摘要：本文介绍了ZINVERT系列高压变频调速系统在5000t/d新型干法线上的高温风机变频调速改造技术方案和节能效果等应用情况，为高压变频在水泥行业高温风机节能改造应用提供一定的经验。
关键字：高压变频器 高温风机 节能
1、引言
水泥企业是国民经济生产中的能源消耗大户，水泥行业已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，提高水泥行业的节约型制造和应用水平，建立节约型水泥工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下，水泥行业必须通过各种途径降低能耗，以获得最佳的经济效益和最高的劳动生产率。水泥生产中电动机负载电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，对一条水泥生产线，其中有25%～30%的电能是用于拖动各种类型风机上，因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。
新型干法水泥生产线的旋窑内燃烧产生的余热废气，在窑尾高温风机的作用下，通过预热器对进入窑尾前的生料进行预热均化，降温后的余热废气再通过高温风机抽出进入废气处理（除尘及排出）。均化好的生料预热后在回转窑内煅烧成熟料，回转窑内需要合适的气压及温度，才能使煤粉有一定的悬浮时间进行充分燃烧，生料才能在窑内达到很好的热处理。窑内因物料的堆积变化很大，所以瞬时气压变化频繁。窑尾高温风机一方面用来调整窑内气压，另一方面回转窑内锻烧后的高温熟料出来有废气，废气带灰，通过窑尾高温风机引出由电收尘器将灰尘进行处理，再将废气排掉。由于其工艺上的要求控制窑尾预热器的压力，通过DCS的控制来对高温风机的风量进行调节，因此一般高温风机的电机一般采用调速控制。前些年一般采用液力耦合器、绕线式电机转子串水阻等方式进行调速，而目前基本发展趋势是在90年代迅速发展起来并在近几年成熟的高压交流变频调速技术的技术和性能远远胜过以前采用的调速方式，在经过大量成功的现场应用并显示其巨大的节能效益后，高压变频器器成为国家水泥节能设计规范标准要求的设备。我国在2007年10月25日颁布、2008年5月1日起执行的强制性标准《GB50443-2007水泥厂节能设计规范》中的第4.3.5条规定：“窑尾高温风机应采用变频调速装置”。
高压变频器现已被广泛应用于各行各业，广州智光公司的ZINVERT系列高压变频器从2005年起开始应用于水泥行业的电机节能改造，至今已成功用于几十条水泥生产线的窑尾高温风机、窑头风机、生料磨循环风机、水泥磨风机等风机的节能改造，创造了显著的节电经济效益，取得了许多成功的改造经验。本文特别对ZINVERT系列高压变频器在5000t/d高温风机的应用技术与应用情况进行简要介绍。
2、高压变频器在窑尾高温循环风机应用的主要问题与应对措施
2．1高温风机的管道“塌料”问题导致电机过流甚至跳停问题
窑尾高温风机是保证水泥生产线窑内负压的重要负载，即使在在以往工频运行、采用液力耦合器调速的高温风机，也常见由于管道“塌料”导致高温风机电机过负荷跳闸，导致生产中断。而对于由于变频器装置的电力电子器件的过负荷能力的限制，以上由于塌料造成的高温风机过负荷导致的变频器保护停机现象如无专业技术是不可避免的，将给水泥生产线造成更多的损害。
高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加或如果垂直烟道或预热器内在清结皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用目前国内外一般厂家的通用型高压变频器，可能导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与水泥生产线的正常运行。
广州智光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ZINVERT系列高压变频调速系统从2005年投入水泥生产线的变频改造，特别针对高温风机的运行工艺情况进行了大量的研究分析并针对性地研制出针对性的专业技术。技术研发技术人员经过深入应用现场，了解掌握现场工艺情况，总结现场应用经验，推出了针对水泥生产线窑尾高温风机的专用变频器技术，采用自主研发的“瞬态尖峰负荷差分控制技术”，从设备的硬件设计、控制软件设计等多方面对高温风机的不定期的尖峰负荷运行进行全方位针对性的设计改进。具有这种技术的ZINVERT系列高压变频器成为“高温风机的专用变频器”，有效地避免了其他厂家的通用高压变频器在运行中由于“塌料”所导致的反复跳机，与工频液耦运行相比也降低了跳机的可能性，从而使安装了广州智光高温风机专用变频器的水泥生产线达到节能又增效，降低电机、风机设备故障率，为水泥企业保证生产安全性、经济性作出技术与设备保证。ZINVERT系列高压变频器目前已在多条5000t/d旋窑生产线的高温风机得到实际应用，基本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，大大由于高温风机停运对生产造成的影响，降低电机设备故障率，取得节能、增效的巨大效益，得到用户普遍认可。
2．2高温风机变频的电源波动与运行可靠性问题
水泥行业连续生产的性质决定了用于水泥厂用的高压变频器需要有很高的可靠性，保证安全生产。Zinvert系列智能高压变频调速系统采用主流的功率单元串联技术方案，而不是功率器件直接串联，避免了器件直接串联带来的均压问题，本质上保证了系统的可靠性。同时，产品具有的对电网电压的适应范围宽（－65％～115％Un）、单元故障自动旁路、工频旁路、瞬时停电再启动功能、包括相间短路保护功能的完善的保护功能等技术在提高起动力矩和转速精度的同时，提高了抗电网波动和负载扰动能力，大大提高了可靠性，Zinvert系列智能高压变频调速系统在几十条生产线的运行证明国产高压变频调速技术的成熟。
2．3变频器应用的谐波与干扰影响的问题
这一方面是变频器输入谐波对电网的影响，如果变频器输入电流谐波较大(比如传统的电流源型变频器)，会产生如下危害：供电系统的继电保护装置误动作，可能导致大面积停电。测量仪器仪表误差增大，影响计量精度和控制性能。影响其它电力电子装置，电子计算机系统及通信设备的正常工作。谐波使电机，变压器和电容器等用电设备损耗增大，严重时会过热或烧损。Zinvert系列高压变频器采用的输入多重化移相整流技术、单元级联多电平的输出技术，输入、输出电流谐波失真极小，满足IEEE满足IEEE519-1992和GB/T14549-93标准的要求，不会对电网、电机产生超标的谐波污染。大、中型水泥厂自动化水平高，大多数采用自动化仪表和计算机控制系统，对用电系统的谐波要求很高，Zinvert系列智能高压变频调速系统在方面有很大的优势。
谐波影响问题的另一方面是外部谐波对高压变频器的影响，由于旋窑的旋转采用直流电机，因此可能产生较大的谐波，必须采取相应的治理措施，以保证高压变频器的输入电压稳态总谐波含量THD不超过10%，其中任何奇次谐波均不超过5%,任何偶次谐波均不超过2%,短时(持续时间小于30s)出现的任意一次谐波含量不超过10%。否则对母线其他设备、高压变频器等均可能造成运行中的影响与损害。还有为避免干扰，变频器的控制线须采用屏蔽电缆，单端接地，并且在布线时注意与动力线的距离，避免控制线与动力线并行敷设在同一电缆托架(或线框)内；变频器负载输出线需采取屏蔽铠装电缆，单端接地，以避免变频器对附近仪表产生干扰。
2．4变频器应用的环境与散热问题
由于水泥现场粉尘较大，环境相对恶劣，作为电子与电力电子设备，而且由于产生约3～4％的损耗发热需要散热，而一般采用风冷散热，因此水泥生产线风机的高压变频器一般应安装在配电室内，或专门建造房屋。并加强防尘设计和日常维护，定期进行滤网清洁。ZINVERT系列高压变频器采用国内独一无二的单元与柜体结构专利设计，器件布局结构合理，散热器与风道设计提高散热效率，柜体采用前后进风方式提高风速、减小体积，环境适应能力大大提高，经受了南方夏季炎热的天气、春季的潮湿空气的影响，特别经受了水泥厂恶劣环境的考验。
3、5000t/d生产线高温风机高压变频应用案例与节能情况简介
3．1ZINVERT系列高压变频器在5000t/d旋窑生产线的高温风机投运业绩
ZINVERT系列高压变频器目前已在多条5000t/d旋窑生产线的高温风机得到实际应用，下表是ZINVERT系列高压变频器5000t/d生产线高温风机变频改造投产业绩表。
下面以三狮水泥5000t/d水泥生产线的窑尾高温风机变频改造为例说明高温风机高压变频器改造的方案及节能效果。
3．2ZINVERT系列高压变频器在5000t/d旋窑生产线的高温风机方案简介
安徽和德三狮水泥的5000t/d生产线分别采用10kV电压的2500kW电机拖动高温风机，原采用液力耦合器进行调速，但是运行中经常由于漏油故障进行维护导致高温风机停运。决定采用ZINVERT系列高压变频器进行调速改造后，拆除液力耦合器，采用连轴器替代原液力耦合器将电机与风机的轴连接，同时采用高压变频调速系统的一拖一手动旁路方案，设备的一次接线如下图所示。
图1ZINVERT高压变频器手动旁路一次接线图
10kV高压动力电源经变频装置刀闸K1到高压变频装置，变频装置输出经刀闸K2送至电动机；高压动力电源还可经刀闸K2切换至工频侧直接起动电动机。一旦变频装置出现故障，即可马上断开输入侧高压进线开关及刀闸K1，将变频装置隔离，切换刀闸K2至工频侧，在工频电源下起动电机运行。刀闸K1、K2之间具有闭锁和防止误操作功能。
ZINVERT型智能高压变频调速系统主控制部分以新型电机控制专用双DSP（数字信号处理器）为控制核心，辅以大规模可编程逻辑器件，实现SPWM波形控制及各种信号的检测、分析判断和处理。控制器和功率单元箱之间通过光纤进行信号传输，可有效避免电磁干扰，增强系统的可靠性。同时控制系统具有丰富的模拟、数字接口，可用于与用户中控DCS连接和扩展，以满足现场各种运行与控制的需要。用户在后台可以监控变频各种状态并对其进行远程控制和频率设定调节。
3．3ZINVERT系列高压变频器在5000t/d旋窑生产线的高温风机改造节电效益：
三狮和德在进行变频改造的同时，也在进行低温余热发电的建设，在变频投运后，余热锅炉也开始投入。根据数据记录，变频改造前，高温风机电机运行功率为2600kW，变频装置和余热锅炉投入后，高温风机电机运行在43Hz，运行功率约为2350kW。变频投入运行后，减小的输入功率为：250kW。按平均每天运行24小时，电价0.5元/度，一年运行300天保守计算，每年可以节约电费约为：V=250×24×300×0.5=90（万元）。下表为和德三狮5000t/d生产线窑尾高温风机变频调速改造前后的运行与节能情况。
和德三狮水泥5000t/d高温风机电机及变频改造前后运行参数列表：
高温风机采用变频调速的其他效果：
采用变频调速控制后，其他方面的效益也是明显的，如：
(1)改善了工艺，调速精度得到保证，提高了产品质量的稳定并可提高产量。投入变频器后可以平滑稳定地调整风量风压，提高了效率；变频改造前产量约为340t/h，改造后可达350—360t/h，甚至曾高达380t/h。由于ZINVERT高压变频器的特殊技术，减少甚至避免了由于塌料产生的停机，使生产线设备利用率得到保证，保证了顺产，进一步提高了产量。
(2)设备运行与维护费用下降：采用变频调节后，避免了原来采用液力耦合器调节的需经常进行油路、漏油的维护（平均每年节约维护费用十几万元），若打坏齿轮一次维护费用要几十万元，并导致停产的损失；高压变频器一年多的运行实践证明，其可靠性得到证明，避免由于液力耦合器维修导致生产线停产的发生。
(3)延长电机等设备的使用寿命。采用变频调速后，可以实现软起动和软制动，几乎不产生冲击，避免液力耦合器启动时的4～7倍的冲击电流，可大大延长电机定子、转子轴及轴承等电气与机械寿命。
(4)ZINVERT型高压变频器的输入电流谐波含量大大小于国家标准要求的4％，功率因数保证在0.95以上，与采用液力耦合器相比，输入功率大大提高，再无需投资功率补偿设备，并可降低设备的进相机等设备与维护费用。
4、结语
目前ZINVERT系列高压变频调速系统特别适于窑尾高温风机的变频应用，实际上在国内几十条5000T、4000T、2500T、1500T、1000T新型干法水泥生产线的生料磨循环风机、煤磨循环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、水泥磨循环风机广泛应用表明，设备运行性能稳定、节能显著，在水泥行业中推广的潜力巨大。
参考文献
[1]泵与风机（第三版），郭立君，何川，北京，中国电力出版社。
[2]ZINVERT系列高压变频调速系统培训教材，广州，广州智光电机有限公司。
