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水泥廠電動機節能分析

發布時間：2014-07-23

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摘要：目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗占成本30%，因此，做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。
關鍵詞：電動機變頻器節能
目前，水泥行業的競爭非常激烈，但關鍵還是制造成本的競爭，而電動機電耗占成本30%，因此，做好電動機的降耗增效工作就顯得極為重要。所以，我們要從電動機的選型、調速方式、啟動裝置等方面入手，在每個環節開展細致的工作，同時要大力應用新技術、新成果，促進企業節能降耗。
一、合理選用電動機類型
　　Y系列電動機是全國統一設計的新系列產品，是國內目前較先進的三相異步電動機。20世紀80年代中期即在全國推廣應用。其優點是效率高、節能、啟動性能好。而目前國內許多老水泥企業仍大量采用JO2系列電動機，相比來說Y系列比JO2系列電動機效率提高了0.413%。因此用Y系列電動機取代舊式電動機勢在必行。
　　選擇電動機類型除了滿足拖動功能外，還應考慮經濟運行性能。對于年運行時間大于3000h，負載率大于50%的場合，應選擇YX系列高效率的三相異步電動機。與Y系列相比，其效率平均高3%，損耗降低20%～30%，雖然價格高于Y系列電動機，但從長期運行考慮，經濟性還是明顯的。
同步電動機能提高企業電網的功率因數，降低供電線路損耗，但控制系統繁雜，價格較高。
二、合理選用電動機的額定容量
　　國家對三相異步電動機3個運行區域作了如下規定：負載率在70%～100%之間為經濟運行區；負載率在40%～70%之間為一般運行區；負載率在40%以下為非經濟運行區。若電動機容量選得過大，雖然能保證設備的正常運行，但不僅增加了投資，而且它的效率和功率因數也都很低，造成電力的浪費。因此考慮到既能滿足水泥廠設備運行需要，又能使其盡可能地提高效率，水泥企業一般負載率保持在60%～l00%較為理想。對于負載率小于40%的三角形接法電動機可改為星型接法，以提高其效率。
同步電動機能提高企業電網的功率因數，降低供電線路損耗，但控制系統繁雜，價格較高。隨著異步電動機制造水平的提高，新設備已很少采用。
三、電動機啟動和運行形式
1.低壓籠型大中型電動機
        若采用全壓直接啟動方式，這要求電力系統有足夠大的容量，而實際運行時，電力系統負載率很低，影響供電效率，并且用直接啟動方式易燒毀開關、電動機，影響電網其他設備的運行，往往為了盡量減少電動機啟動次數而寧愿讓電動機空轉而不停車，造成大量浪費。此類電動機可以用電動機軟啟動器啟動。電動機軟啟動器是采用大功率晶閘管模塊作為主回路的開關元件，通過控制它的導通角以實現軟特性的電壓爬升。它具有對電網無過大沖擊，對機械傳動系統(齒輪及軸連接器)震動小，啟動轉矩平滑穩定等諸多優點。啟動電流在2.5～3.5倍額定電流之間可調，啟動時間可調。
2.高壓籠型電動機
         傳統的啟動方式多選用電抗器、自耦變壓器等，但這些啟動設備都不能很好地滿足啟動要求，很難獲得理想的啟動參數。目前出品的熱變電阻軟啟動裝置能較好地滿足啟動要求。熱變電阻器由具有負溫度系數的電阻材料制成，電阻器串于電動機定子回路，當電動機啟動、電阻體通過啟動電流時，其溫度升高，而阻值隨之減小，從而使電動機端電壓逐步升高，啟動轉矩逐步增加，以實現電動機的平穩啟動。根據電動機參數和負載要求的啟動轉矩，能方便地配置適當的啟動電阻值獲得佳的啟動參數，即在較小的啟動電流下，獲得足夠大的啟動轉矩。
3.大型繞線型電動機
        以前大多采用頻敏變阻器啟動，但其故障率太高。目前較為成熟的方式是采用液體變阻啟動器。它是利用兩極間的液體電阻，通過機械傳動裝置使極板的距離逐步接近，直至接觸，達到串人轉子回路中的電阻無級變小后為零，實現電動機無沖擊的平滑啟動。其特點是啟動電流小，對電網無沖擊，熱容量大，可連續啟動5～10次，維護方便，使用可靠。目前我廠該類型電動機已全部采用液體變阻啟動器。
4.中、小型繞線電動機
        以前主要采用頻敏電阻器和油浸電阻器啟動，由于有滑環、碳刷、短路環等零件與繼電器、交流接觸器、頻敏或油浸變阻器等電器元件組成的啟動系統都安裝在粉塵較大的生產現場，因此它具有故障率高、維修量大的缺點，經常影響設備的正常運行，而無刷無環啟動器較好地解決了上述問題，它是一種啟動平滑，不改變運行特性且不受粉塵干擾的啟動設備。其一次啟動電流限制在3.0～4.0Ie之間，適合于11～600kW的高低壓繞線型電動機。該啟動器是利用頻敏變阻器的原理，利用鐵磁性材料的頻感特性研制而成，安裝在電動機轉軸原來裝集電環的位置，與轉子同步旋轉，省去了電動機的輔助啟動裝置。
四、電動機的功率因數補償　
       籠型電動機通常采用并聯電容器就地補償的方法，繞線式電動機可采用進相機補償的方式，進相機補償分旋轉式和靜止式兩種，由于旋轉式進相機結構上的缺陷，目前逐步被靜止式進相機所代替。
五、用變頻調速取代傳統調速
　　傳統調速所采用的晶閘管串級調速、直流調速、電磁滑差調速、液力耦合器調速和異步電動機的變級調速等存在傳動效率低、難維護等缺點，而變頻調速結構簡單，穩定可靠，調速精度高，啟動轉矩大，調速范圍廣。所以采用變頻調速在提高機械的傳動效率就可節能20%左右。
六、變頻調速技術的節能原理
        大部分水泥廠的一些設備尤其是一些大功率設備在生產過程中絕大部分時間都是不滿負荷，在生產過程中都是通過調節擋風板或閥門的開啟角度的機械調節方法來滿足不同的用風(水)量，這種操作方式的缺點是：(1)電機及風機或水泵的轉速高，負荷強度重，電能浪費嚴重；(2)設備運行的自動化程度相當低，幾乎完全靠人工調節，調節精度差，控制不精確；(3)電氣控制采用直接或降壓起動，啟動時電流對電網沖擊大，需要的電源(電網)容量大，功率因素較低；(4)起動時機械沖擊大，設備使用壽命低；(5)噪聲大，粉塵污染嚴重等。
        在水泥廠主要有生料磨排風機、窯尾廢氣處理風機、羅茨風機、水泥磨排風機、煤磨風機、蓖冷機風機、選粉機、循環水泵、給水泵等。由于變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n =60 f(1-s)／p，(式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數)；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。通過流體力學的基本定律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有如下關系：Q∝n，H∝n2，P∝n3；即，流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，軸功率與轉速的立方成正比。圖1為壓力H、流量Q曲線特性圖:

圖1：壓力和流量曲線特性圖

   n1代表電機在額定轉速運行時的特性；n2代表電機降速運行在n2轉速時的特性；R1代表風機、泵類管路阻力小時的阻力特性；R2代表風機、泵類管路阻力增大到某一數組時的阻力特性。
　　風機、泵類在管路特性曲線R1工作時，工況點為A，其流量壓力分別為Q1、H1，此時風機、泵類所需的功率正比于H1與Q1的乘積，即正比于AH1OQ1的面積。由于工藝要求需減小流量到Q2，實際上通過增加管網管阻，使風機、泵類的工作點移到R2上的B點，壓力增大到H2，這時風機、泵類所需的功率正比于H2與Q2的乘積，即正比于BH2OQ2的面積。顯然風機、泵類所需的功率增大了。這種調節方式控制雖然簡單、但功率消耗大，不利于節能，是以高運行成本換取簡單控制方式。若采用變頻調速，風機轉速由n1下降到n2，這時工作點由A點移到C點，流量仍是Q2，壓力由H1降到H3，這時變頻調速后風機所需的功率正比于H3與Q2的乘積，即正比于CH3OQ2的面積，由圖1可見功率的減少是明顯的。
也就是當風機水泵的轉速下降10%時，電機消耗功率下降27.1%.所以風機水泵采用變頻調速節能效果非常明顯。
七、變頻器的應用
　　1.變頻在空氣壓縮機上的應用
         空壓機恒壓供氣使用變頻器與壓力控制構成閉環控制系統，使壓力波動減少1.5%，降低噪音、減少振動。保證設備長期穩定運行，從而減少了設備維護工作量，延長了設備使用壽命。用變頻器后，空壓機可在任何壓力下隨意起動，打破了以前不允許帶壓起動的規定，起動電流也較以前大大降低。通過使用變頻器后的實例，多數壓縮機節電率約在20%左右。
2.變頻器在立窯羅茨風機上的應用
　　立窯煅燒熟料所耗的電能中，羅茨鼓風機的電耗一般占60%左右，隨著電價的調整，電費在水泥生產成本中說所占的比例越來越高。因此，降低鼓風機的能耗成為提高企業經濟效益的重要一環。
　　對羅茨風機可由變頻器改變風機的供電電源頻率進行無級調速來調節風量，重慶地維水泥有限公司在1號窯132kW羅茨風機上安裝變頻器，節電率高達62.2%。噸熟料電耗由安裝變頻器前的15.22度下降到安裝后的5.55度；河南焦作水泥廠在10000t/d水泥熟料旋窯生產線生料流態化系統55kW羅茨風機上安裝了變頻器后節電率高達73.2%，平均每日用電量由安裝前的606度下降到安裝后的162度，每日節電444度。
　　3.變頻器在離心風機上的應用
　　有某些水泥廠是采用高壓離心式風機進行供風，該種水泥窯的風量調節是通過風門開啟度對風量進行調節。對離心風機的變頻調速改造同樣有巨大的節能潛力。這是因為離心式風機設備的流量與轉速成正比，壓力與轉速的平方成正比，功率與轉速的立方成正比。因此，在調節風量或流量時，如降低20%的風量或流量，功耗則會下降50%，但是必須注意，轉速與壓力是成平方關系，當轉速下降20%時，壓力則會下降60%，因此必須注意工藝要求的壓力范圍不能象羅茨風機那樣，不用考慮轉速與風壓的關系。
　　4.變頻器在立窯卸料機上的應用
　　立窯卸料機若采用滑差調速電機，其轉速通常控制在300～1000rpm(工藝上根據窯的情況，對卸料速度進行控制的)。采用變頻調速的方法取代滑差電機，經過多個廠家應用結果表明，平均節能達40%左右，這是因為滑差調速是一種耗能的低效調速方法。
　　由下列公式可知：滑差電機主電機軸的輸出功率：P0 = KM0N0(P0表示輸出功率，M0表示負載轉速，N0表示電機轉速，K為常數)滑差頭輸出功率P1 = KM0N1(P1表示輸出功率，N1表示滑差頭轉速)滑差頭損耗功率：P=P0- P1= KM0(N0—N1)由此可見，滑差電機的轉速越低，浪費能源越大，而卸料機的轉速通常在400rpm左右運行，因此改用變頻調速的方法會有50～60%的節能效果。
　　5.變頻器在選粉機上的應用
        重慶地維水泥有限公司的旋風式選粉機，原設計由JZT392-4型75kW電磁調速異步電動機(滑差電機)拖動，其優點是調速系統簡單，價格低廉，有一定的調速范圍，缺點也較多：電機本體噪音高、振動大、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的電機旁邊，多次出現帶負荷起動,不能調速和突然失速等故障，現場維護量大，影響整個系統的安全運行。
6.變頻器在預加水成球系統中的應用
　　目前，預加水成球技術在立窯水泥廠中應用已相當普遍。它在提高成球質量，改善煅燒操作條件，提高立窯熟料產量和質量方面取得了比較明顯的效果。其結合微機雙回路調節器，就能實現水料比例自動跟蹤，自動調節，做到恒壓供水。調節及時，極大地減輕了工人的勞動強度，同時也改善了成球質量，使預加水系統真正起到預濕成球的作用，為立窯生產出優質高產的熟料創造了條件。
　　7.變頻器在成球供水系統中的應用
　　生料成球工序是影響水泥熟料燒結質量的關鍵工序之一，其中水、料比例直接影響成球好壞。應用變頻器后能通過跟蹤生料供給量對成球預加水泵的轉速進行無級調速，從而實現全自動化的閉環控制，料水配合穩定，成球效果良好，大大提高水泥燒結質量。此系統改造主要為提高自動化程度和制造工藝水平考慮，由于功率較小省電效果還在其次。
　　8.變頻器在生料均化給料系統中的應用
　　此系統用變頻改造后，將所有送料口處的送料電機用變頻器進行同步無級調速，等比例送料，提高均化效果，此點也是從制造工藝角度考慮。
　　9.變頻器在水泥選粉系統中的應用
        水泥選粉系統的工作原理是根據所生產的水泥的標號的不同，調節選粉機和選粉風機的轉速，從而選出不同細度的水泥制品。老式選粉機要調整風機軸上的扇葉的數量和角度，經過對比試驗達到所要求的選粉細度；新式選粉系統分選粉機和選粉風機兩部分，選粉機由滑差電機調速，選粉風機靠調節擋風板角度調節用風量。這兩種系統都存在操作工藝復雜、調節精度差、浪費電能嚴重的缺點，特別是滑差點機不但費電，由于水泥制造環境粉塵嚴重，因此滑差頭骨脹率特別高，維修困難。變頻改造后，不管是老式系統還是新式系統，只要將電機調節到一個特定的轉速就能選出所需要的細度的顆粒，在節約電能的同時還做到了連續化、自動化生產，既提高了勞動效率，又降低了勞動強度，綜合效益明顯。
　　針對上述問題，結合生料車間選粉機負荷轉速不超過600r/min的特點，對選粉機電氣部分進行變頻調速技術改造。經實際測量，選粉機改造前，運行速度在594r/min時，輸入電壓385V，輸入電流72A，功率因數0.82，故輸入功率為40kW；改造后，運行速度在594r/min時，輸入電壓387V，輸入電流18A，(熱繼電器也做了相應調整)，功率因數0.92(變頻器加裝了直接電抗器)則輸入功率為11kW。改造后一年內沒發生過任何故障，保證了系統的安全運行，大大減少了維護工作量和維修費用，而且節能效果十分顯著。
　　10.變頻器在立窯卸料系統中的應用
　　為使水泥燒結過程中加料、供風、卸料三平衡，立窯普遍采用滑差電機(電磁調速電機)做為盤塔式卸料裝置的動力，該電機不但防護等級滿足不了水泥生產現場環境的需要，而且在相同輸出轉速的條件下消耗的功率也比系列電機高出20%左右，在降低轉速時相差更多，因此采用變頻調速系統代替滑差調速后，解決以上所訴的缺點，且調速性能遠遠高于滑差調速電機，在節電的同時維修費用也大大降低，在各行業得到普遍應用。
　　應用變頻器對可以調速的電機進行控制，在節約大量電能的同時，還具有軟起功能，同時降低了電機的起動電流和運行電流，降低整個電力系統和機械系統啟動和工作時的負荷強度，延長了機械部件的使用壽命。另外對滑差電機的變頻改造提高了電機的防護等級，減少了因環境惡劣而造成的電機故障率。
八、結束語
         變頻器在水泥廠的應用還不止這些，比如說回轉窯球磨機、卸料圓、盤給料機、雙管絞刀裙、板喂料機調速皮帶稱喂、煤絞刀、蓖冷機等一切需交流調速的設備都可以采用變頻調速器。
實踐證明，變頻改造具有顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且還大大減少了設備維護、維修費用，另外當采用變頻調速時，由于變頻裝置內的直流電抗器能很好的改善功率因數，也可以為電網節約容量。直接和間接經濟效益十分明顯。
總之，采用變頻器控制將有以下諸多優點：(1)采用變頻器控制電機的轉速，取消擋板調節，降低了設備的故障率，節電效果顯著；(2)采用變頻器控制電機，實現了電機的軟啟動，延長了設備的使用壽命，避免了對電網的沖擊；(3)電機在低于額定轉速的狀態下運行，減少了噪聲對環境的影響；(4)具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護功能；(5)提高產品質量及產量。

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1.水阻柜的基本工作原理

2.什么是水阻柜？

3.水阻啟動柜全解

4.【源創電氣】2021國慶放假通知

5.水阻柜的原理及優缺點

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