技术 | 提升水泥技术装备运行能效水平的探索实践

引言

工业生产重点用能设备数量多，涉及面广，运行过程中能源消耗量大，节能降碳潜力巨大。我国一直以来高度重视重点用能设备运行节能管理工作，已发布实施多项国家能效标准。《2030年碳达峰行动方案》指出，将节能降碳增效行动作为“碳达峰十大行动”之一。我公司积极响应国家碳达峰和碳中和重大战略部署，以问题为导向，在17个水泥生产基地的20条水泥生产线大量应用节能技术装备，不断提升水泥技术装备运行能效水平，降低水泥综合电耗，有效推动了公司节能降碳和绿色发展转型。本文概括总结了我公司提升水泥技术装备运行能效水平，降低水泥综合电耗的探索实践，供水泥企业节能改造参考。

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技术装备运行现存问题分析

我公司水泥熟料生产线主要位于甘、青、藏等高海拔地区，影响水泥综合电耗的各生产技术装备在运行过程中主要存在以下问题：

（1）遇雨雪季节，石灰石水分增加，石灰石中的大量粘土及其他细料易堵塞篦筛通道，破碎机破碎腔内物料增多，导致石灰石破碎机电机常超负荷跳停，产量达不到设计要求，电耗增加，设备维护量大。

（2）生料磨循环风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、窑头排风机、篦冷机风机和水泥磨排风机等重点用能设备，运行效率偏低。

（3）生料磨均化库供风风机、煤磨系统罗茨风机噪声大、故障率高、做功效率差。

（4）随运行时间的增加，各系统用空压机做功效率逐渐降低。

（5）胶带皮带机、熟料链斗输送机和提升机等传动设备传动效率低，且普遍使用高耗能Y1系列电机，生产电耗较高。

（6）各水泥生产系统存在阻力大、设备产量低、工艺管道易积料、“跑冒滴漏”点多面广、低效运行时间长、故障停机频次多等问题，导致设备可靠性低，生产电耗较高。

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提升水泥技术装备运行能效水平的措施及改造效果

2.1提升石灰石破碎机运行能效水平的措施及改造效果

针对石灰石破碎机台时产量低、电耗高的问题，利用破碎机“吃硬不吃软”的特点，在破碎机前端加装细料预筛分装置，使石灰石在进入破碎机前，已筛出大部分细料，从而提高石灰石破碎机的台时产量，降低电耗。改造后，石灰石破碎机运行稳定，平均台时产量由改造前的490t/h左右提高至700t/h以上，个别时段的台时产量高达890t/h。改造后，石灰石破碎机工序电耗由1.38kW∙h/t降至1.00kW∙h/t，降低0.38kW∙h/t，节能效果明显。

2.2提升大型工艺风机能效水平的措施及改造效果

针对生料磨循环风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、窑头排风机、篦冷机风机和水泥磨排风机等重点用能设备运行效率偏低的问题，我公司将做功效率仅65%左右的大型工艺风机，全部更换为做功效率80%的高效节能风机。应用高效节能风机后的窑尾高温风机见图1，窑尾排风机见图2，改造前后大型工艺风机运行效率对比见表1。

高效节能风机具有以下特点：

（1）依据我公司提供的风机运行工况点参数，量身定制了先进空气动力模型，效率曲线高效范围宽，风机实际运行效率≥82%。

（2）风机叶型选型丰富。针对风机不同工况的运行转速比，有千余种规格的高效风机叶型模型可供选择。同时，优化了风机叶轮叶片进出口设计角度，风机不易积灰。

（3）改进了集流器与叶轮局部结构设计及加工工艺，优化了集流器与叶轮之间的间隙，有效降低了风机内部的容积损失，提高了风机的运行效率。

2.3将罗茨风机整体更换为“磁/空气”悬浮离心鼓风机及改造效果

生料磨均化库库内风机、称重仓供风风机、煤磨系统送煤风机和一次静风风机等连续运行的设备，普遍采用罗茨风机供风。由于罗茨风机运行效率低、能耗高、噪声大，运行过程中时常出现叶轮部件磨损、振动超标等问题，导致罗茨风机运行稳定性差、故障率高，严重影响设备运行的经济性、安全性和可靠性。针对这一情况，我公司将罗茨风机整体更换为“磁/空气”悬浮离心鼓风机，彻底解决了罗茨风机存在的问题。

“磁/空气”悬浮离心鼓风机采用高效悬浮轴承、永磁高速电机及变频系统、航空三元流离心高精度叶轮、变频驱动与自动控制五大核心技术。“磁/空气”悬浮离心鼓风机没有齿轮箱增速及联轴器，由高速电机直接驱动，电机采用变频器直接调速。鼓风机叶轮直接与电机相连，转轴悬浮于轴承中。运行过程中，高速旋转的叶轮、转轴与电机间不直接接触，有效避免了机械摩擦。因此，除气动噪声外，鼓风机设备本身噪声非常小。由于“磁/空气”悬浮离心鼓风机没有物理接触点和齿轮增速系统，其具有高效、节能、低噪声、运行可靠和长期无需维修保养的特点。改造后，“磁/空气”悬浮离心鼓风机运行稳定可靠，节电效果明显（见表2）。

2.4将单压螺杆式空压机改造为永磁变频或两级压缩高效空压机及改造效果

水泥生产线原有配套空压机为单压螺杆式空压机，运行故障率高，维修成本大，加载时间长，做功效率随运行时间的增加而逐渐降低，且单压螺杆式空压机供气压力不能调整，存在供气管道法兰和阀门处漏风、能源浪费的情况。针对上述问题，我

公司将单压螺杆式空压机改造为了永磁变频或两级压缩高效空压机。永磁变频高效空压机见图5，两级压缩高效空压机见图6。

永磁变频高效空压机体积小、噪声小，采用一体化结构设计，整体结构紧凑。永磁电机与永磁变频高效空压机主机直连，传动效率较高，且永磁电机自身效率较普通电机高。永磁变频高效空压机运行稳定，避免了频繁启停的现象，在不同转速情况下，节能效果明显。两级压缩高效空压机主机采用等压比设定级间压力，可降低转子间空气回流泄漏，提高容积效率与绝热效率；采用共机壳设计，内含两个独立压缩单元，安装精度高；采用斜齿轮直接传动，使转子保持最优转速比。相比单级压缩，两级压缩趋近最省功的等温压缩；从原理上，两级压缩比单级压缩节能15%~28%。永磁变频高效空压机及两级压缩高效空压机节能效果见表2。

2.5提升传动设备运行能效水平的措施及改造效果

针对水泥生产线传动设备运行效率低、电耗高的问题，公司逐步实施了节能改造措施。将选粉机、提升机、煤磨主电机改用永磁直驱电机（图7~图9），胶带输送机改用永磁辊筒（图10），循环水泵改用变频高效节能水泵（图11），熟料链斗输送机改用永磁联轴器（图12）。

永磁电机、永磁辊筒和变频高效节能水泵均采用“永磁变频电动机+变频控制器”的直驱系统，替代传统“异步电机+长输出轴+减速机”的驱动系统。改造后，实现了传动设备的柔性启动及安全、稳定、高效运行，节能效果明显；解决了传动设备传动链功率损失大、故障点多、可靠性差、漏油点多、维护工作量大等问题；驱动系统去除了减速机，省去了减速机定期维护、保养、检修等工作。同时，将Y系统高耗能电机分批更新为一级能效的YE4系列电机，将高耗能变压器分批更新为S22系列高效变压器。通过上述改造，传动设备在减少设备故障点的同时，提高了设备运行效率，降低了设备电耗。永磁电机、永磁辊筒、高效节能电机、高效节能变压器节能效果见表2。

2.6优化生产管理和效能评价标准及优化效果

在加大技术改造投入的同时，公司加强生产管理，优化设备效能评价标准，采取了一系列措施，治理设备“跑、冒、滴、漏”，提产降阻降耗、优化工艺管道，减少工艺设备及管道漏风，减少设备故障停机，减少部分小型用能设备运行时间，减轻设备自重，提高功率因数。优化生产管理后，水泥窑运行可靠性稳步提升。

我公司水泥技术装备能效水平提升后，水泥综合电耗持续降低，5年来降低了约6kW·h/t。按照GB16780-2021《水泥单位产品能源消耗限额》核算，除2条产能置换水泥生产线未达到3级能效标准外，其余18条水泥生产线的水泥单位产品综合能耗全部达到了3级标准以上水平。2022年底，公司又相继实施了8台篦冷机的节能技术改造、1条预热器节能降耗改造和1条生产线整体节能技术改造，水泥生产线能效水平持续提升。

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提升水泥技术装备能效水平改造注意事项

（1）对石灰石破碎机实施预筛分改造后，细料可提前落入皮带，经破碎机破碎后的物料在落料时，因高差较大，对皮带上的细料产生击打，导致皮带上粘料严重，影响筛分效果和破碎机台时产量。通过在碎石落料行程方向增加斜挡板，可将物料垂直下落改为向前斜向滑落，减少皮带粘料情况，改善破碎机无组织放料问题。

（2）改造大型工艺风机时，应结合现场基础尺寸，不改动承重基础，最大限度缩短施工周期。严格按照规范要求安装新风

机，现场管理人员应把好过程质量验收关，避免因安装问题导致设备振动增加，影响风机运行效率。同时，应对布置不合理的非标管道和过渡区域管道进行改造，避免工艺管道阻力过大，降低风机效率，过度磨损管道。

（3）悬浮风机改造后，设备效率和噪声明显降低。悬浮风机对现场空气质量要求较高，需加强岗位工作人员日常维修要点的培训，避免岗位工作人员维修不当，引起设备故障停机或设备损坏。

（4）在高效空压机的选型上，需秉承节能优先的原则，优先选择节能效果好且运行稳定的设备。进行空压机选型时，其最大排气压力、排气量应留有合理的富余量，以降低空压机能耗。在同等产气量的情况下，选择最大排气压力为0.55MPa的空压机，较选择最大排气压力为0.75MPa的空压机，电机功率同比较低，有利于能耗降低。通常，空压机最大排气压力为0.55MPa时，即可满足正常生产要求。此外，应加强生产线管路“跑、冒、滴、漏”和延程压力损失治理，做好空压机日常维护保养工作。

（5）实施水泥生产线永磁电机、永磁辊筒、高效节能水泵、高效节能电机、高效节能变压器改造时，应适当保留改造前的设备作备用。

-END-

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