[摘要]針對于大功率高壓變頻器在大功率風機調速節能上廣泛的應用，本文介紹了燒制煉鋼用活性灰的大型回轉窯用引風機變頻調速改造的節能預測和在鋼廠在的實際應用。在采用電機工頻拖動的運行的工況中，由于風壓過大，檔板調節量不足對運行工況造成的生產操作復雜與能源的浪費狀況，所產生的應用高壓變頻器進行速度調節運行的實際需求。并預測調速運行后能產生的效益。在高壓變頻器投入運行后，對運行工況的改善，能量節約的狀況進行測量與匯總。

[關鍵詞] 高壓變頻器 節能 回轉窯

[Abstract] contrapose the Big power high voltage frequency conversion equipment broad use on big power wind pump speed conversion economize ,the article explain forecast of regulate speed achieve economize power of fire active calcareousness for steel making in big rotative kiln ,and practice use in steel factory. work starus of use by electromorot straight drag ,so more wind pressure and regulative quantity of baler board scarcity, as status work manipulative complexity and power chuck away, engender actual demand of speed adjust by high voltage frequency conversion equipment. Also forecast bring benefit since regulate speed run. Since high voltage frequency conversion equipment plunge into run, toward run word status of improve, power economize of status bring measure and collect.
[Key word] high voltage frequency conversion equipment economize power rotative kiln

1、引言：
隨著我國經濟的持繼發展，國內各類能源消耗逐漸增大，限于能源開采能力與從國外進口的限制，使我國的能源供應十分緊張。但我國各行業的能源利用處于比較原始，能源浪費還非常嚴重，如何高效利用能源已經被國家擺在重要的戰略位置。
工業大型風機在設計時都按20-30年的運行期考慮，綜合風機葉片，爐膛，風道等損耗，密封的變化，風動介質的擾動的綜合因素，余量都選得較大。特別對于爐膛運行用的風機，在運行后，由低溫空氣介質變為高溫空氣介質，在同等的輸出風量條件下，其要求的功率也隨之大幅下降。檔板的開度經常處于60%-40% 之間運行，使大量的電能都浪費在的檔板截流，介質擾動，和風壓損耗上。利用調速運行的方式降低各類損耗，提高電能的利用率真，已經是大型風機節能高效運行的首要選擇方式。
隨著現代變流技術的發展，硅元件制造工藝的提高，大功率、高電壓的電力電子器件制造愈加成熟，性能不斷提高，價格不斷下降。應用大功率IGBT、 CPLD、DSP制作的大功率高壓變頻器技術相應成熟，價格逐步下降，已能將高壓變頻器高昂的價格降為企業能夠接受的價格門檻，在大型風機進行節能調速的范圍高壓變頻器出現了大規模的實際應用，本文專門介紹在鋼廠中的石灰回轉窯引風機的高壓變頻技術改造的應用。

2、華菱漣源鋼鐵集團石灰車間石灰回轉窯系統簡介：
（1）、華菱漣源鋼鐵集團田湖公司活性石灰車間，活化石灰生產線上的核心設備是石灰燒制回轉窯系率，其結構示意圖如下：

（2）、工作流程：
回轉窯處于備用 → 窯中加預熱木料 → 用煤油點火 → 窯中溫度升到額定 →引風機運行 → 噴煤粉 → 連續投料 → 連續出料 → 根據窯溫對風量進行調節 → 定時沖窯皮 → 根據生產計劃停料 → 停止噴煤 → 強風冷卻窯體 →停止引風機 → 修窯 → 備用
（3）、引風機設備型號：
風機型號為GW-GR168D,額定壓力8000Pa。
電動機型號YKK450-2-4，功率500KW。
引風機電機啟動采用水阻啟動器，啟動器內水溶液為兩噸，啟動一次的溫升為30攝氏度。
（4）引風機運行流程：
在木料烘窯后期，啟動引風機，點燃煤粉，使木料充份燃燒，并將灰分吸出。當窯內溫度均衡后，降低出風量，連續投料開始。風量采用檔板調節，正常時回轉窯內的負壓為100-250Pa，運行擋板開度為25%左右。冷卻窯體時，運行檔板開度為90%。在冷卻完畢后，修窯初期，擋板開度為10%，用于窯內清灰。

3、引風機電機定速拖動的運行簡介：
（1）引風機的啟動：
引風機的慣量力矩輸大，在廠內的電網容量條件下，直接啟動時電機的啟動電流很高，將引起高壓電源進線保護動作，必須采用軟啟動器進行啟動。每一次啟起引起水阻啟動器溫升30至40攝氏度，當連續三次啟動時，將會使啟動器內水溶液沸騰，電動機啟動失敗。水阻器在沸騰后，需二天的時間方能冷卻至正常溫度。在操作在決定了電機每天的啟動次數必須的二次之內。
（2）引風機運行：
運行中，由于電機的余量較大，常常將檔板調到25%左右運行，在高轉速，低負荷的運行工況下，風機振動較大，現場噪音極強，工作環境非常惡劣。當擋板調到10%以下時，由于負壓過大，會引管道和前側高壓除塵器的喘振，危及設備運行安全。
（3）石灰燒制期間的運行：
回轉窯采用煤粉加熱，由于煤粉的灰度較大，在燃燒中灰分在窯壁上積累，俗稱窯皮。當窯皮積累到一定程度時，將會影響出料。這時將停下煤槍，用水將窯皮炸開，稱為沖窯皮。在沖窯皮時，引風機擋板關至最低。
在上午出料，下午入料時，引風機運行擋板開度調至15%左右，晚間大火燒制時，引風機擋板調至25%左右。
（4）引風機運行風量由擋板進行調節，檔板執行機構為大力矩電動執行機構，在控制室內進行操作。

4、引風機定速拖動時的缺陷：
（1）引風機電能損耗嚴重：
電機啟動時，每次啟動水阻啟動器的電能消耗約為正常運行時一天耗電量。
正常運行時，擋板開度在25%左右，在擋板兩側風壓較大，出現極大的節流損耗和風壓損耗。
由于電機工作時負荷遠遠小于電機額定，且風機流量遠遠小于設定流量，在高速運行時產生大量的擾動，使電機運行振動較大，風機的轉換效率低。
由于啟動次數的限制與啟動時電能的消耗，在其它附屬設備出現問題進行短時維修時，引風機繼續保持運行，由于風量較大，散熱較快，不但是耗費電能，同時為保持窯溫，還需經常噴粉加溫，增大的煤粉的消耗量。
（2）工作環境惡劣：
在進行木料烘窯時，由于引風機啟動后風量太大，引起木料燃燒過快，使窯內加溫時間不夠。烘窯時，不運行引風機，不但點火費油費時，而且現場煙霧很大，環境變差，每次烘窯后車間都是遍地黑灰。
沖窯皮時，引風機不停，使沖窯皮時危險性加大，易出現灼傷事故。
在進行修窯時，為防止系統喘振，引風風量較大，增加了工作的危險程度。
引風機運行時，振動，噪音極大，使旁邊的電工室內振動和噪音都超標，危害操作者的人身健康。
（3）對設備的危害：
啟動時電流較大，不但使廠內電源產生波動，耗電較大。同時對電機壽命降低。
運行中振動大，使電機軸承，風機軸承磨損較大，且造成風道，高壓除塵裝置的使用年限降低。
擋板內外風壓相差較大，使擋風板調節機構與調節電機磨損程度加快。

5、風機調速運行時的節能原理：
（1）風機運行特性：
離心式風機，其屬于平方轉矩類型的負載，在額定轉速運行的特性曲線如圖：

Ｈ—Q曲線：當轉速為恒定時，表示風壓與風量間的關系特性。
Ｎ—Q曲線：當轉速為恒定時，表示功率與風量間的關系特性。
η—Q曲線：當轉速為恒定時，表示風機的效率特性。

（2）風機流量的確定：
風機在運行時，一定轉速的風機產生的離心壓力作用在一個截面上時，介質在單位時間內的通過量，就是我們所說的流量，風機在運行時，通過風機壓力與管網阻力的共同作用，出現一個穩定的流量輸出，我們稱之為工況點，其特性曲線如圖：

M —— 工況點
R —— 管網的阻力曲線
H —— 風機壓力曲線
（3）風機流量的調節方法：
通過改變管網阻力實現對風機輸出的調節
當管網阻力發生變化時，風機轉速保持不變，風壓隨之上升，風機運行的工況點將改變，風機的輸出流量將隨之發生變化，其特性曲線如圖：

在實際運行中，是通過調節擋風板的開關程度來實現的，當擋板的開度減小時，管網阻力隨之加大。
擋板的三種開度對應R1、R2、R3三種阻力工況，則在風機轉速不變時，其與風機壓力特性曲線分別出現了M1、M2、M3三種工況點。
三種工況點對應的三個流量Q1、Q2、Q3就是在轉速不變是，三種擋板開度所對應的三個流量。從中可以看出，調節擋板的開度，即可以調整風機輸出流量的多少。
通過改變風機的轉速來實現對風機的風量調節
改變風機的轉速時，風機的壓力特性曲線隨之改變，當管網阻力不變時，其特性曲線如圖：

當風機的轉速定為n1、n2、n3時，每個轉速都對應其相應的壓力特性曲線，在管網阻力R不變的情況下，工況點隨之改變為M1、M2，其對應的流量變為Q1、Q2。
在實際中，采用高壓變頻器，內反饋串級調速電機，液力耦合器等方法達到對風機轉速的調節，從而在管網阻力不變的情況下調節流量。
（4）風機定速運行與風機調速運行在輸出同等風量時的比較：
當風機的額定轉速為n1，擋板全開管網壓力為R1，額定流量為Q1時，通過調節管網壓力和風機轉速的二種方法，將輸出流量改變為Q2，其運行工況的差異如圖所示：

從圖中可以看出，在輸出同等流量的情況下，用擋板調節的工況點是M3，運行時壓力為Hf。用速度調節的工況點是M2，運行時壓為H2。
（5）兩種風量調節方法消耗能量的差異：
從上面可以看出，調節擋板與調節轉速的最大差異在于風壓，兩種運行方式風機吸收軸功率的差異為：

根據風機功率消耗的相擬性理論，得出結論：
用擋板調節風量與用轉速調節風量對比，隨著實際輸出流量與風機額定流量差值的加大，其能量的消耗差異也呈平方比例系數加大。

6、風機調速改造方案的調研：
（1）液力耦合器調速方案：
優點：
液力耦合器價格便宜。
操作簡單，維修方便。
水冷卻系統不需單獨安裝，可以直接使用回轉窯的水冷系統。
缺點：
調速效率低，節能效果差。
機械傳動方式，運行故障率高，且需定時加液力油。
安裝時需加在電機與風機中間，則要重作電機基礎，期間將造成生產停頓。
當在運行中液力耦合器出現問題時，只能停產修理。
（2）串級調速電機調速方案：
優點：
價格宜中。
可以安裝于原電機基礎上。
調速時效率高。
缺點：
需更換電機。
調速范圍窄，最低速只到額定的50%。
電機為繞線式，需每年更換碳刷。
（3）高壓變頻器調速方案：
優點：
全范圍調速，啟動時間可以根據工況自行設定。
運行效率高，功率因數高。
技術先進，在低速運行時，電機溫升低，噪音低，增加電機壽命。
可以頻繁啟動，保持啟動電流在電機額定電流之內。
缺點：
價格較貴。
操作參數較多，需對操作人員培訓。
（4）采用調速運行后節能效果計算：
設備參數
引風機型號為GW-GR168D （IDF），其性能參數為：


根據原運行數據和以上公式計算后得出調速運行工作狀態：

（5）調速運行后的效益估算：
根據以上計算出的調速運行狀態，定速運行單位電耗 280.32Kw.h，調速運行后單位電耗61.8Kw.h，每小時節電達212.52Kw.h
以上為在理想狀況下的單位節能，在實際運用中，考慮到設箅的效率轉換，調速裝置的損耗，還應乘以0.85的額外消耗系數，實際單位節電按180 Kw.h進行計算。
以正常年工作300天計算，其節電總量為：1，296，000Kw.h。
以電價每Kw.h費用0.57元計算,年節約電量應達738,720元。
（6）最終選擇方案：
經過對以上對調速方案的論證，節能效果的計算。并對進行了上述三種方案改造過的廠家進行現場考察，并結合回轉窯實際流程的要求，綜合以上因素，選用高壓變頻器調速方案作為石灰車間回轉窯引風機調速改造方案。

7、高壓變頻器性能參數：
（1）高壓變頻器的類型：
高—低—高三電平高壓變頻器
功率器件直接串聯變頻器
多電平單元串聯疊加電壓源型變頻器
SGCT器件串聯電流型變頻器
（2）變頻器類型的選擇：
我們在選擇時除了考慮一些常規的性能指標外，還著重注意：設計上是否相對有其特點，選用的元件是否穩定、成熟；產生的諧波分量是否符合有關標準；電源短時中斷恢復時對其影響程度；個別元件故障時能保持短時間的運行等功能。
在以上類型中，SGCT器件串聯電流型變頻器最為先進，但是國內無法生產，均為國外產品，其中加拿大羅克韋爾公司的PowerFlexM7000系列的變頻器性能優秀，且對現場適應能力強，但是價格過于昂貴。
在國內，多電平單元串聯疊加電壓源型變頻器屬于最為先進，同時在現場考察中，其運行穩定，節能效果良好，功率因數高。經過多方比較，決定采用多電平單元串聯疊加電壓源型變頻器。
（3）多電平單元串聯疊加電壓源型變頻器性能：
通過對國內生產多電平單無串聯疊加電壓源型變頻器廠家的情況，并進行了比較，最后選擇了哈爾濱九洲電氣股份有限公司。其產品特點：
調速范轉寬，可以從零轉速到工頻轉速的范圍內進行平滑調節。
在大電機上能實現小電流的軟啟動，啟動時間和啟動的方式可以根椐現場工況進行調整。
頻率的調整是根據電機在低頻下的壓頻比系數進行電壓和頻率的輸出，在低轉速下，電機不僅是發熱量低，而且輸入電壓低，將使電機絕緣老化速度降低。
串聯多重化疊加技術的應用實現了真正意義的高-高電力變換，無需降壓升壓變換，降低了裝置的損耗，提高了可靠性，解決了高壓電力變換的困難。串聯多重化疊加技術的應用還為實現純正弦波、消除電網諧波污染開辟了嶄新的途徑。
高功率因數，達0.95以上，無需另加功率因數補償裝置，避免了因無功帶來的罰款。
效率高，高達96%以上，遠遠高于可控硅大功率調速裝置。
符合IEEE519-1992標準的嚴格要求，不對電網產生諧波污染，完全無需任何濾波裝置。
對電機不產生諧波污染，有效降低了電機的發熱量，噪聲與采用工頻供電時相近。
轉矩脈沖很低，不會導致電機等機械設備的共振，同時也減少了傳動機構的磨損。
輸出波形完美，失真度小于1% 。
電動機的電應力強度與采用工頻供電時相近，無需配備特殊電動機。
與電機的連接不受電纜長度的限制。
采用大規模門陣列CPLD電路，實現了PWM控制的高度實時性、快速性和準確性。
兩光纖實時傳送技術，獲得了國家發明專利，使得控制單元與功率單元之間的通訊更加迅速、可靠。
特別設計的H橋逆變電路，已獲得了國家專利，為系統運行的可靠性提供了保障。
完善的功率單元旁通技術，已獲得了國家專利，進一步提高了系統運行的可靠性。
控制部分采用高性能的DSP和FPGA芯片，使得控制系統的性能大大提高，實現恒定V/F和恒轉矩控制，提升特性可任意設定，滿足各種機械啟動及運行的要求。
優秀的DSP軟件數學模型，使得系統運行的實時性和效率大大提高

8、設備安裝系統調試
2005年3月，高壓變頻器在在灰車間安裝。
（1）系統回路：
在系統回路中，加旁路系統，當變頻器故障時即可通過路繼續運行引風機。
保持原有高壓開關保護設定。
將水阻啟動器嵌入旁路系統，用于旁路運行時啟動引風機。
根據以上的需求，的經過優化設計分析，其主回路如圖：

（2）變頻器安裝流程：
根據變頻器安裝要求，做變頻器基礎。
安裝變頻器。
做高壓聯屏電纜
接控制連鎖線
接入控制電源電纜
控制回路調試完成后，連接主回電纜。
（3）調試流程：
相關變頻器工作的一、二次設備安裝、組態完畢；
變頻器柜內變壓器耐壓試驗、直流電阻測量合格；
6KV電纜、變頻器閘刀柜內支持瓷瓶、避雷器等試驗合格；
檢查各接線正確、緊固；
變頻器參數設置正確；
引風機等機務設備具備試車條件。
閘刀閉鎖功能試驗：
主要檢查出線閘刀和旁路閘刀的機械閉鎖功能；“高壓允許合閘”閉鎖功能；防止帶負荷拉合閘刀功能。
靜態調試：
將變頻器控制電源送上，引風機開關處于試驗狀態。檢查“本機控制”（數字鍵盤控制）、“遠方控制”（液晶觸摸屏控制，遠方控制箱控制）時的開關動作狀態及變頻器面板、觸摸屏畫面上的各種狀態顯示是否正確對應。
動態調試：
引風機開關、變頻器柜將正式通電。分別檢查“工頻旁路”狀態以及“變頻控制”狀態下，在變頻器面板和遠方控制箱上操作引風機、變頻器的啟、停、調是否正常，轉速、電流是否正確；在“工頻旁路”狀態時與“變頻控制”狀態時的轉向是否一致；在“變頻控制”時人為模擬故障保護動作、信號是否正確。
帶負荷試驗：
主要了解正常運行工況下引風機、變頻器的風量、電流、轉速（頻率）；檢查變頻器額定輸出電流時的電機轉速、變頻器頻率。

9、 回轉窯引風機變頻調速改造后的運行：
石灰車間回轉窯引風機于2005年3月18日用高壓變頻器調節引風機轉速方法投入生產。
（1）石灰回轉窯運行參數變化：
變頻器啟動時間設定為120秒，在啟動中電機運行平穩，電機電流保持在60A電流之內。
在回轉窯用木料烘窯時，引風機電機在8赫茲的頻率下運行，風機運行時極為安靜，此時的風量正可滿足木材充分燃燒，且不會使燃燒速度過快。
最大負荷運行時，電機在25赫茲運行，風機振動大大減輕，在旁邊的電工室內已感不到明顯的風機震動。
在進行沖窯皮或進行短時維修時，風機運行于2赫茲或停止，不但引風機電量消耗減少，同時風量減小，使回轉窯溫度下降速度變慢，在比較短時間內完成的不必進行噴煤加溫。
通過變頻器頻率的精確調整，使入料和出料時窯溫保持在最佳狀態。
（2）引風機調速運行后的電量消耗：
6月17日到6月23日變頻運行實測數據統計

高壓變頻改造后，引風機在滿足回轉窯負壓的情況下，風機電流明顯減少，由25A-35A降為11A-23.5A變頻器輸入電流則降到6A 以下，風機平均每小時電耗也由280.32Kw.h降到54.5Kw.h，節電率為80.1%。
（3）高壓變頻運行后，相關設備的運行變化：
避免了電動機啟動時對電機的沖擊損害，對電網的沖擊。
提高了引風機的自動控制能力。
減少了引風機和高壓除塵器的振動。
由于轉速的降低,對風機的葉輪、軸承等壽命得以延長。
擋風板保持全開狀態，降低了磨損，且大力矩執行機構工作次數減少，故障率降低。

10 石灰車間回轉窯引風機變頻調速運行的節能與效益：
1）引風機運行時間：
石灰車間回轉窯生產為十二天一個生產周期，十天進行活性石灰生產，二天進行修窯。
引風機月運轉時間：
24小時×30天×10天/12天 = 600小時
引風機年運轉時間：
600小時×11月 = 6600小時
引風機運行單耗節約量：
280.32Kw.h -54.5Kw.h =225.82 Kw.h
引風機月節約電量：
225.82 × 600 = 135492 Kw.h
引風機年節約電量：
225.82×6600 =1490412 Kw.h
石灰車間電價是每Kw.h花費0.57元
引風機變頻運行每小時節約電費：
225.82 × 0.57 =128.72元
引風機變頻運行每月節約電費：
135492 × 0.57 =77230.44 元
引風機變頻運行年節約電費：
1490412 × 0.57 =849534元

11、 結束語
通過高壓變頻器通過在活性石灰回轉窯上的應用，其在應用變頻調速運行的用電量和定速運行的用電量的差異，顯示出的在我國企業中老式風機運行方式所造成的能源浪費相當觸目驚心。
國外的一些經濟學家說過，中國是在能源緊缺的情況下大量地浪費能源，同時外國將高壓變頻器這種現代電力電子產品對我國以高昂進行推銷，獲得高額的利潤。
國產的高壓變頻器在中等功率開發與生產已經成熟，可以和國外的產品一比高下。當隨著我國在大功率與超大功率高壓變頻上不斷取得進展，其價格將進一步趨于合理，預示高壓變頻器這種現代電力電子的高科技產品將在我國能源高效利用的領域得到更加廣泛的應用。

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