1 引言
(1) 水泥工藝概述
水泥是建筑中三大才之首的建筑材料，是建筑中三大膠凝劑(石灰、石膏、水泥)之一，和石油、鋼鐵并稱(chēng)為國(guó)民經(jīng)濟(jì)三大基礎(chǔ)命脈。
水泥工藝過(guò)程，通常簡(jiǎn)要地概括為“兩磨一燒”，即首先將原料粉磨成生料，然后經(jīng)過(guò)煅燒形成熟料，再將熟料粉磨成水泥。除了水泥生產(chǎn)中主要單元操作外，水泥生產(chǎn)中還包括其他重要生產(chǎn)環(huán)節(jié):如破碎、烘干、配料、均化、儲(chǔ)存、計(jì)量、輸送、收塵等。

圖1 水泥工藝圖
(2) 水泥廠的變頻節(jié)能
水泥廠亦是個(gè)耗電大戶(hù)，近幾年來(lái)應(yīng)用變頻器的項(xiàng)目逐日擴(kuò)大。主要是立窯的羅茨鼓風(fēng)機(jī)、園盤(pán)給料機(jī)，予加水成球，螺旋輸送機(jī)、粉碎機(jī)、破碎機(jī)、皮帶輸送機(jī)，以及排風(fēng)扇等。應(yīng)用后不但節(jié)省了電費(fèi)支出，并提高了產(chǎn)品質(zhì)量，亦增加了使用上的靈活性，對(duì)不同工藝性要求適應(yīng)性更強(qiáng)。變頻調(diào)速技術(shù)在我國(guó)水泥行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛。在生產(chǎn)工藝需要調(diào)速的許多環(huán)節(jié)，如回轉(zhuǎn)窯、單冷機(jī)、喂料機(jī)、配料系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)、水泵等，以交流變頻調(diào)速取代調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速以及直流調(diào)速已成為一種必然趨勢(shì)。
(3) 水泥廠的變頻器安裝和使用
水泥廠因生產(chǎn)線粉塵較大，調(diào)速機(jī)械大多安裝在室外或庫(kù)下，環(huán)境較其它行業(yè)相比較為惡劣，而操作人員一般集中在電控室，變頻器作為較精密的儀器設(shè)備，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常無(wú)人且環(huán)境較差，對(duì)設(shè)備不利。故在水泥生產(chǎn)線上，變頻器應(yīng)安裝在電控室內(nèi)。如要求多臺(tái)變頻器安裝在同一電控室的某一個(gè)控制屏內(nèi)，則必須采用抗干擾的措施以保證系統(tǒng)正常工作。
變頻器控制線必須采用屏蔽電纜，并且在布線范圍內(nèi)必須與動(dòng)力線相距>0.1m，相交時(shí)必須轉(zhuǎn)90°，千萬(wàn)不要將控制線與動(dòng)力線放在同一電纜托架(或線框)內(nèi)，以避免變頻器控制信號(hào)受到干擾。變頻器負(fù)載輸出線也要采取屏蔽措施，選用鎧裝電纜，以避免變頻器對(duì)附近儀表產(chǎn)生干擾。部分變頻器頂部有散熱孔，灰塵和金屬物易于由此進(jìn)入裝置內(nèi)部，應(yīng)采取防護(hù)措施，防止內(nèi)部短路。在變頻器接線時(shí)要特別注意電源的輸入線和輸出線絕不能接錯(cuò)，將電源輸入線接上變頻器輸出位置，會(huì)立刻損壞設(shè)備。
通常變頻器連接到電機(jī)的電纜長(zhǎng)度要求不能超過(guò)50m，使用屏蔽電纜不能超過(guò)25m。這就必須要考慮變頻器到受控電機(jī)之間的距離問(wèn)題，在水泥廠中一般會(huì)碰到超過(guò)規(guī)定距離的情況。通常解決的方法有兩個(gè)，其一是在超過(guò)規(guī)定距離的線路上串入電流值適合的出線電抗器;其二是加大變頻器功率一個(gè)等級(jí)，這種方式特別適合于多臺(tái)集中群控、安裝位置狹小擁擠、要求規(guī)范(如微機(jī)配料系統(tǒng))等場(chǎng)合。

2 機(jī)立窯供風(fēng)系統(tǒng)變頻調(diào)速裝置
在風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用濕法水泥回轉(zhuǎn)窯大都采用離心通風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)窯內(nèi)風(fēng)量，由于生產(chǎn)過(guò)程中工礦的不斷變化及其他多種因素的影響，設(shè)計(jì)選型時(shí)，離心通風(fēng)機(jī)通常預(yù)留較大富裕量;所以在實(shí)際的使用過(guò)程中，為滿(mǎn)足大窯的工礦要求，在進(jìn)風(fēng)管道中設(shè)置電動(dòng)閥門(mén)、擋風(fēng)板等裝置，通過(guò)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，這種通過(guò)增加系統(tǒng)阻力來(lái)改變風(fēng)量的辦法，造成大量的電能消耗。而采用調(diào)速方式調(diào)節(jié)風(fēng)量節(jié)電效果就十分理想。風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)電原理:對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制屬于減少空氣動(dòng)力節(jié)電方法，是一種比較理想的節(jié)電方式。它和調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)控制風(fēng)量方法向比較，有明顯的節(jié)電效果。
因此不少立窯爐水泥廠都已選用變頻器對(duì)立窯尤其是羅茨鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造后，都收到了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效果，節(jié)電率可達(dá)30％~50％，改變了過(guò)去以調(diào)節(jié)出口(進(jìn)口)閥門(mén)開(kāi)度方式來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)壓或風(fēng)量的生產(chǎn)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度減輕，調(diào)節(jié)的及時(shí)性好，提高了產(chǎn)品的合格率，單耗明顯下降，這是個(gè)成功的應(yīng)用范例，值得向大家推薦的。
羅茨鼓風(fēng)機(jī)個(gè)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其節(jié)電率與轉(zhuǎn)速降成正比，雖然不同于一般風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)電率更高，但因它的功率較大，而且只要爐墻不壞，是連續(xù)24小時(shí)工作的，并開(kāi)動(dòng)時(shí)間亦很長(zhǎng)。因此節(jié)電潛力大，節(jié)電費(fèi)用高，值得向大家推廣使用變頻器，這一先進(jìn)的技術(shù)成果，投資回收期亦短約在一年內(nèi)。
國(guó)內(nèi)中小城市及縣級(jí)水泥廠數(shù)以千計(jì)，大都是立窯生產(chǎn)水泥的，故大有市場(chǎng)潛在力，若再配上水泥微機(jī)配料自動(dòng)裝置后，更是錦上添花的大好事。

3 回轉(zhuǎn)窯變頻調(diào)速系統(tǒng)
3.1 回轉(zhuǎn)窯傳動(dòng)現(xiàn)狀
在水泥廠回轉(zhuǎn)窯拖動(dòng)上的應(yīng)用近十幾年來(lái)，回轉(zhuǎn)窯主拖動(dòng)一直使用直流調(diào)速。但這種調(diào)速電路復(fù)雜，維修難度大，操作繁瑣，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)，增加了操作人員的看火難度;直流電動(dòng)機(jī)在溫度高、粉塵大的惡劣環(huán)境中工作，其炭刷、整流子損壞嚴(yán)重，維修費(fèi)用高。
回轉(zhuǎn)窯負(fù)載的特點(diǎn)分析:啟動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的物料處于正下方，在窯起動(dòng)并不斷加速的過(guò)程中，整個(gè)窯體及窯內(nèi)的物料克服自身慣性而升速，當(dāng)物料偏移正下方比較大角度時(shí)，此時(shí)所需轉(zhuǎn)矩比較大，這是個(gè)加速過(guò)程，一個(gè)克服設(shè)備巨大慣性的過(guò)程。一旦驅(qū)動(dòng)電流克服了這種大慣性負(fù)載而起動(dòng)起來(lái)，維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)能量及轉(zhuǎn)矩就很小了。根據(jù)回轉(zhuǎn)窯的這種負(fù)載特點(diǎn)，選擇變頻器及電動(dòng)機(jī)的功率就比較復(fù)雜，功率選擇過(guò)大，起動(dòng)沒(méi)問(wèn)題，但正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)大馬拉小車(chē)現(xiàn)象，能耗大，一次性投資加大;功率選擇小些適合于正常運(yùn)行，效率高投資小，但不能正常起動(dòng)。
當(dāng)然，所謂窯的基本特性為恒轉(zhuǎn)矩，是指它在正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的特性，但在啟動(dòng)過(guò)渡過(guò)程中卻遠(yuǎn)非如此。窯啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與上次停窯時(shí)的工況、窯內(nèi)物料理化狀況、停窯時(shí)間以及此間的窯彎曲變形、各軸承油膜傷失程度、物料溫度降低等因素相關(guān)，難以確切量化。但從窯啟動(dòng)的角度來(lái)說(shuō)，克服堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和越過(guò)窯內(nèi)物料滾落點(diǎn)轉(zhuǎn)矩為其關(guān)鍵所在。
3.2 回轉(zhuǎn)窯的變頻控制
回轉(zhuǎn)窯的負(fù)載形式，對(duì)變頻器進(jìn)行合理的參數(shù)調(diào)試十分重要;即在低頻段適當(dāng)提高v/f的值，這樣有利于提高電動(dòng)機(jī)出力;但在滿(mǎn)足起動(dòng)要求的情況下，提升值越小越好，這樣做能減小電動(dòng)機(jī)損耗，降低電動(dòng)機(jī)溫升，避免造成過(guò)流保護(hù)。
關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定:比較低頻率。由于煤粉中經(jīng)?；煊懈鞣N雜物，起動(dòng)時(shí)往往負(fù)荷較大，除我們適當(dāng)選大電動(dòng)機(jī)和變頻器容量外，關(guān)鍵是設(shè)定一個(gè)起動(dòng)頻率，這樣有足夠的轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。
關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定:加減速時(shí)間。根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，起動(dòng)時(shí)間和停車(chē)時(shí)間不能太快，太快容易過(guò)流過(guò)壓現(xiàn)象，合理選擇加減速時(shí)間非常重要。
3.3 回轉(zhuǎn)窯變頻應(yīng)用效果
(1) 節(jié)能效果明顯
變頻器是利用電壓輸入頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及輸出功率,在負(fù)荷一定時(shí),轉(zhuǎn)速降低,輸出功率隨之降低。原電機(jī)平均電流150a,平均電壓380v,輸入功率98.98kw。通過(guò)技改后,電機(jī)平均電流83a,平均電壓380v,輸入功率44.70kw,電流下降了45%,輸入功率降低了55%。
(2) 調(diào)速范圍寬
窯電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0～1440r/min,正常狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速為800～1300r/min,而變頻器調(diào)速范圍在0.5～400hz之間,完全滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝對(duì)回轉(zhuǎn)窯窯速的要求。
(3) 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)無(wú)沖擊,運(yùn)行平穩(wěn)
原電機(jī)直接起動(dòng)電流達(dá)正常電流的4～6倍,起動(dòng)過(guò)程設(shè)備振動(dòng)大。使用變頻器后,電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)輸入的轉(zhuǎn)矩較小,然后再逐漸平滑提升,這樣減小對(duì)設(shè)備的沖擊,起動(dòng)電流小于正常運(yùn)轉(zhuǎn)電流的1.5倍。
(4) 可靠性高
該裝置具有多種自保護(hù)功能。包括瞬間過(guò)電流保護(hù),過(guò)壓、欠壓保護(hù),漏電、過(guò)熱保護(hù),過(guò)載、短路保護(hù)等,還可以防止電機(jī)失速,故障率低,為穩(wěn)定回轉(zhuǎn)窯的熱工制度創(chuàng)造了必要的條件。

4 水泥破碎機(jī)變頻應(yīng)用
在水泥粉磨工藝中，球磨機(jī)入磨物料粒度的大小，對(duì)其臺(tái)時(shí)產(chǎn)量影響較大，預(yù)破碎工藝作為提高磨機(jī)臺(tái)時(shí)產(chǎn)量、降低粉磨電耗的重要途徑，引起了許多水泥企業(yè)的重視。根據(jù)工藝要求，水泥立窯放料每次持續(xù)2～3min，間隔2～3min，但目前幾乎所有水泥企業(yè)中破碎機(jī)處于工頻恒速運(yùn)行狀態(tài)，24h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，造成電能的巨大浪費(fèi)，并影響電機(jī)和破碎機(jī)的使用壽命。另一方面，由于破碎機(jī)具有十分大的慣性，不易頻繁啟停，所以即使使用變頻器也難以解決系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的泵升電壓引起保護(hù)電路動(dòng)作，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。
針對(duì)系統(tǒng)的以上特點(diǎn)，利用系列變頻器實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的變頻調(diào)速和軟啟動(dòng);利用再生能量回饋單元克服破碎機(jī)制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)高的泵升電壓;利用plc實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯閉環(huán)控制，使破碎機(jī)的工作與立窯放料同步，實(shí)現(xiàn)間歇運(yùn)行。從而在改善工藝控制質(zhì)量的同時(shí)，比較大限度地節(jié)約了電能，降低了生產(chǎn)成本?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，節(jié)電率可達(dá)60%以上。
上述系統(tǒng)已在某水泥廠投入實(shí)際運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)送料信號(hào)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)啟制動(dòng)運(yùn)行，破碎機(jī)運(yùn)行速度連續(xù)可調(diào)。電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)頻繁軟啟動(dòng)，基本無(wú)啟動(dòng)電流沖擊，啟動(dòng)力矩足夠。系統(tǒng)在變頻運(yùn)行條件下，若變頻器突然故障，則自動(dòng)切換至“工頻”狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)(內(nèi)部可選)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況需要，將有放料信號(hào)時(shí)變頻運(yùn)行給定頻率設(shè)為43hz，系統(tǒng)運(yùn)行電流為27a，運(yùn)行電壓280v，改造后的系統(tǒng)平均每年耗電5.7萬(wàn)度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄，系統(tǒng)在改造前工作頻率為工頻50hz，運(yùn)行電流為32a，運(yùn)行電壓400v，平均每年耗電19.42萬(wàn)度。改造后的節(jié)電率為70.6%。該系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)如下:
(1) 利用變頻調(diào)速技術(shù)改造了水泥熟料破碎機(jī)的拖動(dòng)系統(tǒng)，滿(mǎn)足了破碎機(jī)的低速、間歇運(yùn)行特點(diǎn)，保證了工藝控制質(zhì)量，節(jié)能效果明顯，并有利于延長(zhǎng)破碎機(jī)和電機(jī)的使用壽命。
(2) 利用能量回饋控制技術(shù)克服破碎機(jī)大慣性引起的泵升電壓，有效地保證了變頻器的安全運(yùn)行。系統(tǒng)除了變頻器和能量回饋裝置所具有的20余種保護(hù)功能和故障自診斷功能外，還增設(shè)了電機(jī)過(guò)熱、控制回路保護(hù)及報(bào)警。
(3) 利用可編程控制器plc實(shí)現(xiàn)了各種邏輯控制、變頻器啟制動(dòng)自動(dòng)控制及手動(dòng)/自動(dòng)、工頻/變頻轉(zhuǎn)換和故障自切換等功能，使系統(tǒng)控制靈活方便，功能齊全。

5 艾默生變頻器在水泥廠窯尾料漿喂料中的應(yīng)用
在濕法水泥窯煅燒過(guò)程中，窯尾料漿的喂料控制是至關(guān)重要的一環(huán)，它直接關(guān)系到水泥熟料的產(chǎn)量和質(zhì)量。傳統(tǒng)的喂料控制方式有2種:

圖2 新喂料框圖
(1) 勺式喂料:單位勺的容積一定，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制喂料量，這是老濕法窖普遍喂料方式，計(jì)量較準(zhǔn)，但控制較復(fù)雜;
(2) 采用閥門(mén)調(diào)節(jié)，用電磁流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量的方式，這是近幾年發(fā)展起來(lái)的喂料方式，控制較簡(jiǎn)便，但閥門(mén)執(zhí)行器頻繁動(dòng)作，易出故障。以上兩種方式料漿泵都是以工頻恒速運(yùn)行的。對(duì)于料漿泵，具有以下特性:其(流量)q∝n(轉(zhuǎn)速)，(揚(yáng)程)h∝n2，(軸功率)w∝n3。當(dāng)流量減小時(shí)，如果泵的轉(zhuǎn)速也隨之下降，則軸功率可以降低很多，如果采用改變料漿泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)料漿的流量，就能節(jié)約大量能量。而變頻器具有良好的驅(qū)動(dòng)性能，包括pid控制等先進(jìn)控制算法、豐富的控制功能以及節(jié)能節(jié)電等顯著特點(diǎn)，因此可以采用變頻器來(lái)對(duì)原喂料方式進(jìn)行改造。
5.1 系統(tǒng)組成
新喂料框圖如圖2所示，各環(huán)節(jié)如下:
(1) 變頻器:由于美國(guó)艾默生公司的變頻器性?xún)r(jià)比高，選用它的ev2000變頻器作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行器;
(2) 流量計(jì):流量計(jì)為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電磁流量計(jì)，輸出為標(biāo)準(zhǔn)4~20ma電流信號(hào)，比較大流量為60方/小時(shí);
(3) 料漿泵:使用原來(lái)的料漿泵(150ng)，密封性較好，低速運(yùn)行時(shí)不漏漿。
5.2 效果分析
本系統(tǒng)經(jīng)改造投入運(yùn)行后，工作穩(wěn)定可靠，操作方便，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。采用變頻控制，料漿泵啟/停時(shí)無(wú)沖擊電流，正常運(yùn)行時(shí)相對(duì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速較低，使機(jī)械損耗減小，漿泵葉輪磨損明顯減小，檢修周期加長(zhǎng)，可以不備用料漿泵，機(jī)械效率得到提高。本系統(tǒng)另一重要特點(diǎn)是能夠節(jié)約大量電能:改造前料漿泵恒速運(yùn)行，電流平均為110a，改造后喂相同的料漿，電流降為55a，節(jié)約功率37.5kw(漿泵為75kw)，不到半年就可收回成本，而且在新線的土建施工時(shí)，由于漿直接抽進(jìn)窯而少了平衡倉(cāng)，還可以減少土建高度，費(fèi)用也相應(yīng)減少。
在喂料系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了漿泵的速度由實(shí)際喂?jié){量的多少來(lái)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，比漿泵在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行節(jié)約大量電能，并且可實(shí)現(xiàn)喂料自動(dòng)化，是提高機(jī)械效率和減少能耗的有效方法。

6 結(jié)束語(yǔ)
變頻器在水泥行業(yè)其他方面的應(yīng)用還有以下幾個(gè)方面:
(1) 生料均化給料系統(tǒng)
將所有送料口處的送料電機(jī)用變頻器同步進(jìn)行無(wú)極調(diào)速，等比例送料，操作人員只需觀察螺旋給料機(jī)的總輸料量，調(diào)整送料電機(jī)轉(zhuǎn)速快慢即可。這樣均化效果大大提高，非生產(chǎn)耽擱時(shí)間減少50%以上。
(2) 成球預(yù)加水系統(tǒng)
生料成球工序是影響水泥熟料燒結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一，其中，料、水比例直接影響成球好壞。變頻器通過(guò)對(duì)成球預(yù)加水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行無(wú)極調(diào)速調(diào)節(jié)，時(shí)刻跟蹤生料供給量，進(jìn)行等比例加水，從而使半機(jī)械化、半手工加“人腦”(即憑經(jīng)驗(yàn))控制的落后工藝跨上了全自動(dòng)化、電腦控制的新臺(tái)階。
(3) 水泥選粉系統(tǒng)
根據(jù)水泥桔的不同，要求水泥成品粉粒細(xì)度不同，每次都重復(fù)這樣的過(guò)程:
拆開(kāi)機(jī)組→調(diào)整扇頁(yè)→裝上機(jī)組→試選→檢驗(yàn)細(xì)度直到選出的粉粒達(dá)到要求的細(xì)度為止。變頻改造之后的選粉系統(tǒng)，只須按下提前預(yù)置的不同標(biāo)號(hào)細(xì)度按鈕，選粉機(jī)選出的粉粒就對(duì)應(yīng)所需要的細(xì)度。做到了連續(xù)化、自動(dòng)化生產(chǎn)，即節(jié)約了寶貴的時(shí)間又提高效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，綜合效益明顯。
(4) 在隔膜泵上的應(yīng)用
某水泥廠隔膜泵的設(shè)計(jì)流量為120m3/h，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶和齒輪傳動(dòng)，通過(guò)連桿使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)隔膜的壓力把料漿噴射到窯內(nèi)。由于根據(jù)窯內(nèi)生產(chǎn)情況，可以不斷的通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)速度來(lái)調(diào)節(jié)料漿流量，所以是變負(fù)荷負(fù)載。采用變頻器對(duì)其進(jìn)行控制，通過(guò)幾年的使用證明，運(yùn)行十分可靠，噪聲極低，機(jī)械傳動(dòng)裝置的運(yùn)行周期提高60%，大大降低了檢修成本，另外由于是變負(fù)荷調(diào)速，節(jié)電效果十分明顯。