高压变频器在粉磨站收尘风机上的应用
北京利德华福电气技术有限公司 周洪云 晏鵾
一、引言
济南山水集团平阴粉磨站具有一套年产100万吨水泥生产线，工程设计初期收尘器的收尘风机是定速运行，其风量调节依靠档板开度来控制。考虑产量变化及生产品种的变化（水泥成品的颗粒细度不同），需要不同的风量来满足工艺要求。若用档板调节，不但控制精度较差，并且依靠档板截流来减少风量，电机的出力变化较小，造成大量电能被白白浪费。为了改善工艺、降低能耗，山水水泥的设计人员决定对收尘风机进行变频调速改造，生产中风量的调整通过变频器来改变收尘风机转速实现。
用户通过大量考察论证，最后选用北京利德华福电气技术有限公司的一台HARSVERT-A06/055高压变频器驱动收尘风机。
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1、水泥生产工艺
水泥的生产步骤，可分为以下八个步骤：
原料的提取（采矿） 原料的破碎 原料的储存和预均化 原料的粉磨（球磨机） 生料的均化和储存 煅烧（生料通过旋风筒预热后再进入回转窑烘烤物料，煅烧成熟料） 水泥的粉磨（根据水泥的品质，混合其他的化学原料粉磨）
水泥的储存与运输 其中物料的粉磨工艺流程是：
电动机通过减速机带动磨盘转动，物料从下料口落到磨盘中央，在离心力的作用下向磨盘边缘移动并受到磨辊的碾压，粉碎后的物料离开磨盘，被高速向上的气流带至与立磨一体的分离器，粗粉经分离器后返回到磨盘上，重新粉磨；细粉则随气流出磨，在系统的收尘装置中收集下来。
收尘风机的转速（收尘器所需风量）主要由管磨机内工艺情况（产量及粉的细度）决定。
2、水泥粉磨系统主要设备：（表一）
| 设备名称 | 规格 | 主要性能 | 电机功率（kW） |
| 辊压机 | RP120-80 | 辊直径1200mm, 有效宽度899mm |
2×500 kW |
| 管磨机 | ∮4.2×11.5 | 能力120t/h | 2800 kW |
| 高效选粉机 | XWS40 | 处理能力150 t/h | 220 kW |
| 袋式收尘器 | LPM2X70 | 处理风量157000m3/h | |
| 排风机 | R6-2X40No15.57 | 风量160000 m3/h， 风压7300Pa |
450 kW |
3.水泥生产工艺图
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| 图一 |
三、收尘风机系统控制方案
1、主回路方案工作原理：变频器为一拖一配置，即一台变频器拖动一台电机。变频器高压进线端直接接于6kV电压等级的主动力电源，输出侧直接连接电机。QF1为用户现场高压断路器，为了实现对变频器故障保护，变频器与QF1的合、分闸回路实现连锁，只有变频器控制系统正常才允许QF1合闸，而变频器重故障则跳开QF1。
2、控制回路方案
按照用户要求,变频器可以根据用户反馈的风压信号来调节风机的风压,也可以与用户的风门进行开、合联动。
变频器控制柜有“本机控制/远程控制”选择开关，可以方便地选择本地操作或远程操作，变频器支持MODBUS、PROFIBUS、TCP/IP等协议及硬接线连接来实现远程操作，本套系统与用户中控室DCS采用硬接线连接。即DCS给变频器发启动、停止指令及一路频率给定信号，变频器反馈给DCS“备妥”、“运行”、“报警”、“故障”四路开关量信号及“电机转速”、“电机电流”两路模拟量信号。
变频器概略图如下：
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| 图二 |
3、变频器技术参数
| 序 号 | 规 范 | 单 位 | 参 数 | 备 注 |
| 1 | 使用标准 |
Q/CP BLH003-2004 | ||
| 2 | 型式及型号 | HARSVERT-A06/055 | ||
| 3 | 制造商及产地 | 北京利德华福电气技术有限公司 | ||
| 4 | 技术方案 | 多级模块串联，交直交、高高方式 | ||
| 5 | 对电动机要求 | 普通鼠笼式异步电机 | ||
| 6 | 额定输入电压/允许变化范围 | kV | 6kV±15% | |
| 7 | 系统输入电压 | kV | 6kV | |
| 8 | 额定输入频率/允许变化范围 | 50Hz±10% | ||
| 9 | 对电网电压波动的敏感性 | +15%～-35% | ||
| 10 | 变频器效率 | ＞0.98 | ||
| 11 | 谐波 | 输入电流<4%,输出电流<2% | ||
| 12 | 可靠性指标（平均无故障工作时间） | H | 20000小时 | |
| 13 | 输入侧功率因数 | ＞0.95（＞20%负载） | ||
| 14 | 控制方式 | 多级正弦PWM控制 | ||
| 15 | 控制电源 | 外供220V±10%AC，3kVA， 220V±10%DC，3kVA |
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| 16 | UPS型式、参数及容量 | 掉电可维持30分钟 | ||
| 17 | 变换器型式及元件 | 42脉冲，二极管三相全桥 | ||
| 18 | 逆变器型式及元件 | IGBT 逆变桥 串连 | ||
| 19 | 电隔离部分是否采用光纤电缆 | 采用安捷伦HFBR－EUS100光纤 | ||
| 20 | 噪声等级 | ≤75dB | ||
| 21 | 冷却方式 | 强迫风冷 | ||
| 22 | 过载能力 | 120% 1min，150%立即保护（<10μs） | ||
| 23 | 标准控制连接 | 与DCS硬连接 | ||
| 24 | 模拟量信号（输入）规格及数量 | 4～20mA或0～10V，4路 | ||
| 25 | 模拟量信号（输出）规格及数量 | 4～20mA或0～10V，2路 | ||
| 26 | 开关量信号（输入）规格及数量 | 继电器干式接点，6点 | ||
| 27 | 开关量信号（输出）规格及数量 | 继电器干式接点，5点 | ||
| 28 | 防护等级 | IP20 | ||
| 29 | 操作键盘 | 标准操作面板 | ||
| 30 | 界面语言 | 简体中文 | ||
| 31 | 变频装置外形尺寸 | 3956×1200×2574mm | ||
| 32 | 变频装置重量 | 5000Kg |
四、节能效果分析
1、变频器参数
| 型号 | HARSVERT-A06/055 | 输入电压 | 6kV |
| 额定电流 | 55A | 额定功率 | 450kW |
2、电机参数
| 额定功率 | 450kW | 额定电压 | 6kV |
| 额定转速 | 985rpm | 额定电流 | 55A |
3、能计算
通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，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。
根据风机工作特性：原来系统采用档板调节时，风机工作点将由A沿曲线向B点移动；目前系统采用电机转速调节时，风机转速由n0 调整为n’时，风机工作点将由B点降至C点。因此采用高压变频器调速，其节电量如下图所示。
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根据工艺要求，收尘风机的电机转速降为额定转速的80％时，调速系统（变频器＋电机）从电网侧吸收功率约降为额定转速时的51％，即0.83×100%=51%。因此若工艺要求收尘系统风量下降即收尘风机转速下降时，节能效果将十分明显。
现在，平阴粉磨站的生产任务繁重，生产线基本在满负荷甚至超负荷运行，水泥生产量基本在120－130t/h，在最大负荷下，变频器运行频率约为37.5Hz，输入电流（从变频器网侧吸收）约为28A。对比相同工况下的另外一条生产线，在产量基本相同情况下，没有变频改造的收尘风机运行电流约为44A，从比较情况来看，经变频改造的收尘风机节能效果非常明显。
五、变频改造对系统产生的其他效果
通过对济南山水集团平阴粉磨站的变频节能分析测算表明，设备进行变频改造后，具有显著的经济效益，并且在其它方面也产生了一些显著的影响：
（1）采用变频调节后，系统实现软启动，电机启动电流只是额定电流，启动时间相应延长，对电网和变压器无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命；
（2）变频改造前，风量的调节要靠调整档板的开度来完成，一次风量的改变通常要反复调节多次才能完成。变频改造后，电机转速的改变只要在DCS设定即可，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，风量调节更平稳、精确；
（3）收尘风机改变频后，由于变频器采用单元串联移相技术，因此在理论上可以消除41次以下谐波。由于实际制造工艺的限制，网侧电压谐波总含量可以控制在2％以内，电流谐波总含量小于4％；
（4）变频输出采用PWM技术控制，输出电压波形基本接近正弦波，谐波总含量小于1％，上述指标均满足IEEE-519国际电能质量谐波标准要求；
（5）该变频器为电压源型结构，功率因数可高达0.95；
（6）厂房设备噪声污染大大降低。
六、小结
济南山水集团平阴粉磨站100t/h生产线自2005年5月份改造投产以来，收尘风机变频器一直运行十分稳定，不但节约了大量的电能，取得了良好的经济效益，而且降低了运行、检修人员的工作强度，因此在山水集团新建的粉磨站如昌乐、滨州等地的粉磨站收尘风机先后都采用了我公司制造的变频器。随着国家相关政策的具体落实，相信在今后的应用中，高压变频器将越来越多的在水泥行业中得到广泛的应用。