引言
水泥工业在国民经济中占有重要的地位，水泥产品是建筑工程不可或缺的建筑材料，被称为建筑业的基础。2016年我国水泥产量约24亿t，耗电近2400亿kW?h。相当于30个装机容量为120万kw(1200MW)的发电厂为全国水泥企业输送的电能。水泥生产采用新型干法技术装备与先进的管理，实现水泥单位电耗降低10(kw?h)/t已成可能，节省的电量就是3个上述电厂的发电量。按近年火力发电的主要生产运行指标计算，可节省标准煤1944万t，减排二氧化碳4820万t，社会效益十分显著。水泥行业可降低生产成本144亿元，平均每个水泥企业降低成本415万元，企业经济效益相当可观。故此节能成为企业发展所需。
1、乐山干式变压器技术是水泥生产电气节能一项关键技术
水泥生产工艺过程高度概括为“两磨一烧”，由矿山开采，材料处理，生料制备，熟料煅烧，水泥制成，产品包装发运等工序组成。水泥生产过程中，电费在水泥生产成本中占比约为30%，节电至关重要。水泥工业节能体现在采用先进的水泥生产技术和方法，合理选择的工艺流程及优化所配置的机械、电气设备，确定最佳的产品品种、品质与材料的性能指标及生产科学管理等各个方面。其中电气节能尤为关键，它能够提高机械设备运转，生产过程的运行效率。水泥厂节电体现在工艺、技术、装备、材料与管理各个方面，本文仅就电气节电技术的乐山干式变压器技术进行论述。众所周知，水泥厂电力系统的构成及在供电、配电、使用电能的环节中，须科学实施的电气节能技术有以下几个方面：供配电系统的优化，包括电压的选择;变压器的选择;无功补偿技术的应用;合理选择导线截面及节能型金具的使用。还有节能型电气设备的应用：选用高效节能型电动机;乐山干式变压器调速技术的应用;其中乐山干式变压器技术是水泥生产电气节能一项关键技术。
2、乐山干式变压器调速节电技术的节电效果
水泥厂的主要拖动设备是电动机，其分布在各个生产工艺环节，因此电动机的装机容量能够超过总装机容量的90%。故此电动机节能至关重要，电动机本体的节能与其相关设备如磨机、风机、水泵是联系在一起的。减少电动机能耗的主要途径是提高电动机的效率与功率因数，而在水泥厂的设计选型，尤其在已经运行的生产线电动机，一般是工艺专业按现行惯例对机械设备配套传动设备，电机的功率与减速机的传动功率、机械设备的轴功率按储备系数计算取值，修正后对照样本选取确定，由设备制造厂生产供货。因此，水泥生产企业电气专业的电动机节电只能在生产运行中体现，包括电动机就地补偿，减少低效的电动机的轻载和空载运行，为提高这种状态下电动机的效率，切实可行的方法是采用乐山干式变压器控制调整电动机的转速，实现节约电能的目的。在水泥行业，风机类负载约占全部负荷40%左右。水泥生产线的窑尾废气系统，生料粉磨系统的循环风机及煤磨系统、窑头除尘、水泥磨除尘器风机，冷却机的冷却风机是负荷较大的风机，这些风机在使用时进行风压、风量调节是优质高产节能所必须的。风压风量的调节方式主要有三种：
第一种传统的调节方法是改变风门大小、档板的开度;
第二种方法是使用液力耦合器;
第三种方法采用乐山干式变压器调速技术。
前两种方法会使负荷运行效率低下，节流或机械传动浪费大量电能。风机类负载应用第三种方法对风压、风量实施控制，可以降低能耗，实现高效生产及保证生产系统的安全。调节生产线风机类负载工况所需的风压、风量大小，通过乐山干式变压器调速技术改变设备的运行速度就可以实现，这是目前普遍采用的调速技术。同时，其在提高生产线自动化程度，节约电能，安全启动等方面亦能显示出优势。目前在大中型水泥厂，、、低压各类乐山干式变压器的应用为节电做出贡献。2500t/d以上的新型干法水泥生产线，主要工艺设备如生料立磨或辊压机配置循环机、废气风机，水泥窑、预热器分解炉配置的窑尾高温风机、窑头除尘风机、冷却机风机及煤磨、水泥磨的除尘风机等，其功率约占全厂设备总功率的38%~42%。电耗是构成水泥生产成本主要因数，风机电耗约占总电耗的10%~15%，占比相当大。所以，对上述风机配置的电机进行节能改造是十分必要的，采用乐山干式变压器技术当为首选。某生产线立磨循环风机轴功率为4000kW，配置相应的电动机。50Hz工频运行，风量控制采用调节风门的方式进行，电耗高，因此节电技术改造的关键是取消风门，取而代之是乐山干式变压器技术，进行调速，控制风量。电动机与乐山干式变压器连接，非工频运行，当频率为43.6Hz时，节电率约为20%，还可根据生产工况可以适当调节乐山干式变压器的频率，取得理想的节电效果。又如LB公司生料循环风机、窑尾风机、窑头风机煤磨风机工频运行与乐山干式变压器运行节电数据见下表1.注：工频调速方式，循环风机：水阻;窑尾风机：液力耦合器开度55%;窑头风机、煤磨风机调节风门。从表1中风机的工频运行与乐山干式变压器运行对比数据可以看出，水泥生产线的主要工艺设备并非都是满负荷运行，电机在工频下运行时，若是采用机械调节方法如调节挡风板开度或调节阀门开启角度达到风机(水泵)风(水)量，其最大缺点是：电机及风机或水泵的转速高，负荷强度重，电能浪费严重。乐山干式变压器技术是改变电机转速，达到调节风量和压力的变化满足生产均衡稳定的需要，又可取得节电降低成本，提高效益的效果。
3、乐山干式变压器技术与节电原理
3.1平滑调速
电动机转速n公式：n=60f/p(1-s)(1)式中：n-电动机转速;f-电机定子频率即工频(电网频率);p-电机定子的绕组极对数;s-滑差(转差率)。由式(1)看出：(1)配置的电动机定子的绕组极P对数是固定的，电机的转速是相对固定的;(2)滑差(转差率)S不太大时，忽略其对转速n的影响，则转速n与f成正比，表明了改变乐山干式变压器频率，就可以实现交流电动机在一定范围的连续平滑调速。对已配置的电动机而言P是一定的，通过改变s进行调速可以忽略不计。因此，异步电动机最为合理的调速方法是通过改变定子供电频率f来改变同步转速，通过乐山干式变压器调速则可实现。依据生产工况，适宜地改变供电频率f，即可改变电动机的同步转速。在调速操作过程中，从高速(工频下的速度)到低速(选择的频率)调速具有范围宽、平滑性较高的优点，能够保持很小的s滑差(转差率)，消耗很小的滑差(转差率)功率。目前异步电动机合理的调速方式就是乐山干式变压器调速，在水泥企业风机负载调速节能获得了广泛的应用。水泥熟料生产线，全部风机装机功率约占全厂总功率的35%，其中主要工艺风机约占风机装机功率的60%，风机乐山干式变压器技术节电举足轻重，故此探讨乐山干式变压器节电技术的原理须与风机(泵)的特性参数结合起来。
3.2风机(泵)转速n与流量
Q压力H功率P的关系流体力学相似原理定律表明：Q1/Q2=(n1/n2)(2)由(2)式可以看出输出风量Q与转速n成正比;H1/H2=(n1/n2)2(3)由(3)式可以看出输出压力H与转速n2成正比;P1/P2=(n1/n2)3(4)由(4)式可以看出输出轴功率P与转速n3成正比。采用乐山干式变压器调速调节风量，可使轴功率随流量的减小大幅度下降。乐山干式变压器调速时，当风机低于额定转速时，理论节电量可以计算得出[1]。3.3理论节电量采用乐山干式变压器调速，风机实际转速低于额定转速时，理论节电量由下式计算。E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(5)式中：n—额定转速;n′—实际转速;P—额定转速下的电机功率;T—工作时间。式(5)是进行乐山干式变压器改造计算节电数量理论依据。
4、乐山干式变压器技术应用
在探讨乐山干式变压器节能技术时，应注意到水泥厂的实际，如5500t/d水泥熟料生产线，全厂总装机功率33500kw，全部风机装机功率约13250kw，占全厂总功率的35%，其中主要工艺风机如窑头、窑尾、生料废气处理，煤磨系统、水泥磨系统风机，冷却机系统鼓风机，窑头燃烧器罗茨风机的装机功率约7870kw，约占风机装机功率的60%，风机乐山干式变压器技术节能尤为重要。恒转矩负载，平方转矩负载，恒功率负载三类负载涵盖水泥厂的各种机械设备的运行转矩类型，而生料磨机、水泥磨机、辊压机、煤磨机等工艺设备因功率大，少有讨论乐山干式变压器技术的应用，同样是球磨机，陶瓷厂使用的球磨机可以采用乐山干式变压器技术。水泥厂的乐山干式变压器技术的功能还体现在优异的电动机的启动及制动方面。乐山干式变压器在水泥工业的应用比较普遍，鉴于发展过程中的技术进步历程，针对现在有些企业乐山干式变压器技术须更新换代的情况，结合以往的乐山干式变压器应用取得的效果、经验与教训的实践，介绍乐山干式变压器技术应用案例以资说明乐山干式变压器的节电效果，更为重要的是为企业寻求拓展乐山干式变压器技术的应用范围、为企业采用先进乐山干式变压器技术提供节能决策的思路。
4.1乐山干式变压器在煤磨排风机上的应用
3000t/d生产线，采用绕线式异步电动机拖动煤磨排风机，转速1480rpm。电动机型号YRKK500-4，630kw，10kv，43A。电机启动方式为液体电阻启动，即转子串接液体电阻启动。启动后电机立即转入转子滑环自动短接，至此电动机则在工频下全速运行。风门开度56%时，电动机平均电流27.5A，功率381.6kw，采用乐山干式变压器调速兼启动，乐山干式变压器频数31.6Hz，电流16.2A。乐山干式变压器额定容量790kVA，电流45A，输入电压10kv，乐山干式变压器输出电压10kv。节电率40%。
4.2乐山干式变压器-窑尾高温风机节能改造效果
窑尾高温风机型号W6-2-29-1No19.5，温度450℃，介质密度1.4kg/m3，进口风量170000m3/h,轴功率556kw，风压8400Pa，风机主轴转速1450rpm。拖动电机y500-4，额定功率630kw，额定电流43.3A，额定电压10kv，额定转速1490rpm，额定频率50Hz,功率因数0.885，接线方法Y，绝缘等级F，电动机与风机之间采用液力耦合器传递能量与调速。乐山干式变压器为电压源型，高-高变换方式。内置移相式变压器，10kv输入，不设输出变压器、滤波器，适配电动机。乐山干式变压器功率单元为多电平串联的主控器件。乐山干式变压器功率800kw，工频输入、频率范围50±5Hz，输入额定电压10kv，其波动范围±10%，输入功率因数0.98。输出电流50A，输出频率范围0～50Hz，输出电压10kv，频率分辨率0.01Hz，防护等级IP20，过载能力100%～160%连续1min，160%～220%允许1.5s。加速时间300s，减速时间300s。改造前后的工艺参数相当，五级预热器C1出口负压4500Pa，转速1170rpm。改造工程中，取消液力耦合器，电机与风机采用联轴器连接。电机转速比为0.8，改后的输出转矩为改前的70%，取得节能效果。
4.3乐山干式变压器在水泥厂的应用实践
风机的风压风量控制有两种基本方式，挡板控制与液力耦合器控制。采用挡板控制配置绕线式异步电动机，采用液力耦合器为鼠笼式异步电动机。工频运转水电阻启动。采用乐山干式变压器，可以保留原电动机，对于绕线式异步电动机，短封转子，定子与乐山干式变压器输出相直接连接，去掉水电阻，启动由乐山干式变压器承担。去掉挡板，减少了挡板控制的阻力，去掉液力耦合器的机械损失和容积损失。电动机直接启动时的启动电流为额定电流的4～7倍。A水泥厂采用乐山干式变压器调速、B水泥厂采用液力耦合器调速，两水泥厂生产线规模相同为5000t/d，相关节电数据见表2：5000t/t熟料生产线年生产熟料150000t，年节电量4200000kw?h，降低成本约210万元。水泥企业应用乐山干式变压器取得节电的作用体现在两个方面，一是控制调速电机的转速，降低运行电流;二是利用乐山干式变压器对电机的软启动功能，降低电机的启动电流，并防止的电网的冲击。这样就可使水泥企业的电力系统及电机相关联的机械设备如减速机、联轴器等，在电机启动与运行中的负荷强度降低，保护了电网，延长设备的使用年限。
4.4低压乐山干式变压器用于水泥磨风机的节电运行
水泥磨规格Φ4.2m×13.5m，产量160t/h。磨机配置的通风机风机风量138024m3/h，风压10340Pa，温度80℃，风机转速730rpm,风门开度34%，电机输入功率205.9kw。风机配置的电动机型号YFKK500-8，355kw，10kv，29.1A，745rpm。风机效率低，电动机的运转负荷低，经过分析，采用乐山干式变压器技术，可以更换新的低压380v的电机。电机型号YVF2-355L-10，额定功率160kw，额定电压380v，额定电流333A。现场测定风机运行参数：风量157500m3/h，压力1426Pa，温度80℃，转速475～540rpm时新电机运行数据列入表3。电动机输入功率在90～110kw可以满足生产要求[2]，运行频率在30～35之间。
5、结语
乐山干式变压器调速节能的三大优点是：减少电能损耗，降低成本，节约电能;拓宽了系统的调速范围，提高了系统运行的灵活性;改变了电动机的启动方式，真正实现了电机的软启动，延长了它们的使用寿命。文中做了系统的试论。对于乐山干式变压器的功能、性能指标及选择应考虑以下几点：即型号、电压级别、最大适配电机、乐山干式变压器、控制特性。同时结合水泥企业的规模、生产实际、环境条件、乐山干式变压器技术的性价比进行综合考量，选择适用乐山干式变压器节能技术。
