變頻調速技術(shù)在垃圾發(fā)電廠(chǎng)的應用及效果

1 垃圾發(fā)電廠(chǎng)電機的調速

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

風(fēng)機、水泵在工作過(guò)程中的功率損耗主要包括：電動(dòng)機的軸功率、線(xiàn)路的損耗、控制裝置的損耗和機械損耗。通常采用的基本節能方法為：減少運行時(shí)間，采用高效率的風(fēng)機和設備，在滿(mǎn)足同樣風(fēng)量的情況下減少通風(fēng)管網(wǎng)的空氣阻力。這些方法中，減少通風(fēng)管網(wǎng)的空氣阻力是風(fēng)機、水泵節能較好的途徑。

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

這種情形就好比一輛汽車(chē)，油門(mén)開(kāi)到很大，而且不能調節。正常行駛時(shí)，總是以最快的速度奔跑。如果想要使速度降下來(lái)，只能踩剎車(chē)，速度降得越多，踩剎車(chē)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(chē)按高速公路等級確定速度，卻長(cháng)期只能在鄉間小路上行使的時(shí)候，其能量的浪費更是觸目驚心。

節流調速和上述的汽車(chē)調速情況非常類(lèi)似。

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

如果改節流調節為調速調節，不僅節能而且便于設備維護，延長(cháng)設備使用壽命。調速調節使風(fēng)機、水泵的流量隨時(shí)滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求，系統運行在風(fēng)機、水泵的高效區，隨時(shí)都運行在“無(wú)裕度”狀態(tài)。即使是風(fēng)機、水泵的選型過(guò)大，調速運行仍然能夠使系統處于最佳狀態(tài)，與節流調節相比有明顯的節能效果，被認為是控制風(fēng)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中性能最好，效率最高，將成為現代工業(yè)驅動(dòng)的中樞。在相同的流量下，變頻控制比閥門(mén)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，節能效果十分顯著(zhù)，一般可達25%-60%。而且還可以方便地組成閉環(huán)控制系統，實(shí)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(gè)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(shù)在垃圾發(fā)電廠(chǎng)的應用

廣東順能垃圾發(fā)電廠(chǎng)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(fēng)機和水泵。

工廠(chǎng)全部的二次風(fēng)機以及干燥爐排風(fēng)機、再循環(huán)風(fēng)機、再燃煙道風(fēng)機、主爐膛燃燒器風(fēng)機、再燃煙道燃燒器風(fēng)機、引風(fēng)機全部采用了風(fēng)量調節方式。為了使系統更加可靠、高效、節能，二次風(fēng)機都采用了變頻調速控制系統進(jìn)行調速，可以有效地調節風(fēng)門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制爐膛出口的溫度，使各區的風(fēng)量和風(fēng)溫都可以根據垃圾焚燒的狀況進(jìn)行調整和控制，保證合理的配風(fēng)，從而保證垃圾完全充分燃燒。

給水泵是發(fā)電機組的“心臟”，為給水調節閥提供較大的壓力，提高水位調節品質(zhì)。由于負荷經(jīng)常變化，且峰谷差較大，如果通過(guò)水泵的調節閥進(jìn)行調節，閥門(mén)開(kāi)度越小，其節流損耗就越大。相對于其它的水泵，給水泵的容量較大，節能潛力也較大，因此，對垃圾發(fā)電廠(chǎng)的3 臺給水泵都采用了變頻調速系統，根據對應的工作點(diǎn)調節給水流量，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(chēng)量工作。順能垃圾發(fā)電廠(chǎng)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(chē)行走電機(其中一臺作備用)，一臺小車(chē)行走電機，還有抓斗起升電機和抓斗開(kāi)閉電機各一臺。垃圾搬運起重機工作環(huán)境差、粉塵多、振動(dòng)大，并且經(jīng)常處于頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、反轉狀態(tài)，要承受較大的過(guò)載和機械沖擊。如果采用傳統的線(xiàn)繞式異步電動(dòng)機串電阻起動(dòng)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(shí)，電機的轉速也改變，調速效果不好，所串電阻長(cháng)期發(fā)熱，將消耗大量的電能。

在起重機中采用變頻器驅動(dòng)后，就可以用鼠籠式異步電動(dòng)機取代繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機。鼠籠式異步電動(dòng)機結構簡(jiǎn)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(dòng)時(shí)，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(dòng)沖擊電流小，轉速變化非常平穩，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(chǎn)效率。

垃圾焚燒處理過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣含有一些污染物會(huì )對環(huán)境造成二次污染，必須對這些污染物進(jìn)行處理，以滿(mǎn)足環(huán)境保護的要求。在煙氣處理系統中，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(lèi)物質(zhì)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(shí)刻變化，垃圾在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物成分也變化多樣，這就要求系統在處理煙氣時(shí)所投入的石灰、活性炭也隨著(zhù)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(jìn)行調節。在順能垃圾發(fā)電廠(chǎng)，采用變頻方式控制輸送機的轉速，從而調節投入石灰、活性炭量的大小。

3 應用效果

變頻調速技術(shù)在順能垃圾發(fā)電廠(chǎng)的應用效果主要有兩個(gè)方面：節約能量和提高系統的安全可靠性。

3.1 節約能量

順能垃圾發(fā)電廠(chǎng)某月的生產(chǎn)記錄數據如表1所列。

從表1 中的生產(chǎn)數據可知，采用變頻技術(shù)后，順能垃圾發(fā)電廠(chǎng)的自用電率大部分時(shí)間可以控制在20%以?xún)?，遠遠低于一般火電廠(chǎng)30%以上的自用電量。以工廠(chǎng)月平均售電量360 萬(wàn)kW·h 計算，年售電量近似可達4 320 萬(wàn)kW·h，按當地的電價(jià)0.6 元/(kW·h)計算，一年可得發(fā)電收入約為2 600萬(wàn)元，另外，工廠(chǎng)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(wàn)元，全年總收入達4 000 萬(wàn)元，按工廠(chǎng)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^(guān)的經(jīng)濟效益。

3.2 提高系統的安全可靠性

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

其線(xiàn)性關(guān)系如圖1 所示。

從圖1 可以看出電機轉速與調速系統頻率之間有著(zhù)良好的線(xiàn)性關(guān)系，因此，電機的轉速基本上可以隨著(zhù)頻率成正比變化，電機轉速具有很好的連續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(dòng)機直接起動(dòng)時(shí)，最大起動(dòng)電流約為額定電流的7 倍，采用星形-三角形起動(dòng)也達到了4耀5 倍。采用變頻起動(dòng)，其電流從0 開(kāi)始，隨著(zhù)轉速的上升而逐漸增加，在比較短的時(shí)間內達到穩定運行狀態(tài)。起動(dòng)電流的最大值也不會(huì )超過(guò)額定電流，而且電流的變化與直接起動(dòng)相比要緩慢得多，真正實(shí)現了軟起動(dòng)。變頻起動(dòng)的仿真波形如圖2 所示。仿真曲線(xiàn)橫軸為時(shí)間，單位為s，縱軸為定子電流，單位為A。

變頻調速時(shí)，電機大部分時(shí)間處于低速運行狀態(tài)，大大延長(cháng)了電機軸承的使用壽命及整機的連續運行周期，減少了維護量。變頻調速運行時(shí)，風(fēng)機和水泵的出口閥和調節閥可全開(kāi)，利用轉速調節流量和壓力，改善了由于閥門(mén)調節時(shí)對管道系統的沖擊，降低了調節閥前后管道系統泄漏的可能性，從而減少了維護工作量。變頻調速時(shí)，由于負荷小時(shí)轉速低，所以降低了風(fēng)機、水泵及系統的噪聲，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，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(shí)，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的安全可靠性。

對于水泵，在低負荷時(shí)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(cháng)了水泵的壽命。

4 結語(yǔ)

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

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