高壓變頻器在垃圾焚燒發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用分析

許文君，胡俊峰

（1.太原市同舟能源有限公司,山西太原 030045;2.山西啟光發(fā)電有限公司,山西靈石 031303)

0 引言

垃圾焚燒發(fā)電廠利用城市垃圾焚燒過(guò)程產(chǎn)生的余熱進(jìn)行發(fā)電，作為國(guó)家引導(dǎo)的新興行業(yè)，具有其獨(dú)特的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益：既能解決垃圾對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的問(wèn)題，提高當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量，又能能源轉(zhuǎn)換發(fā)電盈利變廢為寶，并提供就業(yè)平臺(tái)[1]。

本垃圾焚燒電廠共裝設(shè)3臺(tái)日本荏原無(wú)破碎回旋流型雙內(nèi)循環(huán)流化床垃圾焚燒爐，每臺(tái)處理量為333 t/d，同時(shí)配套3臺(tái)36 t/h的余熱鍋爐及2臺(tái)12 MW的汽輪發(fā)電機(jī)，每年可處理太原市垃圾約36.5萬(wàn)t，大大提升了太原市的廢棄垃圾綜合利用能力。

引風(fēng)機(jī)作為垃圾焚燒電廠的主要能耗設(shè)備之一，只能在工頻下定速運(yùn)行，僅依靠擋板調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)電機(jī)出力，存在嚴(yán)重的節(jié)流損耗，造成了大量的能源浪費(fèi)。由于引風(fēng)機(jī)采用6 kV以上的高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此采用高壓變頻調(diào)速有利于提高電動(dòng)機(jī)的效率，降低耗電量。

1 引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能的原理

引風(fēng)機(jī)常采用擋板和液耦來(lái)控制風(fēng)量和流量，易造成能源浪費(fèi)，目前大多依靠電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在眾多調(diào)速方式中，變頻調(diào)速是應(yīng)用最為高效且廣泛的。

1.1 風(fēng)量Q、風(fēng)壓H、軸功率P與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系

由流體力學(xué)原理可得，引風(fēng)機(jī)采用變頻器調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n降低（或者升高） 至n＇，風(fēng)量Q、風(fēng)壓H和軸功率P分別與n＇/n的一次方、二次方和三次方成正比[2,3]。

1.2 電動(dòng)機(jī)容量計(jì)算

式中：P——風(fēng)機(jī)輸出軸功率；

Q——風(fēng)機(jī)風(fēng)量；

H——風(fēng)機(jī)風(fēng)壓；

ηT——風(fēng)機(jī)的效率；

ηF——傳動(dòng)裝置的效率。

1.3 引風(fēng)機(jī)的節(jié)電方法及節(jié)能原理

1.3.1 采用調(diào)節(jié)入口擋板開(kāi)度方式

引風(fēng)機(jī)入口擋板節(jié)流調(diào)節(jié)：當(dāng)引風(fēng)機(jī)入口擋板開(kāi)度減小時(shí)，雖然風(fēng)量降低（Q1→Q2↓），但風(fēng)壓升高根據(jù)公式可見(jiàn)軸功率P2減小不明顯。

1.3.2 采用變頻調(diào)速模式

引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速模式：根據(jù)改變轉(zhuǎn)速來(lái)控制風(fēng)量，入口擋板處于全部打開(kāi)狀態(tài)，基本無(wú)節(jié)流損耗。大大降低了引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)阻力，從而有效降低引風(fēng)機(jī)的能耗。

2 電氣系統(tǒng)及DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電氣系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì)

每臺(tái)引風(fēng)機(jī)配備1臺(tái)高壓變頻器，其電氣系統(tǒng)原理如圖1所示。

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

為達(dá)到電氣互鎖目的，設(shè)置KM21與KM31一個(gè)雙刀雙擲隔離開(kāi)關(guān)；當(dāng)輸出與輸入接觸器KM21、KM11接通，而KM31斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)旁路接觸器KM31合閘，而輸入和輸出接觸器KM11、KM21斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行。工頻運(yùn)行過(guò)程中，高壓變頻器隔離，便于檢修。若接觸器KM11合閘則將刀閘隔離開(kāi)關(guān)K11鎖定，禁止操作；若接觸器KM21合閘則將刀閘隔離開(kāi)關(guān)K21鎖定，禁止操作。當(dāng)高壓變頻器發(fā)生異常時(shí)，接觸器KM11、KM21被切斷，KM31合閘，使得電機(jī)投入工頻電網(wǎng)定速運(yùn)行。

2.2 DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高壓變頻器既能接受機(jī)組分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system） 的控制指令和參數(shù)設(shè)定，又能反饋其狀態(tài)信號(hào)、運(yùn)行參數(shù)和故障報(bào)警至DCS系統(tǒng)。采用遠(yuǎn)程DCS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟/停高壓變頻器、手/自動(dòng)控制能工程，并顯示當(dāng)前變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。

設(shè)計(jì)DCS與每臺(tái)變頻器之間的I/O信號(hào)至少需配置38個(gè)測(cè)點(diǎn)：其中開(kāi)關(guān)量信號(hào)34個(gè)，模擬量信號(hào)4個(gè)。電廠共3臺(tái)引風(fēng)機(jī)，共需配置114個(gè)測(cè)點(diǎn)。單臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器的具體測(cè)點(diǎn)分配如表1所示。

表1 1臺(tái)引風(fēng)機(jī)變頻器的測(cè)點(diǎn)分配

2.3 變頻器的控制邏輯

2.3.1 引風(fēng)機(jī)高壓變頻器的啟動(dòng)允許條件

引風(fēng)機(jī)高壓變頻器的啟動(dòng)允許條件包括三點(diǎn)：引風(fēng)機(jī)的高壓開(kāi)關(guān)必須合閘；變頻器就地啟動(dòng)準(zhǔn)備就緒；頻率初始設(shè)定值小于額定頻率的0.3倍(防止運(yùn)行誤操作和防止啟動(dòng)時(shí)頻率較高引起爐膛負(fù)壓擾動(dòng))。

2.3.2 高壓變頻器速度自動(dòng)調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)量控制

a） 工頻運(yùn)行時(shí)，引風(fēng)機(jī)主要靠擋板開(kāi)度調(diào)節(jié)，若其投自動(dòng)，則變頻器的轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制將會(huì)閉鎖。

b）當(dāng)指令與反饋偏差高出設(shè)定值 (例如設(shè)置為60%)時(shí)，變頻器將自動(dòng)切除。

c）當(dāng)爐膛負(fù)壓測(cè)點(diǎn)故障，信號(hào)異常時(shí)，變頻器退自動(dòng)。

d） 爐膛負(fù)壓高報(bào)警，延時(shí)3 s，轉(zhuǎn)速減少；爐膛負(fù)壓低報(bào)警，延時(shí)3 s，轉(zhuǎn)速增加。

3 變頻調(diào)速技術(shù)優(yōu)勢(shì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

a）控制電機(jī)啟動(dòng)電流。變頻調(diào)速主要功能是降低引風(fēng)機(jī)啟動(dòng)電流，增加電機(jī)使用年限。

b）可靠保護(hù)。由于變頻器本身具有欠電壓、過(guò)電壓、過(guò)載、過(guò)溫等保護(hù)，故障時(shí)能及時(shí)顯示出故障原因，便于處理。

c） 穩(wěn)定。變頻運(yùn)行期間風(fēng)機(jī)擋板為全開(kāi)狀態(tài)，減少了氣流通過(guò)擋板而造成的節(jié)流損耗及風(fēng)道振動(dòng)，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。

d）降低電力線路電壓波動(dòng)。電機(jī)滿負(fù)荷啟動(dòng)會(huì)拉低供電網(wǎng)絡(luò)電壓，可能導(dǎo)致部分敏感帶電設(shè)備電壓波動(dòng)或者故障異常，變頻調(diào)速降低了啟動(dòng)電壓，有效防止了電力線路電壓波動(dòng)問(wèn)題。

e）節(jié)能。變頻調(diào)速運(yùn)行比工頻運(yùn)行時(shí)的引風(fēng)機(jī)的用電電價(jià)0.65元/(kW·h)，則年節(jié)約費(fèi)用約為：319×0.65=208萬(wàn)元。

通過(guò)節(jié)能計(jì)算分析，引風(fēng)機(jī)變頻改造后，每年節(jié)約費(fèi)用約208萬(wàn)元，該項(xiàng)目投資180萬(wàn)元，可在年內(nèi)收回成本，這對(duì)公司的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。

4 結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)當(dāng)前能源價(jià)格節(jié)節(jié)升高的局勢(shì)，垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組的引風(fēng)機(jī)采用高壓變頻器，不僅能滿足垃圾發(fā)電廠不同工況變化的需求，還能突破目前垃圾電廠的困境，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。高壓變頻器的使用明顯提高了引風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)量的調(diào)節(jié)深度，加強(qiáng)了爐膛壓力調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，保證設(shè)備可靠運(yùn)行，有效地減輕了噪聲污染，在提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，兼顧了節(jié)能環(huán)保效益。

[1] 江承林.高壓變頻器在垃圾焚燒發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)節(jié)能中的應(yīng)用[J].節(jié)能減排，2016(5):80-87.

[2] 陳章偉，陳伯權(quán)，吳雙.變頻技術(shù)在引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造中的應(yīng)用 [J].中國(guó)電力，2009,42(9):70-72.

[3] 胡炫，朱虎，楊志.高壓變頻器在發(fā)電廠引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用與節(jié)能分析 [J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010,37(2):37-39.