水泥廠的電機(jī)節(jié)能發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

  隨著規(guī)模化基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大、中型水泥廠的建設(shè)日趨完善，隨之而來的節(jié)能減排任務(wù)相當(dāng)繁重。在水泥廠用電中，中小型電機(jī)占據(jù)主導(dǎo)地位，每年所消耗的電能占整個(gè)水泥廠電能損耗的一半以上。為了進(jìn)一步落實(shí)國家節(jié)能減排政策，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的指標(biāo)，中小型電機(jī)的節(jié)能是水泥行業(yè)所面臨的一大課題，也是水泥行業(yè)發(fā)展的新機(jī)遇。

  1、國產(chǎn)電機(jī)及節(jié)能現(xiàn)狀

  1.1 現(xiàn)狀

  目前，我國中小型電機(jī)有三大系列三相異步電動(dòng)機(jī)：Y、Y2和Y3。目前水泥廠工藝裝備所配電機(jī)大多為此類異步電動(dòng)機(jī)。

  1985年Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)及其派生系列產(chǎn)品被大力推廣，功率范圍從0.55kW到250kW。后經(jīng)過引進(jìn)、并消化美國西屋公司和瑞士BBC公司的技術(shù)，自行研發(fā)了Y系列6kV中型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)，功率范圍從220kW到2800kW。隨著我國電力技術(shù)的進(jìn)步，電網(wǎng)電壓從6kV上升到10kV，相繼又研發(fā)了10kV系列高壓異步電動(dòng)機(jī)，并采用新穎的箱式結(jié)構(gòu)，此類高壓電機(jī)目前占據(jù)國內(nèi)中高壓電機(jī)市場的主導(dǎo)地位。

  1996年我國又研發(fā)了Y2系列三相異步電動(dòng)機(jī)，功率范圍從0.12kW到315kW，此系列電機(jī)不僅大大降低了空載噪聲，而且還有效抑制了負(fù)載噪聲。

  2003年Y3系列三相異步電動(dòng)機(jī)相繼上市，此類電機(jī)采用冷軋硅鋼片成型，其能耗已達(dá)到GB18163-2002《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及節(jié)能評(píng)定值》中能耗限定值的有關(guān)規(guī)定，其主要性能指標(biāo)也已達(dá)到目前國際先進(jìn)水平。

  1.2水泥廠電機(jī)的配置和節(jié)能現(xiàn)狀

  水泥廠無論大小裝備都采用的是電機(jī)拖動(dòng)，其中90%是交流異步電機(jī)，而且約50%是高壓電機(jī)，這其中約70%拖動(dòng)的是風(fēng)機(jī)等類負(fù)載，而且這類負(fù)載有很大一部分需要調(diào)速。目前在傳統(tǒng)的水泥廠中，應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)風(fēng)量的方式是利用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)擋風(fēng)板，通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開度來調(diào)節(jié)所需風(fēng)量。

  在調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，其輸出能量也不變，只通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板的開度來達(dá)到負(fù)載所需的風(fēng)量要求。

  根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)負(fù)載根據(jù)系統(tǒng)的需求需要很小的風(fēng)量時(shí)，其擋風(fēng)板的開度就要減小，此時(shí)電機(jī)的輸出能量與負(fù)載所需能量之差，在此過程中就被白白消耗和損失掉。

  另外，水泥廠的風(fēng)門調(diào)節(jié)大多采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)的，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的品質(zhì)決定了風(fēng)門開關(guān)的靈活度。由于水泥廠是多粉塵企業(yè)，即使在每個(gè)揚(yáng)塵點(diǎn)都使用了環(huán)保設(shè)備，水泥廠也想盡辦法采取了一系列的收塵措施，也難避免細(xì)微粉塵的排放。

  在使用過程中，有很多擋風(fēng)板由于受環(huán)境的影響，不能按照上面下達(dá)的指令靈活的開關(guān)風(fēng)門，甚至有些閘門在使用過程中被物料死死卡住，導(dǎo)致無法調(diào)節(jié)，如生產(chǎn)中常用的庫頂物料分料閥，工人經(jīng)常要上去巡視和現(xiàn)場清理，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還給生產(chǎn)帶來很大損失，同時(shí)這也是生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的一大隱患，更重要的是能量損耗嚴(yán)重。再加上采用閘板控制閥門引起的阻力損耗，嚴(yán)重影響設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，改善這一調(diào)節(jié)方式勢在必行。

  2、電機(jī)節(jié)能的發(fā)展趨勢

  在國家出臺(tái)的《節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，運(yùn)用高效節(jié)能技術(shù)和采用高效節(jié)能裝備是重要一環(huán)。采用變頻調(diào)速和使用高效節(jié)能電機(jī)是提高電機(jī)運(yùn)行效率的兩個(gè)重要的途徑。

  2.1通過變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)節(jié)能

  在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)需求的風(fēng)量會(huì)隨工況、產(chǎn)量的變化而變化，由于變頻器能夠根據(jù)實(shí)際需要對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，能夠使電動(dòng)機(jī)在最節(jié)能的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，減少輕載運(yùn)行時(shí)的電能消耗，調(diào)速范圍寬，調(diào)節(jié)精度高，運(yùn)行效率高，并可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，減少啟動(dòng)沖擊和設(shè)備磨損，降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的綜合電耗，這種節(jié)能方式節(jié)能效果明顯，一般節(jié)電率在20%~30%，有時(shí)甚至可以達(dá)到50%，而且最重要的是：投資回收期較短，很快就可以收回全部投資。

  目前低壓變頻技術(shù)日漸成熟，產(chǎn)品質(zhì)量也較穩(wěn)定，在新建大中型規(guī)模水泥廠中，需要進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)的低壓電機(jī)基本上已經(jīng)采用交流變頻器進(jìn)行調(diào)速，改變所需風(fēng)量，改善運(yùn)行效率，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的節(jié)能，如窯頭熟料輸送部分的篦冷機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、窯頭一次風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵以及部分收塵風(fēng)機(jī)等。

  我國高壓電動(dòng)機(jī)多為10kV。

  由于受電力電子器件耐壓限制，目前尚難實(shí)現(xiàn)該等級(jí)變頻器的直接高壓輸出。

  目前國內(nèi)高壓變頻器都采用單元串聯(lián)式多電平變頻器技術(shù)，其輸出電壓可達(dá)到10kV甚至更高，且輸入、輸出波形好，對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小。

  國外高壓變頻技術(shù)成熟，但其價(jià)格卻是國內(nèi)高壓變頻器價(jià)格的2~4倍，在國內(nèi)很多水泥廠資金不是很充裕的情況下，國內(nèi)變頻器由于價(jià)格低，得到了廣泛應(yīng)用。

  但也有極少數(shù)水泥廠受資金限制，目前較少甚至未使用高壓變頻調(diào)速，其節(jié)能效果不明顯。

  在國家節(jié)能大環(huán)境的推動(dòng)下，10kV拖動(dòng)的動(dòng)態(tài)負(fù)荷其高壓電機(jī)采用高壓變頻調(diào)速勢在必行。

  而在承接的國外水泥廠設(shè)計(jì)過程中，情況會(huì)好很多。

  由于資金充足，新建國外水泥廠，除了需要調(diào)速的低壓電機(jī)和窯尾高溫風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速外，其他需要調(diào)速的高壓電機(jī)基本都已經(jīng)采用高壓變頻調(diào)速，且采用的大多是國外著名品牌（如ABB）的高壓變頻成套裝置，如生料循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯尾后排風(fēng)機(jī)、窯頭余風(fēng)風(fēng)機(jī)、水泥磨收塵風(fēng)機(jī)等，節(jié)能效果顯著。

  變頻調(diào)速控制方式作為一種新型的調(diào)速方法，性能優(yōu)越，性價(jià)比高，節(jié)能效果明顯，是目前國內(nèi)大中型水泥廠應(yīng)廣泛采用的一種節(jié)能控制手段。

  變頻調(diào)速節(jié)能在實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)出三大優(yōu)點(diǎn)：

  一是減少電能損耗，降低成本，節(jié)約電能。

  二是拓寬了系統(tǒng)的調(diào)速范圍，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性。

  三是改變了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式，真正實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，大大減少了對(duì)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、風(fēng)門等設(shè)備的磨損以及對(duì)電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊，延長了它們的使用壽命，大幅度節(jié)省這些設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，是目前水泥廠最有效的一種調(diào)速節(jié)能控制手段。

  2.2使用高效電機(jī)實(shí)現(xiàn)節(jié)能

  從節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境角度出發(fā)，高效率電動(dòng)機(jī)不僅是水泥廠更是國內(nèi)所有工業(yè)發(fā)展的趨勢。

  在國家六大耗電行業(yè)之中，水泥行業(yè)名列其中，同時(shí)它也是中小型電動(dòng)機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，能耗越大，節(jié)能的潛力越高。

  一般情況下，水泥廠主要生產(chǎn)車間（生料磨車間、回轉(zhuǎn)窯和水泥磨車間）的電動(dòng)機(jī)大多都是24h連續(xù)工作制，工作時(shí)間長，工作負(fù)荷也相對(duì)穩(wěn)定，這些特點(diǎn)都有利于高效電動(dòng)機(jī)在水泥廠的推廣和使用。

  根據(jù)GB18613-2006《中小型三相異步電動(dòng)機(jī)能效限定值及能效等級(jí)》，我國將電機(jī)能效分為三級(jí)，能效一級(jí)為超高效電機(jī)，能效二級(jí)為高效電機(jī)，能效三級(jí)為普通電機(jī)。

  高效電動(dòng)機(jī)工藝通過優(yōu)化設(shè)計(jì)并采用優(yōu)質(zhì)材料整型而成，其能耗平均可以下降20%左右。

  而超高效電動(dòng)機(jī)能耗比普通電動(dòng)機(jī)能耗節(jié)能超過30%，并且在整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)，都可為企業(yè)節(jié)約電能。

  雖然價(jià)格比普通電動(dòng)機(jī)高15%~30%之間，但在一般情況下，其高于普通電動(dòng)機(jī)的一次性投資一般可以在1~3年內(nèi)全部收回。

  因此，在長期連續(xù)運(yùn)行、負(fù)荷率較高的水泥廠選用優(yōu)質(zhì)高效節(jié)能電機(jī)，既符合我國節(jié)能政策，而且無論從企業(yè)生存和發(fā)展等角度考慮，都是非常有必要的，也是切實(shí)可行的。

  2.3合理選擇電機(jī)功率

  由于歷史原因，在實(shí)際應(yīng)用中，存在大量電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)本身的功率，造成大量的電動(dòng)機(jī)處于低效運(yùn)行狀態(tài)。

  如：用電量較大的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)類負(fù)載，其平均系統(tǒng)運(yùn)行效率均在50%左右。

  在設(shè)計(jì)選型中，設(shè)計(jì)人員為了保證足夠的動(dòng)力，層層加余量，級(jí)級(jí)加保險(xiǎn)，很容易造成“大馬拉小車”的狀態(tài)，其效率之低可想而知。

  甚至有的用戶主要利用變頻器來調(diào)速，使得電動(dòng)機(jī)長期處于低頻低效運(yùn)行狀態(tài)，這也是一種“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

  眾所周知，電動(dòng)機(jī)的最佳運(yùn)行效率一般發(fā)生在負(fù)荷率0.7~0.85之間，過高和過低的負(fù)荷率，不僅會(huì)降低電機(jī)的使用效率，而且對(duì)電機(jī)本身也會(huì)造成很大的傷害，從而增加維修成本和維護(hù)費(fèi)用。

  曾經(jīng)在某個(gè)水泥廠某個(gè)車間的負(fù)荷計(jì)算中，依據(jù)工藝所提電機(jī)功率，理論計(jì)算選配變壓器的負(fù)荷率在0.75左右，可在實(shí)際運(yùn)行中其負(fù)荷率僅在0.6以下，這種嚴(yán)重的“大馬拉小車”的現(xiàn)象不僅浪費(fèi)了設(shè)備資源，同時(shí)也浪費(fèi)了寶貴的電力。

  尤其在目前有些水泥廠資金不足甚至短缺的情況下，給企業(yè)造成了很大的資金和生存壓力，同時(shí)企業(yè)也丟失了再發(fā)展的寶貴機(jī)遇。

  在設(shè)計(jì)過程中，合理選配電動(dòng)機(jī)的功率，不僅符合國家節(jié)能政策，也減少了企業(yè)的資金壓力，更重要的是為企業(yè)今后的生存和發(fā)展創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和發(fā)展環(huán)境，合理選配負(fù)載所需電動(dòng)機(jī)的功率任重道遠(yuǎn)。

  3、結(jié)語

  推廣變頻調(diào)速等先進(jìn)電機(jī)調(diào)速技術(shù)，改善電機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式，逐步淘汰閘板、閥門等機(jī)械節(jié)流調(diào)節(jié)方式。重點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)水泥廠電動(dòng)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)改造，選擇合適的調(diào)速方式；合理選配電動(dòng)機(jī)，使電機(jī)運(yùn)行在最佳效率狀態(tài)；新建或改擴(kuò)建水泥廠設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真核算，力爭做到電機(jī)功率與負(fù)載的最佳匹配，逐步消除或減少“大馬拉小車”現(xiàn)象；設(shè)計(jì)選型時(shí)優(yōu)先采用高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載，從根本上真正實(shí)現(xiàn)電機(jī)的節(jié)能。