决了风机起动过程中电流过大，运行过程中功率因素过低等问题。另外两种方案主要针对风机余量较大提出的，采用WYT液体电阻调速器或WBT变频器来调节风机风量。
　　WYT液体电阻调速器与WYQ6液体电阻起动器类似，唯一不同之处在WYT液体电阻调速器可以通过手动或自动方式调节液阻大小。从而达到电机调速的目的；而变频调速是一种广泛应用电机凋速技术，检测温度等外围信号，自动送风排风。对风机输出风量做到自动控制。这两种方案都能彻底解决使用挡风板或放风阀等老式方法控制风量造成的电能浪费现象。
　　由于变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输人频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。而风机、泵类设备均属平方转矩负载，其流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。
　　当风机水泵的转速下降10％时，电机消耗功率下降27．1％。所以，风机、水泵采用变频调速节能效果非常明显。
　　2、针对水泥生产线上的低压配电系统中的辅助设备所能提供的节能方案
　　(1)、为解决水泥厂众多中小型电机起动时由于起动电流大而产生对电网冲击的问题，采用新一代WGQ7固态软起动器对电机实现平滑起动。WGQ7系列固态软起动器，“泛用于低压鼠笼式电机，通过控制三相双向晶闸管的导通状态进而控制电机的起动电流，从而实现电机的平滑起动，减小电机起动对电网的冲击。
　　(2)、针对水泥厂低压配电系统普遍存在三相负载不平衡现象。及电容集中补偿效果并不是理想的情况。采用WBJ电容精确补偿方案，对低压配电系统采用互相共补与分补相结合技术。对三相不仅采取三相电容共补技术，同时采用单相电容分补技术，这种三相共补与分补相结合技术对低压系统中各负载做到精确补偿．效果要优于电容集中补偿，降低了配电线路部分无功损耗，使得功率因数进一步提高。i相电容分补技术，其原理是根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的单相补偿，对其它相不产生相互影响．不会产生欠补偿和过补偿的情况，同时由于采取了电容分补技术。使得三相不平衡现象得到改善，进一步降低系统损耗；并且方案中采用就地补偿技术，在低压配电线路末端的负载处。直接提供负载所需要的无功功率，进而减小低压配电网自身的无功流量，降低线损和线路电压降。
四、经济效益分析
　　1、球磨机
　　采用WYQ6液体起动器作为球磨机起动设备后．球磨机起动过程平滑，减少了对机械设备冲击，有效地延长球磨机使用寿命。降低电机起动温升，大幅降低维修频次，从而保障生产线正常连续生产。
　　采用WP5系列静止式进相器对球磨机进行补偿后，成功实现了对球磨机的补偿，降低了配电线路部分无功损耗．使球磨机效率及过载能力大大提高．并且使得电机运行电流减少，相应的电机铜损降低20-30％，电机运行效率提高。产生良好的节能效果。现场技术人员实测部分数据：福建大田岩马水泥有限公司一台380KW生料磨，进相前电机运行电流27．5A．功率因数0.8，投入WP5进相器后，电机运行电流降为23A，功率因数提高到0.98。
　　2、破碎机
　　采用WDJ6系列电机节电器作为调节破碎机输出功率设备，经在各水泥厂实测情况其节能率可达到5％～18％，其节能效益相当可观。比如：一台160KW破碎机，按每天运行10小时，平均节电率8％计算，一年可为企业增加1.4万元的经济收益。
　　3、风机
　　采用WYQ6液体起动器作为风机起动设备后。风机起动过程平滑。对机械设备无冲击，有效地延长风机使用寿命。采用WP5系列静止式进相器对风机进行补偿后，成功实现了对风机的补偿，降低了配电线路部分无功损耗，使风机效率及过载能力大大提高。针对风机风量不可调的问题，采用WYT系列液阻调速器或WBT变频柜作为风机调速设备，经山东山水设计院现场实测，根据现场工况的不同，使用WYT系列液阻调速器后，节电率可达20%左右；变频器的节电率一般可达到23%～40%，其节能所带来的经济效益显著。
　　4、中小型电机
　　采用WGQ7固态软起动器作为众多中小型电机起动设备后，使得电机起动过程平滑．降低电机起动电流在3．5倍额定电流以内，电机起动对电网的冲击现象明显减小，有效地延长电机使用寿命，降低电机起动温升。WGQ7固态软启动器具有恒流软起动、电流斜坡起动、脉冲突跳起动三种方式．具有自由停车、软停车两种停车方式．满足各种工况下电机起动和停车的要求。例如：河南豫南水泥厂两台160KW风机，额定电流292A．直接起动起动电流高达到2300A，在使用WGQ7固态软起动设备后，最大起动电流下降为1000A，减少对电网冲击，起动过程平滑，取得了预期的效果，得到用户的肯定。
　　5、低压配电系统
　　对于低压系统中，采用电容精确补偿技术后，经技术人员在各水泥厂现场测量，WBJ电容精确补偿技术对低压配电三相补偿效果要明显优于电容集中补偿，克服了过补偿与欠补偿等弊端，降低了配电线路部分无功损耗；并且采用就地补偿技术，直接提供负载所需要的无功功率，进而减小低压配电网自身的无功流量，降低线损和线路电压降。
完善的电容精确补偿补偿主要有以下三大功能：(1)、增容15～35％；(2)、节电4～10％；(3)、保护设备．提高效率。
五、工程实例
　　广东高要市金岗水泥有限公司一条日产2500吨水泥生产线，于07年初对这条水泥生产线进行节能改造，改造工程主要有两部分组成：
　　1、对主要设备进行节能改造：
　　水泥生产线上主要设备有55KW/380V熟料破碎机、220KW/380V石膏锤式破碎机、710KW/10KV锤式破碎机、710KW/10KV废气风机、400KW/10KV水泥磨风机两台、2500KW/10KV生料磨两台、2500KW/10KV水泥磨两台、630KW/10KV煤磨机,根据对上述设备现场运行情况的考察，我公司提出以下节能改造方案：
　　对于破碎机等类型电机，采用WDJ6系列电机节电器对破碎机的轻载和空载状态进行有效的控制。
　　对于生料磨、水泥磨等绕线式电机，采用WYQ6液体起动柜及WP5静止式进相器改善球磨机起动和运行状态。
　　对于大型风机，采用WYT液体调速设备对风机风量实施检测，自动调节。
　　经对水泥厂各主要设备进行一系列的节能改造，使得该水泥厂配电电网运行效率大幅度提高，同时功率因数也有所改善，降低了配电线路无功损耗，整个水泥厂功率因数由0.78提高到0.88。经连续数月的实时检测，破碎机使用WDJ6系列电机节电器后节电率可达到12％，即对破碎机的改造一年就能带来约6万元的经济收益；风机使用WYT系列液阻调速器后节电率可达到17％，即对风机的改造一年就能带来约15万元的经济收益；但是此时的配电系统功率因数并不是很高，通过我公司人员连续几昼夜的实施检测，发现该水泥生产线仍具有节电空间可挖，仍具有丰厚的经济回报，于是提出第二部分节能改造方案。
主要设备节能具体实施方案如下：

部分设备具体节能效果如下：

2、配电系统节能方案

对于低压配电系统中使用的大量中小型电机所带来的影n向，采用WGQ7固态软起动器作为众多中小型电机起动设备．使电机起动过程平滑，将电机起动电流控制在3．5倍额定电流以内。电机起动对电网的冲击现象明显减小，有效地延长电机使用寿命，降低电机起动温升。

由于上述低压配电系统存在众多巾小型电机等感性负载，使得该生产线功率因数较低，三相无功补偿存在过补偿和欠补偿的现象，采用WBJ精确补偿方案，对低压配电系统采用三相共补与分补相结合技术，对系统中各负载做到精确补偿；并且采用就地补偿技术，在低压配电线路末端的负载处．直接提供负载所需要的无功功率。对低压配电系统节能改造后，再次考核水泥厂整厂功率因数．功率因数提高到0.97，达到了预期效果。

经过两次的系统改造．整个配电系统取得了显著的节能效果，得到用户的肯定，节电改造以来，从07年3月份至今，在每月产量相同的情况下，每月的电费支出比06年同期减少10%以上．同时获得了其他隐形的经济效益：延长各主要设备使用寿命，降低生产线维护频次等，保证了流水线的连续可靠生产。

六、总结

本文所设计的这套节能改造方案处于国内先进水平。具有节能显著、可靠性高的优点。其中数项技术已获得国家专利，被国家列为高新技术产品。目前本方案已在国内数条水泥生产线实际使用，取得了显著的节能降耗效果，基本上在五到六个月内即可收回节能改造投资成本，大幅度提高了企业效益，深受水泥企业好评。