變頻調(diào)速技術(shù)在垃圾發(fā)電廠的應(yīng)用及效果

1 垃圾發(fā)電廠電機(jī)的調(diào)速

我國垃圾發(fā)電廠的自用電率通常高達(dá)30%以上，風(fēng)機(jī)、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(fēng)機(jī)約占22%。這類負(fù)載的能源利用率和功率因數(shù)都比較低，使得電網(wǎng)負(fù)荷率很低，電力系統(tǒng)峰谷差很大，高峰電力往往嚴(yán)重不足，嚴(yán)重制約著企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

風(fēng)機(jī)、水泵在工作過程中的功率損耗主要包括：電動(dòng)機(jī)的軸功率、線路的損耗、控制裝置的損耗和機(jī)械損耗。通常采用的基本節(jié)能方法為：減少運(yùn)行時(shí)間，采用高效率的風(fēng)機(jī)和設(shè)備，在滿足同樣風(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(jī)、水泵節(jié)能較好的途徑。

然而在我國，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式使火(熱)電廠的風(fēng)機(jī)、水泵選型過大、匹配不當(dāng)、功率裕度過大，超出了的流量需要采用節(jié)流調(diào)節(jié)來處理。常用的調(diào)節(jié)方法是閘閥節(jié)流調(diào)節(jié)，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(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(diào)節(jié)。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，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(diào)速方法很不合理，因?yàn)樗挠吞?。特別是汽車按高速公路等級(jí)確定速度，卻長期只能在鄉(xiāng)間小路上行使的時(shí)候，其能量的浪費(fèi)更是觸目驚心。

節(jié)流調(diào)速和上述的汽車調(diào)速情況非常類似。

例如40 kW的風(fēng)機(jī)運(yùn)行在70%額定流量下，由于節(jié)流造成的損失達(dá)15 kW 左右。節(jié)流調(diào)節(jié)使風(fēng)機(jī)、水泵長期處于低效區(qū)運(yùn)行，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。實(shí)測計(jì)算數(shù)據(jù)表明，當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵流量由100%降到50%時(shí)，如果分別采用對(duì)出口或入口閥門進(jìn)行節(jié)流調(diào)節(jié)的方式，電機(jī)的輸入功率分別為84%和60%，而風(fēng)機(jī)、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(diào)節(jié)為調(diào)速調(diào)節(jié)，不僅節(jié)能而且便于設(shè)備維護(hù)，延長設(shè)備使用壽命。調(diào)速調(diào)節(jié)使風(fēng)機(jī)、水泵的流量隨時(shí)滿足生產(chǎn)工藝的要求，系統(tǒng)運(yùn)行在風(fēng)機(jī)、水泵的高效區(qū)，隨時(shí)都運(yùn)行在“無裕度”狀態(tài)。即使是風(fēng)機(jī)、水泵的選型過大，調(diào)速運(yùn)行仍然能夠使系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，與節(jié)流調(diào)節(jié)相比有明顯的節(jié)能效果，被認(rèn)為是控制風(fēng)量、流量的最理想的方法。

常用的調(diào)速有機(jī)械調(diào)速和電氣調(diào)速。變頻調(diào)速屬于電氣調(diào)速，在各種交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中性能最好，效率最高，將成為現(xiàn)代工業(yè)驅(qū)動(dòng)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(dá)25%-60%。而且還可以方便地組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流量控制，極大地改善鍋爐的整體燃燒狀況，使?fàn)t況的各個(gè)指標(biāo)處于最佳，達(dá)到單位煤耗、水耗減少的目的。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在垃圾發(fā)電廠的應(yīng)用

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

工廠全部的二次風(fēng)機(jī)以及干燥爐排風(fēng)機(jī)、再循環(huán)風(fēng)機(jī)、再燃煙道風(fēng)機(jī)、主爐膛燃燒器風(fēng)機(jī)、再燃煙道燃燒器風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)全部采用了風(fēng)量調(diào)節(jié)方式。為了使系統(tǒng)更加可靠、高效、節(jié)能，二次風(fēng)機(jī)都采用了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速，可以有效地調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度來控制爐膛出口的溫度，使各區(qū)的風(fēng)量和風(fēng)溫都可以根據(jù)垃圾焚燒的狀況進(jìn)行調(diào)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(jī)組的“心臟”，為給水調(diào)節(jié)閥提供較大的壓力，提高水位調(diào)節(jié)品質(zhì)。由于負(fù)荷經(jīng)常變化，且峰谷差較大，如果通過水泵的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，閥門開度越小，其節(jié)流損耗就越大。相對(duì)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(duì)垃圾發(fā)電廠的3 臺(tái)給水泵都采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)調(diào)節(jié)給水流量，使工況最佳，單耗最低。

垃圾搬運(yùn)起重機(jī)是垃圾供料系統(tǒng)的核心設(shè)備，位于垃圾儲(chǔ)存坑的上方，主要承擔(dān)垃圾的投放、搬運(yùn)、攪拌、取物和稱量工作。順能垃圾發(fā)電廠的垃圾搬運(yùn)起重機(jī)的負(fù)荷量為10 t，包括了5臺(tái)電機(jī)：兩臺(tái)大車行走電機(jī)(其中一臺(tái)作備用)，一臺(tái)小車行走電機(jī)，還有抓斗起升電機(jī)和抓斗開閉電機(jī)各一臺(tái)。垃圾搬運(yùn)起重機(jī)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(zhuǎn)狀態(tài)，要承受較大的過載和機(jī)械沖擊。如果采用傳統(tǒng)的線繞式異步電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)的調(diào)速方式，不僅設(shè)備沖擊嚴(yán)重，噪聲大，而且碳刷打火，使接觸器觸頭、電機(jī)及所串電阻容易燒壞，維護(hù)量大。而且負(fù)荷改變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也改變，調(diào)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(jī)中采用變頻器驅(qū)動(dòng)后，就可以用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)取代繞線式異步電動(dòng)機(jī)。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，防護(hù)等級(jí)高，維護(hù)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(qū)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(jī)起動(dòng)沖擊電流小，轉(zhuǎn)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(zhǔn)確，提高了生產(chǎn)效率。

垃圾焚燒處理過程中產(chǎn)生的煙氣含有一些污染物會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，必須對(duì)這些污染物進(jìn)行處理，以滿足環(huán)境保護(hù)的要求。在煙氣處理系統(tǒng)中，石灰螺旋輸送機(jī)負(fù)責(zé)輸送中和酸性氣體的石灰;活性炭螺旋輸送機(jī)負(fù)責(zé)輸送吸附重金屬和二惡英/呋喃類物質(zhì)的活性炭;循環(huán)灰給料機(jī)負(fù)責(zé)使反應(yīng)器內(nèi)的石灰、活性炭和煙氣中的灰塵充分反應(yīng)，達(dá)到比較理想的凈化效果。

由于燃燒的垃圾成分時(shí)刻變化，垃圾在燃燒過程中產(chǎn)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(shí)所投入的石灰、活性炭也隨著污染物的成分改變。從電機(jī)的原理我們知道輸送機(jī)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(jī)的速度需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。在順能垃圾發(fā)電廠，采用變頻方式控制輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)投入石灰、活性炭量的大小。

3 應(yīng)用效果

變頻調(diào)速技術(shù)在順能垃圾發(fā)電廠的應(yīng)用效果主要有兩個(gè)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(chǎn)記錄數(shù)據(jù)如表1所列。

從表1 中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，采用變頻技術(shù)后，順能垃圾發(fā)電廠的自用電率大部分時(shí)間可以控制在20%以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)算，年售電量近似可達(dá)4 320 萬kW·h，按當(dāng)?shù)氐碾妰r(jià)0.6 元/(kW·h)計(jì)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(dāng)前，每處理1 t垃圾政府補(bǔ)貼60 元，一年可得政府補(bǔ)貼約1 500萬元，全年總收入達(dá)4 000 萬元，按工廠投資總額2.4 億元計(jì)算，除去各項(xiàng)費(fèi)用，靜態(tài)回收年限約為8年，具有非?？捎^的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 提高系統(tǒng)的安全可靠性

為了驗(yàn)證變頻調(diào)速的效果，在系統(tǒng)調(diào)頻范圍內(nèi)采樣若干個(gè)不同頻率值以及其對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速來驗(yàn)證變頻調(diào)速系統(tǒng)的頻率與轉(zhuǎn)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(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，如表2所列。

其線性關(guān)系如圖1 所示。

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

異步電動(dòng)機(jī)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(dá)到了4耀5 倍。采用變頻起動(dòng)，其電流從0 開始，隨著轉(zhuǎn)速的上升而逐漸增加，在比較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。起動(dòng)電流的最大值也不會(huì)超過額定電流，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(xiàn)了軟起動(dòng)。變頻起動(dòng)的仿真波形如圖2 所示。仿真曲線橫軸為時(shí)間，單位為s，縱軸為定子電流，單位為A。

變頻調(diào)速時(shí)，電機(jī)大部分時(shí)間處于低速運(yùn)行狀態(tài)，大大延長了電機(jī)軸承的使用壽命及整機(jī)的連續(xù)運(yùn)行周期，減少了維護(hù)量。變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)和水泵的出口閥和調(diào)節(jié)閥可全開，利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量和壓力，改善了由于閥門調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)管道系統(tǒng)的沖擊，降低了調(diào)節(jié)閥前后管道系統(tǒng)泄漏的可能性，從而減少了維護(hù)工作量。變頻調(diào)速時(shí)，由于負(fù)荷小時(shí)轉(zhuǎn)速低，所以降低了風(fēng)機(jī)、水泵及系統(tǒng)的噪聲，改善了運(yùn)行環(huán)境。

另外，選用的變頻器本身具有高可靠的保護(hù)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(xiàn)電機(jī)接地、相間短路等故障時(shí)，變頻器本身靈敏、準(zhǔn)確的保護(hù)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(duì)于水泵，在低負(fù)荷時(shí)也低速運(yùn)行，泵必須的汽蝕余量降低，降低了泵內(nèi)發(fā)生汽蝕的可能性，延長了水泵的壽命。

4 結(jié)語

垃圾作為垃圾發(fā)電廠使用的主要燃料，其發(fā)熱值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)垃圾發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速技術(shù)是目前使用最廣泛、最有效的節(jié)能措施。生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用變頻調(diào)速技術(shù)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(jì)困擾人類的三大難題。焚燒垃圾發(fā)電，將變頻技術(shù)應(yīng)用于垃圾發(fā)電廠的風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速，正在成為人類解決這三大難題的有力工具之一。