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| 水泥廠的電機節能發展現狀及未來趨勢分析 |
| （時間:2014-5-13 10:56:45） |
前言
隨著規模化基礎設施的建設和社會經濟的飛速發展，大、中型水泥廠的建設日趨完善，隨之而來的節能減排任務相當繁重。在水泥廠用電中，中小型電機占據主導地位，每年所消耗的電能占整個水泥廠電能損耗的一半以上。為了進一步落實國家節能減排政策，實現節能減排的指標，中小型電機的節能是水泥行業所面臨的一大課題，也是水泥行業發展的新機遇。
1、國產電機及節能現狀
1.1現狀
目前，我國中小型電機有三大系列三相異步電動機：Y、Y2和Y3。目前水泥廠工藝裝備所配電機大多為此類異步電動機。
1985年Y系列三相異步電動機及其派生系列產品被大力推廣，功率范圍從0.55kW到250kW。后經過引進、并消化美國西屋公司和瑞士BBC公司的技術，自行研發了Y系列6kV中型高壓三相異步電動機，功率范圍從220kW到2800kW。隨著我國電力技術的進步，電網電壓從6kV上升到10kV，相繼又研發了10kV系列高壓異步電動機，并采用新穎的箱式結構，此類高壓電機目前占據國內中高壓電機市場的主導地位。
1996年我國又研發了Y2系列三相異步電動機，功率范圍從0.12kW到315kW，此系列電機不僅大大降低了空載噪聲，而且還有效抑制了負載噪聲。2003年Y3系列三相異步電動機相繼上市，此類電機采用冷軋硅鋼片成型，其能耗已達到GB18163-2002《中小型三相異步電動機能效限定值及節能評定值》中能耗限定值的有關規定，其主要性能指標也已達到目前國際先進水平。
1.2水泥廠電機的配置和節能現狀
水泥廠無論大小裝備都采用的是電機拖動，其中90%是交流異步電機，而且約50%是高壓電機，這其中約70%拖動的是風機等類負載，而且這類負載有很大一部分需要調速。目前在傳統的水泥廠中，應用最廣泛的調節風量的方式是利用電動執行機構來調節擋風板，通過調節擋風板的開度來調節所需風量。在調節擋風板的過程中，電機的轉速保持不變，其輸出能量也不變，只通過調節擋風板的開度來達到負載所需的風量要求。根據能量守恒定律，當負載根據系統的需求需要很小的風量時，其擋風板的開度就要減小，此時電機的輸出能量與負載所需能量之差，在此過程中就被白白消耗和損失掉。另外，水泥廠的風門調節大多采用電動調節閥來實現的，電動調節閥的品質決定了風門開關的靈活度。由于水泥廠是多粉塵企業，即使在每個揚塵點都使用了環保設備，水泥廠也想盡辦法采取了一系列的收塵措施，也難避免細微粉塵的排放。在使用過程中，有很多擋風板由于受環境的影響，不能按照上面下達的指令靈活的開關風門，甚至有些閘門在使用過程中被物料死死卡住，導致無法調節，如生產中常用的庫頂物料分料閥，工人經常要上去巡視和現場清理，不僅費時費力，還給生產帶來很大損失，同時這也是生產環節中的一大隱患，更重要的是能量損耗嚴重。再加上采用閘板控制閥門引起的阻力損耗，嚴重影響設備的經濟運行，改善這一調節方式勢在必行。
2、電機節能的發展趨勢
在國家出臺的《節能環保產業發展規劃》中，運用高效節能技術和采用高效節能裝備是重要一環。采用變頻調速和使用高效節能電機是提高電機運行效率的兩個重要的途徑。
2.1通過變頻調速實現節能
在實際運行中，系統需求的風量會隨工況、產量的變化而變化，由于變頻器能夠根據實際需要對電動機轉速進行實時調節，能夠使電動機在最節能的轉速下運行，減少輕載運行時的電能消耗，調速范圍寬，調節精度高，運行效率高，并可以實現電動機的軟啟動，減少啟動沖擊和設備磨損，降低電動機運行的綜合電耗，這種節能方式節能效果明顯，一般節電率在20%~30%，有時甚至可以達到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。
目前低壓變頻技術日漸成熟，產品質量也較穩定，在新建大中型規模水泥廠中，需要進行風量調節的低壓電機基本上已經采用交流變頻器進行調速，改變所需風量，改善運行效率，對電機轉速進行有效控制，從而實現電機的節能，如窯頭熟料輸送部分的篦冷機冷卻風機、窯頭一次風機、循環水泵以及部分收塵風機等。
我國高壓電動機多為10kV。由于受電力電子器件耐壓限制，目前尚難實現該等級變頻器的直接高壓輸出。目前國內高壓變頻器都采用單元串聯式多電平變頻器技術，其輸出電壓可達到10kV甚至更高，且輸入、輸出波形好，對電網的諧波污染小。國外高壓變頻技術成熟，但其價格卻是國內高壓變頻器價格的2~4倍，在國內很多水泥廠資金不是很充裕的情況下，國內變頻器由于價格低，得到了廣泛應用。但也有極少數水泥廠受資金限制，目前較少甚至未使用高壓變頻調速，其節能效果不明顯。在國家節能大環境的推動下，10kV拖動的動態負荷其高壓電機采用高壓變頻調速勢在必行。
而在承接的國外水泥廠設計過程中，情況會好很多。由于資金充足，新建國外水泥廠，除了需要調速的低壓電機和窯尾高溫風機采用變頻調速外，其他需要調速的高壓電機基本都已經采用高壓變頻調速，且采用的大多是國外著名品牌(如ABB)的高壓變頻成套裝置，如生料循環風機、窯尾后排風機、窯頭余風風機、水泥磨收塵風機等，節能效果顯著。
變頻調速控制方式作為一種新型的調速方法，性能優越，性價比高，節能效果明顯，是目前國內大中型水泥廠應廣泛采用的一種節能控制手段。變頻調速節能在實際應用中總結出三大優點：一是減少電能損耗，降低成本，節約電能;二是拓寬了系統的調速范圍，提高了系統運行的靈活性;三是改變了電動機的啟動方式，真正實現了電機的軟啟動，大大減少了對電動機、風機、風門等設備的磨損以及對電網的啟動沖擊，延長了它們的使用壽命，大幅度節省這些設備的維護費用，是目前水泥廠最有效的一種調速節能控制手段。
2.2使用高效電機實現節能
從節約能源、保護環境角度出發，高效率電動機不僅是水泥廠更是國內所有工業發展的趨勢。在國家六大耗電行業之中，水泥行業名列其中，同時它也是中小型電動機的主要應用領域，能耗越大，節能的潛力越高。一般情況下，水泥廠主要生產車間(生料磨車間、回轉窯和水泥磨車間)的電動機大多都是24h連續工作制，工作時間長，工作負荷也相對穩定，這些特點都有利于高效電動機在水泥廠的推廣和使用。
根據GB18613-2006《中小型三相異步電動機能效限定值及能效等級》，我國將電機能效分為三級，能效一級為超高效電機，能效二級為高效電機，能效三級為普通電機。高效電動機工藝通過優化設計并采用優質材料整型而成，其能耗平均可以下降20%左右。而超高效電動機能耗比普通電動機能耗節能超過30%，并且在整個生產周期內，都可為企業節約電能。雖然價格比普通電動機高15%~30%之間，但在一般情況下，其高于普通電動機的一次性投資一般可以在1~3年內全部收回。因此，在長期連續運行、負荷率較高的水泥廠選用優質高效節能電機，既符合我國節能政策，而且無論從企業生存和發展等角度考慮，都是非常有必要的，也是切實可行的。
2.3合理選擇電機功率
由于歷史原因，在實際應用中，存在大量電機所驅動的負載功率遠遠小于電動機本身的功率，造成大量的電動機處于低效運行狀態。如：用電量較大的風機、水泵、壓縮機類負載，其平均系統運行效率均在50%左右。在設計選型中，設計人員為了保證足夠的動力，層層加余量，級級加保險，很容易造成“大馬拉小車”的狀態，其效率之低可想而知。甚至有的用戶主要利用變頻器來調速，使得電動機長期處于低頻低效運行狀態，這也是一種“大馬拉小車”的現象。
眾所周知，電動機的最佳運行效率一般發生在負荷率0.7~0.85之間，過高和過低的負荷率，不僅會降低電機的使用效率，而且對電機本身也會造成很大的傷害，從而增加維修成本和維護費用。曾經在某個水泥廠某個車間的負荷計算中，依據工藝所提電機功率，理論計算選配變壓器的負荷率在0.75左右，可在實際運行中其負荷率僅在0.6以下，這種嚴重的“大馬拉小車”的現象不僅浪費了設備資源，同時也浪費了寶貴的電力。尤其在目前有些水泥廠資金不足甚至短缺的情況下，給企業造成了很大的資金和生存壓力，同時企業也丟失了再發展的寶貴機遇。在設計過程中，合理選配電動機的功率，不僅符合國家節能政策，也減少了企業的資金壓力，更重要的是為企業今后的生存和發展創造了良好的經濟基礎和發展環境，合理選配負載所需電動機的功率任重道遠。
3、結語
推廣變頻調速等先進電機調速技術，改善電機系統調節方式，逐步淘汰閘板、閥門等機械節流調節方式。重點對傳統水泥廠電動機進行系統改造，選擇合適的調速方式;合理選配電動機，使電機運行在最佳效率狀態;新建或改擴建水泥廠設計時要認真核算，力爭做到電機功率與負載的最佳匹配，逐步消除或減少“大馬拉小車”現象;設計選型時優先采用高效節能電動機拖動負載，從根本上真正實現電機的節能。
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