變頻器在立窯送風系統(tǒng)中的節(jié)能應(yīng)用

鄧榆林，何妙英

（廣東順德學(xué)院，廣東 順德 528333）

變頻器的出現(xiàn)，為交流調(diào)速方式帶來了一場革命。由于性能遠超以往任何交、直流調(diào)速方式，且結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高，保護功能完善，運行穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯著，成為了交流電機調(diào)速的潮流，被不同學(xué)科、不同行業(yè)的工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用于不同的交流調(diào)速領(lǐng)域，推動了工業(yè)生產(chǎn)的自動化進程，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1 立窯的生產(chǎn)流程及送風系統(tǒng)的高能耗分析

水泥廠的立窯是一種立式窯爐（見圖1）。燃料和水泥原料從立窯的頂端送入窯體，在窯體的中部混合燃燒，燃燒所需的空氣由羅茨風機從窯體的底部送入。燃燒過后所產(chǎn)生的熟料（水泥）由窯體的底部送出。

圖1 立窯結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)的立窯送風系統(tǒng)由羅茨風機、送風管道和放風閥組成。風的需求量，取決于燃料與水泥原料的品質(zhì)，而且在生產(chǎn)過程的不同時段，對風的需求量也有很大不同。

在傳統(tǒng)的送風系統(tǒng)中，羅茨風機的轉(zhuǎn)速是固定的，即送風量是固定的，當需要調(diào)整送入窯爐內(nèi)的風量時，通過調(diào)節(jié)放風閥的開度來實現(xiàn)（見圖2）。

圖2 傳統(tǒng)送風系統(tǒng)風量調(diào)節(jié)示意圖

無論送風量的需求是多少，電機都以額定負載功率運行，因此放走的風量對電能造成了巨大的浪費，以至在立窯煅系統(tǒng)所耗的電能中，送風系統(tǒng)的電耗一般占60%左右。

2 風機調(diào)速的節(jié)能原理及分析

從流體力學(xué)原理得知，影響風機的流量、風壓的最重要一個因素，是風機的轉(zhuǎn)速，它們之間的關(guān)系如下：

式中，

Q為風機流量；

H為風機風壓；

K1為風機的橫截面系數(shù)；

K2為風機的阻力系數(shù)；

n為電機轉(zhuǎn)速。

從式（1）、式（2）可見，風機轉(zhuǎn)速與流量成正比關(guān)系，與風壓成平方關(guān)系。

而風機的負載功率（即電能消耗）是流量與風壓的乘積，即

式中，P 為風機負載功率，K=K1·K2。

由式（3）可知，風機的負載功率與風機轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系。假設(shè)電機轉(zhuǎn)速從n1降低到n2，可得到如下功率變化公式

式中，

P1為轉(zhuǎn)速降低前風機負載功率；

P2為轉(zhuǎn)速降低后風機負載功率。

由式（1）到式（4），可得到如表1所列的相互關(guān)系。

表1 風機轉(zhuǎn)速與送風量、風壓、負載功率、節(jié)能率之間的關(guān)系表

由表1可知，風機的轉(zhuǎn)速，是送風量、風壓、負載功率及節(jié)能率的決定因素。轉(zhuǎn)速越高，風壓送風量與風壓越大，負載功率越高，節(jié)能率越低，反之亦然。因此，降低立窯送風系統(tǒng)高能耗的關(guān)鍵點，是在羅茨風機的轉(zhuǎn)速。

3 立窯送風系統(tǒng)的節(jié)能改造方案

根據(jù)上述分析，可在羅茨風機前加裝電機調(diào)速環(huán)節(jié)，對傳統(tǒng)的立窯送風系統(tǒng)進行改造，可大幅度降低立窯的能耗。

目前，羅茨風機的驅(qū)動電機大多采交流用異步電機，其轉(zhuǎn)速公式如下

式中，

n為電機轉(zhuǎn)速；

f為電源頻率；

s為轉(zhuǎn)差率；

p為極對數(shù)。

由式（5）式可見，交流異步電機的調(diào)速方式有多種，如調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速、變頻調(diào)速等，其中變頻調(diào)速方式，具有調(diào)速范圍寬、可實現(xiàn)無極調(diào)速等優(yōu)點。因此，在立窯送風系統(tǒng)中，選用變頻器對羅茨風機進行變頻調(diào)速控制，是最佳的改造方案（見圖3）。

圖3 改造方案

由表1可知，送風量與風壓成正比關(guān)系。控制柜根據(jù)水泥原料及燃料的質(zhì)量，在不同的生產(chǎn)時段，向變頻器給出不同的風壓給定信號，變頻器驅(qū)動羅茨風機產(chǎn)生相應(yīng)的風壓，通過管道向窯爐內(nèi)注入相應(yīng)的風量。

同時，立窯爐內(nèi)的傳感器采集壓力信號，經(jīng)變送器反饋給控制器及變頻器，形成一個雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。這樣即確保各生產(chǎn)時段送風量的穩(wěn)定，保障了水泥的生產(chǎn)品質(zhì)，又極大地減低了電能耗。

4 結(jié)束語

眾所周知，水泥是高能耗產(chǎn)業(yè)，在提倡低碳經(jīng)濟的今天，降低能耗是這個產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。在我國，由于立窯投資少，回報周期短，使得其在全國水泥窯爐中所占的比例最高。而在立窯所耗的電能中，送風系統(tǒng)的電耗是最高的，因此對傳統(tǒng)立窯的送風系統(tǒng)進行節(jié)能改造，不僅能夠降低水泥行業(yè)的整體能耗，保護好我們的生態(tài)環(huán)境，還能為實現(xiàn)降低我國單位GDP能耗的可持續(xù)發(fā)展模式，作出重要貢獻。

[1]王明榮.變頻器在羅茨風機上的應(yīng)用[J].能源工程，1999，（2）：42-43.

[2]陶東光.立窯羅茨風機變頻節(jié)能[J].中國水泥，2005，（11）：73-74.

[3]王念春.羅茨風機中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能分析[J].電工技術(shù)，2001，（11）：15-16.