垃圾焚燒發(fā)電廠用電剖析及電氣系統(tǒng)節(jié)能措施探討

張 鑫，張會(huì)妍，龍吉生，杜靈亮，孫軼斐

（1.上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703；2.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100083）

1 工程背景概述

目前，某廠商自主投資建設(shè)運(yùn)營的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目達(dá)15 座，項(xiàng)目建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃一般為5～10 a，電氣設(shè)備隨工藝要求配置較大裕量，實(shí)際長期運(yùn)行中電氣設(shè)備處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，并存在一次性投資和廠用電損耗問題。根據(jù)在運(yùn)行項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及電氣設(shè)備負(fù)荷運(yùn)行狀況分析，一次性投資在變壓器和大功率電動(dòng)機(jī)體現(xiàn)明顯，而大功率電動(dòng)機(jī)長期低負(fù)荷運(yùn)行帶來的電量損耗極具代表性。因此，本研究從電氣專業(yè)角度，以變壓器選型及大功率電動(dòng)機(jī)配置變頻調(diào)速的節(jié)能措施為例，論述降低廠用電量、提高上網(wǎng)電量的電氣節(jié)能效果，以期對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠建設(shè)和投運(yùn)的節(jié)能起到一定的指導(dǎo)作用。

2 運(yùn)行狀況及設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)運(yùn)行1～5 a 的5 座類似垃圾焚燒發(fā)電廠2021 年度運(yùn)行數(shù)據(jù)，選取全年單月發(fā)電量最高的月份運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1 所示。

表1 垃圾焚燒發(fā)電廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（單月）Table 1 Statistical data of waste incineration power plant（single month）

3 電能損耗分析方法及計(jì)算

垃圾焚燒發(fā)電廠電氣設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備，電能損耗主要發(fā)生在屬于一次用電設(shè)備的變壓器和電動(dòng)機(jī)設(shè)備上。電氣設(shè)備額定值和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，選擇廠用電率相對(duì)較高的焚燒廠A 項(xiàng)目，在發(fā)電量接近設(shè)計(jì)容量的情況下，分析原設(shè)計(jì)方案及采取節(jié)能措施后的運(yùn)行節(jié)能效果。

3.1 變壓器能效分析

3.1.1 概述

變壓器是一種通過交變的磁通起到變壓目的的電氣設(shè)備，由繞組、鐵芯組成。目前垃圾發(fā)電廠廠用電部分基本使用的是10/0.4 kV 電壓等級(jí)，廠用電系統(tǒng)變壓器選擇為SCB 型干式變壓器。

由于變壓器本身的空載損耗和負(fù)載損耗特性，為了降低用電損耗，應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理地選用變壓器的容量。變壓器容量選擇要以全廠計(jì)算負(fù)載為依據(jù)，適當(dāng)考慮后期項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃用電需求［1］。

變壓器的損失電量由鐵損和銅損兩部分組成。因此，計(jì)算損失電量的同時(shí)，變壓器能效等級(jí)選擇也尤為重要。1 000 kVA 變壓器不同能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電量損耗［2］見圖1，變壓器功率損耗率特性曲線見圖2。

圖1 1 000 kVA 變壓器不同能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電量損耗Figure 1 Standard energy loss for different energy efficiency levels of a 1 000 kVA transformer

圖2 變壓器功率損耗率特性曲線Figure 2 Characteristic curve of transformer power loss rate

由圖1、圖2 可以看出，在變壓器實(shí)際選擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮容量和能效等級(jí)、負(fù)載率和變壓器對(duì)應(yīng)的效率關(guān)系。

3.1.2 變壓器損耗計(jì)算

以鍋爐變壓器為例，計(jì)算變壓器運(yùn)行產(chǎn)生的損耗電量。

鍋爐變壓器實(shí)際運(yùn)行負(fù)載SN2=600 kVA，選擇SCB14-1 000 kVA 型二級(jí)能效干式變壓器，負(fù)載率β1=50%。已知：P11=1.205 kW［2］，Pk1=7.315 kW［2］。則變壓器電量損耗如下：

鐵損P11=1.205 kW；

銅損P12=β12×Pk1

［3］=（50%）2×7.315=1.829 kW；

總損耗P1=P11+P12=1.205+1.829=3.034 kW。

鍋爐變壓器實(shí)際運(yùn)行負(fù)載SN2=600 kVA，選擇SCB12-2 000 kVA 型干式變壓器，負(fù)載率β2＝30%。已知：P21=2.44 kW［2］，Pk2=14.45 kW［2］。則變壓器電量損耗如下：

鐵損P21=2.44 kW；

銅損P22=β22×Pk2

［3］=（30%）2×14.45=1.30 kW；

總損耗P2=P21+P22=2.44+1.30=3.74 kW。

由以上實(shí)例可知，實(shí)際運(yùn)行負(fù)載不變的情況下，使變壓器保持在合理的負(fù)載系數(shù)范圍內(nèi)，變壓器損耗應(yīng)根據(jù)短路損耗和空載損耗綜合計(jì)算，結(jié)合變壓器阻抗百分比不同，實(shí)際變壓器負(fù)載率在50%～70%為最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)［4］。而相同容量的變壓器，能效等級(jí)更高的節(jié)能型變壓器，不僅可降低其鐵損和負(fù)載損耗，同時(shí)也符合國家關(guān)于變壓器能效提升計(jì)劃的要求。

3.1.3 變壓器能效等級(jí)選擇

變壓器能效等級(jí)越高，其空載損耗和負(fù)載損耗就越低。在已建設(shè)運(yùn)營項(xiàng)目中，不便于更換低能耗變壓器的情況下，可采取平衡負(fù)荷分配和并列運(yùn)行等措施，以提高變壓器的負(fù)載率和效率。

3.2 電動(dòng)機(jī)能效分析

3.2.1 概述

垃圾焚燒發(fā)電廠各工藝系統(tǒng)的運(yùn)行離不開電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。在全廠運(yùn)行的設(shè)備中，大功率風(fēng)機(jī)和水泵類具有一定代表性。電動(dòng)機(jī)能否在最經(jīng)濟(jì)合理的方式下運(yùn)行，是影響電動(dòng)機(jī)電能損耗的因素之一。

我國的三相異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)其本身性能，以負(fù)載率為界定劃分3 個(gè)運(yùn)行區(qū)域：經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)載率為70%～100%、一般運(yùn)行區(qū)負(fù)載率為40%～70%、非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)負(fù)載率在40%以下［5］。

三相異步電動(dòng)機(jī)效率和負(fù)載率的關(guān)系如圖3所示，其在不同負(fù)載情況下的功率因數(shù)和效率如表2 所示。

圖3 三相異步電動(dòng)機(jī)效率和負(fù)載率對(duì)應(yīng)曲線Figure 3 Corresponding curve of efficiency and load rate of three phase asynchronous motor

表2 電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載階段運(yùn)行的功率因數(shù)和效率參數(shù)Table 2 Parameter for power factor and efficiency parameter of electric motors in different load stages

3.2.2 電動(dòng)機(jī)損耗計(jì)算

以循環(huán)水泵電動(dòng)機(jī)為例，根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)，電壓10 kV、軸功率280 kW，取η1=0.920、η2=0.875、cosφ2=0.89、η3=0.880、cosφ3=0.85，計(jì)算電動(dòng)機(jī)功率355 kW 和220 kW 時(shí)的電能損耗，驗(yàn)證低負(fù)載運(yùn)行損耗的差值。

電動(dòng)機(jī)輸出功率Pe1=P1/η1=280/0.920=304.35 kW；

電動(dòng)機(jī)輸入功率Pa1=P1/η1/η2=280/0.920/0.875=347.83 kW。

根據(jù)軸功率及機(jī)械效率選擇電動(dòng)機(jī)為355 kW等級(jí)，匹配度合適。但根據(jù)循環(huán)水泵滿載電流為26.5 A，目前最高運(yùn)行電流為13 A。顯然根據(jù)高峰值裕量選擇的電動(dòng)機(jī)容量在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

電 動(dòng) 機(jī) 實(shí) 際 輸 出 功 率Pe2= 3×U×I×cosφ2=1.732×10×13×0.89=200.39 kW。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，選擇電動(dòng)機(jī)為220 kW 作為日常平穩(wěn)運(yùn)行的容量比較合適。

以上計(jì)算可知，選擇355 kW 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)載率為56%、效率為0.850、功率因數(shù)為0.77；而220 kW 電動(dòng)機(jī)、90% 以上負(fù)載率，效率為0.875、功率因數(shù)為0.89。以此計(jì)算兩個(gè)不同功率電動(dòng)機(jī)耗電量。

355 kW 電動(dòng)機(jī)的電網(wǎng)輸入功率Pb1=Pe2/η3=200/0.85=235.3 kW；

220 kW 電動(dòng)機(jī)的電網(wǎng)輸入功率Pb2=Pe2/η3=200/0.875=228.6 kW；

損耗功率為Pb1-Pb2=235.3-228.6=6.7 kW。

根據(jù)以上計(jì)算得出：相較實(shí)際輸出功率200 kW，大部分功率成為無用功返回電網(wǎng)。而真正損耗的有功功率也有近7 kW，其中一部分損耗體現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)本身的銅損和鐵損。

3.2.3 變頻器節(jié)能計(jì)算

項(xiàng)目建設(shè)中，電動(dòng)機(jī)根據(jù)長遠(yuǎn)規(guī)劃和工藝考慮最高峰值作為選擇容量的依據(jù)，而長期低負(fù)荷運(yùn)行無疑會(huì)造成電能損耗。因此，應(yīng)選擇高效節(jié)能型電動(dòng)機(jī)并采取變頻調(diào)節(jié)措施。

本研究基于通用工況下，對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵使用變頻器后的節(jié)能效果進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步分析垃圾發(fā)電廠低負(fù)荷運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的節(jié)能方案。

變頻器節(jié)能計(jì)算應(yīng)基于中心調(diào)速，即最低頻率和額定頻率（50 Hz）的中心值［6］。流量和揚(yáng)程的取值決定風(fēng)機(jī)泵類的能效：流量（Q）與轉(zhuǎn)速（n）成一次方關(guān)系，即Q1/Q2=n1/n2；揚(yáng)程（H）與轉(zhuǎn)速（n）成二次方關(guān)系，即H1/H2=（n1/n2）2；電動(dòng)機(jī)軸功率（P）與轉(zhuǎn)速（n）成三次方關(guān)系，即P1/P2=（n1/n2）3。推導(dǎo)可知，在風(fēng)機(jī)泵類同樣功效需求情況下，變頻器頻率與轉(zhuǎn)速取決于流量和揚(yáng)程的三次方比例關(guān)系。不同流量調(diào)節(jié)方式的風(fēng)機(jī)泵類運(yùn)行工況見圖4。

圖4 不同流量調(diào)節(jié)方式的風(fēng)機(jī)泵類運(yùn)行工況Figure 4 Operating conditions of fan and pump types with different flow regulation methods

項(xiàng)目中3#給水泵電動(dòng)機(jī)400 kW，根據(jù)工藝參數(shù)，實(shí)際運(yùn)行閥門開度最大流量取82%、功率系數(shù)為0.63、效率為0.96。251 kW 實(shí)際運(yùn)行工況下，變頻器節(jié)能效果計(jì)算［7］如下：

工頻運(yùn)行功率Pg=251 kW；

變頻運(yùn)行功率Pb=（251/0.63）×0.823/0.96=228.83 kW；

節(jié)約電功率△P=251-228.8=22.17 kW；

節(jié)電r=22.2/251×100%=8.83%。

3.2.4 電動(dòng)機(jī)及變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

針對(duì)大功率電動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)載情況，以具有代表性的垃圾焚燒廠A 數(shù)據(jù)計(jì)算為基礎(chǔ)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型、功率計(jì)算等運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討節(jié)能降耗的措施。A 廠大功率電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行及變頻器電能降耗投資成本對(duì)比見表3。

表3 A 廠大功率電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行及變頻器電能降耗投資成本對(duì)比Table 3 Comparison of investment costs for actual operation of high power motors and energy consumption reduction of frequency converters in factory A

引風(fēng)機(jī)等電動(dòng)機(jī)已經(jīng)配置變頻調(diào)速裝置，不進(jìn)行節(jié)能改造效果的論證；給水泵及循環(huán)泵電動(dòng)機(jī)可根據(jù)實(shí)際情況考慮變頻器補(bǔ)償，補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)自身損耗的同時(shí)，更多地降低工藝運(yùn)行損耗。

4 成本經(jīng)濟(jì)分析

A 廠變頻器投資成本核算：電價(jià)按0.65 元/kWh計(jì)，年運(yùn)行8 000 h。則年節(jié)約電能金額為89.4×0.65×8 000=46.488 萬元，投資成本回收時(shí)間為95/46.488=2.04 a。

根據(jù)A 廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，大部分電動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行，功率損耗不可忽視。更換為變頻器調(diào)節(jié)方式后，從項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)投入和項(xiàng)目運(yùn)行的長期損耗來分析，節(jié)能結(jié)果如表4 所示。

表4 電動(dòng)機(jī)采取變頻節(jié)能措施的回報(bào)時(shí)間Table 4 The return time for frequency conversion energy-saving measures taken by electric motors

根據(jù)表4 統(tǒng)計(jì)可以看出，雖然電氣設(shè)備單臺(tái)損耗不明顯，但疊加到全廠電動(dòng)機(jī)負(fù)載、變壓器所供電的負(fù)載統(tǒng)計(jì)并疊加到年度，其數(shù)值還是可觀的。

5 廠用電量控制及節(jié)能措施

目前變壓器和電動(dòng)機(jī)選型的容量是滿足項(xiàng)目實(shí)際需求的，另外考慮建設(shè)資金的投入，選擇性價(jià)比高的三級(jí)能效變壓器和工頻電動(dòng)機(jī)，雖然可以節(jié)省投入資金，但是從項(xiàng)目運(yùn)營方面來看，設(shè)備消耗的電量也相應(yīng)增加。

根據(jù)分析，針對(duì)低負(fù)荷運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，通過增加投資和降耗以節(jié)約資金的對(duì)比，已運(yùn)行項(xiàng)目首選增加變頻器節(jié)能的方式來達(dá)到降低損耗的目標(biāo)；在建項(xiàng)目則選擇配置高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)及變壓器以節(jié)能降耗。主要節(jié)能措施如下：

1）容量選擇。項(xiàng)目建設(shè)階段，根據(jù)高效節(jié)能型電動(dòng)機(jī)和變壓器超載能力的特性和經(jīng)濟(jì)性價(jià)比，合理選擇設(shè)備容量、型號(hào)和能效等級(jí)。

2）設(shè)備選型。核算經(jīng)濟(jì)成本和運(yùn)行節(jié)能成本，合理選用節(jié)能設(shè)備，提高設(shè)備運(yùn)行的功率因數(shù)及效率。

3）負(fù)載分配。對(duì)工作段的負(fù)載進(jìn)行分配調(diào)整，保持變壓器50%～70% 負(fù)載率的最佳運(yùn)行狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載率在70%以上時(shí)跟蹤調(diào)配。

4）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，盡量使工頻電動(dòng)機(jī)負(fù)載接近滿載，通過變頻調(diào)整補(bǔ)充，同樣可以彌補(bǔ)低負(fù)載運(yùn)行帶來的損耗。

6 結(jié)論

目前在項(xiàng)目發(fā)電效率達(dá)到遠(yuǎn)期目標(biāo)前，機(jī)組、工藝及電氣設(shè)備長期低負(fù)荷運(yùn)行狀況成為常態(tài)，從而不可避免地存在一次性投資和長期廠用電損耗過高（高于實(shí)際需要）問題。電氣系統(tǒng)的優(yōu)化作為垃圾發(fā)電廠節(jié)能降耗的有效措施之一，通過選擇合適容量的節(jié)能型變壓器及大功率電動(dòng)機(jī)配置變頻調(diào)速，可達(dá)到節(jié)能降耗、降低廠用電量、提高上網(wǎng)電量的目標(biāo)，同時(shí)對(duì)垃圾焚燒發(fā)電廠的建設(shè)起到一定的指導(dǎo)作用。

7 建議及展望

1）方案設(shè)計(jì)方面：電動(dòng)機(jī)功率選擇，使電動(dòng)機(jī)功率保持在高效運(yùn)行范圍內(nèi)，合理設(shè)置臺(tái)數(shù)、容量，采用變頻調(diào)速技術(shù)等；變壓器容量選擇，使變壓器負(fù)載率在合理范圍內(nèi)。

2）設(shè)備選型方面：選擇高效節(jié)能型變壓器及電動(dòng)機(jī)，提高設(shè)備運(yùn)行效率。

3）負(fù)荷分配方面：合理分配不同工作段的負(fù)荷，針對(duì)大容量變壓器，保持50%～70% 的負(fù)載率，70%以上狀態(tài)隨時(shí)跟蹤調(diào)配。

4）運(yùn)行調(diào)節(jié)方面：根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整運(yùn)行方案，盡量使得工頻電機(jī)負(fù)荷接近滿載，變頻電機(jī)作調(diào)節(jié)補(bǔ)充。