朱展翔 湯森塏

（中國聯(lián)合工程有限公司）

0 引言

垃圾燃燒發(fā)電是以生活垃圾燃燒廢熱為主要能源的一種新型產(chǎn)業(yè)，它是由政府主導的一種新型產(chǎn)業(yè)。這不僅可以解決垃圾對環(huán)境造成污染的問題，還可以提升當?shù)鼐用竦纳钇焚|(zhì)，將能量轉化成發(fā)電利潤和資源，并提供工作崗位。垃圾焚燒發(fā)電的重要耗能裝置包括引風機，由于其工作頻率不變，其輸出功率全靠導葉調(diào)整，節(jié)流損失較大，導致巨大的能量浪費。在6kV 以上的高電壓電機的帶動下，使用高壓變頻器對電機的工作性能和能耗都有很大的幫助。

1 引風機變頻調(diào)速節(jié)能的原理

在國外，垃圾燃燒是發(fā)電廠一種廣泛使用的發(fā)電技術，其技術也比較成熟。但是我國在這方面受到了許多的限制，而且各個區(qū)域的垃圾種類都不一樣，因此使用的焚燒技術也有很大的差異。不過，在主要的過程和技術上并沒有太大的區(qū)別。該工程旨在實現(xiàn)生活垃圾的無害化、減量化和資源化。生活垃圾被送入焚燒爐后，經(jīng)過干燥、燃燒和燃燼，腐爛的有機質(zhì)被燃燒轉化為無機鹽，致病菌被高溫殺死。在燃燒過程中，利用DCS 系統(tǒng)和自動燃燒控制系統(tǒng)，對廢物的燃燒狀態(tài)進行監(jiān)控，并根據(jù)需要調(diào)整爐排的工作速率［1］。在垃圾焚燒工廠中，電力的生產(chǎn)主要來自于垃圾焚燒所發(fā)出的熱能，在垃圾燃燒過程中會生成很多的高溫煙霧，這些煙霧通過廢熱鍋爐轉化為熱蒸汽，并持續(xù)驅動汽輪機以更快的速度運轉，從而產(chǎn)生更多的電力。在廢熱鍋爐中，對垃圾焚燒所發(fā)出的熱量進行了回收，從而生成6.4 MPa、450℃的過熱蒸汽，供汽輪機發(fā)電。所生產(chǎn)的電能除了提供給工廠自己使用之外，還提供給電網(wǎng)。

引風機變頻調(diào)速節(jié)能的原理是通過調(diào)節(jié)電機的供電頻率和電壓，來改變電機轉速和輸出功率，具體而言，在要求減載的情況下，可通過分階段減小電動機的電源電壓和電源頻率，減小電動機的輸出轉矩，達到減載的目的。相反地，在需加大引風機負荷時，可通過逐漸地增加電源頻率及電壓，來加大電機的輸出轉矩，進而提升引風機的速度。采用變頻調(diào)速技術對引風機進行節(jié)能，可以達到如下兩種目的：一是通過調(diào)節(jié)引風機的電源頻率、電壓，使其工作在有效范圍內(nèi)，也就是最高效率點附近。從而避免了在空載狀態(tài)下高功耗區(qū)的引風機的工作，造成電力的浪費；并且在高負荷下，避免了低效區(qū)的能耗和熱量的損耗?？梢?，采用變頻器控制，可以達到節(jié)能降耗的目的［2］。二是提高了效率。通過變頻控制，可將風機保持在最優(yōu)工作狀態(tài)，也就是在最小負載與最大效率點之間波動。從而使整個引風器的效率得到提高，從而達到節(jié)能降耗的目的?？傊捎米冾l器控制引風機的速度，可以達到降低能耗，提高效率，減少對環(huán)境污染的目的。

引風機在風量和流量控制過程中主要是利用擋板和液耦，在實際運行過程中很容易浪費能源，當前主要是通過調(diào)節(jié)電機轉速發(fā)揮出節(jié)能作用，在調(diào)速過程中變頻調(diào)速方式使用頻率比較高［3］。

（1）風量Q、風壓H、軸功率P與轉速n的關系

根據(jù)流體力學原理，利用變頻器調(diào)節(jié)引風機，風機轉速由n降低/升高到n，風量Q和n/n的一次方程成正比，風壓H和n/n二次方程正比，軸功率P和n/n三次方成正比。

（2）電動機容量計算

P=Q×H/（ηTηF）。其中P代表風機輸出軸功率；Q代表風機風量；H代表風機風壓；ηT 代表風機效率，ηF代表傳統(tǒng)裝置效率。

（3）引風機節(jié)電方法和節(jié)能原理

1）調(diào)節(jié)入口擋板開度方式

引風機入口擋板節(jié)流調(diào)節(jié)：減小引風機入口擋板開度，雖然降低了風量（Q1Q2），但是升高風壓（H1H2），根據(jù)公式P=Q2H2，可以確定軸功率P2 減小情況并不是顯著的。

2）利用變頻調(diào)速模式

通過改變轉速，對于風量實施控制，全部打開入口擋板，不會產(chǎn)生節(jié)流損耗。引風機系統(tǒng)阻力因此降低，引風機的能耗因此降低。

2 電氣系統(tǒng)及DCS 控制系統(tǒng)設計

2.1 電氣系統(tǒng)主回路設計

電氣系統(tǒng)主回路設計是將發(fā)電機、變壓器、開關設備、電纜等主要設備連接在一起，構成一個完整的電路，從而為電力系統(tǒng)提供電能。下面是電力系統(tǒng)主要電路的總體設計過程。負載要求：依據(jù)電力設備種類、數(shù)量及電力要求，計算出系統(tǒng)所需要的主要線路的容量。機組選型：依據(jù)負載及網(wǎng)壓的需要，選用適當?shù)臋C組，確定機組的額定功率及啟動電流。變壓器的設計：依據(jù)機組的工作特性及負荷要求，選用適當?shù)淖儔浩?，并對其進行功率及短路阻抗的計算［4］。切換裝置的設計：依據(jù)負載及電網(wǎng)的需要，選取適當?shù)那袚Q裝置，并對其額定及短路能力進行分析。線纜的設計：依據(jù)負載要求及線纜的長短，選用適當?shù)木€纜類型及線纜斷面面積，并進行標稱電流容量的計算。畫電力系統(tǒng)主回路圖：把發(fā)電機、變壓器、開關設備和電纜等重要設備結合起來，構成一個完全的電力系統(tǒng)主回路。進行電力主回路的仿真：利用電力仿真軟件，對電力系統(tǒng)的主要線路進行了仿真與分析，以確定其能否達到負載的需要以及對電網(wǎng)的電壓的需要。在模擬計算的基礎上，提出了一種新的電力系統(tǒng)主電路結構，并對其進行了改進。在電力系統(tǒng)中，主電路的設計涉及到許多方面，如負荷變化、電網(wǎng)電壓波動、故障等。在電力系統(tǒng)中，主要線路的設計應嚴格按照有關規(guī)定進行。

在引風機中配置高壓變頻器，電氣系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。

圖1 帶工頻旁路的引風機“一拖一”變頻調(diào)速方案電氣系統(tǒng)圖

在KM21 和KM31 之間設有一個雙極性和兩個投射斷路器，實現(xiàn)了電互鎖；在通過KM21 和KM11 的輸入接點的情況下，在KM31 的關閉的情況下，電動機以頻率變化的方式工作；當旁路接觸器KM31 閉鎖，而在輸入接觸器KM11 和輸出接觸器KM21 閉鎖時，電動機以工作頻率工作。在工作狀態(tài)下，可將高電壓變換器與電源隔離，提高維修工作的便利性。如果接觸器KM11 閉合，就會將斷路器斷路開關K11 鎖住，不能使用；當接觸器KM21 閉合時，切斷斷路器K21 閉鎖，不能使用。在高電壓變換裝置出現(xiàn)故障的情況下，將KM11 和KM21 的觸點斷開，而將KM31 的觸點閉合，從而使電動機進入到一個固定速度的工作頻率網(wǎng)絡中［5］。

2.2 DCS 控制系統(tǒng)設計

高壓變頻器可以從單元分散控制系統(tǒng)（DCS）中接收到控制命令和參數(shù)設置，也可以將狀態(tài)信號、操作參數(shù)以及故障警報反饋給DCS。利用遙控DCS，可以對變頻器進行遙控啟動/關閉，手動/自動等操作，以及對變頻器目前的工作狀況進行實時監(jiān)控。在DCS 與各變換器間的輸入輸出端，需要設置38 個測量點，包括34 個切換量和4 個模擬量。火力發(fā)電廠共有3 個導流器，需要布設114 個觀測站。各單機變頻調(diào)速裝置的測量點位分布見下表。

表1 1臺引風機變頻器的測點分配

2.3 變頻器的控制邏輯

1）引風機高壓變頻器啟動允許條件

引流式變頻調(diào)速裝置的啟動容許條件有三：一是引流式變頻調(diào)速裝置的高壓開關要閉合；變頻調(diào)速裝置可實現(xiàn)現(xiàn)場啟動；初始頻率不能超過額定頻率的0.3 倍（為了避免運行中出現(xiàn)錯誤，同時也為了避免在高頻率的情況下產(chǎn)生爐內(nèi)負壓的干擾）。

2）高壓變頻器速度自動調(diào)節(jié)的開關量控制

① 在工頻工作狀態(tài)下，導風箱的調(diào)整主要取決于導風箱的開啟程度，如果導風箱開啟自動，那么變頻器的自動調(diào)速就會被鎖定。② 在命令相對于反饋的偏離比設置更高的情況下，該頻率轉換器將被自動切斷，比如，設置在60%以上［6］。③ 在熔爐負壓測點處發(fā)生故障和不正常的信號的情況下，變換器回路。④ 在延遲3s 并且降低速度的情況下，爐內(nèi)負壓高警報；爐內(nèi)負壓過低，時間延遲3s，提高速度。

3 變頻調(diào)速技術優(yōu)勢及經(jīng)濟效益分析

（一）對電機的啟動電流進行控制。變頻器的主要作用是減小風扇的起動電流，延長電動機的壽命。（二）具有可靠性的防護。同時，變頻調(diào)速裝置還具有欠壓、過壓、過載和超溫等多種安全裝置，在發(fā)生事故的時候，能夠很好地反映出發(fā)生事故的原因，從而方便了對事故的處置［7］。（三）穩(wěn)定性。在變頻器運轉時，風扇的遮光罩處于完全打開的狀況，可降低因空氣流經(jīng)遮光罩而引起的節(jié)流損失和風管震動，增加運轉的平穩(wěn)性。（四）減少輸電線路的電壓起伏。電機在進行滿負載啟動的時候，會對供電網(wǎng)絡的電壓造成較低的影響，這就會造成一些敏感帶電設備的電壓波動，甚至出現(xiàn)故障的情況。但是，通過使用變頻調(diào)速，可以大大地降低起動電壓，從而有效地避免了電力線路的電壓波動問題。（五）節(jié)約能源。在變頻調(diào)速運行的情況下，與在工頻運行時的引風機相比，可以節(jié)省較多的電費，這對公司的長期發(fā)展來說，會帶來很大的經(jīng)濟效益［8］。

4 結束語

在當今能源成本不斷攀升的情況下，將高壓變頻器應用于垃圾焚燒發(fā)電機組，既可以適應其多變的運行狀態(tài)，又可以打破現(xiàn)有的垃圾發(fā)電系統(tǒng)的困境，達到降低能耗的目的。在應用高壓變頻器的過程中，有利于引風機更好的調(diào)節(jié)風量，同時可以快速調(diào)節(jié)爐膛壓力，保障設備運行的可靠性和安全性，而且還可以有效地降低了噪聲污染，從而在提升企業(yè)經(jīng)濟效益的同時，還兼顧了節(jié)約和環(huán)保的利益。