高压变频器在5000t/d水泥行业的应用

1引言
    申丰水泥集团是山东丰源煤电公司投资25亿兴建的非煤支柱产业，首期建设四条日产5000吨熟料生产线、六座年产100万吨粉磨站。丰富的煤炭、电力等资源优势，紧傍京杭大运河、206国道等便利的交通优势，博士、硕士、高级工程师为骨干的人才优势，规范的企业管理，短短几年时间就已经成长为地方水泥龙头企业。
    申丰水泥集团二期新建一条日产5000吨新型干法熟料生产线（带余热发电及其配套设施），该项目充分吸取一期工程中的经验，采用了大型辊式立磨、第三代预热器、纯低温余热发电、变频技术、高效除尘器等先进的节能减排技术和装备，是代表中国水泥最高水平的节能减排应用示范线，先进的工艺装备为公司今后优质、高产、低耗提供了有力保障，也为公司可持续发展奠定了坚实基础。
2用户现场设备介绍
    申丰水泥二期5000吨/天生产线为新建生产线，生产线中窑头排风机、窑尾排风机、煤磨排风机、循环风机与高温风机所有的风机电机，均采用山东新风光电子公司生产的JD-BP38系列高压变频器进行控制。
    现将生产线中各主要风机简要叙述如下：
    煤磨通风机：煤磨是立磨。煤磨前面是皮带式定料给料机，煤磨运行时把前面给料机下来的煤块磨制成细粉，经过选粉机选料，合格的将被煤磨通风机带到后面的布袋收尘。不合格的将被选粉机重新送回煤磨磨制。布袋收尘器将煤粉留下，气体随通风机排到空气中。煤磨的布袋收尘收集到的煤粉，通过皮带运送到窑头和窑尾。窑尾的煤粉随生料一起加热进入熔炉燃烧，窑头的煤粉经过罗茨风机加压，打到回转窑内燃烧加热。
    窑头排风机：篦冷机群降温的气体含有部分烧成的熟料，经窑头排风机的牵引进入电收尘。电收尘把有用的熟料留下后，打到熟料库。气体经窑头排风机排到大气中。
 窑尾排风机：窑尾排风机的前级为布袋收尘器，布袋收尘器的作用是把循环风机送来的含生料的气体进行过滤，留下生料，然后气体经窑尾排风机排入大气中。另外，经高温风机送来的含料气体也进入布袋收尘器，同样经过滤，留下有用料体后排空。
    高温风机：窑尾和熔炉内的燃烧后的高温气体，经过高温风机的牵引进入五级预热器。生料和煤粉从最上面投料，经过第一级到第五级的预热，第五级时的煤粉和生料温度已经很高，进入熔炉时开始剧烈燃烧。煅烧后的熔体进入回转窑，一氧化碳和其它气体再回到预热器。加热完生料和煤的高温气体，经过高温风机牵引，进入余热发电设备。余热发电后的气体温度仍然比较高，被加湿器加湿降温后，一部分进入原料立磨，另一部分进入布袋收尘器，回收再利用。
    循环风机：生料磨也是立磨，磨制经过前级破碎的石灰石和其它辅助配料，磨制成合乎要求的生料粉，经过选粉机选粉，合格的生料粉随循环风带走，不合格的生料被重新打回生料磨重新磨制。循环风机把含有合格生料的气体抽走，气体进入4级旋风筒，大量的生料沉入旋风筒下部的料斗，经过皮带运输机输送到生料库。其他的含少量生料的气体绝大部分被循环风机送入布袋收尘器。布袋收尘器回收来的生料也要送到生料器。未进入布袋收尘器的气体被循环风机重新打回生料磨，重新循环。循环风机的作用就是把含料气体带走，生料过滤后，再重新循环回生料磨。
    水泥生产线由于产量有时大小有变化，需要各风机的风量也要随着产量的不同，随时变化，需要对风机风量进行实时控制，达到控制工艺和节能降耗的目的，因此需要对各风机进行调速控制。变频器作为电动机的调速设备，有着其他调速设备和方法无可比拟的优点。调速范围宽，无级调速，启动冲击小，输入功率因数高，提高了电缆和变压器的带载能力和利用率，同时降低了生产成本。相对于风门和液耦调节方式，设备运行效率更高，也符合国家节能减排政策的要求。
 各风机设备详细参数如表1至表5所示。

     3风光JD-BP38系列高压变频器技术特点
     风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。2007年，高压变频器被评为中国名牌产品。具体来说，风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外，还具有以下突出特点：       
 (1)采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，控制更精准。
(2)飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
(3)完整的工频/变频自动互切技术。新风光公司提供的自动旁路切换柜，不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态，还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能，整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
(4)旋转中再启动功能。运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
(5)线电压自动均衡技术（星点漂移技术）。变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
(6) 具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。风光变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。
4风光高压变频器在水泥行业应用中的主要问题与应对措施
4.1高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停问题     
     山东新风光电子公司作为目前国内水泥行业高压变频器的专业生产制造商，其研制的高压变频调速系统特别针对高温风机的运行情况进行了研究分析，并提出相应的解决方案。技术研发人员经过深入应用现场，了解掌握高温风机的不定期的尖峰负荷运行情况，总结应用经验，推出了针对水泥生产线窑尾高温风机的专用技术，从硬件设计、控制软件设计等多方面，对高压变频器进行全方位的设计改进，有效地避免了一般高压变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，为水泥企业保证生产安全性、经济性作出了可靠保证。风光牌高压变频器目前已在多条旋窑生产线的高温风机得到实际应用，解决了高温风机变频器由于“塌料”导致的跳闸停运、生产中断的问题，大大降低了由于高温风机停运对生产造成的影响，取得节能、增效的巨大效益，得到用户普遍认可。
4.2电机在旋转情况下启动的问题
    由于风门挡板在未关严或其他原因，受风机的拖动，电机处于旋转状态，启动在旋转中的电机时，风光高压变频器可自动搜索跟踪电动机转速并按照设定加减速时间启动电机（即飞车启动），保证风机安全运行。
    对旋转中再启动功能的需求，系统提供完备的参数设定功能，保证系统动作有效，保护得当，真正适应现场运行工艺要求。
4.3多种控制保证措施，保证产品可靠运行
    水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂的高压变频器需要有高可靠性，保证安全生产。水泥厂一般地处偏远，供电质量相对不高，对设备的电网适应性问题突出。相对进口品牌高压变频器，风光高压变频器拓扑结构采用功率单元串联技术，产品对电网电压的适应范围宽（－65％～115％Un），单元故障自动旁路、星点漂移技术、工频旁路、瞬时停电再启动功能、相间短路等多项完善的保护功能技术，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高产品在水泥应用现场的可靠性。
5变频改造控制方案
5.1方案介绍
    申丰集团煤磨通风机、窑头排风机、窑尾排风机、高温风机及循环风机分别采用山东新风光电子公司生产的高压变频器进行一拖一控制。变频调速系统接入水泥厂现有的DCS系统，DCS根据生产的负荷情况，实现对风机风量的实时控制。通过DCS对5台高压变频器运行状态进行集中监控。变频调速系统操作方面，有远程控制和本地控制两种方式，这两种控制方式可提高系统的可靠性。
5.2变频控制旁路柜
    560kW煤磨通风机、710kW窑头排风机、1600kW窑尾排风机、4000kW循环风机旁路柜采用一拖一手动工/变频切换方案。2800kW高温风机旁路柜一拖一自动工/变频切换方案。旁路柜在变频器进、出线端增加了2个隔离刀闸，以便在变频器退出而电机运行于旁路时，能安全地进行变频器的故障处理或维护工作。
    560kW煤磨通风机、710kW窑头排风机、1600kW窑尾排风机旁路柜主要配置：1个真空接触器（KM3）和2个刀闸隔离开关K1、K2。4000kW循环风机旁路柜主要配置：KM3为断路器和2个刀闸隔离开关K1、K2。2800kW高温风机旁路柜主要配置：KM1、KM2为真空接触器，KM3为断路器和2个刀闸隔离开关K1、K2。
 （1）高温风机自动旁路柜
2800kW高温风机自动旁路柜主回路如图1所示。
KM2与KM3实现电气互锁，当KM1、KM2闭合，KM3断开时，电机变频运行；当KM1、KM2断开，KM3闭合时，电机工频运行。另外，KM1闭合时，K1操作手柄被锁死，不能操作；KM2闭合时，K2操作手柄被锁死，不能操作。
 

    电机工频运行时，若需对变频器进行故障处理或维护，切记在KM1、KM2分闸状态下，将隔离刀闸K1和K2断开。
 合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号串联于KM1、KM2合闸回路。在变频器故障或不就绪时，真空接触器KM1、KM2合闸不允许；在KM1、KM2合闸状态下，若变频器出现故障，则“合闸允许”断开，KM1、KM2跳闸，分断变频器高压输入电源。
 旁路投入：将变频器“旁路投入”信号并联于KM3合闸回路。变频运行状态下，若变频器出现故障且自动投入允许，或者需要将电机从变频投入到工频状态运行（按下“工频投切”按钮），系统将首先分断变频器高压输入、输出开关KM1和KM2，经过一定延时后，“旁路投入”闭合，即工频旁路KM3合闸，电机投入电网工频运行。
 （2）煤磨通风机、窑头排风机、窑尾排风机、循环风机手动旁路柜
 煤磨通风机、窑头排风机、窑尾排风机、循环风机系统采用一拖一手动工/变频切换方案，通过切换，可以在变频器故障状态下，切换到工频状态运行，其主回路如图2所示：
 

     K1、K2为2个高压隔离刀闸，K1、K2处于变频运行回路上，KM1、KM2为变频上电瞬间实现限流电阻切换时所用，K10为用户工、变频转换改造时加的一个转换开关。为了确保不向变频器输出端反送电，K2与KM3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当变频运行时，K10打到变频位置，K1、K2闭合，KM3断开；变频上电后，通过内部程序KM2会自动吸合将限流电阻引入主回路以消除大电流冲击，上电3S后，KM1吸合，KM2断开变频可以投入运行。当工频运行时，K1、K2断开，KM3闭合，K10打到工频位置，实现原来的串电阻启动方式。
 这是高压变频器工变频手动切换的典型应用。
6变频改造后设备节能情况
     为了对比变频改造节能情况，对一期工程中4#5000t/d生产线与二期5000t/d生产线在基本相同产量下，工频、变频相应的运行数据进行了统计，现将部分数据分析整理如下。
6.1 设备概况
 二期5000t/d水泥生产线风机及选用高压变频器设备表。
 

6.2一期4#5000t/d水泥生产线风机工频运行数据统计表

6.3二期5000t/d水泥生产线风机变频运行数据统计表
 

7结束语
    目前，水泥行业的竞争非常激烈，但关键还是制造成本的竞争。电动机电耗占成本近30％，因此做好电动机的降耗增效工作就显得尤为重要。从申丰水泥集团二期5000t/d生产线风机变频改造使用效果看，高压变频器系统运行稳定，维护量小，节能效果显著，为用户的正常生产和节能降耗做出了贡献。高压变频调速器节能技术目前已经比较成熟，是水泥厂节能改造的理想手段，具有很高的推广价值。
 参考文献
 山东新风光电子使用手册[Z] 山东新风光电子科技发展有限公司。
 作者简介
 胡令芝，男，技术支持工程师，供职于山东新风光电子科技发展有限公司。
 石松云，男，高级工程师，供职于枣庄申丰水泥有限责任公司。
 李云峰，男，高级工程师，供职于枣庄申丰水泥有限责任公司。