國產(chǎn)矢量控制型高壓變頻器在水泥廠高溫風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用
1、概述
長期以來,我國政府對節(jié)能工作十分重視,我國能源節(jié)約與資源綜合利用“十五”規(guī)劃提出高壓大功率變頻調(diào)速作為重點發(fā)展的節(jié)電技術(shù)之一,要求大力推動高壓大功率變頻調(diào)速示范工程。
目前,水泥行業(yè)的競爭非常激烈,但關(guān)鍵還是制造成本的競爭,而電動機(jī)電耗占成本近30%,拖動風(fēng)機(jī)用的高壓電動機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重。因此,做好電動機(jī)的降耗增效工作就顯得極為重要。當(dāng)前,很多水泥廠的風(fēng)機(jī)“大馬拉小車”現(xiàn)象嚴(yán)重,如果利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運行速度,以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小,可以既滿足生產(chǎn)要求,又達(dá)到節(jié)約電能,同時減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢修所造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此,在水泥廠風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù),能節(jié)約大量能源,提高生產(chǎn)效率,為水泥廠帶來較大的效益。根據(jù)具體情況,風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻改造后,節(jié)電率在30-50%的范圍內(nèi),通常一年半到兩年便可收回投資。
2、傳統(tǒng)擋板調(diào)節(jié)存在的問題
風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)入口擋板的開度,以此來調(diào)節(jié)風(fēng)量,是一種經(jīng)濟(jì)效益差、能耗大、設(shè)備損壞嚴(yán)重、維修難度大、運行費用高的落后辦法。風(fēng)機(jī)的工作特性如圖1所示:
圖1:風(fēng)機(jī)的工作特性
由圖1可以看出,風(fēng)機(jī)工作的位置,即風(fēng)機(jī)的風(fēng)量是由風(fēng)機(jī)特性曲線(風(fēng)壓特性)和管網(wǎng)特性曲線(風(fēng)阻特性)決定的,無論是改變風(fēng)機(jī)的特性曲線,還是改變管網(wǎng)特性曲線,都可以達(dá)到改變風(fēng)量的目的。
圖1中,風(fēng)機(jī)特性曲線:HA=kQ12(K為風(fēng)機(jī)特性系數(shù));管網(wǎng)特性曲線HA=Hc-λQ12(λ為管網(wǎng)特性系數(shù))。
3、工頻工作方式
工頻工作方式是指泵的特性曲線保持不變,而改變管網(wǎng)特性曲線。通常采取的方式是保持風(fēng)機(jī)的特性曲線不變,即不改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,而用調(diào)節(jié)擋板改變出風(fēng)口的大小,達(dá)到改變風(fēng)量的目的。如圖2所示:
圖2:工頻工作方式時風(fēng)機(jī)的工作特性
從圖2中可以看出,風(fēng)機(jī)工作在A點時,風(fēng)量為Q1,風(fēng)壓為H1。保持風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變,用擋板將風(fēng)量調(diào)節(jié)為Q2時,風(fēng)壓將上升到H2,風(fēng)機(jī)工作點變?yōu)锽點。由于擋板的節(jié)流作用,風(fēng)道的阻力曲線變?yōu)镺B。
風(fēng)機(jī)工作在A點時,其功率為PA=H1×Q1/102;風(fēng)機(jī)工作在B點時,其功率為PB=H2×Q2 /102。
雖然Q2<Q1,但H3>H1,所以PA與PB的值變化不大,說明采用工頻工作方式時,改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,風(fēng)機(jī)的軸功率減小有限。
4、變頻工作方式
變頻工作方式是指管網(wǎng)特性曲線保持不變,而改變風(fēng)機(jī)的特性曲線。通常采取的方式是保持管網(wǎng)特性曲線不變,即不改變風(fēng)機(jī)出口的大小,而改變風(fēng)機(jī)的特性曲線,即改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到改變風(fēng)量的目的。如圖3所示:
風(fēng)機(jī)工作在A點時,其功率為PA=H1×Q1/102;風(fēng)機(jī)工作在B點時,其功率為PB=H2×Q2/102 。
Q2<Q1,而且H2>H1,所以PA與為PB的值變化較大,說明采用變頻工作方式時,改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,風(fēng)機(jī)的軸功率減小很大,節(jié)能效果顯著。
圖3:變頻工作方式時風(fēng)機(jī)的工作特性
由流體力學(xué)的原理可知,電機(jī)轉(zhuǎn)速與流量、壓力、耗能的關(guān)系如下:
輸出流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比,即:Q1/Q2=n1/n2……(1)
輸出壓力H與轉(zhuǎn)速n的平方成正比,即:H1/H2=(n1/n2)2 ……(2)
輸出軸功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比,即P1/P2=(n1/n2)3……(3)
如果說,100%轉(zhuǎn)速-100%流量-100%壓力-100%輸出功率,則:80%轉(zhuǎn)速- 80%流量- 64%壓力- 51%輸出功率。就是說,通過變頻調(diào)速方式改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量,風(fēng)量下降20%時,風(fēng)機(jī)軸功率將下降49%。這也是為什么變頻調(diào)速在風(fēng)機(jī)應(yīng)用上節(jié)能十分顯著的原因。
5、利德華福高壓變頻器原理及特點
HARSVERT-VA系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用單元串聯(lián)多電平技術(shù),屬"高-高"電壓源型變頻器,為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成,從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出,它對電網(wǎng)諧波污染小,總諧波畸變小于4%,直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn),輸入功率因數(shù)高,不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置;輸出波形質(zhì)量好,不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題,不必加輸出濾波器,就可以使用普通的異步電機(jī),6kV為5級模塊串聯(lián),共15個功率單元;10kV每個系統(tǒng)共有24個功率單元,每8個功率單元串連構(gòu)成一相,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4:利德華福高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù),同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓,但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定電角度,實現(xiàn)多電平PWM,輸出電壓非常接近正弦波。輸出電壓每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小,所以dv/dt 很小。功率單元采用相對較低的開關(guān)頻率,以降低開關(guān)損耗,提高效率,變頻器額定效率可達(dá)98%,考慮輸入變壓器后的總體效率仍在97%以上。由于采用移相式PWM,電機(jī)電壓的等效開關(guān)頻率大大提高,且輸出電平數(shù)增加。6kV系列為5級模塊串聯(lián),輸出相電壓為11電平;10kV系列為8級模塊串聯(lián),輸出相電壓為17電平。電平數(shù)和等效開關(guān)頻率的增加有利于改善輸出波形,降低輸出諧波,由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱,噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大降低,所以這種變頻器對電機(jī)沒有特殊要求,可直接用于普通異步電機(jī)。
與普通采用高壓器件直接串聯(lián)的電流源型變頻器及三電平電壓源型變頻器相比,由于采用功率單元串聯(lián),器件承受的最高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓,器件不必串聯(lián),不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題。功率單元中采用常規(guī)IGBT功率模塊,驅(qū)動電路簡單,技術(shù)成熟可靠。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu),同一變頻器內(nèi)的所有功率單元可以互換,維修也非常方便。由于采用功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu),所以可以采取功率單元旁路選件,當(dāng)功率單元故障時,控制系統(tǒng)可以將故障單元自動旁路,變頻器仍可降額繼續(xù)運行,大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
由于采用了高性能DSP芯片和新型一體化計算機(jī),在秉承公司HARSVERT-A系列產(chǎn)品完美無諧波、高可靠性、功率/電壓等級覆蓋范圍廣、控制接口靈活等優(yōu)良品質(zhì)的基礎(chǔ)上,HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)功能更為豐富、性能更高的高壓大容量交流傳動控制。目前,HARSVERT-VA系列無速度傳感器矢量控制產(chǎn)品的性能指標(biāo)為:調(diào)速范圍100:1,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0.5%,動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于200ms,啟動轉(zhuǎn)矩150%額定轉(zhuǎn)矩,達(dá)到國際先進(jìn)水平。無需安裝復(fù)雜且不易維護(hù)的測速裝置,HARSVERT-VA系列變頻器僅需對輸出三相電壓、兩相電流進(jìn)行檢測,即可根據(jù)預(yù)先自動測定的電機(jī)模型,進(jìn)行異步電動機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩解耦控制,實現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動和運行。
6、熟料生產(chǎn)中特殊工藝對變頻器的要求
干法水泥生產(chǎn)線的窯尾高溫風(fēng)機(jī)是保證窯內(nèi)負(fù)壓的重要負(fù)載,但是在以往工頻運行、采用液力耦合器調(diào)速的高溫風(fēng)機(jī)常見由于管道"塌料"導(dǎo)致高溫風(fēng)機(jī)電機(jī)過負(fù)荷跳閘,導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。而由于變頻器裝置的電力電子器件的過負(fù)荷能力的限制,以上由于塌料造成的高溫風(fēng)機(jī)過負(fù)荷導(dǎo)致的變頻器保護(hù)停機(jī)現(xiàn)象如無專業(yè)技術(shù)是不可避免的,將給水泥生產(chǎn)線造成更多的損害。
利德華福作為目前國內(nèi)最大的高壓變頻器專業(yè)生產(chǎn)制造單位,特別針對高溫風(fēng)機(jī)的運行工藝情況進(jìn)行了大量的調(diào)研,對變頻器的核心控制系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計,專門開發(fā)了可矢量運行的高壓變頻調(diào)速裝置,成功解決了因為塌料引起的劇烈負(fù)載波動問題,大大降低了由于高溫風(fēng)機(jī)停運對生產(chǎn)造成的影響,降低電機(jī)設(shè)備故障率,取得節(jié)能、增效的巨大效益,得到用戶普遍認(rèn)可。
高溫風(fēng)機(jī)由于"塌料"導(dǎo)致的過負(fù)荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時就會坍塌脫落,造成管道內(nèi)粉塵濃度增大,阻力增加,負(fù)壓升高,使排風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加。此外,如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清潔皮或有物料塌料時,同樣也會造成氣流波動,使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂,造成高溫風(fēng)機(jī)過負(fù)荷停機(jī),該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風(fēng)機(jī)電動機(jī)造成損壞。在實際使用過程中的"塌料"現(xiàn)象,會不定期的導(dǎo)致電機(jī)運行電流在極短的時間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍, 如使用一般廠家的通用型高壓變頻器會導(dǎo)致變頻器運行過程中頻繁跳機(jī),直接影響高溫風(fēng)機(jī)與生產(chǎn)線的正常運行。
利德華福公司生產(chǎn)的高壓變頻器采用矢量控制算法,變頻器對其輸出電流進(jìn)行實時、快速的精確控制(傳統(tǒng)的VVVF控制中,不對輸出電流進(jìn)行控制,輸出電流的測量僅用于顯示和保護(hù))。在控制算法中對最大輸出電流進(jìn)行限制,因而不會因負(fù)載的波動導(dǎo)致變頻器過流停機(jī)。
7、天瑞水泥廠應(yīng)用實例
7.1 整體概況
天瑞河南某水泥廠5000t/d(二線)有1臺高溫風(fēng)機(jī)需要變頻改造,目前,該風(fēng)機(jī)是通過調(diào)整液耦開度及風(fēng)機(jī)擋板改變風(fēng)壓、風(fēng)量的。通過對現(xiàn)場的生產(chǎn)運行工藝、設(shè)備工況進(jìn)行分析,認(rèn)為這些設(shè)備存在以下幾個問題:
(1)高溫風(fēng)機(jī)采用液力耦合器調(diào)速,這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法,其主要缺點是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低,需要斷開電機(jī)與負(fù)載進(jìn)行安裝,維護(hù)工作量大,過一段時間就需要對軸封、軸承等部件進(jìn)行更換,現(xiàn)場一般較臟,顯得設(shè)備檔次低,屬淘汰技術(shù)。
(2)還有些風(fēng)機(jī)目前采用水電阻軟啟動,通過風(fēng)門調(diào)節(jié)風(fēng)壓、風(fēng)量的。水電阻啟動方式,仍然有近3倍額定電流對電網(wǎng)的沖擊,且水電阻啟動時間較慢,容易造成水開鍋的現(xiàn)象。
?。?)其余的高壓風(fēng)機(jī)設(shè)備采用調(diào)節(jié)入口蝶閥,它調(diào)整節(jié)流損失大、入口壓力低、系統(tǒng)效率低,造成能源的浪費。
因此,解決上述問題,可以考慮采用變頻調(diào)速控制技術(shù),利用高壓變頻器對風(fēng)機(jī)電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速控制,實現(xiàn)生產(chǎn)能力的變負(fù)荷調(diào)節(jié)。這樣,不僅解決了入口蝶閥控制系統(tǒng)效率低、設(shè)備工作特性差等難以克服的缺點,而且提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo);更重要的是減小了因入口蝶閥變化造成的壓流損失,減輕了控制閥的磨損,降低了設(shè)備溫升對設(shè)備性能的負(fù)面影響,延長設(shè)備使用壽命,節(jié)約能源,為降低廠用電率提供了良好的途徑。
7.2 現(xiàn)場技術(shù)數(shù)據(jù)
?。?)電機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)(1臺)及液力耦合器參數(shù)表:
電機(jī) | 高溫風(fēng)機(jī) | 液力耦合器 | |||
型號 | YRKK900-6 | 型號 | 3200DIBB50 | 型號 | YOTCS1150 |
額定功率 | 3200kW/10kV | 額定風(fēng)量 | 828000m3/h (原料磨開時) | 調(diào)速范圍 | 192-960 r/min |
額定轉(zhuǎn)速 | 993r/min | 額定風(fēng)量 | 687000m3/h (原料磨關(guān)時) | ||
額定電流 | 219.3A | 靜壓 | -7500Pa | ||
功率因數(shù) | 0.876 | 額定轉(zhuǎn)速 | 912r/min |
?。?)平均電價:0.5元/度。
?。?)年運行時間:T=8000h。
7.3 工頻、變頻的耗電量對比:
改造前 | 改造后 | |
平均消耗功率 | 2701kW | 2152.6kW |
啟動方式 | 轉(zhuǎn)自串水電阻 | 軟啟 |
風(fēng)機(jī)喘震 | 有 | 無 |
軸承溫度 | 高 | 低 |
節(jié)電率 | - | 20.3% |
8、變頻改造后的優(yōu)點
(1)變頻改造后,實現(xiàn)電機(jī)軟啟動,啟動電流小于額定電流值,啟動更平滑。
?。?)系統(tǒng)效率得到提高,消除了風(fēng)門擋板的損失,取得節(jié)能效果。
?。?)由于風(fēng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后,工作特性改變,設(shè)備工況得到改善,延長設(shè)備使用壽命。
?。?)風(fēng)機(jī)改變頻后,由于變頻器采用單元串聯(lián)移相技術(shù),因此在理論上可以消除41次以下諧波。由于實際制造工藝的限制,網(wǎng)側(cè)電壓諧波總含量可以控制在2%以內(nèi),電流諧波總含量小于4%。
(5)變頻輸出采用PWM技術(shù)控制,輸出電壓波形基本接近正弦波,諧波總含量小于1%,上述指標(biāo)均滿足IEEE-519國際電能質(zhì)量諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。
?。?)利德華福變頻器為電壓源型結(jié)構(gòu),功率因數(shù)可高達(dá)0.95。
?。?)廠房設(shè)備噪聲污染大大降低。
9、結(jié)論
目前很多水泥廠的風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量調(diào)節(jié)方式基本通過擋板進(jìn)行調(diào)節(jié),耗能大,經(jīng)濟(jì)效益差,設(shè)備損壞嚴(yán)重,急需采用先進(jìn)的高壓變頻調(diào)速進(jìn)行技術(shù)改造,以降低水泥廠的電耗,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。實踐證明,水泥行業(yè)風(fēng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速技術(shù),是必要、可行的,且經(jīng)濟(jì)效益顯著。
HARSVERT系列高壓變頻器可靠性高,輸入、輸出波形質(zhì)量好,采用矢量控制技術(shù),適合于水泥廠風(fēng)機(jī)的變頻改造,成功解決了水泥生產(chǎn)中的塌料引起的負(fù)載波動問題,大大提高設(shè)備運行的可靠性,節(jié)約大量能源,為水泥廠帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,具有很高的推廣價值。
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