變頻調速技術在垃圾發(fā)電廠的應用及效果

1 垃圾發(fā)電廠電機的調速

我國垃圾發(fā)電廠的自用電率通常高達30%以上，風機、水泵用電量占了廠用電的絕大部分。其中，鍋爐給水泵耗電量占廠用電的61%左右，鍋爐送、引風機約占22%。這類負載的能源利用率和功率因數都比較低，使得電網負荷率很低，電力系統(tǒng)峰谷差很大，高峰電力往往嚴重不足，嚴重制約著企業(yè)經濟效益的提高。

風機、水泵在工作過程中的功率損耗主要包括：電動機的軸功率、線路的損耗、控制裝置的損耗和機械損耗。通常采用的基本節(jié)能方法為：減少運行時間，采用高效率的風機和設備，在滿足同樣風量的情況下減少通風管網的空氣阻力。這些方法中，減少通風管網的空氣阻力是風機、水泵節(jié)能較好的途徑。

然而在我國，傳統(tǒng)的設計方式使火(熱)電廠的風機、水泵選型過大、匹配不當、功率裕度過大，超出了的流量需要采用節(jié)流調節(jié)來處理。常用的調節(jié)方法是閘閥節(jié)流調節(jié)，即用增大網管阻力的辦法減小流量，但流量減小的同時卻使壓頭增高，效率下降，造成節(jié)流損失，節(jié)流后的流量越小，損失越大。

這種情形就好比一輛汽車，油門開到很大，而且不能調節(jié)。正常行駛時，總是以最快的速度奔跑。如果想要使速度降下來，只能踩剎車，速度降得越多，踩剎車的力量也要求越大。顯然，這種調速方法很不合理，因為它耗油太多。特別是汽車按高速公路等級確定速度，卻長期只能在鄉(xiāng)間小路上行使的時候，其能量的浪費更是觸目驚心。

節(jié)流調速和上述的汽車調速情況非常類似。

例如40 kW的風機運行在70%額定流量下，由于節(jié)流造成的損失達15 kW 左右。節(jié)流調節(jié)使風機、水泵長期處于低效區(qū)運行，能源浪費嚴重。實測計算數據表明，當風機、水泵流量由100%降到50%時，如果分別采用對出口或入口閥門進行節(jié)流調節(jié)的方式，電機的輸入功率分別為84%和60%，而風機、水泵的有效功率僅為50%，損失功率分別為34%和10%。

如果改節(jié)流調節(jié)為調速調節(jié)，不僅節(jié)能而且便于設備維護，延長設備使用壽命。調速調節(jié)使風機、水泵的流量隨時滿足生產工藝的要求，系統(tǒng)運行在風機、水泵的高效區(qū)，隨時都運行在“無裕度”狀態(tài)。即使是風機、水泵的選型過大，調速運行仍然能夠使系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，與節(jié)流調節(jié)相比有明顯的節(jié)能效果，被認為是控制風量、流量的最理想的方法。

常用的調速有機械調速和電氣調速。變頻調速屬于電氣調速，在各種交流電機的調速系統(tǒng)中性能最好，效率最高，將成為現代工業(yè)驅動的中樞。在相同的流量下，變頻控制比閥門控制水泵所消耗的有功功率要小得多，且流量越小，差別越大，節(jié)能效果十分顯著，一般可達25%-60%。而且還可以方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現恒壓或恒流量控制，極大地改善鍋爐的整體燃燒狀況，使爐況的各個指標處于最佳，達到單位煤耗、水耗減少的目的。

2 變頻調速技術在垃圾發(fā)電廠的應用

廣東順能垃圾發(fā)電廠有兩臺鍋爐，每臺鍋爐包括了焚燒爐的32 臺電機以及其它的電機、水泵共55 臺電機，其中大部分為風機和水泵。

工廠全部的二次風機以及干燥爐排風機、再循環(huán)風機、再燃煙道風機、主爐膛燃燒器風機、再燃煙道燃燒器風機、引風機全部采用了風量調節(jié)方式。為了使系統(tǒng)更加可靠、高效、節(jié)能，二次風機都采用了變頻調速控制系統(tǒng)進行調速，可以有效地調節(jié)風門的開度來控制爐膛出口的溫度，使各區(qū)的風量和風溫都可以根據垃圾焚燒的狀況進行調整和控制，保證合理的配風，從而保證垃圾完全充分燃燒。

給水泵是發(fā)電機組的“心臟”，為給水調節(jié)閥提供較大的壓力，提高水位調節(jié)品質。由于負荷經常變化，且峰谷差較大，如果通過水泵的調節(jié)閥進行調節(jié)，閥門開度越小，其節(jié)流損耗就越大。相對于其它的水泵，給水泵的容量較大，節(jié)能潛力也較大，因此，對垃圾發(fā)電廠的3 臺給水泵都采用了變頻調速系統(tǒng)，根據對應的工作點調節(jié)給水流量，使工況最佳，單耗最低。

垃圾搬運起重機是垃圾供料系統(tǒng)的核心設備，位于垃圾儲存坑的上方，主要承擔垃圾的投放、搬運、攪拌、取物和稱量工作。順能垃圾發(fā)電廠的垃圾搬運起重機的負荷量為10 t，包括了5臺電機：兩臺大車行走電機(其中一臺作備用)，一臺小車行走電機，還有抓斗起升電機和抓斗開閉電機各一臺。垃圾搬運起重機工作環(huán)境差、粉塵多、振動大，并且經常處于頻繁的起動、制動、反轉狀態(tài)，要承受較大的過載和機械沖擊。如果采用傳統(tǒng)的線繞式異步電動機串電阻起動的調速方式，不僅設備沖擊嚴重，噪聲大，而且碳刷打火，使接觸器觸頭、電機及所串電阻容易燒壞，維護量大。而且負荷改變時，電機的轉速也改變，調速效果不好，所串電阻長期發(fā)熱，將消耗大量的電能。

在起重機中采用變頻器驅動后，就可以用鼠籠式異步電動機取代繞線式異步電動機。鼠籠式異步電動機結構簡單，防護等級高，維護工作量小，可靠性高，適合在較惡劣環(huán)境下工作。由于變頻器驅動時，頻率和電壓都是按一定比例一定速度逐步升高或降低，因此使得電機起動沖擊電流小，轉速變化非常平穩(wěn)，操作人員操作非常舒適，起升、行走定位也較準確，提高了生產效率。

垃圾焚燒處理過程中產生的煙氣含有一些污染物會對環(huán)境造成二次污染，必須對這些污染物進行處理，以滿足環(huán)境保護的要求。在煙氣處理系統(tǒng)中，石灰螺旋輸送機負責輸送中和酸性氣體的石灰;活性炭螺旋輸送機負責輸送吸附重金屬和二惡英/呋喃類物質的活性炭;循環(huán)灰給料機負責使反應器內的石灰、活性炭和煙氣中的灰塵充分反應，達到比較理想的凈化效果。

由于燃燒的垃圾成分時刻變化，垃圾在燃燒過程中產生的污染物成分也變化多樣，這就要求系統(tǒng)在處理煙氣時所投入的石灰、活性炭也隨著污染物的成分改變。從電機的原理我們知道輸送機輸送的物體重量與它們的傳輸速度成正比，所以，這些輸送機的速度需要進行調節(jié)。在順能垃圾發(fā)電廠，采用變頻方式控制輸送機的轉速，從而調節(jié)投入石灰、活性炭量的大小。

3 應用效果

變頻調速技術在順能垃圾發(fā)電廠的應用效果主要有兩個方面：節(jié)約能量和提高系統(tǒng)的安全可靠性。

3.1 節(jié)約能量

順能垃圾發(fā)電廠某月的生產記錄數據如表1所列。

從表1 中的生產數據可知，采用變頻技術后，順能垃圾發(fā)電廠的自用電率大部分時間可以控制在20%以內，遠遠低于一般火電廠30%以上的自用電量。以工廠月平均售電量360 萬kW·h 計算，年售電量近似可達4 320 萬kW·h，按當地的電價0.6 元/(kW·h)計算，一年可得發(fā)電收入約為2 600萬元，另外，工廠每天可處理垃圾約600~800 t，當前，每處理1 t垃圾政府補貼60 元，一年可得政府補貼約1 500萬元，全年總收入達4 000 萬元，按工廠投資總額2.4 億元計算，除去各項費用，靜態(tài)回收年限約為8年，具有非?？捎^的經濟效益。

3.2 提高系統(tǒng)的安全可靠性

為了驗證變頻調速的效果，在系統(tǒng)調頻范圍內采樣若干個不同頻率值以及其對應的輸出轉速來驗證變頻調速系統(tǒng)的頻率與轉速的關系。選取25 Hz 、50 Hz 、75 Hz 、100 Hz、125 Hz 五個采樣點，記錄對應的穩(wěn)態(tài)轉速，如表2所列。

其線性關系如圖1 所示。

從圖1 可以看出電機轉速與調速系統(tǒng)頻率之間有著良好的線性關系，因此，電機的轉速基本上可以隨著頻率成正比變化，電機轉速具有很好的連續(xù)性和較大的調速范圍，從根本上消除了對電機的沖擊應力。

異步電動機直接起動時，最大起動電流約為額定電流的7 倍，采用星形-三角形起動也達到了4耀5 倍。采用變頻起動，其電流從0 開始，隨著轉速的上升而逐漸增加，在比較短的時間內達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。起動電流的最大值也不會超過額定電流，而且電流的變化與直接起動相比要緩慢得多，真正實現了軟起動。變頻起動的仿真波形如圖2 所示。仿真曲線橫軸為時間，單位為s，縱軸為定子電流，單位為A。

變頻調速時，電機大部分時間處于低速運行狀態(tài)，大大延長了電機軸承的使用壽命及整機的連續(xù)運行周期，減少了維護量。變頻調速運行時，風機和水泵的出口閥和調節(jié)閥可全開，利用轉速調節(jié)流量和壓力，改善了由于閥門調節(jié)時對管道系統(tǒng)的沖擊，降低了調節(jié)閥前后管道系統(tǒng)泄漏的可能性，從而減少了維護工作量。變頻調速時，由于負荷小時轉速低，所以降低了風機、水泵及系統(tǒng)的噪聲，改善了運行環(huán)境。

另外，選用的變頻器本身具有高可靠的保護系統(tǒng)，而且具有完善的故障診斷記錄功能，有利于迅速查找并排除故障。例如出現電機接地、相間短路等故障時，變頻器本身靈敏、準確的保護功能可減少甚至避免崩燒事故的發(fā)生，因此大大提高了系統(tǒng)的安全可靠性。

對于水泵，在低負荷時也低速運行，泵必須的汽蝕余量降低，降低了泵內發(fā)生汽蝕的可能性，延長了水泵的壽命。

4 結語

垃圾作為垃圾發(fā)電廠使用的主要燃料，其發(fā)熱值遠遠低于傳統(tǒng)火電廠使用的煤，因此，減少工廠的自用電量顯得尤為重要。對垃圾發(fā)電廠的風機、水泵采用變頻調速技術是目前使用最廣泛、最有效的節(jié)能措施。生產實踐證明，采用變頻調速技術不僅可以有效地降低工廠的自用電量，還可以改善鍋爐的燃燒情況，有效地提高發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

能源、資源、環(huán)境是21 世紀困擾人類的三大難題。焚燒垃圾發(fā)電，將變頻技術應用于垃圾發(fā)電廠的風機、水泵的調速，正在成為人類解決這三大難題的有力工具之一。