霍城水泥厂原为年产20万吨水泥粉磨站，于2006年12月配套建成一条φ3.2×52m回转窑带旋风预热器及管道型分解炉1600t/d熟料预分解窑水泥生产线。窑头排风机、窑尾排风机、煤磨排风机原来采用风门调节风量与风压，在窑内负压发生变化时，需要人工调节风门，由于人调节不准，造成电能严重的浪费。本工程利用成熟、先进、可靠的技术进行风机系统变频节能改造，是典型的节能改造项目，既符合国家可持续发展的长远的战略，又是节约用能和合理利用能源的体现。
一、项目提出背景、意义及必要性
水泥生产企业是国民经济生产中的能源消耗大户，在水泥的生产中，电动机负载电耗占生产成本的30%，而拖动风机用的高压电动机在电机负载中占有很大比重。对于一条水泥成产线其中有35～40%的电能是用于拖动各种类型风机上，因此做好风机电动机的降耗工作就显得极为重要。
目前很多水泥厂由于工况、产量的变化，系统所需要的风量也随之变化，大部分风机采用调节进、出口阀门开度的传统做法来实现，而该方法存在人为增加风阻、风机效率低、损耗严重等缺点。如果采用变频调速技术通过改变电机的运行速度，以调节风量的大小，可以满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节风门而造成的挡板磨损和管道磨损，以及经常停机检修所造成的额外经济损失。随着电力电子技术及电子技术的发展，变频技术日趋成熟，国际上对于风机的风量、风压调节已普遍摒弃靠调整配套的风门开度的手段，改而采用变频调速的电器传动调节，变频调速已成为风机、泵类节能降耗的最佳、首选的电气传动方式。
节约能源是我国的基本国策，国家制定了“节能中长期专项规划”，为落实此规划目标，国家发改委最近启动了十大重点工程，作为耗能大户的水泥行业是国家宏观调控的重点，也是节能的重点行业，通过各种措施，如果能把生产每吨水泥电耗控制在78kWh内，按我国水泥年产15亿吨计算，如达到节能指标，则每年可节约百万吨煤，节电百亿度，并且可使废气排放量降低，有利于环境保护，同时也降低了成本。目前在我国，水泥行业相对于其它如冶金、电力等行业，高压变频改造的进度相对缓慢，如果中国大多数水泥制造企业都能合理、深度挖潜自身潜力，那么有理由相信，中国的天将会更蓝，水会更清，节能型的和谐社会煤耗前景定会展现在我们的面前。
伊犁南岗建材(集团)有限责任公司高压变频技术在新型干法水泥生产中的应用及示范项目，是在国家对水泥行业的结构调整、发展新型干法水泥生产线、发展循环经济、淘汰落后产能作为水泥行业节能降耗的四方面措施的情况下提出的，随着水泥行业辊式磨系统越来越多地被采用，水泥生产线上的主机电机耗电比重越来越大，为了提高水泥效率，降低生产成本，实现节能减排，其意义深远，是非常必要的。
二、技术探讨
(一)、技术难点
在于技术的稳定性，稳定长期的运行，技术处理，以及今后解决突发变化的技术的能力。
技术在矢量变换数字模型的推导、速度环的跟踪响应等等。这些是技术领域里的研发难点。
1、在中高压领域，矛盾的焦点在自关断器件如IGBT的耐压问题，对3kV、6kV、10kV或更高的工作电压IGBT的耐压是短期内无法解决的，对高速功率开关器件的串联问题是公认的难题。
2、输入输出谐波的指标。多重化被称为“完美无谐波”，是外国公司营销技术名词，以为中国人对变频技术不了解，用输入端满载谐波含量做误导宣传，以概念混淆，偷梁换柱的说法。事实上，变频器产生的谐波应严格分为两部分，即：(1)、输入端谐波含量指标，指对电网产生的骚扰作用。(2)、输出端谐波含量指标，指对电动机产生的运转的脉动性、温升、绝缘老化、升华轴承疲劳的副作用。
(二)、创新点
首次在疆内新型干法水泥建材企业的高压风机大规模推广应用高压变频技术。
1、采用具备PFC功率因数校正电路的IGBT直接串联在高压变频器主电路中，并且应用现代的DSC(直接速度控制)技术，解决了高速功率开关器件的串联问题。由于采用二极管整流，可以保证电网侧的功率因数在0.95以上。
2、高压变频器效率高，无转差损耗，其效率达0.95以上，并且不随调速的范围而变化。液力耦合器效率低，其效率与调速比成正比，负载的转速越低，其效率越低，下图所示为液力耦合器的效率曲线。
图一 液力耦合器的效率曲线
液力耦合器属转差损耗型调速，是低效调速设备，在调速的过程中,转差功率以热能的形式损耗在油中。这不仅消耗了能量，而且使液力耦合器油温升高，为此必须采取妥善的冷却方式，特别是在环境温度较高的场合应用，对冷却的要求更高。我厂的3#窑高温风机的液力耦合器在夏季不得不采取不间断的冲水冷却等措施，即使如此，有时仍会因温度过高，威胁到液力耦合器安全时，不得不停机，以使温度降下来。
3、高压变频器调速范围宽，达到10:1以上，甚至达到100:1以上，而调速型液力耦合器的调速范围最大为4:1。
4、高压变频器调速精度达到0.1Hz，而且稳定性高，这是一个重要的技术指标。调速精度高、稳定性高，意味着所传动的风机(水泵)的压力和风量(流量)稳定，这对于稳定生产工艺过程是很重要的，液力耦合器调速精度差，转速波动大，难以保证稳定生产。
5、高压变频器具有真正意义上的软起动功能，它可以使起动电流值保持在额定电流以内，不会对电网造成冲击，也不会对所传动的风机、泵类的机械设备带来冲击，是最理想的软启动设备。液力耦合器属于直接起动类型，电动机的起动电流约为额定电流的4～7倍，对电网造成冲击，特别是在电网容量受限而电机容量较大时，这种直接起动对电网所造成的冲击有时是不允许的。
6、采用现代的PWM控制技术，产生的电压波形能基本消除低次谐波，在低频段波形优于多电平和多重化，基本消除了变频器对电网产生的骚扰作用和对电动机产生的运转的脉动性、温升、绝缘老化、升华轴承疲劳的副作用。
(三)国内外技术现状
目前在国内传统风机调节存在的问题及现状：
1、采用挡板调节时，大量的能量损耗在挡板的截流过程中。
2、采用挡板调节时，介质对挡板阀门和管道冲击较大，设备损坏较大。
3、挡板执行机构一般为大力矩的电动执行器，故障较多，不能适应长期频繁调节。
4、挡板动作迟缓，手动时人员不易操作，调节线性度差，闭环自动控制较难，动态性能不理想，操作不当会造成风机震动。
5、异步电动机直接启动时电流一般达到额定电流的6-8倍，对电网冲击较大，引起电机发热，强大的冲击转矩影响电机和风机的机械寿命。
6、绕线式电机采用水电阻启动或调速，设备复杂，可靠性低。
7、液力耦合器调速，体积大、噪声大、调速范围窄、效率低、油系统维护复杂。
(四)目标和内容
1、变频调速技术节约了原来挡板截留的能量损耗或液力耦合器机械损耗和水电阻内部发热的能量损耗。
2、实现软启动，对电网和机械负载的冲击大大较小，延长了电机和风机的寿命。
3、风机低于额定转速运行，降低了介质对风机扇叶哈挡板的磨损，降低了轴承、密封的损坏，减少了维护工作量，电机运行时振动和噪声明显降低。
4、采用变频调速技术，方便自动调节，进行闭环控制，线性度较好，动态响应快，风量调节平衡，使设备在更经济得状态下安全稳定运行。
三、项目建设必要性
窑头排风机、窑尾排风机、煤磨排风机原来采用风门调节风量与风压，在窑内负压发生变化时，需要人工调节风门，由于人调节不准，造成电能严重的浪费。
循环风机与高温风机采用水电阻启动，采用液力耦合器调节风量与风压，由于液力耦合器漏油，需要经常加油，经常由于液力耦合器的故障引起停产。
由于世界能源紧缺，煤、电、油等能源价格不断攀升，能耗高已严重制约企业的生存和可持续发展。近几年变频调速的优越性和节能效果已在低压变频器的运用中得到充分体现，同时高压变频技术的日趋成熟，并逐步在冶金、化工、电力、建材等众多行业中得到推广和应用。我公司作为新疆清洁生产的试点企业，节能降耗势在必行。公司各部门根据各自在操作、运行维护、设备可靠性、控制、节能和管理等方面对公司工艺控制复杂、设备维护量大、故障率高;电气控制复杂、耗电量较高、有较高的节能空间的设备进行了调研和可行性分析，确定将窑尾高温风机、系统风机的高压电机作为第一批变频节能技术的研究。
在国家发展和改革委员会等六部门联合下发的《十大节能工程实施意见》中指出，我国目前电机系统存在的主要问题有电动机及被拖动设备效率低，电动机、风机、泵等设备陈旧落后;系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，设备长期低负荷运行;系统调节方式落后，大部分风机、泵类采用机械节流方式调节，效率比调速方式约低30%。因此，在电机系统节能工程中国家要求推广变频调速、永磁调速等先进电机调速技术，改善风机、泵类电机系统调节方式，逐步淘汰闸板、阀门等机械节流调节方式。重点对大中型变工况电机系统进行调速改造，合理匹配电机系统，消除“大马拉小车”现象。
伊犁南岗建材(集团)有限责任公司伊犁水泥厂和霍城水泥厂三条生产线中的10台高压风机目前均通过调整挡板开度的定速机械节流方式来实现风机风量的控制。在水泥生产线设计中，由于对风机可靠性考虑较多，因而经济性被忽略，风机设计选型偏于保守，留有相当大的富余量。在正常运行时，风机达不到满出力，低负荷运行时，浪费更大，很大部分的电能都浪费在节流损失上。出现了调节方式落后，效率低下，系统匹配不合理，严重的“大马拉小车”现象。
目前作为大容量传动的高压变频调速技术已得到广泛的应用。而且高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足电机调速控制的要求，可大幅度节约能源，降低生产成本。其显著的特点已成为企业进行节能降耗改造的首选方案。
四、市场需求
本项目中，为达到节能运行的目的，拟对伊犁水泥厂和霍城水泥厂这三条生产线的风机电动机进行变频调速技术研究应用。
国家标准GB16780-2007《水泥单位产品能源消耗限额》对通用硅酸盐水泥企业能耗指标做出了以下强制性规定：
现有生产线：2000吨/日～4000吨/日可比熟料综合电耗限额限定值为≤73千瓦时/吨，可比水泥综合电耗限额限定值为≤110千瓦时/吨;1000吨/日～2000吨/日可比熟料综合电耗限额限定值为≤76千瓦时/吨，可比水泥综合电耗限额限定值为≤115千瓦时/吨。
根据对本项目实施单位的电耗情况的测算，本项目3条生产线的产品单耗较高，达不到国家强制标准的电耗限额限定值的要求，生产线各风机未安装变频调速装置是主要原因。
推广应用高压变频调速技术，实现节电20～30%，填补新疆建材行业新型干法水泥生产线大规模推广应用该技术的空白。
五、产品应用
该项目在我公司伊犁水泥厂、霍城过水泥厂研究推广应用后，我们把该技术成果推广应用在南岗水泥厂、博乐南岗建材有限公司、北屯建材有限公司、哈密南岗建材公司的高压风机上，南岗集团在高压变频技术成为自治区新型干法建材企业节能减排的典范和方法基地，在自治区建材行业及其它相关行业大力推广应用。
本项目采用EMC合同能源管理模式进行建设。本工程利用成熟、先进、可靠的技术进行风机系统变频节能改造，是典型的节能改造项目，既符合国家可持续发展的长远的战略，又是节约用能和合理利用能源的体现。本工程实施后每年可节约电力1166万千瓦时。符合国家产业政策和环境保护政策的，具有很好的节能效益和环境效益。
项目经济效益分析
年节电效益为1166万千瓦时
年节能收益：1166 × 0.35 元/千瓦时 = 466.5 万元
项目减排效益计算：
根据本项目完成后，年实现节能量为4081吨标准煤的情况，结合新疆煤质情况，计算本项目年可减少二氧化碳排放量为10162吨，减少二氧化硫排放量为53吨。
项目节能量计算：
本项目实施后，以上三条生产线合计节能量为：
(284+996+308) kW·h/h×7344h=11662272kW?h
年节约电费量(按0.40元/kW?h计算)：
11662272kW·h×0.40元/kW·h=466.49万元
按照国家统计局公布的2007年全国平均供电煤耗为350克标准煤/kW?h计算得节能量为：11662272kW·h×350kce/ kW·h=4081吨标准煤
本工程所采用技术成熟可靠，项目年收益466.5万元，简单投资回收期3.16年，内部收益率35.85%，经济效益显著，抗风险能力强。
六、结束语
综上所述，本工程符合国家产业政策和环保政策，具有良好的经济效益、环境效益、社会效益和抗风险能力。