ZINVERT系列高壓變頻調速系統在水泥旋窯高溫風機的應用

摘要：本文簡述了高壓變頻的基本原理，介紹了國產多電平高壓變頻器在高溫風機節能改造的應用，及實際在旋窯高溫風機進行變頻調速改造應用的節能與其他效果。
關鍵字：多電平　高壓變頻器　高溫風機

1、引言
自我國加大基礎設施建設以來，全國各地對基礎建材水泥的需求量日益增大，促進了建材行業的快速發展；隨著對環保及對生產效率提出更高要求，傳統立窯由于環境污染大，生產效率低的特點，逐步被環保、高效的旋窯生產線取而代之，成為提高水泥生產的有效手段。但隨著原材料成本、燃料煤炭成本及動力成本的提高，水泥生產的利潤空間也相應降低，市場的激烈競爭促使水泥生產企業迫切的降低生產成本，以增強市場競爭力，提高利潤空間。在全球資源緊缺的前提下，原材料及煤炭的成本會進一步提高，只有在能源循環利用及節約能源上做文章才能給企業帶來持續發展的動力。
小浦眾勝水泥有限公司位于浙江長興縣小浦鎮，擁有2500噸生產線一條；為降低生產成本，提高企業競爭力，率先安裝了一套余熱發電系統，對窯尾高溫尾氣綜合利用，取得了較高的經濟效益。企業領導增強了能源綜合利用及節能降耗的信心，經過運值及電氣技術人員對生產線的運行數據的統計、分析，提出了對窯尾高溫風機進行變頻改造的課題。

2、改造前運行工況介紹及節能預算分析
小浦眾勝水泥有限公司旋窯高溫風機額定電壓為6kV，額定功率為1400kW，額定轉速992rpm，改造前通過液力耦合器調節風機轉速并配合風門進行控制。在正常生產運行過程中，液力耦合器的輸出720rpm，風門開度控制在75%開度。采用風門控制時，微小的調節都會引起旋窯系統各點壓力的波動，影響生產安全；采用液力耦合器調整時，雖能減小旋窯系統各點的壓力波動，但相對增加了液力耦合器的維護量及維護成本。
通過查閱相關資料及試驗論證，在風門開度75%時，由于風門的節流、磨擦增加大約11%的損耗；液力耦合器工作原理是利用了泵輪與渦輪進行能量的傳遞，在能量傳遞過程中本身損耗一定的能量，其損耗比例理論計算公式：

其中，i——液偶轉速比；
i_e——液偶額定工況點的轉速比，取0.97；
P額——電機額定功率，kW；
按上述公式計算，輸出720rpm時的損耗約為14.43%，再考慮到液偶的軸承摩擦損失、油路損失、鼓風損失、導管損失等。總約有25%的損耗，具有較大的改造節能空間。
對于旋窯系統，高溫風機至關重要，一旦出現故障將造成整條生產線的癱瘓，因此對節能改造方式的穩定性與可靠性提出了更高標準的要求。通過與其他節能調節方式比較，變頻調速優異的調速、起動和制動性能、高效率、高功率因素等特點 非常適合改造需求，用戶最終決議采用高壓變頻對高溫風機進行改造。
近年來國內高壓變頻器得到了快速發展，其性能已基本達到了進口產品的水平，且針對國內電網實際運行情況在功能做了很大的改進與完善，完全滿足運行需求。

3、H橋多電平串聯高壓變頻介紹
3.1拓撲結構
受功率器件進口限制，國內高壓變頻器的拓撲基本采用的是多電平串聯結構。
多電平串聯高壓變頻器采用若干個低壓變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出。其系統結構如圖１所示。

3.2 功率單元結構
功率單元主要由三相橋式整流橋、濾波電容器、IGBT逆變橋構成，同時還包括由功率器件驅動、保護、信號采集、光纖通訊等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態，輸出PWM電壓波形。每個功率單元在結構及電氣性能上完全一致，可以互換。其電氣原理如圖２所示：

3.3 多電平串聯高壓變頻器的特點
其拓撲結構的高壓變頻器具有對電網諧波污染小；可實現冗余設計；輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好、不存在諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動；dv/dt 低等特點，適用于普通電動機。

4、改造過程、節能效果分析
通過對本行業國產高壓變頻運行情況調查，行業用戶對Zinvert智能高壓變頻調速系統的寬電壓波動范圍、SCP抗短路技術、核心STT技術、完善的內植變壓器及電機保護等功能給予了充分的肯定，最終決定采用Zinvert系列高壓變頻調速系統的ZINVERT－A6H1800/06Y的變頻系統對高溫風機進行改造。
鑒于液力耦合器的在滿負荷運行時仍有3%的損耗及設備較大的維護工作量，此次改造采取去除液力耦合器，電機與風機直接聯接的方式。對于去除液力耦合器的去除提出了兩種解決方案，一是去除液力耦合器，前移電機實現電機、風機的直接聯接；二是用軸承箱替代液力耦合器實現電機、風機的直接聯接。考慮到無論是移電機還是訂制軸承箱，都需要較長的改造周期，為在企業規定的時間內按時完成整個改造項目，因此采用對液力耦合器進行改造的方式。根據液力耦合器的軸徑加工制造了一根通軸，取出液力耦合器的泵輪與渦輪，以液耦的外殼做為軸承箱放入通軸直接聯接電機和風機，即可在最短時間內完成電機、風機直聯工作。
在旋窯小修前，Zinvert高壓變頻器運抵現場。由于設備出廠前在廠家試驗室內已完成了系統的調試及1:1的滿負載試驗工作，在雙方技術人員的努力下三天即完成了系統的安裝、調試、試車工作。按原有的操作規程進行起爐時，由于高溫風機在生產工藝上的特殊性，造成了變頻器保護；在相關技術人員的努力下，找出了問題根源，并制定了相應的措施，保證了改造的順利進行；投運后使旋窯系統各點的壓力波動幅值大大降低，旋窯運行非常穩定。
從運行情況來看取得了較高的經濟效益，在正常運行投料170T/H時高溫風機改造前后運行數據如下表所示：

與改造前的分析基本吻合，此次改造取得完滿成功。

5、結束語
此旋窯已進行了旋窯高溫尾氣余熱發電改造，提高了高溫風機前的負壓值，增加了高溫風機的運行功率，因此在未進行高溫尾氣余熱發電改造的旋窯高溫風機會有更大的變頻改造節能空間。
由于高溫風機的獨特性，建議在變頻改造前，對旋窯系統運行數據做全面的統計、分析，設計完善的改造方案，取得最佳改造成果。
通過本次改造效果看，對旋窯高溫風機進行高壓變頻改造是節能降耗、降低生產成本的有效方式之一，值得在水泥建材行業進行全面推廣。

參考文獻
[1]液力耦合器應用與節能技術，劉應誠,楊乃橋，化學工業出版社
[2]Zinvert智能高壓變頻調速系統手冊，廣州智光電機有限公司

作者簡介：
楊忠民（1976-），男，山東臨沂市人，廣州智光電機有限公司技術部，從事高壓變頻調速及電力電子應用技術研究。