根據(jù)水泥制造工藝要求，結(jié)合水泥廠所使用的生產(chǎn)設(shè)備，我們得到如下結(jié)論：大部分水泥廠的一些設(shè)備尤其是大功率設(shè)備在生產(chǎn)過程中絕大部分時(shí)間都不是滿負(fù)荷,設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度相當(dāng)?shù)?幾乎完全靠人工調(diào)節(jié),如立窯供風(fēng)系統(tǒng)、成球預(yù)加水系統(tǒng)、生料均化給料系統(tǒng)、水泥選粉系統(tǒng)、機(jī)立窯卸料系統(tǒng)等。

　　我是多年從事變頻節(jié)能技術(shù)研究、開發(fā)與應(yīng)用的專業(yè)公司，結(jié)合曾經(jīng)成功為多家企業(yè)進(jìn)行節(jié)能改造項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出比較成熟的水泥廠七大生產(chǎn)系統(tǒng)變頻調(diào)速控制的改造方案。此方案的優(yōu)點(diǎn)明顯，1、投資少；2、安裝、調(diào)試及控制方便；3、及時(shí)保護(hù)電機(jī)和其他設(shè)備，保證設(shè)備可靠運(yùn)行；4、節(jié)電效果明顯，回收成本快；5、提高了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度；6、提高了生產(chǎn)過程的加工工藝精度。從總體的效果來看，改造后的實(shí)際系統(tǒng)在水泥制造行業(yè)深受客戶的普遍歡迎。為其取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會效應(yīng)。

　　1、變頻器在立窯羅茨風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn) 

　　在水泥廠的立窯風(fēng)機(jī)上，一般都是采用擋風(fēng)板進(jìn)行調(diào)節(jié)，其原理是調(diào)節(jié)閥門的開度，亦即利用風(fēng)道的阻力特性調(diào)節(jié)風(fēng)量，其缺點(diǎn)是：風(fēng)機(jī)始終在全速運(yùn)轉(zhuǎn)，無法根據(jù)需求準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)其風(fēng)量，因此造成風(fēng)量的跑、冒、漏嚴(yán)重，也使電機(jī)作為無用功而大量白白地消耗。

　　立窯煅燒熟料所耗的電能中，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的電耗一般占 60% 左右，隨著電價(jià)的調(diào)整，電費(fèi)在水泥生產(chǎn)成本中所占的比例越來越高。因此，降低鼓風(fēng)機(jī)的能耗成為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要一環(huán)。 

　　一、節(jié)能原理簡介：

　　1、變頻節(jié)能功能

　　通常在設(shè)計(jì)中，用戶風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量比實(shí)際需要的高出很多，這樣容易形成了人們常說的“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的浪費(fèi)，而且無計(jì)可施，利用變頻器可以通過適當(dāng)降低風(fēng)機(jī)電機(jī)的運(yùn)行頻率，恰到好處地滿足風(fēng)量的需求，從而輕易地將此部分電能節(jié)約下來。

　　2、動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償功能

　　無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因數(shù)的降低，降低了電網(wǎng)的有功功率，S2=P2+Q2，當(dāng)COSФ≈1 時(shí)，Q=S×sinФ≈0,此時(shí)有功功率P≈S。變頻器的動(dòng)態(tài)功率因數(shù)補(bǔ)償功能可使無功功率近似為0，從而增大電網(wǎng)的有功功率，減少了無功損耗。另外，功率因數(shù)的改善還可節(jié)省很大一部分電網(wǎng)容量，直觀的體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)電機(jī)溫升降低、噪音降低，供電發(fā)電機(jī)機(jī)組溫升降低、噪音降低、耗油量大幅度降低，大大地延長設(shè)備維修周期及使用壽命。

　　二、設(shè)備參數(shù)：

　　某廠有立窯羅茨風(fēng)機(jī)185KW一臺，最大運(yùn)行電流200A，最小運(yùn)行電流160A,額定電流為355A,頻率50HZ，用風(fēng)板調(diào)節(jié)風(fēng)量最大調(diào)節(jié)60%,每天運(yùn)行24 小時(shí),每月運(yùn)行20 天,每年需運(yùn)行11個(gè)月,電費(fèi)0.58 元/度。

　　三、改造方案： 

　　用變頻器帶動(dòng)風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)，對風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，放棄傳統(tǒng)的擋風(fēng)板，既降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，又達(dá)到節(jié)能目的。

　　四、投資分析

　　投資回收分析：

　　　對風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載

　　　P（功率）=Q（流量）×H（揚(yáng)程）

　　　當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從n 降至n’時(shí)，流量Q、揚(yáng)程H 及軸功率P 的關(guān)系如下：

　　　Q’=Q（n/n）
　　　H’=H（n/n）2
　　　P’= P（n/n）3

　　顯然，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降時(shí)，流量按線性關(guān)系變化，而電功率卻按立方,根據(jù)我司長期的經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為該廠風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能在30%以上是完全可能和可行的。即單臺185KW 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)按每年運(yùn)行11 個(gè)月，每月20天，每天24 小時(shí)計(jì)算，每度電按0.58元計(jì)費(fèi)，每年電費(fèi)為：P= ×11×20×24×0.58=321552，按節(jié)電30%計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)為：321552×0.3=96465.6 元.工程改造費(fèi)用需9.35 萬元.即12 個(gè)月左右即可收回全部投資。

　　五、系統(tǒng)特點(diǎn)：

　　1、由于采用電位器控制，因此可靠性高，穩(wěn)定性好，容易操作。

　　2、由于加裝變頻調(diào)速器，減小啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流對電機(jī)沖擊，延長機(jī)械使用壽命，減小維修工作強(qiáng)度。

　　3、提高了電網(wǎng)功率因數(shù)，避免增加電網(wǎng)增容費(fèi)。

　　在離心風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

　　有某些水泥廠是采用高壓離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)的，該種水泥窯的風(fēng)量調(diào)節(jié)是通過風(fēng)門開啟度對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于離心式風(fēng)機(jī)、水泵的變頻調(diào)速改造同樣有巨大的節(jié)能潛力。我們通過沸騰式鍋爐高壓離心式風(fēng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速的方法調(diào)節(jié)風(fēng)量，實(shí)踐證明其節(jié)能效果在３０～５０％。對于水泵的變頻改造節(jié)能效果高達(dá)７０％。為什么離心式風(fēng)機(jī)，泵類設(shè)備通過調(diào)速調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量有如此驚人的節(jié)能呢？在此將其原理加以闡明。離心式風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備的流量與轉(zhuǎn)速成正比，如公式（３－１）壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，如公式（３－２）功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，如公式（３－３）       

　　　風(fēng)量關(guān)系
　　　功率關(guān)系
　　　Q,H,P
　　?。选兀?nbsp; 　式３－１ Ｑ：表示流量    

　　　壓力關(guān)系
　　　Ｈ∝Ｎ２　式３－２?。危罕硎巨D(zhuǎn)速             
　　?。小兀危场∈剑常场。龋罕硎緣毫Α?nbsp;    
         Ｐ：表示功率      
　　將經(jīng)上３個(gè)公式繪成一張圖， 壓力關(guān)系以清楚看到，改變轉(zhuǎn)速其流量線性變化的，而功耗則是立方關(guān)系變化，因此在調(diào)節(jié)風(fēng)量或流量時(shí)如降低２０％的風(fēng)量或流量，功耗(圖3-1)則會下降５０％。但是必須注意，轉(zhuǎn)速與壓力是平方關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降２０％壓力則會下降６４％，因此必須要注意工藝要求壓力范圍不能象羅茨風(fēng)機(jī)那樣，不用考慮轉(zhuǎn)速與風(fēng)壓的關(guān)系?！　　　　　　　　　　　　?/P>

　　風(fēng)門控制
　　離心風(fēng)機(jī)、泵類設(shè)備傳統(tǒng)的風(fēng)量、流量                            

　　 風(fēng)門控制控制的，大量的能源耗在風(fēng)門或截流閥的阻力上，如公式（３－４），風(fēng)門或截流閥控制流量的功耗與流量關(guān)系：變速控制
?。校剑校埃恕ぃ?nbsp;  式３－４變速控制
?。眩罕硎玖髁俊?nbsp; Ｋ：為系數(shù)   
?。校罕硎竟摹　。校埃罕硎净竟β?
　　由此比較風(fēng)門或截流閥控制與變頻調(diào)速調(diào)節(jié)，可以看到在流量變化范圍，采用變頻調(diào)速的方法具有很大的節(jié)能潛力，因此在水泥廠的供水泵或其它離心風(fēng)機(jī)上進(jìn)行變頻器改造同樣會取得很大的節(jié)能效果。　　　

　　3 在立窯卸料機(jī)上的應(yīng)用 

　　立窯卸料機(jī)若采用滑差調(diào)速電機(jī)，其轉(zhuǎn)速通?？刂圃?nbsp;300~1000rpm （工藝上根據(jù)窯的情況，對卸料速度進(jìn)行控制的）。采用變頻調(diào)速的方法取代滑差電機(jī)，經(jīng)過多個(gè)廠家應(yīng)用結(jié)果表明，平均節(jié)能達(dá) 40% 左右，這是因?yàn)榛钫{(diào)速是一種耗能的低效調(diào)速方法。 

　　由下列公式可知： 
　　滑差電機(jī)主電機(jī)軸的輸出功率： P 0 = KM 0 N 0 （ P 0 表示輸出功率， M 0 表示負(fù)載轉(zhuǎn)速， N 0 表示電機(jī)轉(zhuǎn)速， K 為常數(shù)） 
　　滑差頭輸出功率 P 1 = KM 0 N 1 （ P 1 表示輸出功率 ， N 1 表示滑差頭轉(zhuǎn)速 ） 
　　滑差頭損耗功率： P = P 0- P 1= KM 0 （ N 0 — N 1 ） 
　　由此可見，滑差電機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，浪費(fèi)能源越大，而卸料機(jī)的轉(zhuǎn)速通常在 400rpm 左右運(yùn)行，因此改用變頻調(diào)速的方法會有 50~60% 的節(jié)能效果。 

　　4 在空氣壓縮機(jī)上的節(jié)能應(yīng)用 
　　氣壓縮機(jī)恒壓供氣使用變頻器與壓力控制構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使壓力波動(dòng)減少 1.5% ，降低噪音 、 減少振動(dòng)。保證設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行，從而減少了設(shè)備維護(hù)工作量，延長了設(shè)備使用壽命。用變頻器后，空壓機(jī)可在任何壓力下隨意起動(dòng)，打破了以前不允許帶壓起動(dòng)的規(guī)定，起動(dòng)電流也較以前大大降低。通過使用變頻器后的實(shí)例，多數(shù)壓縮機(jī)節(jié)電率約在 20% 左右，比節(jié)電率較大的風(fēng)機(jī)低，但壓縮機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率都較大，從幾十瓦直到幾百瓦甚至幾千瓦，其節(jié)電量值較大，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，同時(shí)控制平質(zhì)大為提高，可使壓縮空氣的壓力始終保持恒定，用戶感到十分滿意?？傊畨嚎s機(jī)使用變頻實(shí)現(xiàn)節(jié)能計(jì)改項(xiàng)目使值得推廣的。

　　5 在預(yù)加水成球系統(tǒng)中的應(yīng)用 
　　目前，預(yù)加水成球技術(shù)在立窯水泥廠中應(yīng)用已相當(dāng)普遍。它在提高成球質(zhì)量，改善煅燒操作條件，提高立窯熟料產(chǎn)量和質(zhì)量方面取得了比較明顯的效果。其結(jié)合微機(jī)雙回路調(diào)節(jié)器，就能實(shí)現(xiàn)水料比例自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)調(diào)節(jié)，做到恒壓供水。調(diào)節(jié)及時(shí)，極大地減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也改善了成球質(zhì)量，使預(yù)加水系統(tǒng)真正起到預(yù)濕成球的作用，為立窯生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的熟料創(chuàng)造了條件。 

　　6 在選粉機(jī)上的應(yīng)用 
　　某水泥有限公司的旋風(fēng)式選粉機(jī)，原設(shè)計(jì)由 JZT392-4 型 75KW 電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)（滑差電機(jī)）拖動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速系統(tǒng)簡單。價(jià)格低廉，有一定的調(diào)速范圍，缺點(diǎn)也較多：電機(jī)本體噪音高 、 振動(dòng)大能 、 耗高 、 無功損耗大 、 軸承故障率特別高，滑差控制儀安裝于粉塵飛揚(yáng)的電機(jī)旁邊，多次出現(xiàn)帶負(fù)荷起 動(dòng) ,不能調(diào)速和突然失速 等故障，現(xiàn)場維護(hù)量大，影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 

　　針對上述問題，結(jié)合生料車間選粉機(jī)負(fù)荷轉(zhuǎn)速不超過 600r/min 的特點(diǎn)，對選粉機(jī)電氣部分進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造。經(jīng)實(shí)際測量，選粉機(jī)改造前，運(yùn)行速度在 594r/min 時(shí)，輸入電壓 385V ，輸入電流 72A ，功率因數(shù) 0.82 ，故輸入功率為 40KW ；改造后，運(yùn)行速度在 594r/min 時(shí)，輸入電壓 387V ，輸入電流 18A ，（熱繼電器也做了相應(yīng)調(diào)整），功率因數(shù) 0.92 （變頻器加裝了直接電抗器）則輸入功率為 11KW 。改造后一年中，沒發(fā)生過任何故障，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，大大減少了維護(hù)工作量和維修費(fèi)用，而且節(jié)能效果十分顯著。變頻器在水泥廠的應(yīng)用還不止這些，比如說回轉(zhuǎn)窯球磨機(jī) 、 卸料圓 、 盤給料機(jī) 、 雙管絞刀裙 、 板喂料機(jī)調(diào)速皮帶稱喂 、 煤絞刀 、 蓖冷機(jī)等一切需交流調(diào)速的設(shè)備都可以采用變頻調(diào)速器。 

　　從以上應(yīng)用情況可以看出，水泥廠使用變頻器有以下突出優(yōu)點(diǎn)： 
　　A ．滿足調(diào)速的工藝要求，變頻調(diào)速器的調(diào)速范圍在 10 ： 1 以上，而水泥生產(chǎn)工藝過程中調(diào)速范圍在 10 ： 1 范圍內(nèi)即可滿足要求。 
　　B ． 便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，由于變頻器本身是由一個(gè) 16 （或 32 ）位微處理器所控制，設(shè)有 RS485 （或 422 ）， A/D 輸入， D/A 輸出接口，為自動(dòng)控制（與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)）創(chuàng)造了充分的條件。 
　　C ． 獲得可觀的節(jié)能效果。 
　　D ． 降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，由于調(diào)速系統(tǒng)整體可靠性提高，故障率低，免維護(hù)周期較長，可減輕有關(guān)維護(hù)人員的工作量。 
　　E ． 提高產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量。

　　7、在水泥粉磨工藝中應(yīng)用
　　在水泥粉磨工藝中球磨機(jī)入磨物料粒度的大小，對其臺時(shí)產(chǎn)量影響較大，預(yù)破碎工藝作為提高磨機(jī)臺時(shí)產(chǎn)量、降低粉磨電耗的重要途徑，引起了許多水泥企業(yè)的重視。根據(jù)工藝要求，水泥立窯放料每次持續(xù)2～3 min，間隔2～3 min，但目前幾乎所有水泥企業(yè)中破碎機(jī)處于工頻恒速運(yùn)行狀態(tài)，24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，造成電能的巨大浪費(fèi)，并影響電機(jī)和破碎機(jī)的使用壽命。另一方面，由于破碎機(jī)具有十分大的慣性，不易頻繁啟停，所以即使使用變頻器也難以解決系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的泵升電壓引起保護(hù)電路動(dòng)作，使系統(tǒng)無法正常工作。  

　　針對系統(tǒng)的以上特點(diǎn)，利用系列變頻器實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的變頻調(diào)速和軟啟動(dòng)；利用再生能量回饋單元克服破碎機(jī)制動(dòng)過程中產(chǎn)生的過高的泵升電壓；利用PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯閉環(huán)控制，使破碎機(jī)的工作與立窯放料同步，實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)行。從而在改善工藝控制質(zhì)量的同時(shí)，最大限度地節(jié)約了電能，降低了生產(chǎn)成本?，F(xiàn)場調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，節(jié)電率可達(dá)60%以上。  

　　上述系統(tǒng)已在某水泥廠投入實(shí)際運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)送料信號自動(dòng)實(shí)現(xiàn)啟制動(dòng)運(yùn)行，破碎機(jī)運(yùn)行速度連續(xù)可調(diào)。電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)頻繁軟啟動(dòng)，基本無啟動(dòng)電流沖擊，啟動(dòng)力矩足夠。系統(tǒng)在變頻運(yùn)行條件下，若變頻器突然故障，則自動(dòng)切換至“工頻”狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(內(nèi)部可選)。根據(jù)現(xiàn)場工況需要，將有放料信號時(shí)變頻運(yùn)行給定頻率設(shè)為43 Hz，系統(tǒng)運(yùn)行電流為27 A，運(yùn)行電壓280 V，改造后的系統(tǒng)平均每年耗電5.7萬度。根據(jù)現(xiàn)場記錄，系統(tǒng)在改造前工作頻率為工頻50 Hz，運(yùn)行電流為32 A，運(yùn)行電壓400 V，平均每年耗電19.42萬度。改造后的節(jié)電率為70.6%。該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)如下：  

　　1、利用變頻調(diào)速技術(shù)改造了水泥熟料破碎機(jī)的拖動(dòng)系統(tǒng)，滿足了破碎機(jī)的低速、間歇運(yùn)行特點(diǎn)，保證了工藝控制質(zhì)量，節(jié)能效果明顯，并有利于延長破碎機(jī)和電機(jī)的使用壽命。 

　　2、利用能量回饋控制技術(shù)克服破碎機(jī)大慣性引起的泵升電壓，有效地保證了變頻器的安全運(yùn)行。系統(tǒng)除了變頻器和能量回饋裝置所具有的20余種保護(hù)功能和故障自診斷功能外，還增設(shè)了電機(jī)過熱、控制回路保護(hù)及報(bào)警。  

　　3、利用可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)了各種邏輯控制、變頻器啟制動(dòng)自動(dòng)控制及手動(dòng)/自動(dòng)、工頻/變頻轉(zhuǎn)換和故障自切換等功能，使系統(tǒng)控制靈活方便，功能齊全

　　成功的經(jīng)驗(yàn)充分說明了水泥行業(yè)變頻改造的巨大潛力，變頻改造后在短短幾個(gè)月的時(shí)間里僅僅靠節(jié)約電費(fèi)就收回整體投資，在以后的生產(chǎn)經(jīng)營中也能夠以較低的生產(chǎn)成本在市場的競爭中處于更有力的位置。水泥制造的變頻改造勢在必行，一方面體現(xiàn)出公司強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和公司領(lǐng)導(dǎo)層非凡的遠(yuǎn)見卓識，另一方面能夠給公司帶來豐厚的利益回報(bào)，并提高了公司生產(chǎn)方面的自動(dòng)化程度。