变频调速技术在垃圾发电厂的应用及效果

1 垃圾发电厂电机的调速

我国垃圾发电厂的自用电率通常高达30%以上，风机、水泵用电量占了厂用电的绝大部分。其中，锅炉给水泵耗电量占厂用电的61%左右，锅炉送、引风机约占22%。这类负载的能源利用率和功率因数都比较低，使得电网负荷率很低，电力系统峰谷差很大，高峰电力往往严重不足，严重制约着企业经济效益的提高。

风机、水泵在工作过程中的功率损耗主要包括：电动机的轴功率、线路的损耗、控制装置的损耗和机械损耗。通常采用的基本节能方法为：减少运行时间，采用高效率的风机和设备，在满足同样风量的情况下减少通风管网的空气阻力。这些方法中，减少通风管网的空气阻力是风机、水泵节能较好的途径。

然而在我国，传统的设计方式使火(热)电厂的风机、水泵选型过大、匹配不当、功率裕度过大，超出了的流量需要采用节流调节来处理。常用的调节方法是闸阀节流调节，即用增大网管阻力的办法减小流量，但流量减小的同时却使压头增高，效率下降，造成节流损失，节流后的流量越小，损失越大。

这种情形就好比一辆汽车，油门开到很大，而且不能调节。正常行驶时，总是以最快的速度奔跑。如果想要使速度降下来，只能踩刹车，速度降得越多，踩刹车的力量也要求越大。显然，这种调速方法很不合理，因为它耗油太多。特别是汽车按高速公路等级确定速度，却长期只能在乡间小路上行使的时候，其能量的浪费更是触目惊心。

节流调速和上述的汽车调速情况非常类似。

例如40 kW的风机运行在70%额定流量下，由于节流造成的损失达15 kW 左右。节流调节使风机、水泵长期处于低效区运行，能源浪费严重。实测计算数据表明，当风机、水泵流量由100%降到50%时，如果分别采用对出口或入口阀门进行节流调节的方式，电机的输入功率分别为84%和60%，而风机、水泵的有效功率仅为50%，损失功率分别为34%和10%。

如果改节流调节为调速调节，不仅节能而且便于设备维护，延长设备使用寿命。调速调节使风机、水泵的流量随时满足生产工艺的要求，系统运行在风机、水泵的高效区，随时都运行在“无裕度”状态。即使是风机、水泵的选型过大，调速运行仍然能够使系统处于最佳状态，与节流调节相比有明显的节能效果，被认为是控制风量、流量的最理想的方法。

常用的调速有机械调速和电气调速。变频调速属于电气调速，在各种交流电机的调速系统中性能最好，效率最高，将成为现代工业驱动的中枢。在相同的流量下，变频控制比阀门控制水泵所消耗的有功功率要小得多，且流量越小，差别越大，节能效果十分显著，一般可达25%-60%。而且还可以方便地组成闭环控制系统，实现恒压或恒流量控制，极大地改善锅炉的整体燃烧状况，使炉况的各个指标处于最佳，达到单位煤耗、水耗减少的目的。

2 变频调速技术在垃圾发电厂的应用

广东顺能垃圾发电厂有两台锅炉，每台锅炉包括了焚烧炉的32 台电机以及其它的电机、水泵共55 台电机，其中大部分为风机和水泵。

工厂全部的二次风机以及干燥炉排风机、再循环风机、再燃烟道风机、主炉膛燃烧器风机、再燃烟道燃烧器风机、引风机全部采用了风量调节方式。为了使系统更加可靠、高效、节能，二次风机都采用了变频调速控制系统进行调速，可以有效地调节风门的开度来控制炉膛出口的温度，使各区的风量和风温都可以根据垃圾焚烧的状况进行调整和控制，保证合理的配风，从而保证垃圾完全充分燃烧。

给水泵是发电机组的“心脏”，为给水调节阀提供较大的压力，提高水位调节品质。由于负荷经常变化，且峰谷差较大，如果通过水泵的调节阀进行调节，阀门开度越小，其节流损耗就越大。相对于其它的水泵，给水泵的容量较大，节能潜力也较大，因此，对垃圾发电厂的3 台给水泵都采用了变频调速系统，根据对应的工作点调节给水流量，使工况最佳，单耗最低。

垃圾搬运起重机是垃圾供料系统的核心设备，位于垃圾储存坑的上方，主要承担垃圾的投放、搬运、搅拌、取物和称量工作。顺能垃圾发电厂的垃圾搬运起重机的负荷量为10 t，包括了5台电机：两台大车行走电机(其中一台作备用)，一台小车行走电机，还有抓斗起升电机和抓斗开闭电机各一台。垃圾搬运起重机工作环境差、粉尘多、振动大，并且经常处于频繁的起动、制动、反转状态，要承受较大的过载和机械冲击。如果采用传统的线绕式异步电动机串电阻起动的调速方式，不仅设备冲击严重，噪声大，而且碳刷打火，使接触器触头、电机及所串电阻容易烧坏，维护量大。而且负荷改变时，电机的转速也改变，调速效果不好，所串电阻长期发热，将消耗大量的电能。

在起重机中采用变频器驱动后，就可以用鼠笼式异步电动机取代绕线式异步电动机。鼠笼式异步电动机结构简单，防护等级高，维护工作量小，可靠性高，适合在较恶劣环境下工作。由于变频器驱动时，频率和电压都是按一定比例一定速度逐步升高或降低，因此使得电机起动冲击电流小，转速变化非常平稳，操作人员操作非常舒适，起升、行走定位也较准确，提高了生产效率。

垃圾焚烧处理过程中产生的烟气含有一些污染物会对环境造成二次污染，必须对这些污染物进行处理，以满足环境保护的要求。在烟气处理系统中，石灰螺旋输送机负责输送中和酸性气体的石灰;活性炭螺旋输送机负责输送吸附重金属和二恶英/呋喃类物质的活性炭;循环灰给料机负责使反应器内的石灰、活性炭和烟气中的灰尘充分反应，达到比较理想的净化效果。

由于燃烧的垃圾成分时刻变化，垃圾在燃烧过程中产生的污染物成分也变化多样，这就要求系统在处理烟气时所投入的石灰、活性炭也随着污染物的成分改变。从电机的原理我们知道输送机输送的物体重量与它们的传输速度成正比，所以，这些输送机的速度需要进行调节。在顺能垃圾发电厂，采用变频方式控制输送机的转速，从而调节投入石灰、活性炭量的大小。

3 应用效果

变频调速技术在顺能垃圾发电厂的应用效果主要有两个方面：节约能量和提高系统的安全可靠性。

3.1 节约能量

顺能垃圾发电厂某月的生产记录数据如表1所列。

从表1 中的生产数据可知，采用变频技术后，顺能垃圾发电厂的自用电率大部分时间可以控制在20%以内，远远低于一般火电厂30%以上的自用电量。以工厂月平均售电量360 万kW·h 计算，年售电量近似可达4 320 万kW·h，按当地的电价0.6 元/(kW·h)计算，一年可得发电收入约为2 600万元，另外，工厂每天可处理垃圾约600~800 t，当前，每处理1 t垃圾政府补贴60 元，一年可得政府补贴约1 500万元，全年总收入达4 000 万元，按工厂投资总额2.4 亿元计算，除去各项费用，静态回收年限约为8年，具有非常可观的经济效益。

3.2 提高系统的安全可靠性

为了验证变频调速的效果，在系统调频范围内采样若干个不同频率值以及其对应的输出转速来验证变频调速系统的频率与转速的关系。选取25 Hz 、50 Hz 、75 Hz 、100 Hz、125 Hz 五个采样点，记录对应的稳态转速，如表2所列。

其线性关系如图1 所示。

从图1 可以看出电机转速与调速系统频率之间有着良好的线性关系，因此，电机的转速基本上可以随着频率成正比变化，电机转速具有很好的连续性和较大的调速范围，从根本上消除了对电机的冲击应力。

异步电动机直接起动时，最大起动电流约为额定电流的7 倍，采用星形-三角形起动也达到了4耀5 倍。采用变频起动，其电流从0 开始，随着转速的上升而逐渐增加，在比较短的时间内达到稳定运行状态。起动电流的最大值也不会超过额定电流，而且电流的变化与直接起动相比要缓慢得多，真正实现了软起动。变频起动的仿真波形如图2 所示。仿真曲线横轴为时间，单位为s，纵轴为定子电流，单位为A。

变频调速时，电机大部分时间处于低速运行状态，大大延长了电机轴承的使用寿命及整机的连续运行周期，减少了维护量。变频调速运行时，风机和水泵的出口阀和调节阀可全开，利用转速调节流量和压力，改善了由于阀门调节时对管道系统的冲击，降低了调节阀前后管道系统泄漏的可能性，从而减少了维护工作量。变频调速时，由于负荷小时转速低，所以降低了风机、水泵及系统的噪声，改善了运行环境。

另外，选用的变频器本身具有高可靠的保护系统，而且具有完善的故障诊断记录功能，有利于迅速查找并排除故障。例如出现电机接地、相间短路等故障时，变频器本身灵敏、准确的保护功能可减少甚至避免崩烧事故的发生，因此大大提高了系统的安全可靠性。

对于水泵，在低负荷时也低速运行，泵必须的汽蚀余量降低，降低了泵内发生汽蚀的可能性，延长了水泵的寿命。

4 结语

垃圾作为垃圾发电厂使用的主要燃料，其发热值远远低于传统火电厂使用的煤，因此，减少工厂的自用电量显得尤为重要。对垃圾发电厂的风机、水泵采用变频调速技术是目前使用最广泛、最有效的节能措施。生产实践证明，采用变频调速技术不仅可以有效地降低工厂的自用电量，还可以改善锅炉的燃烧情况，有效地提高发电系统的可靠性。

能源、资源、环境是21 世纪困扰人类的三大难题。焚烧垃圾发电，将变频技术应用于垃圾发电厂的风机、水泵的调速，正在成为人类解决这三大难题的有力工具之一。