1引言
　　水泥工业是国民经济生产中的能源消耗大户，已被列为国家节约资源的重点领域之一。在国务院提出加快建设节约型社会的政策环境下，提高水泥行业的节能技术和应用水平，建立节约型水泥工业体系意义重大。在当前国内外能源供需矛盾突出的情况下，水泥生产企业必须通过各种途径降低能耗，以获得较佳的经济效益和较高的劳动生产率。
　　在水泥的生产中，风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化。大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口挡板开度大小来实现风量调节，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重。电动机负载电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重。风机电动机特别利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检修所造成的经济损失，降低设备运行与维护费用，延长电机等设备使用寿命，获得显著的经济效益和社会效益。
2用户基本情况
　　莒县中联水泥有限公司是中国建材集团水泥业务平台--中国联合水泥集团有限公司旗下的核心企业。公司位于新亚欧大陆桥头堡、“日出初光先照”的日照市，南靠兖石铁路，北近胶济铁路，东临日照港，交通十分便利。公司现有一条日产4000t熟料生产线，采用新型干法窑外预分解工艺，技术装备达到国内先进水平，具有科技含量高、资源消耗低、经济效益好、环境污染少、管理模式新等特点。水泥生产线上的风机，设计裕量比较大，存在“大马拉小车”的现象。由于工况、产量的变化，所需的风量也需随之变化，调整风量通过电动执行器调节进、出口风门的开度来完成，该方法虽然可以调节风量，但电能浪费严重，风机运行效率低。
　　鉴于以上原因，经过多方调研考察，比较性价比，莒县中联水泥有限公司选用山东开云(中国)电子科技发展有限公司生产的JD-BP38系列高压变频器3套对生产线上窑头排风机、窑尾排风机、煤磨通风机进行变频改造。表1为改造各风机的基本参数。

3 水泥生产工艺

　　如图1示是水泥厂生产工艺图。水泥生产工艺主要包括：矿山开采、原料破碎、原料均化与存贮、原料配料、原料粉磨与废气处理、生料均化与入窑、熟料烧成、熟料入库与散装发运、水泥配料及粉磨、水泥存贮等几部分；在上述过程中原料粉磨与废气处理、煤粉制备、熟料烧成、水泥配料及粉磨工艺中设计有大功率的风机，可进行中高压变频改造。现结合实际工艺介绍一下变频改造风机的作用。
　　（1）废气处理风机的主要作用是使在整个生产过程中产生的废气经过除尘后排入大气；
　　（2）窑尾排风机兼有生料磨循环风机（指两风机系统）与废气处理风机功能；
　　（3）煤磨排风机主要做用是把窑尾高温废气引入煤磨对煤块、煤粒烘干，再把废气引入收尘装置收尘后排入大气；
　　（4）窑头排风机主要是把篦床产生含粉尘的高温气体引入收尘系统收尘，再排至大气水泥磨循环风机主要使水泥磨生产工艺微负压，减小粉尘外溢，循环风机使粉尘气体通过收尘器后，排至大气。

　　图1水泥厂生产工艺图

　　具体的生产流程是：
　　（1）水泥原料的破碎及预均化
　　①破碎：水泥生产过程中，大部分原料要进行破碎，如石灰。
　　②原料预均化：使原料堆场同时具备贮存与均化的功能。
　　（2）水泥生料制备
　　水泥生产过程中，每生产1吨硅酸盐水泥至少要粉磨3吨物料，干法水泥生产线粉磨作业需要消耗的动力约占全厂动力的60%以上，其中生料粉磨占30%以上，煤磨占约3%，水泥粉磨约占40%。
　　（3）水泥生料均化
　　新型干法水泥生产过程中，稳定入窑生料成分是稳定熟料烧成热工制度的前提，生料均化系统起着稳定入窑生料成分的最后一道把关作用。
　　（4）水泥物料的预热分解
　　把生料的预热和部分分解由预热器与分解炉来完成，代替回转窑部分功能，达到缩短回转窑长度的目的，同时使窑内以堆积状态进行气料换热过程，移到预热器内在悬浮状态下进行，使生料能够同窑内排出的炽热气体充分混合，增大了气料接触面积，传热速度快，热交换效率高，达到提高窑系统生产效率、降低熟料烧成热耗的目的。
　　（5）水泥熟料的烧成
　　生料在旋风预热器中完成预热和预分解后，下一道工序是进入回转窑中进行熟料的烧成。在回转窑中碳酸盐进一步的迅速分解并发生一系列的固相反应。
　　（6）水泥粉磨
　　水泥粉磨是水泥制造的最后工序，也是耗电最多的工序。其主要功能在于将水泥熟料粉磨至适宜的粒度，形成一定的颗粒级配，增大其水化面积，加速水化速度，满足水泥浆体凝结、硬化要求。
　　（7）水泥包装
　　水泥出厂有袋装和散装两种发运方式。
　　水泥生产主要工艺过程简要包括为“两磨一烧”。按主要生产环节论述为：矿山采运、生料制备、熟料煅烧、水泥的粉磨与水泥包装等。
4高压变频节能原理
　　异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率f来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机较为合理的调速方法。
　　由公式n＝60f/p（1-s）可以看出，若均匀地改变供电频率f，即可平滑地改变电动机的同步转速。异步电动机变频调速具有调速范围宽、平滑性较高、机械特性较硬的优点，目前，变频调速已成为异步电动机较主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。
　　高压变频调速具有如下显著的优点：
　　（1）由负载档板或阀门调节导致的大量节流损失，在变频改造后不再有节流损失。
　　（2）网侧功率因数明显提高。
　　（3）可实现零转速启动，避免启动冲击电流，减轻了冲击扭振。
　　（4）高压变频器本身损耗极小，整机效率在97％以上。
　　对离心式风机而言，流体力学有以下原理：输出风量Q与转速n成正比；输出压力H与转速n的平方成正比；输出轴功率P与转速n的立方成正比；即：
　　Q1/Q2＝n1/n2，H1/H2＝（n1/n2）2，P1/P2＝（n1/n2）3
　　当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上。如采用变频调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。变频调速时，当风机低于额定转速时，理论节电为：
　　E=〔1-（ n′/n）3〕×P×T （kW·h）
　　式中： n是额定转速，n′是实际转速，P是额定转速时电机功率，T是工作时间。
　　可见，通过变频对风机进行改造，不但节能，而且大大提高了设备运行性能。以上公式为变频节能提供了充分的理论依据。
5 风光JD-BP38系列高压变频调速系统技术特点
　　风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标小于IEE519-1992的谐波国家标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。产品2003年被列为国家重点新产品，高压提升机变频调速系统2005年被列为国家火炬计划项目，获科技部中小企业技术创新基金项目资助。具体来说，风光高压变频器除具有一般普通变频器的性能外，还具有以下突出特点：
　　（1）采用高速DSP作为中央处理器，运算速度更快，控制更精准。
　　（2）飞车启动功能。能够识别电机的速度并在电机不停转的情况下直接起动。
　　（3） 针对水泥生产线的窑尾高温风机的“塌料”问题，变频器从设备的硬件、控制软件设计等多方面对高温风机的不定期尖峰负荷进行全方位的设计。
　　（4）完整的工频/变频自动互切技术。现在的高压变频调速系统一般设置工频旁路切换柜，变频器发生故障时能使高压电机转至工频运行，旁路切换有手动旁路和自动旁路切换两种型式，手动旁路需人工操作，适应于无备用装置或不重要的运行工况，自动旁路可在变频器发生故障后直接自动转换至工频运行。开云(中国)公司提供的自动旁路切换柜，不仅可实现变频故障情况下自动由变频转换至工频运行状态，还可实现在变频检修完毕后由工频瞬间转换至变频运行的功能，整个转换过程不会对用户设备的运行造成任何影响。
　　（5）旋转中再启动功能。运行过程中高压瞬时掉电3s内恢复，高压变频器不停机，高压恢复后变频自动运行到掉电前的频率。
　　（6）线电压自动均衡技术（星点漂移技术）。变频器某相有单元故障后，为了使线电压平衡，传统的处理方法是将另外两相的电压也降至与故障相相同的电压，而线电压自动均衡技术通过调整相与相之间的夹角，在相电压输出最大且不相等的前提下保证最大的线电压均衡输出。
　　（7）单元直流电压检测：实时显示检测系统的直流电压，从而实现输出电压的优化控制，降低谐波含量，保证输出电压的精度，提升系统控制性能，并可使保证运行维护人员实现对功率单元运行状况的全面把握。
　　（8）单元内电解电容因采取了公司专利技术，可以将其使用寿命提高1倍。
　　（9）散热结构设计合理，单元串联多重化并联结构，IGBT承受的电压较低，可以有较宽的过压范围（≥1.15Ue），设备可靠性更高。
　　（10）具备突发相间短路保护功能。如果由于设备原因及其他原因造成输出短路，此时如果变频器不具备相间短路保护功能，将会导致重大事故。变频器在发生类似问题时能够立即封锁变频器输出，保护设备不受损害，避免事故的发生。
　　（11） 故障自复位功能：当变频器由于负载突变造成单元或是整机过电流保护时，可自动复位，继续运行。
6 变频改造方案
　　在风机改造过程中，窑头排风机（800kW/10kV）、窑尾排风机（900kW/10kV）、煤磨排风机（560kW/10kV）采用“一拖一”控制加手动旁路柜。将变频控制纳入用户的DCS系统，实现远方/就地控制。用户的以往的保护在工频时保留，变频时退出，比如差动保护功能等。
　　原系统是采用绕线电机串电阻降压启动，然后全压运行的方式进行控制的，如图2示。

　　变频改造后的系统主电路如图3示，从变频器的输入隔离开关QS1、输出隔离开关QS2各取一对动断触点串入电阻柜内接触器KM的合闸回路，保证变频启动时切除电阻启动。

　　旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，QS2与QS3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。当QS1、QS2闭合，QS3断开时，电机变频运行，此时风机风门全部打开；当QS1、QS2断开，QS3闭合时，电机工频运行，电动执行器配合工艺需要将风机风门达到所需开度，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
　　旁路柜必须与上级高压断路器QF连锁， QF合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。
　　故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。
7 应用情况
　　在莒县中联水泥厂利用设备检修时间，在窑头排风机、窑尾排风机、煤磨排风机上进行变频器系统改造，到2012年3月10日投产，经过几个月的试运行，收到了良好的效果。
　　为了对比变频改造节能情况，在相同产量下，对工频、变频相应的运行数据进行了统计，现将部分数据整理如下。
7.1水泥生产风机工频运行数据统计表
　　改造前，水泥生产线工频耗电情况统计数据如表2所示。

7.2水泥生产风机变频运行数据统计表
　　改造后，水泥生产线变频耗电情况统计数据如表3所示。

7.3 直接效益
　　如表2、表3所示，工频运行时，三风机运行一天耗电为：
　　16800+20300+9050=46150 kW?h
　　变频运行时，三风机运行一天耗电为：
　　8970+14300+7900=31170 kW?h
　　变频改造后，三风机每天节约电量为：46150-31170=14980 kW?h
　　每kW?h按0.68元，一年按运行300天计算，一年节约电费计算如下：
　　14980kW?h×0.68元/kW?h×300天=305.592万元。
7.4间接效益
　　（1）变频改造后，实现电机软启动，启动电流小于额定电流值，启动更平滑。
　　（2）有效地改善了现场运行环境，由于电机以及负载转速下降，大大降低了设备噪声污染，现场操作人员非常欢迎。
　　（3）功率因数提高到0.95以上，减少了线路损耗。
　　（4）减少了维护工作量和维护费用，延长了设备的使用寿命。
　　采用变频技术调速后，设备随生产工艺变负荷运行，大大降低了设备负荷率，延长了风机、电机等设备的使用寿命。
　　（5）变频器具有多项保护功能，十分完善。
　　与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升保护等多项保护功能，更精确地保护了电机。
　　（6）调速范围宽，调速精度高。
　　与过去挡板调节风量相比较，采用变频拖动风机可以在0～50Hz范围内任意调节，调节精度高，调节频率波动可保持在0.1～0.01Hz范围内，便于实现风机系统自动化控制。
8结束语
　　目前，水泥行业的竞争非常激烈，但关键还是制造成本的竞争，而电动机电耗就占成本近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，因此做好电动机的降耗增效工作就显得极为重要。高压变频调速技术目前已经比较成熟，是水泥厂节能改造的理想设备，具有很高的推广价值，同时使熟料质量更加稳定、可靠。