泥厂窑头风机变频改造可行性报告

1、概述

　　在水泥制造行业一些功率大、连续运行的设备耗电量高，是水泥制造成本高居不下的一个重要因素。据统计在水泥制造成本中，电费成本约占总成本的30%左右。因此，应用变频技术，对耗电大的设备做一些工艺上的节能改造,利用节能的效果来降低水泥的制造成本,可提高经营上的利润空间和市场竞争力。

　　根据水泥制造工艺及对一些水泥厂生产设备进行的实际考察和分析可以知道。在生产过程中，大部分水泥厂的设备，尤其是一些中高压大功率设备，绝大部分时间都不是满负荷运行,设备运行的自动化程度相当低。如回转窑的生料磨风机、高温风机、窑头风机、窑尾废气风机、水泥磨收尘风机、煤磨排风机等，在这些设备和系统中，存在着相当大的容量富裕和能量浪费，为进行变频调速改造，节能形成了空间。

2、水泥生产工艺流程介绍

　　水泥的生产制造主要经过破碎、储存和预均化、粉磨、生料的均化和储存、煅烧、水泥的粉磨这几个重要的过程。粉磨就是磨机带有巨大内部金属防护的金属圆筒，在磨筒中装有许多球形钢。由于磨机在旋转，这些钢球碾碎原料成小颗粒，称其为生料。煅烧就是在均化后，生料通过称为预热器的旋风筒系统运送，经历逐渐地热处理温度达900℃,进入回转窑，回转窑烘烤物料。窑身是50～150m长，直径3～5m的长圆筒，筒内壁贴有耐火砖，窑的回转作用和其驱动角使物料朝出口运行，温度上升至1400℃。由于这个过程在窑内，生料转变成粒状的硬物，称之为熟料。熟料是水泥的主要成分，熟料决定了zui终产品的质量，水泥作为完成产品是一种很细粉未，粉未要满足于生产熟料，石膏，一些天然和人造的材料（例如：火山灰）混合物的要求。水泥磨机类似于生料磨，严格控制和不断监测物料的混合，水泥品种和zui重要的特性抗压强度的水平，取决于熟料的化学成分，粉磨的持续时间及各种外加剂的掺加和不掺加。

3、转窑供风系统变频改造

3.1风机运行情况

　　一般转窑窑头风机为离心风机，离心风机的供风调节方式为进风阀门调节。正常工作时，阀门的开启度约为70%～90%，即有一部份的风量浪费了。把浪费的这部分风量节省下来，就是节电了，鼓风系统在设计时是按zui大供风需求（zui大工况加备用）来考虑的，鼓风机的运行工况也相同（即按单机的zui大供风需求量来考虑的）；在实际使用中有很多时间风机都需要根据实际工况进行调节，传统的做法是用开关风门的方式进行调节，这种调节方式增大了供风系统的节流损失，在启动风机时还会有启动冲击电流，且对系统本身的调节也是阶段性的，调节速度缓慢，减少损失的能力很有限，也使整个系统工作在波动状态。而通过在送风机加上装变频调速器，则可一劳永逸的解决好这些问题，可使系统工作状态平缓稳定，并可通过变频节能回收投资。

3.2从风机使用的一般性经验可以知道：工频运行状态下，用风门（风阀）调节风量的风机在使用过程中的负荷是在40～90%之间波动；负荷越小风门（风阀）的节流损失就越大，风机效率也就越低。而改用变频器调速方式（即电机改变供电频率的方式）就几乎不存在风门的节流损失，同时变频装置对电动机可以采用软启动方式启动，不存在启动冲击电流，可提高系统的安全系数。

3.3改造后的变频供风系统是在保留原来供风系统的基础上增加一套变频回路与原回路并联使用，形成双回路可转换的控制系统，通过调节电机（风机）的转速来调节烧结时的用风量。其特点：

● 节电效果好。由于电机消耗的功率跟电机转速的三次方成正比，改造后电机大部分时间运行在35-43Hz左右即可满足用风量，节电率大于25%；

● 具有软启动功能，降低负荷强度，延长设备使用寿命，启动电流小，提高用电安全系数及减少电网容量；

● 调节风量精度准确、及时方便；

3.4总之，风机机组采用变频调速改造后，不仅节约了大量电能，由于对电机实现真正的软启动，对电机、风机、风门、高压开关等设备以及电网的启动冲击大大减少，它们的使用寿命得以延长，可以大幅度节省这些设备的维护费用。另外，变频器高精度、宽范围的无级调速功能，不仅可以全 面满足流量的动态调节需要，而且变频器属于高度智能化的新型设备，完全可以实现提高生产效率和机组自动化水平的要求。

4、节能分析计算

　　风机的流量和转速成正比，压力和转速平方成正比，其内功率则和转速立方成正比，这时风机的工况点符合相似定律。一般情况下，很多人都用相似定律的比例率来计算风机、水泵变频调速的节电率。但是,实际中却没有这样的节能效果。由于相似定律是研究、设计风机本身的规律，它是就风机而论风机的定律。对于工作在管道系统中的风机必须视具体工况进行分析计算，由于风机的入口和出口风压是否为大气压，直接关系到风机的轴功率变化。因此，风机的节能计算不能照搬照抄相似定律，风机的节能计算必须根据具体实际工况进行分析计算。也应当考虑变频调速之后风机的效率、电动机的效率、变频器的效率等因素的影响。

4.1、风机的运行特性

4.1.1、工频运行特性

4.1.1.1工频运行特性曲线

图1---风机工频运行特性曲线

4.1.1.2风机工频运行具有的特点

(1)  图1中，F1为工频运行时的（Q-p）性能曲线，也是变频风机在50Hz下满负荷运行时的性能曲线。E点为工频运行时的额定工作点，即挡风板在某一固定位置时的工作点。A点为流量小于额定流量时的工作点，即通过关小挡风板沿着（Q-p）特性曲线向左上方滑动的一系列的工作点；B点为流量大于额定流量的工作点，即挡风板开大直至全开，并且沿着（Q-p）特性曲线向左下方滑动的一系列工作点。请注意挡风板全开之后，应当防止电动机过载。

(2)  pa为流量小于额定流量时的风机出口全压；pe为额定流量时的风机出口全风压；pb为流量大于额定流量时风机的出口全风压。Re为额定流量时，即挡风板在某一固定位置时的管网阻力曲线；Ra为小于额定流量时，即关小挡风板之后的管网阻力曲线；Rb为大于额定流量时，即挡风板开大直至全开之后的管网阻力曲线。挡风板在不同的位置时，Re，Ra，Rb实际是一系列曲线族。η1为效率曲线。

(3)  从图1中我们可以看出，pa>pe>pb；Qaηb。在额定工作点运行时，风机的效率zui高，等于定效率。在额定工作点以外的任何工作点的效率都小于额定效率。

4.1.2、变频运行特性

4.1.2.1变频运行特性曲

图2---风机变频运行特性曲线

4.1.2.2变频运行时的特点

（1）F2、F3不仅仅是二条曲线，而是F1性能曲线下方偏左的一系列曲线族，即工作频率不同，（Q-p）曲线就沿着管网阻力曲线向左下方滑动形成不同的（Q-p）曲线族。

（2）Fn变化时，工作点A、E、B、也分别沿着管网阻力曲线Rb，Re，Ra变为C、D、F。效率曲线η1也随着向左推移，并且形成高效扇形区。因此，风机变频运行时，pb降为pc，pe 降为pd或pg；pa降为pf。流量Qb减小到Qe；Qe减小到Qa；Qa变得更小。

（3）如果Fn变化时，把挡风板打开到某个固定位置，使管网阻力为Re，保持流量Qa不变，即Qa恒定。工作点A即压力pa降为pg。

（4）如果Fn变化时，把挡风板打开到zui大位置，使管网阻力为Rb，分别保持流量不变，即Qa、Qe、Qb恒定。工作点A、E即压力pa 、pe也分别降为ph 、pc。Pb恒定不变。

（5）随着频率Fn的降低，当管网阻力一定时（假设为Re），变频运行风机的出口压力逐渐降低为pd或pg，变频后流量从Qe快速减少为Qa，工作点G所需要的压力也随着降低。而频率增加时，风机的出口压力也上升，使流量Qa反而增加，直至到Qe。如果要继续增加流量，此时必须把挡风板全部打开，流量zui大可以达到Qb，此时要防止工频过载。

（6）变频运行时，频率不能调的过低，因为过低的频率运行，将满足不了工艺要求。

4.2、节能分析计算

4.2.1、设备参数

4.2.2、参数说明与计算

4.2.2.1参数与计算说明

风机的额定轴功率（Nz＝225 kW）、风机效率（η＝85％）从样本上查取；电动机效率（η＝91.83％）、电动机实际输出功率（Ns＝182.4kW）为计算值，其余参数表中数据全部由厂家提供。

4.2.2.2风量比和转速比的参数确定

　　由于风机的额定风量为Qe=380000m3/h，实际风量用户没有提供。额定风压为pe=1450 Pa，实际入口风压为936 Pa。风压比 ，所以计算流量比 ，即计算实际风量Qs=307800 m3/h。所以，采用变频调速运行时的转速比：k=0.81。

4.2.3、节能分析计算

4.2.3.1节电量节电率与节电费

　　根据GB12497-1995《三相异步电动机经济运行》中电动机经济运行的规定公式计算节电量。采入口用挡板调节流量时对应电动机输入功率Nzs与流量的关系为：

调速后节约电量:

节电率为：

　　式中Nze为额定轴功率，按照225kW计取。

4.2.3.2调速比为0.81时的节电量节电率与节电费

　　根据电动机的实际输入电流与额定电流的比值β＝25/37＝0.676,从《电动机的输出功率的相位电流法》查得：Nzs=182 kW。

图3---电动机的输出功率的相位电流法

窑头风机年运行按照24*330=7920天计算，电费单价按0.54元/度计算。

按照公式（1）计算风门节流时电动机输入功率：

按照公式（2）计算的节电量：ΔN1=0.90（0.45+0.55×0.812－0.813）225=56.6kW;

按照公式（3）计算的节电率：λ=31%。

或:     ΔN1=λ×Nzs=0.31×182.4=56.6 kW

节电费：W=ΔN1×T×F=56.6×7920×0.54=24.2万元

4.2.4说明

　　上述计算采用的数据为某一时点的数据,不具有普遍性。如果实际运行工况与此时点的数据有比较大的波动差异，误差也是会增大的。计算时点的实际入口风压为936 Pa。如果入口风压向上波动比较大，节电效果就会降低；如果入口风压向下波动比较大，节电效果就会比较好。如果需要提供比较准确的计算分析数据，所以用户应当提供比较准确的运行数据。运行数据可以按照下面日、月、年的工况曲线图提供。

图1―日工况曲线图

图2―月工况曲线图

图3―年工况曲线图

　　另外还要说明的是，由于用户只提供入口风压，没有出口风压。所以只有静风压数据，而没有动风压数据。既提供的风压数据并不是全压数据，计算可能会有一些误差。

5、技术方案

图4一拖一方案　　

　　由于只有一台风机进行变频调速,采用一拖一的变频驱动方式，变频装置采用旁路进行切换。建议采用国产哈尔滨九洲POWERSMART-40A/400KVA/6KV变频器1套。具体主接线见图4。

6、供货范围

　　配置JZEPOWERSMART-40A/400KVA/6KV变频装置1套；旁路切换柜1套。

7、设备投资与回收期限

　　一套设备一次性投资大约为48万元，年节电费在24.2万元，回收期限为2年。如果设备寿命以20年计算，维护费用按照节电收益的3%计取。在设备寿命期内节电效益将达到：24.2×20×0.97-48=421.48万元，可见节电效益是非常可观的。　

8、结束语

　　通过上述的分析计算我们认为，哈尔滨水泥厂转窑窑头风变频调速节能与否,取决于实际运行的风压和流量。因此对实际运行参数必须给出准确的参数范围,方能确定其具体准确的节能效果。

　　通过上面的分析计算,无论是从技术上还从经济效益上哈尔滨水泥厂转窑窑头风变频调速都是可行的。风机机组采用变频调速改造后，不仅节约了大量电能，由于对电机实现真正的软启动，对电机、风机、风门、高压开关等设备以及电网的启动冲击大大减少，它们的使用寿命得以延长，可以大幅度节省这些设备的维护费用。另外，变频器高精度、宽范围的无级调速功能，不仅可以全 面满足流量的动态调节需要，而且变频器属于高度智能化的新型设备，完全可以实现提高生产效率和机组自动化水平的要求。