1工程介绍
如何解决设备运行中存在严重的能源浪费，不但是增强企业竞争力的要求，更是创建资源节约型社会的国策的要求。变频调速技术是风机、水泵等设备调速技术的首选，也是该类技术发展的必然方向。对设备进行变频改造后，可以大大降低企业的生产成本，降低生产设备的故障率，延长设备的使用寿命，产生较大的经济效益和社会、环境效益，提高企业的综合竞争力和发展后劲。用直接变频调速技术取代传统的风门挡板风量调节技术，改变风机的转速来调节排风量，风量调节的快速性和精确性更好，可以实现节约电能的目的。
由于历史原因，中州分公司锅炉及熟料窑系统绝大部分风机的设计裕量较大，风机的额定流量远远大于生产系统实际所需的风量。为了满足正常生产需要，不得不根据生产系统的工作情况调节风门挡板的开度，控制空气流量。由于此类调节方式实际是电动机以额定转速运行，通过提高管道阻力来控制风量的大小，风机长期处于高管阻运行状态下，这样大大增加了系统的管阻，使风机的实际工作点远离了额定工作点，降低了系统的运行效率，再加上设计与实际运行情况相比有较大的设备动力储备，设备存在着“大马拉小车”的现象，造成了大量的能源浪费。不但影响了企业单位产品生产成本的降低，而且降低了企业产品的竞争力，限制了企业的长期发展。因此中州分公司决定对熟料窑5#、6#排烟机和锅炉5#、6#引风机先进行变频改造。
2可行性分析
我分公司的风机泵类机械设备主要进行转速控制，以调节风量、阀门的开口度等方法完成工艺流程的要求。利用变频装置对风机进行转速控制属于有效的节电方法，它和一般常用的调节风门控制风量方法比较，有着明显的节能效果。
变频调速技术近年在低压风机水泵类机械中得到广泛的应用，同时交流变频调速技术也正朝着大容量，高电压和高性能的方向发展。在氧化铝行业，大量的大功率风机和泵类设备目前仍采用通过挡板、阀门等方式调整供应流量，由于挡板、阀门等方式是通过提高管道阻力来达到降低流量的目的的，应用中造成了大量的能源浪费，这种工作方式已不能满足现代工业的发展需要。并且是影响企业竞争力的关键因素之一。
用高压变频调速技术取代传统的风门挡板风量调节（阀门控制流量）技术，改变风机（泵类）的转速来调节风（流）量，调节的快速性和精确性更好，可以实现节约电能目的。本次改造的相关设备的参数见表1。
3设备选型及本次风机节能改造系统控制原理图
高压变频器一般主要有下列几种方案选择；
一种为直接高压控制（高成本），目前以采用美国罗宾康类似的无谐波变频技术，由低压模块串接起来成为高压输出；，其优点是极低的谐波，但是需要专用输入变压器装置，投入成本最高，低频运转时因为IGBT的饱和压降串联产生效率较低的问题。
第一种为三电平（四电平）控制（中等成本）由于功率半导体的耐压较低，采用串联方案以提高输出电压，与低压变频器技术类似：差异性在于输出电压提高一倍，输出电流谐波较低等优点，比较适用于中压场合（690～3300 v），容量也属中等，由于也有使用IGCT高压功率模块，所以电压也可以提高到6000v，但是目前市场应用较少。三电平变频器的结构简单，但二极管的增多、线路增多，况且每个IGBT的驱动波形不一致，也必将导致箝位和开关性能的不一致。功率元件的导通和关断是由箝位二极管来保证的。箝位二极管的耐压要求高，快恢复性能好，主器件数量多，致使系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。
第三种为高低压控制（低成木）。高低压控制变频器指利用变压器将高压降为低压，再购买低压变频器装置驱动低压电机。此系统技术最成熟，可靠性最高，运行效率最高，投入成本最低，维修服务方便。中低容量电机（一般指2000kW以下）最适合使用。变压器+690V变频器+专用变频电机就属于此类。
另外还有高一低一高方式，即采用降压变压器+低压变频器+特殊升压变压器+电机的配置，由于输出变压器需特殊制造，成本高，功率因数低，效率低，自损耗大，笨重。系统性能差，可用于一般工艺调速，不宜于调速节能的应用。
本项目实施过程中，从节能效果上、较短的回收期、日常维护量和经济效益等多方面指标上来进行综合评价。根据综合评价决定采用降压变压器+690V变额器+专用690V变频电机的配置方式，此种配置运行效率高，投入成本低，维修服务方便，特别适用于改造项目。通过招标方式选用ABBACS800-04系列变频器。考虑到排烟机、引风机都是非常重要的生产设备，如果变频调速装置出现故障将造成整条熟料窑、锅炉系统的停产，造成重大经济损失，因此设计上还考虑了工频与变频切换回路，用以保证一旦变频器有故障时能够用工频状态起动设备。
4项目实施及运行情况
2006年7月15日，开始高压变频改造的调试和试运行。变频器运行至今状态良好。
4.1节电分析
5#排烟机电机额定功率475kW，额定电流58.2A，平均工作电流为33A，平均负载率为54％，排烟机的阀门平均开度为40％。根据系统运行情况，考虑到排烟机的调速范围和流量调整范围，系统进行变频改造节能计算分析如下：
由于风机、水泵属平方转矩负载，即电机负载转矩与转速的平方成正比，流量与电机的转速成正比。而电动机输出功率的一般表达式为
也就是说电动机的轴功率与电动机转速的立方成正比,变频改造后排烟机耗电量计算如下：
变频排烟机提供的实际风量Q2=40％Q0，排烟机的实际转速为N2=40％NO
考虑到变频装置、排烟机效率及送风压力等情况，该值会高于理论计算值．在低速时相差更太，经验值40％额定风量变频改造后实际功率约为额定功率的25％左右，即P2=P0×0.25=119kW，
年用电量为W2=P2×24×300=87万kW•h
由上分析可知，该排烟机进行变频改造后，年节电量约为
W=W1-W2=194-87=107万kW•h
4.2实际节电效果
表2是改造后的3#熟料窑5、6#排烟机实际日耗电量与没有进行改造的2#熟料窑3、4#排烟机日耗电量对比表。
从实际节电效果看非常显著，每天每台窑节电6173kW•h。
单台窑年节电6173×365=2253 145 kW•h即225万kW•h左右。
由于目前仍处于试验期间，风机转速与熟料窑不同工况所需风量之间的对应关系仍处于摸索状态，目前转速为额定值的90％，实际满足工艺需求的转速仍有较大下降空间，因此节电效果应更加显著。
5改造后的效果及分析
1）节电效果明显
从实际节电效果看非常显著，每天每台窑节电6173 kW•h。而中州分公司现在同样规格熟料窑7台，如果均改造实施后，将每天共节电7×6173=43211 kW•h。
2）风量调节快速和精确
直接变频调速技术取代传统的风门挡板风量调节技术，改变风机的转速来调节排风量，风量调节的快速性和精确性更好。
3）对设备无冲击，提高了操作的安全性
改造后风机运行平稳、振动降低。
4）实现电机软起动功能
减轻了启动时对电网的冲击，延长了电机寿命。
5）谐波干扰达到标准，谐波抑制效果良好
内置的滤波装置使屯压谐波含量小于3％，符合IEEE 519-1992和GB/T 14549-1993标准。
本次改造加装的ABB duldt滤波器起到了保护电机绝缘、减少轴承电流的作用。电缆选型及施工严格按照规范进行，如动力电缆采用对称屏蔽电缆，控制电缆同动力缆分层敷设、正确接地等。
6）各种保护功能完善
过流、过压、欠压、故障保护等功能可靠。
7）各种指示功能完备
具有输入、输出电流和电压、运行频率、故障显示、运行状态指示等功能。
8）操作简便
同普通的ABB低压变频器的功能操作方式相似，功能设置和调整简单方便。在上位机层次调节转速简便可靠。
9）排烟机、引风机设备运行规律进行了探索，逐步建立风机转速与工艺参数之间的最佳对应关系。相应的设备操作规程进行了重建。
综上所述项目实施后，节电效果显著，同时实现了风量的精确调整，操作非常简单清晰，并且系统可以反馈大量的现场运行数据，大大降低了现场操作人员的工作强度，提高了操作的舒适度。
