案例应用：变频器在水泥厂中的节能分析

一、概述：

      目前在我国各行各业的各类机械与电气设备中与风机水泵配套的电机约占全国电机装机量的60%，耗用电能约占全国发电总量的三分之一。并且大多数风机、水泵在使用过程中都存在大马拉小车的现象。因生产、工艺等方面的变化，需要经常调节气体和液体的流量、压力、温度等；目前，许多单位仍然采用落后的调节档风板或阀门开启度的方式来调节气体或液体的流量、压力、温度等。这实际上是通过人为增加阻力的方式，并以浪费电能和金钱为代价来满足工艺和工况对气体、液体流量调节的要求。这种落后的调节方式，不仅浪费了宝贵的能源，而且调节精度差，很难满足现代化工业生产及服务等方面的要求，负面效应十分严重。

      变频调速器的出现为交流调速方式带来了一场革命。随着近十几年变频技术的不断完善、发展。变频调速性能日趋完美，已被不同学科、不同行业的工程技术人员广泛应用于不同领域的交流调速。为企业带来了可观的经济效益，推动了工业生产的自动化进程。

      变频调速用于交流异步电机调速，其性能远远超过以往任何交、直流调速方式。而且结构简单，调速范围宽、调速精度高、安装调试使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著，已经成为交流电机调速的最新潮流。

 

二、变频调速节能原理：

      风机是传送气体的机械设备，从流体力学原理得知，风机风量与电机转速功率相关：风机的风量（流量）与风机（电机）的转速成正比，风机的风压与风机（电机）的转速的平方成正比，风机的轴功率等于风量与风压的乘积，故风机的轴功率与风机（电机）的转速的二次方成正比（即风机的轴功率与供电频率的二次方成正比）：

      众所周知，在供风系统中，对于风机，其风压（H）、风量（Q）、转速（n）和轴功率（P）之间存在如下关系：

      Q＝K1×n

      H＝K2×n2

      P＝K3×H×Q＝K1×K2×K3×n3＝K×n3

      结论:改变风机的转速就可改变风机的功率

      根据电学原理交流电机转速如下：

      n=60f(1-s)/p

式中：n-电机转速， f-电源频率，p-电机的极对数， s-转差率。

      由公式可见，电机调速有多种，如调压调速，变极调速，串级调速和变频调速等。其中变频调速方式的调速范围宽，电机效率高、适用面广，节能效果好。结论:改变风机的运行频率就可改变风机的转速。

电机转速与节能率的关系表 ：

频率f（Hz）	转速N%	风量Q%	风压H%	轴功率P%	节电率
50	100%	100%	100%	100%	0.00%
45	90%	90%	81%	72.9%	27.10%
40	80%	80%	64%	51.2%	48.80%
35	70%	70%	49%	34.3%	65.70%
30	60%	60%	36%	21.6%	78.40%

 

根据上述原理可知改变风机的转速就可改变风机的功率。

                                           

      将供电频率由50 Hz降为40Hz，则P40/P50=403/503=0.512，即P40=0.512P50 ，理论上节电率达48.2%。

 

三、水泥厂的的生产情况：

      风机是水泥生产过程中的重要设备,也是消耗电量最大的设备之一。不过，电量消耗的绝对数字本身并不重要。重要的是，该消耗量的相当部份并没有用于生产需要，而是白白的浪费掉了！在行业竟争日益激烈的市场条件下，企业为了赢得市场，必须采取各种挫施不断提高企业在市场竟争中的竟争能力。如果说开源节流是从管理的角度提高企业的竟争能力的方法，则提高生产效率，降低产品单耗就是提高企业竟争能力的重要保障。

      水泥生产的主要设备是窑炉，窑炉有分立式（立窑）和卧式（回转式）。就综合指标而言，立窑远不能与回转窑相比，然而，立窑在现在中小水泥厂中仍占有很大的比例，且不可能马上全部退出生产应用。对一台3-10年内不能退出生产的立窑进行技术改造即具有极其重要的意义。

      立窑的生产过程:燃料和水泥原料分别从立窑的顶端送入窑体中，在窑的中部混合燃烧，燃烧所需的空气由鼓风机从窑的底部送入。燃烧过后产生的熟料由窑的底部出口送出。

      在上述生产过程中，传统的送风系统由罗茨鼓风机、送风管道和放风阀门组成。由于生产过程中风的需求量取决于燃料质量、原材料质量。另外，整过生产过程中不同的时间段对风的需求量也有很大的不同。因此，在整过生产过程中，送入窑炉的通风量需要经常调整。在传统的送风系统中，风机时刻处于额定转速运转，即送风量是固定的。风量的调整是靠放风阀的开度进行的。或是说，每当窑炉对风的需求量减少时（此时进行放风），便是能量浪费产生的时刻。因为风是由风机产生的，放掉的风就是放掉电能，白白地放掉电能是一种极大的浪费。窑炉需要的风量越小，放掉的就越大，能量浪费就越严重。据某一水泥生产现场统计，窑炉20%的时间需要满风量，40%时间处于80%的满风量，另40%时间风量的需求量约为65%的满风量。在这种情况下，不需要的那20%和35%的风量就白白地浪费掉了，前者的能量浪费约为48%，而后者的能量浪费竟高达65%。

 

四、水泥机立窑、回转旋窑节能应用

      深圳市日业电气有限公司的工程技术人员针对水泥厂旋窑、机立窑供风系统、进行了长期跟踪专门研究，开发生产了水泥厂专用变频器及《变频调速控制柜》，通过上百条水泥生产线实际应用，该装置安装调试方便，运行可靠，节电效果明显，在提高生产效率、改善生产工艺，提高产品品质和环保等方面效果明显，受到水泥行业的欢迎。

机立窑、回转旋窑供风系统变频调速装置

      采用《变频调速控制柜》或变频器调速取代调节挡风板或阀门开启度来调节用风量的比例（即调节风量利用率），满足原水泥生料烧结时不同用风量的落后的传统的机械调节方法，（这种传统供风方法缺点是电能浪费严重、调节精度差、启动电流大、噪音大、粉尘污染严重）。变频改造后的供风系统是在保留原工频控制系统的基础上增加一套变频回路与原工频控制并联，形成的双回路控制系统，从而保障生产的连续正常运行。其特点：由于变频器具有软起动功能，电机启动时无大电流冲击，延长设备使用寿命；由于变频器可任意调节风机电机输入频率改变电机转速，因此可按烧结时不同阶段所需风量，准确调节供风量，无须旁通放风、减少水泥粉尘污染、节电可达15%—40%。综合效益可观，一般6个月—12个月可收回全部投资。（如山东烟台长荣水泥厂2003年7月选用280KW变频器用于立窑风机改造，节电率高达35%，仅节电一项，7个月即可收回投资。）

      交流鼠笼电机因结构简单、价格低廉、维修方便，应用十分广泛。约占全国电机总用量的80%。采用变频调速技术与交流鼠笼电机结合，作为新一代调速设备，可谓是良马配好鞍。是当今最佳调速设备的完善结合。