LED照明及其控制方式在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用

侯 婕, 焦見杰

(中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司, 北京 100120)

0 引 言

近年來,隨著經(jīng)濟的不斷增長和人們環(huán)保意識的不斷加強,城市對生活垃圾的處理日益重視,垃圾焚燒發(fā)電廠發(fā)展迅速,在處理城市生活垃圾中發(fā)揮著巨大作用。垃圾焚燒爐產(chǎn)生的余熱發(fā)電除電廠自用外,盈余部分并入地區(qū)電力網(wǎng),具有可觀的經(jīng)濟收益和一定的社會價值[1-2]。

節(jié)能是我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針,發(fā)電廠要實現(xiàn)這一目標(biāo),減少廠用電率是有效的方法之一。半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)光源將電能直接轉(zhuǎn)化為光能,轉(zhuǎn)化效率高,耗電量低,只需要3～6 W就可達到白熾燈30～50 W燈具的光效,使用壽命最長可達50 000 h。垃圾焚燒發(fā)電廠照明設(shè)計中采用LED光源,對改善人員的工作環(huán)境,提高工作效率和經(jīng)濟效益都有著積極的意義。

1 LED照明的特點

目前,白光LED燈大多是用藍光LED激發(fā)黃色熒光粉發(fā)出白光的。近20年來LED光源技術(shù)發(fā)展很快,產(chǎn)品價格下降的同時光效不斷提高,故應(yīng)用越來越廣泛。

1.1 LED光源的優(yōu)勢

(1) 發(fā)光效率高。目前整燈光效普遍達到60～120 lm/W,同樣照度水平的情況下,理論上不到白熾燈能耗的10%,與熒光燈相比也可達到30%～50%的節(jié)能效果。LED燈光效高、能耗低的特性為其在垃圾焚燒發(fā)電廠的適應(yīng)性奠定良好的基礎(chǔ)。

(2) 寬電壓能力與交直流電壓通用能力?？紤]歐美國家與我國的市電頻率不同,LED燈具備可隨正向壓降值變化而改變電壓的恒定電流源,即寬電壓特性,使其能夠適應(yīng)85～265 V內(nèi)的電壓,不會隨著電壓的浮動變化而損壞燈具。LED燈具對電壓的適應(yīng)能力很強,在垃圾焚燒發(fā)電廠電壓波動大的情況下也能夠正常工作。此外直接電阻降壓型LED光源還具備交直流電壓通用能力。

(3) 結(jié)構(gòu)與特性。LED光源為環(huán)氧樹脂包裹結(jié)構(gòu),無需將燈管抽為真空或注入惰性氣體,體積小,抗震抗沖擊,不易破碎,屬定向發(fā)光,便于燈具配套和提高燈具效率;光譜中不存在紅外線,溫升小,可以直接觸摸。大功率單個LED光源工作電壓僅為3.2 V,選擇輸入電壓靈活。LED光源啟動快,無頻閃,響應(yīng)時間在μs級別,白色光源顯色指數(shù)可達75～80;能夠快速點亮,重復(fù)啟動光源不需要冷卻,適宜選用為焚燒發(fā)電廠應(yīng)急照明燈具。

(4) 可控性與使用壽命。LED光源控制器件為光電轉(zhuǎn)化時間很短的電流型控制器,控制額定參數(shù)范圍內(nèi)的不同電流,調(diào)光方便,可結(jié)合控制技術(shù)、通信技術(shù)實現(xiàn)自動調(diào)光,適用于智能照明系統(tǒng)。目前,半導(dǎo)體器件PN結(jié)的理論壽命可達到106h。LED光源為全固態(tài)發(fā)光體,不含有害元素,可回收利用,為典型的綠色照明光源。

1.2 LED光源的缺點

(1) 顏色、眩光與衰減問題。目前實際LED產(chǎn)品的發(fā)光效率普遍在100 lm/W以內(nèi),實際發(fā)光效率與預(yù)期理論值差距較大。顏色質(zhì)量不盡如人意,部分產(chǎn)品色溫偏高,顯色指數(shù)Ra偏低,色容差和色偏差較大。

LED光源藍光多、黃光少、亮度高,容易導(dǎo)致眩光,色溫超過4 000 K的LED燈具存在藍光溢出問題,長期使用會對視網(wǎng)膜造成危害。LED燈具的高效率是建立在高色溫的基礎(chǔ)上,色溫越高,發(fā)光效率越高。低色溫高效率的LED燈具可通過改變電流來調(diào)整發(fā)光效能。例如在指定的分組電流下采用130 lm/W發(fā)光效能的LED光源,工作電流降低40%,會使發(fā)光效率提高20%,達到156 lm/W;如果工作電流增加140%,光效降低10%,為117 lm/W。LED光源芯片的散熱不良,導(dǎo)致芯片衰減加劇。例如采用14 mil白光段芯片,用普通環(huán)氧樹脂封裝的LED白燈,在30°的環(huán)境下單顆點亮,1 000 h后光衰降低70%;如采用品質(zhì)高的C類低衰膠水封裝,1 000 h后光衰可以降低12%。

(2) 散熱性與穿透性。LED芯片工作時所加的電能僅30%左右會被轉(zhuǎn)換成光能,其余電能以熱傳導(dǎo)方式散發(fā),因此散熱問題突出,光電轉(zhuǎn)換能力待提高。散熱問題導(dǎo)致LED光輸出能力降低,芯片加快老化,色溫停留在高區(qū)間,穿透能力減弱。按照瑞利散射和米德拜散射的使用范圍,波長與小于可見光波長的顆粒散射有關(guān),白光波長短于黃光波長,因而LED光源的穿透能力低于高壓鈉燈。

(3) 驅(qū)動裝置與抗干擾性。驅(qū)動裝置等附屬件的壽命影響LED光源的整體使用壽命。LED光源的恒流性驅(qū)動裝置具備防電涌、防沖擊和防過熱等多項保護功能。但驅(qū)動裝置等附屬件增加電路的元器件數(shù)量,從而降低可靠性,影響使用壽命。且LED光源抗強電磁場及雷電干擾能力不足,容易損壞驅(qū)動電路。

(4) 價格與標(biāo)準(zhǔn)化。LED 照明一次性投入大,成本高,行業(yè)內(nèi)缺乏有效統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)品更新?lián)Q代速度快,兼容性不佳。

1.3 LED照明與常規(guī)照明的對比

垃圾焚燒發(fā)電廠照明環(huán)境復(fù)雜,不同的工作環(huán)境對照度、色溫、眩光、顯色性、方向性和穿透性有不同的要求。LED與傳統(tǒng)光源的照明性能對比如表1所示。

表1 LED燈與傳統(tǒng)光源的照明性能對比

對LED燈具與常規(guī)燈具的特性進行對比分析,LED光源在垃圾焚燒發(fā)電廠的適應(yīng)性如表2所示。

表2 LED光源在垃圾焚燒發(fā)電廠的適應(yīng)性

1.4 垃圾焚燒發(fā)電廠選擇LED光源的技術(shù)要求

垃圾焚燒發(fā)電廠選用的LED燈具應(yīng)符合下列要求:顯色指數(shù)Ra不應(yīng)小于80;同類光源的色容差不應(yīng)超過5 SDCM;特殊顯色指數(shù)R9(飽和紅色)<0;色溫不宜高于4 000 K;壽命期內(nèi)的色偏差不應(yīng)超過0.007;不同方向的色偏差不應(yīng)超過0.004;燈具宜有漫射罩或有不小于30°的遮光角;當(dāng)功率>25 W時,功率因數(shù)≥0.9,當(dāng)5 W≤功率<25 W時,功率因數(shù)≥0.7;燈具使用壽命不應(yīng)低于25 000 h。

2 LED照明在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用

設(shè)計合理、科學(xué)的照明系統(tǒng)對垃圾焚燒發(fā)電廠的正常運行有重要影響。焚燒廠的照明系統(tǒng)按功能分為正常照明和應(yīng)急照明[3-4]。

垃圾焚燒發(fā)電廠內(nèi)正常照明的設(shè)計重點為包含焚燒鍋爐、汽輪發(fā)電機、垃圾卸料、給料、煙氣凈化、空壓站及化學(xué)水處理等絕大部分工藝系統(tǒng)廠房。由于垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境的特殊,設(shè)計中應(yīng)根據(jù)房間性質(zhì)與使用環(huán)境的要求,選擇效率高、壽命長的光源。對于焚燒間、卸料平臺等高大場所,目前設(shè)計中仍考慮選用無極燈、金屬鹵化物燈;辦公會議場所、高低壓配電間、各類控制室以及接待大廳、門廳、走廊、樓梯間等場所選用LED燈具;室外道路也采用LED燈具。

應(yīng)急照明又包括備用照明、疏散照明和安全照明,應(yīng)使用能快速點亮的燈具。備用照明設(shè)置于空壓機間、化學(xué)水處理車間、主變室、焚燒間、汽機間、設(shè)備平臺等處,確保生產(chǎn)正常運行。疏散照明用于確保疏散通道被有效地辨認(rèn)和使用。應(yīng)急備用照明電源進線引自主控應(yīng)急照明切換屏,平時由交流電供電,交流失電時自動切換至直流220 V供電。

2.1 LED光源對垃圾焚燒發(fā)電廠運行環(huán)境的適應(yīng)性

LED光源在進行燈具防水設(shè)計時不受發(fā)熱的限制,容易實現(xiàn)較高的防護等級。由于LED光源的發(fā)熱量低,工作溫度遠低于傳統(tǒng)光源,可直接觸摸,對爆炸性環(huán)境的影響很小。此外,爆炸性環(huán)境也很難影響LED的固體密封結(jié)構(gòu)。LED內(nèi)部結(jié)構(gòu)中無危害健康的元素,燈具掉落或破碎,對人體和環(huán)境造成的影響也很小,因而具備優(yōu)良的安全性?；贚ED光源所具備的這些有利特性,在垃圾焚燒發(fā)電廠清潔、無吊頂對高美觀性無要求的房間,如各類配電間、控制間可選擇開敞式LED燈具;在煙氣凈化間、尾氣處理間等多塵潮濕、有腐蝕、環(huán)境較惡劣的房間,應(yīng)采用帶透光性能好的透光罩型LED燈具,以保證較高的光效率;汽機廠房、空壓機間等場所,選用直接型或半直接型配光LED燈具[5-6]。

LED光源在高場強環(huán)境中性能較差,使用壽命大大降低。因此,需要做好燈具的屏蔽措施。LED的光效相較熒光燈并不高,低于高壓鈉燈,因此照度要求高的場所不具備明顯的優(yōu)勢。LED光源較高的色溫以及較強的眩光性,長時間容易引起視覺疲勞,因此比較適用于工作人員不會長時間停留的場所?？紤]到LED光源高眩光性等特點,在垃圾焚燒發(fā)電廠的汽機廠房、卸料平臺、化學(xué)水處理間等高大生產(chǎn)性廠房中應(yīng)選用金屬鹵化物燈、無極燈,不宜選用LED燈具。眩光主要有直接眩光、間接眩光、對比眩光3種形式。垃圾焚燒發(fā)電廠主要為直接眩光,可采用限制光源高度,在燈具上設(shè)制合理的保護角,采用磨砂透光材料等辦法來解決眩光問題。

2.2 LED光源對垃圾焚燒發(fā)電廠照明控制方式的適應(yīng)性

垃圾焚燒發(fā)電廠照明控制采用集中控制與分散控制相結(jié)合。道路照明通常采用光控和時控相結(jié)合的控制方式,并保留手動控制功能。路燈照明控制箱一般設(shè)置在門衛(wèi)室或其他有專人值班的房間內(nèi)。根據(jù)應(yīng)用場合的不同,焚燒發(fā)電廠照明控制方式又可分為調(diào)光控制、頻繁開關(guān)、常明不滅及偶爾開關(guān)。LED光源調(diào)光靈活,諧波干擾小,相比其他類燈具,能耗較低,使其對垃圾焚燒發(fā)電廠的控制方式適應(yīng)性很強,能克服傳統(tǒng)光源的缺點,實現(xiàn)不間斷切換[7]。

在焚燒發(fā)電廠主廠房的高大空間,如焚燒間、余熱鍋爐本體、汽機間、垃圾池、 卸料平臺、化學(xué)水處理間,宜采用照明集中控制的方式,可根據(jù)電廠工作人員的常規(guī)檢修路線,將照明開關(guān)布置在工作人員的主要入口處。室內(nèi)環(huán)境較好的區(qū)域,如辦公室、會議室等視覺要求較高,人員活動比較多的區(qū)域,一般設(shè)置普通翹板開關(guān)對燈具進行分組控制,將開關(guān)設(shè)置在房間進出口位置。公共場所如狹長的走廊、過道等區(qū)域一般會有兩個出入口,宜設(shè)置一組雙控開關(guān),用于點亮燈具。走廊和過道采用半照度照明,燈具的點亮控制可采用間隔點亮的控制方式,設(shè)兩組雙控開關(guān)進行控制。

焚燒發(fā)電廠戶外道路照明可采用光控或時控的控制方式。道路照明控制箱設(shè)于有人值班的門衛(wèi)室進行集中控制,必要時可通過手動方式強制點亮。自動照明控制方式為減少無效照明時間,要根據(jù)室外實際照明情況進行點亮,其控制方式有兩種,第一種方式是利用光敏裝置自動發(fā)出指令,控制照明燈具電路的通斷;另一種是利用智能時間控制裝置在設(shè)定的時間內(nèi)通斷室外照明回路。這兩種方式各有利弊,智能時間控制裝置無法分辨因天氣變化而引起的自然光照強度的差別,但可避免光敏探頭因自然沉降于表面的污穢而引起的裝置誤啟動。

3 LED照明在實際垃圾焚燒電廠項目中的應(yīng)用分析

某垃圾焚燒發(fā)電廠設(shè)置4臺垃圾焚燒爐和2臺汽輪發(fā)電機組以及配套設(shè)施。1號主廠房主體層數(shù)為單層,局部2層、4層、5層、6層。該廠房共設(shè)7個防火分區(qū):卸料平臺、垃圾池及多層附跨設(shè)1個防火分區(qū),焚燒間、煙氣凈化間及多層附跨設(shè)1個防火分區(qū),升壓站設(shè)1個防火分區(qū),主控廠房每層設(shè)1個防火分區(qū),汽機廠房設(shè)1個防火分區(qū)。

主廠房的一般照明按三級照明負荷供電,照明電源箱進線引自各區(qū)域內(nèi)的照明、通風(fēng)電機控制中心(MCC)。爐前配電間及焚燒線配電室的照明為二級負荷,采用雙電源末端互投的照明配電箱供電,其照明配電箱的電源分別引自各區(qū)域內(nèi)的照明、通風(fēng)MCC和廠區(qū)保安段。廠房內(nèi)部采用TN-S系統(tǒng),自帶蓄電池的應(yīng)急照明燈具。主廠房的應(yīng)急備用照明按Ⅱ類負荷供電,電源進線引自主控應(yīng)急照明切換屏,平時由交流電供電,當(dāng)無交流電時自動切換至直流220 V供電。

建筑物采用LED燈具及電磁感應(yīng)無極節(jié)能燈具。LED燈具要求配置漫射罩或采用其他限制眩光的措施,3次諧波電流不得超過30%,選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求的高效率燈具。在人員長期工作或停留的房間或場所,采用色溫小于4 000 K的LED燈具。

3.1 LED照明的經(jīng)濟性分析

以該垃圾焚燒發(fā)電廠卸料平臺為例,對LED光源和無極燈的節(jié)能效果及經(jīng)濟性進行比較。垃圾卸料平臺采用網(wǎng)架下弦點0.5 m均勻懸掛照明燈具的安裝方式,參考工作面的平均照度為100 lx。如房間采用150 W LED燈具,則需36盞,如采用250 W的無極燈,則需要27盞。對采用LED燈具和無極燈進行經(jīng)濟性比較,設(shè)定條件如下:LED燈每盞500元,壽命5.7年,每年5.0%折舊費;無極燈每盞395元,使用壽命5.0年,每年12.5%折舊費,暫不計算利息。燈具的年利用小時數(shù)按3 500 h計算,使用電價按垃圾焚燒發(fā)電廠的標(biāo)桿上網(wǎng)電價0.65元/kWh計算(鎮(zhèn)流器等附件按光源功率的10%考慮)。LED燈具與無極燈的年使用費用比較如表3所示。

表3 LED燈具與無極燈的年使用費用比較

對垃圾卸料平臺的照明光源進行經(jīng)濟比較分析。假設(shè)燈具使用5年后,LED燈投資為[18 000+(12 285+900)×5]元=83 925元,無極燈投資為[10 665+(15 365+1 908)×5]元=97 030元?？梢钥闯?該垃圾焚燒發(fā)電廠在采用LED燈具后,雖然初始投資相對會有增加,但將所有燈具的節(jié)能及后期效益都考慮進去,若干年后LED燈具帶來的照明節(jié)能費用非?？捎^。

從以上分析可知,LED燈的一次投資遠高于無極燈,但從全壽命周期成本的角度出發(fā),LED燈具的經(jīng)濟性更優(yōu)。隨著LED技術(shù)日漸成熟,LED燈成本會進一步下降,發(fā)光效率及壽命如能進一步提高,經(jīng)濟性將更加明顯。

3.2 照明控制方式分析

該項目依照電廠工作人員的常規(guī)檢修路線設(shè)置照明集中控制,將焚燒間、卸料大廳、各層設(shè)備平臺等場所的照明開關(guān)集中布置在工作人員巡檢的6 m平臺入口處,巡檢開始時統(tǒng)一開啟這些場所的照明,巡檢結(jié)束再統(tǒng)一關(guān)閉。辦公室、各類控制配電間、接待大廳等人員活動多的場所,仍將普通翹板開關(guān)設(shè)置在房間進出口處,分組控制燈具。另外,參觀走廊、過道等場所設(shè)置一組雙控開關(guān),方便出入口點亮燈具。

4 結(jié) 語

垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境復(fù)雜多樣,對照明的要求相對較高。從光源技術(shù)特點、對電廠環(huán)境的適應(yīng)性、照明燈具的經(jīng)濟性等方面對LED照明在垃圾焚燒發(fā)電廠的應(yīng)用進行分析。結(jié)果表明,LED照明設(shè)備在具有較高照明情況下能夠節(jié)省總成本投入,具有較大經(jīng)濟和社會效益,能在一定程度上幫助電廠節(jié)省資金投入。

收稿日期：2018-05-10