霍城水泥廠原為年產20萬噸水泥粉磨站，于2006年12月配套建成一條φ3.2×52m回轉窯帶旋風預熱器及管道型分解爐1600t/d熟料預分解窯水泥生產線。窯頭排風機、窯尾排風機、煤磨排風機原來采用風門調節(jié)風量與風壓，在窯內負壓發(fā)生變化時，需要人工調節(jié)風門，由于人調節(jié)不準，造成電能嚴重的浪費。本工程利用成熟、先進、可靠的技術進行風機系統(tǒng)變頻節(jié)能改造，是典型的節(jié)能改造項目，既符合國家可持續(xù)發(fā)展的長遠的戰(zhàn)略，又是節(jié)約用能和合理利用能源的體現(xiàn)。
一、項目提出背景、意義及必要性
水泥生產企業(yè)是國民經(jīng)濟生產中的能源消耗大戶，在水泥的生產中，電動機負載電耗占生產成本的30%，而拖動風機用的高壓電動機在電機負載中占有很大比重。對于一條水泥成產線其中有35～40%的電能是用于拖動各種類型風機上，因此做好風機電動機的降耗工作就顯得極為重要。
目前很多水泥廠由于工況、產量的變化，系統(tǒng)所需要的風量也隨之變化，大部分風機采用調節(jié)進、出口閥門開度的傳統(tǒng)做法來實現(xiàn)，而該方法存在人為增加風阻、風機效率低、損耗嚴重等缺點。如果采用變頻調速技術通過改變電機的運行速度，以調節(jié)風量的大小，可以滿足生產要求，又達到節(jié)約電能，同時減少因調節(jié)風門而造成的擋板磨損和管道磨損，以及經(jīng)常停機檢修所造成的額外經(jīng)濟損失。隨著電力電子技術及電子技術的發(fā)展，變頻技術日趨成熟，國際上對于風機的風量、風壓調節(jié)已普遍摒棄靠調整配套的風門開度的手段，改而采用變頻調速的電器傳動調節(jié)，變頻調速已成為風機、泵類節(jié)能降耗的最佳、首選的電氣傳動方式。
節(jié)約能源是我國的基本國策，國家制定了“節(jié)能中長期專項規(guī)劃”，為落實此規(guī)劃目標，國家發(fā)改委最近啟動了十大重點工程，作為耗能大戶的水泥行業(yè)是國家宏觀調控的重點，也是節(jié)能的重點行業(yè)，通過各種措施，如果能把生產每噸水泥電耗控制在78kWh內，按我國水泥年產15億噸計算，如達到節(jié)能指標，則每年可節(jié)約百萬噸煤，節(jié)電百億度，并且可使廢氣排放量降低，有利于環(huán)境保護，同時也降低了成本。目前在我國，水泥行業(yè)相對于其它如冶金、電力等行業(yè)，高壓變頻改造的進度相對緩慢，如果中國大多數(shù)水泥制造企業(yè)都能合理、深度挖潛自身潛力，那么有理由相信，中國的天將會更藍，水會更清，節(jié)能型的和諧社會煤耗前景定會展現(xiàn)在我們的面前。
伊犁南崗建材(集團)有限責任公司高壓變頻技術在新型干法水泥生產中的應用及示范項目，是在國家對水泥行業(yè)的結構調整、發(fā)展新型干法水泥生產線、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、淘汰落后產能作為水泥行業(yè)節(jié)能降耗的四方面措施的情況下提出的，隨著水泥行業(yè)輥式磨系統(tǒng)越來越多地被采用，水泥生產線上的主機電機耗電比重越來越大，為了提高水泥效率，降低生產成本，實現(xiàn)節(jié)能減排，其意義深遠，是非常必要的。
二、技術探討
(一)、技術難點
在于技術的穩(wěn)定性，穩(wěn)定長期的運行，技術處理，以及今后解決突發(fā)變化的技術的能力。
技術在矢量變換數(shù)字模型的推導、速度環(huán)的跟蹤響應等等。這些是技術領域里的研發(fā)難點。
1、在中高壓領域，矛盾的焦點在自關斷器件如IGBT的耐壓問題，對3kV、6kV、10kV或更高的工作電壓IGBT的耐壓是短期內無法解決的，對高速功率開關器件的串聯(lián)問題是公認的難題。
2、輸入輸出諧波的指標。多重化被稱為“完美無諧波”，是外國公司營銷技術名詞，以為中國人對變頻技術不了解，用輸入端滿載諧波含量做誤導宣傳，以概念混淆，偷梁換柱的說法。事實上，變頻器產生的諧波應嚴格分為兩部分，即：(1)、輸入端諧波含量指標，指對電網(wǎng)產生的騷擾作用。(2)、輸出端諧波含量指標，指對電動機產生的運轉的脈動性、溫升、絕緣老化、升華軸承疲勞的副作用。
(二)、創(chuàng)新點
首次在疆內新型干法水泥建材企業(yè)的高壓風機大規(guī)模推廣應用高壓變頻技術。
1、采用具備PFC功率因數(shù)校正電路的IGBT直接串聯(lián)在高壓變頻器主電路中，并且應用現(xiàn)代的DSC(直接速度控制)技術，解決了高速功率開關器件的串聯(lián)問題。由于采用二極管整流，可以保證電網(wǎng)側的功率因數(shù)在0.95以上。
2、高壓變頻器效率高，無轉差損耗，其效率達0.95以上，并且不隨調速的范圍而變化。液力耦合器效率低，其效率與調速比成正比，負載的轉速越低，其效率越低，下圖所示為液力耦合器的效率曲線。
圖一 液力耦合器的效率曲線
液力耦合器屬轉差損耗型調速，是低效調速設備，在調速的過程中,轉差功率以熱能的形式損耗在油中。這不僅消耗了能量，而且使液力耦合器油溫升高，為此必須采取妥善的冷卻方式，特別是在環(huán)境溫度較高的場合應用，對冷卻的要求更高。我廠的3#窯高溫風機的液力耦合器在夏季不得不采取不間斷的沖水冷卻等措施，即使如此，有時仍會因溫度過高，威脅到液力耦合器安全時，不得不停機，以使溫度降下來。
3、高壓變頻器調速范圍寬，達到10:1以上，甚至達到100:1以上，而調速型液力耦合器的調速范圍最大為4:1。
4、高壓變頻器調速精度達到0.1Hz，而且穩(wěn)定性高，這是一個重要的技術指標。調速精度高、穩(wěn)定性高，意味著所傳動的風機(水泵)的壓力和風量(流量)穩(wěn)定，這對于穩(wěn)定生產工藝過程是很重要的，液力耦合器調速精度差，轉速波動大，難以保證穩(wěn)定生產。
5、高壓變頻器具有真正意義上的軟起動功能，它可以使起動電流值保持在額定電流以內，不會對電網(wǎng)造成沖擊，也不會對所傳動的風機、泵類的機械設備帶來沖擊，是最理想的軟啟動設備。液力耦合器屬于直接起動類型，電動機的起動電流約為額定電流的4～7倍，對電網(wǎng)造成沖擊，特別是在電網(wǎng)容量受限而電機容量較大時，這種直接起動對電網(wǎng)所造成的沖擊有時是不允許的。
6、采用現(xiàn)代的PWM控制技術，產生的電壓波形能基本消除低次諧波，在低頻段波形優(yōu)于多電平和多重化，基本消除了變頻器對電網(wǎng)產生的騷擾作用和對電動機產生的運轉的脈動性、溫升、絕緣老化、升華軸承疲勞的副作用。
(三)國內外技術現(xiàn)狀
目前在國內傳統(tǒng)風機調節(jié)存在的問題及現(xiàn)狀：
1、采用擋板調節(jié)時，大量的能量損耗在擋板的截流過程中。
2、采用擋板調節(jié)時，介質對擋板閥門和管道沖擊較大，設備損壞較大。
3、擋板執(zhí)行機構一般為大力矩的電動執(zhí)行器，故障較多，不能適應長期頻繁調節(jié)。
4、擋板動作遲緩，手動時人員不易操作，調節(jié)線性度差，閉環(huán)自動控制較難，動態(tài)性能不理想，操作不當會造成風機震動。
5、異步電動機直接啟動時電流一般達到額定電流的6-8倍，對電網(wǎng)沖擊較大，引起電機發(fā)熱，強大的沖擊轉矩影響電機和風機的機械壽命。
6、繞線式電機采用水電阻啟動或調速，設備復雜，可靠性低。
7、液力耦合器調速，體積大、噪聲大、調速范圍窄、效率低、油系統(tǒng)維護復雜。
(四)目標和內容
1、變頻調速技術節(jié)約了原來擋板截留的能量損耗或液力耦合器機械損耗和水電阻內部發(fā)熱的能量損耗。
2、實現(xiàn)軟啟動，對電網(wǎng)和機械負載的沖擊大大較小，延長了電機和風機的壽命。
3、風機低于額定轉速運行，降低了介質對風機扇葉哈擋板的磨損，降低了軸承、密封的損壞，減少了維護工作量，電機運行時振動和噪聲明顯降低。
4、采用變頻調速技術，方便自動調節(jié)，進行閉環(huán)控制，線性度較好，動態(tài)響應快，風量調節(jié)平衡，使設備在更經(jīng)濟得狀態(tài)下安全穩(wěn)定運行。
三、項目建設必要性
窯頭排風機、窯尾排風機、煤磨排風機原來采用風門調節(jié)風量與風壓，在窯內負壓發(fā)生變化時，需要人工調節(jié)風門，由于人調節(jié)不準，造成電能嚴重的浪費。
循環(huán)風機與高溫風機采用水電阻啟動，采用液力耦合器調節(jié)風量與風壓，由于液力耦合器漏油，需要經(jīng)常加油，經(jīng)常由于液力耦合器的故障引起停產。
由于世界能源緊缺，煤、電、油等能源價格不斷攀升，能耗高已嚴重制約企業(yè)的生存和可持續(xù)發(fā)展。近幾年變頻調速的優(yōu)越性和節(jié)能效果已在低壓變頻器的運用中得到充分體現(xiàn)，同時高壓變頻技術的日趨成熟，并逐步在冶金、化工、電力、建材等眾多行業(yè)中得到推廣和應用。我公司作為新疆清潔生產的試點企業(yè)，節(jié)能降耗勢在必行。公司各部門根據(jù)各自在操作、運行維護、設備可靠性、控制、節(jié)能和管理等方面對公司工藝控制復雜、設備維護量大、故障率高;電氣控制復雜、耗電量較高、有較高的節(jié)能空間的設備進行了調研和可行性分析，確定將窯尾高溫風機、系統(tǒng)風機的高壓電機作為第一批變頻節(jié)能技術的研究。
在國家發(fā)展和改革委員會等六部門聯(lián)合下發(fā)的《十大節(jié)能工程實施意見》中指出，我國目前電機系統(tǒng)存在的主要問題有電動機及被拖動設備效率低，電動機、風機、泵等設備陳舊落后;系統(tǒng)匹配不合理，“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴重，設備長期低負荷運行;系統(tǒng)調節(jié)方式落后，大部分風機、泵類采用機械節(jié)流方式調節(jié)，效率比調速方式約低30%。因此，在電機系統(tǒng)節(jié)能工程中國家要求推廣變頻調速、永磁調速等先進電機調速技術，改善風機、泵類電機系統(tǒng)調節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節(jié)流調節(jié)方式。重點對大中型變工況電機系統(tǒng)進行調速改造，合理匹配電機系統(tǒng)，消除“大馬拉小車”現(xiàn)象。
伊犁南崗建材(集團)有限責任公司伊犁水泥廠和霍城水泥廠三條生產線中的10臺高壓風機目前均通過調整擋板開度的定速機械節(jié)流方式來實現(xiàn)風機風量的控制。在水泥生產線設計中，由于對風機可靠性考慮較多，因而經(jīng)濟性被忽略，風機設計選型偏于保守，留有相當大的富余量。在正常運行時，風機達不到滿出力，低負荷運行時，浪費更大，很大部分的電能都浪費在節(jié)流損失上。出現(xiàn)了調節(jié)方式落后，效率低下，系統(tǒng)匹配不合理，嚴重的“大馬拉小車”現(xiàn)象。
目前作為大容量傳動的高壓變頻調速技術已得到廣泛的應用。而且高壓電機利用高壓變頻器可以實現(xiàn)無級調速，滿足電機調速控制的要求，可大幅度節(jié)約能源，降低生產成本。其顯著的特點已成為企業(yè)進行節(jié)能降耗改造的首選方案。
四、市場需求
本項目中，為達到節(jié)能運行的目的，擬對伊犁水泥廠和霍城水泥廠這三條生產線的風機電動機進行變頻調速技術研究應用。
國家標準GB16780-2007《水泥單位產品能源消耗限額》對通用硅酸鹽水泥企業(yè)能耗指標做出了以下強制性規(guī)定：
現(xiàn)有生產線：2000噸/日～4000噸/日可比熟料綜合電耗限額限定值為≤73千瓦時/噸，可比水泥綜合電耗限額限定值為≤110千瓦時/噸;1000噸/日～2000噸/日可比熟料綜合電耗限額限定值為≤76千瓦時/噸，可比水泥綜合電耗限額限定值為≤115千瓦時/噸。
根據(jù)對本項目實施單位的電耗情況的測算，本項目3條生產線的產品單耗較高，達不到國家強制標準的電耗限額限定值的要求，生產線各風機未安裝變頻調速裝置是主要原因。
推廣應用高壓變頻調速技術，實現(xiàn)節(jié)電20～30%，填補新疆建材行業(yè)新型干法水泥生產線大規(guī)模推廣應用該技術的空白。
五、產品應用
該項目在我公司伊犁水泥廠、霍城過水泥廠研究推廣應用后，我們把該技術成果推廣應用在南崗水泥廠、博樂南崗建材有限公司、北屯建材有限公司、哈密南崗建材公司的高壓風機上，南崗集團在高壓變頻技術成為自治區(qū)新型干法建材企業(yè)節(jié)能減排的典范和方法基地，在自治區(qū)建材行業(yè)及其它相關行業(yè)大力推廣應用。
本項目采用EMC合同能源管理模式進行建設。本工程利用成熟、先進、可靠的技術進行風機系統(tǒng)變頻節(jié)能改造，是典型的節(jié)能改造項目，既符合國家可持續(xù)發(fā)展的長遠的戰(zhàn)略，又是節(jié)約用能和合理利用能源的體現(xiàn)。本工程實施后每年可節(jié)約電力1166萬千瓦時。符合國家產業(yè)政策和環(huán)境保護政策的，具有很好的節(jié)能效益和環(huán)境效益。
項目經(jīng)濟效益分析
年節(jié)電效益為1166萬千瓦時
年節(jié)能收益：1166 × 0.35 元/千瓦時 = 466.5 萬元
項目減排效益計算：
根據(jù)本項目完成后，年實現(xiàn)節(jié)能量為4081噸標準煤的情況，結合新疆煤質情況，計算本項目年可減少二氧化碳排放量為10162噸，減少二氧化硫排放量為53噸。
項目節(jié)能量計算：
本項目實施后，以上三條生產線合計節(jié)能量為：
(284+996+308) kW·h/h×7344h=11662272kW?h
年節(jié)約電費量(按0.40元/kW?h計算)：
11662272kW·h×0.40元/kW·h=466.49萬元
按照國家統(tǒng)計局公布的2007年全國平均供電煤耗為350克標準煤/kW?h計算得節(jié)能量為：11662272kW·h×350kce/ kW·h=4081噸標準煤
本工程所采用技術成熟可靠，項目年收益466.5萬元，簡單投資回收期3.16年，內部收益率35.85%，經(jīng)濟效益顯著，抗風險能力強。
六、結束語
綜上所述，本工程符合國家產業(yè)政策和環(huán)保政策，具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益和抗風險能力。
