高压变频器在垃圾焚烧发电厂引风机节能中的运用分析

朱展翔 汤森垲

（中国联合工程有限公司）

0 引言

垃圾燃烧发电是以生活垃圾燃烧废热为主要能源的一种新型产业，它是由政府主导的一种新型产业。这不仅可以解决垃圾对环境造成污染的问题，还可以提升当地居民的生活品质，将能量转化成发电利润和资源，并提供工作岗位。垃圾焚烧发电的重要耗能装置包括引风机，由于其工作频率不变，其输出功率全靠导叶调整，节流损失较大，导致巨大的能量浪费。在6kV 以上的高电压电机的带动下，使用高压变频器对电机的工作性能和能耗都有很大的帮助。

1 引风机变频调速节能的原理

在国外，垃圾燃烧是发电厂一种广泛使用的发电技术，其技术也比较成熟。但是我国在这方面受到了许多的限制，而且各个区域的垃圾种类都不一样，因此使用的焚烧技术也有很大的差异。不过，在主要的过程和技术上并没有太大的区别。该工程旨在实现生活垃圾的无害化、减量化和资源化。生活垃圾被送入焚烧炉后，经过干燥、燃烧和燃烬，腐烂的有机质被燃烧转化为无机盐，致病菌被高温杀死。在燃烧过程中，利用DCS 系统和自动燃烧控制系统，对废物的燃烧状态进行监控，并根据需要调整炉排的工作速率［1］。在垃圾焚烧工厂中，电力的生产主要来自于垃圾焚烧所发出的热能，在垃圾燃烧过程中会生成很多的高温烟雾，这些烟雾通过废热锅炉转化为热蒸汽，并持续驱动汽轮机以更快的速度运转，从而产生更多的电力。在废热锅炉中，对垃圾焚烧所发出的热量进行了回收，从而生成6.4 MPa、450℃的过热蒸汽，供汽轮机发电。所生产的电能除了提供给工厂自己使用之外，还提供给电网。

引风机变频调速节能的原理是通过调节电机的供电频率和电压，来改变电机转速和输出功率，具体而言，在要求减载的情况下，可通过分阶段减小电动机的电源电压和电源频率，减小电动机的输出转矩，达到减载的目的。相反地，在需加大引风机负荷时，可通过逐渐地增加电源频率及电压，来加大电机的输出转矩，进而提升引风机的速度。采用变频调速技术对引风机进行节能，可以达到如下两种目的：一是通过调节引风机的电源频率、电压，使其工作在有效范围内，也就是最高效率点附近。从而避免了在空载状态下高功耗区的引风机的工作，造成电力的浪费；并且在高负荷下，避免了低效区的能耗和热量的损耗。可见，采用变频器控制，可以达到节能降耗的目的［2］。二是提高了效率。通过变频控制，可将风机保持在最优工作状态，也就是在最小负载与最大效率点之间波动。从而使整个引风器的效率得到提高，从而达到节能降耗的目的。总之，采用变频器控制引风机的速度，可以达到降低能耗，提高效率，减少对环境污染的目的。

引风机在风量和流量控制过程中主要是利用挡板和液耦，在实际运行过程中很容易浪费能源，当前主要是通过调节电机转速发挥出节能作用，在调速过程中变频调速方式使用频率比较高［3］。

（1）风量Q、风压H、轴功率P与转速n的关系

根据流体力学原理，利用变频器调节引风机，风机转速由n降低/升高到n，风量Q和n/n的一次方程成正比，风压H和n/n二次方程正比，轴功率P和n/n三次方成正比。

（2）电动机容量计算

P=Q×H/（ηTηF）。其中P代表风机输出轴功率；Q代表风机风量；H代表风机风压；ηT 代表风机效率，ηF代表传统装置效率。

（3）引风机节电方法和节能原理

1）调节入口挡板开度方式

引风机入口挡板节流调节：减小引风机入口挡板开度，虽然降低了风量（Q1Q2），但是升高风压（H1H2），根据公式P=Q2H2，可以确定轴功率P2 减小情况并不是显著的。

2）利用变频调速模式

通过改变转速，对于风量实施控制，全部打开入口挡板，不会产生节流损耗。引风机系统阻力因此降低，引风机的能耗因此降低。

2 电气系统及DCS 控制系统设计

2.1 电气系统主回路设计

电气系统主回路设计是将发电机、变压器、开关设备、电缆等主要设备连接在一起，构成一个完整的电路，从而为电力系统提供电能。下面是电力系统主要电路的总体设计过程。负载要求：依据电力设备种类、数量及电力要求，计算出系统所需要的主要线路的容量。机组选型：依据负载及网压的需要，选用适当的机组，确定机组的额定功率及启动电流。变压器的设计：依据机组的工作特性及负荷要求，选用适当的变压器，并对其进行功率及短路阻抗的计算［4］。切换装置的设计：依据负载及电网的需要，选取适当的切换装置，并对其额定及短路能力进行分析。线缆的设计：依据负载要求及线缆的长短，选用适当的线缆类型及线缆断面面积，并进行标称电流容量的计算。画电力系统主回路图：把发电机、变压器、开关设备和电缆等重要设备结合起来，构成一个完全的电力系统主回路。进行电力主回路的仿真：利用电力仿真软件，对电力系统的主要线路进行了仿真与分析，以确定其能否达到负载的需要以及对电网的电压的需要。在模拟计算的基础上，提出了一种新的电力系统主电路结构，并对其进行了改进。在电力系统中，主电路的设计涉及到许多方面，如负荷变化、电网电压波动、故障等。在电力系统中，主要线路的设计应严格按照有关规定进行。

在引风机中配置高压变频器，电气系统原理图如图1 所示。

图1 带工频旁路的引风机“一拖一”变频调速方案电气系统图

在KM21 和KM31 之间设有一个双极性和两个投射断路器，实现了电互锁；在通过KM21 和KM11 的输入接点的情况下，在KM31 的关闭的情况下，电动机以频率变化的方式工作；当旁路接触器KM31 闭锁，而在输入接触器KM11 和输出接触器KM21 闭锁时，电动机以工作频率工作。在工作状态下，可将高电压变换器与电源隔离，提高维修工作的便利性。如果接触器KM11 闭合，就会将断路器断路开关K11 锁住，不能使用；当接触器KM21 闭合时，切断断路器K21 闭锁，不能使用。在高电压变换装置出现故障的情况下，将KM11 和KM21 的触点断开，而将KM31 的触点闭合，从而使电动机进入到一个固定速度的工作频率网络中［5］。

2.2 DCS 控制系统设计

高压变频器可以从单元分散控制系统（DCS）中接收到控制命令和参数设置，也可以将状态信号、操作参数以及故障警报反馈给DCS。利用遥控DCS，可以对变频器进行遥控启动/关闭，手动/自动等操作，以及对变频器目前的工作状况进行实时监控。在DCS 与各变换器间的输入输出端，需要设置38 个测量点，包括34 个切换量和4 个模拟量。火力发电厂共有3 个导流器，需要布设114 个观测站。各单机变频调速装置的测量点位分布见下表。

表1 1台引风机变频器的测点分配

2.3 变频器的控制逻辑

1）引风机高压变频器启动允许条件

引流式变频调速装置的启动容许条件有三：一是引流式变频调速装置的高压开关要闭合；变频调速装置可实现现场启动；初始频率不能超过额定频率的0.3 倍（为了避免运行中出现错误，同时也为了避免在高频率的情况下产生炉内负压的干扰）。

2）高压变频器速度自动调节的开关量控制

① 在工频工作状态下，导风箱的调整主要取决于导风箱的开启程度，如果导风箱开启自动，那么变频器的自动调速就会被锁定。② 在命令相对于反馈的偏离比设置更高的情况下，该频率转换器将被自动切断，比如，设置在60%以上［6］。③ 在熔炉负压测点处发生故障和不正常的信号的情况下，变换器回路。④ 在延迟3s 并且降低速度的情况下，炉内负压高警报；炉内负压过低，时间延迟3s，提高速度。

3 变频调速技术优势及经济效益分析

（一）对电机的启动电流进行控制。变频器的主要作用是减小风扇的起动电流，延长电动机的寿命。（二）具有可靠性的防护。同时，变频调速装置还具有欠压、过压、过载和超温等多种安全装置，在发生事故的时候，能够很好地反映出发生事故的原因，从而方便了对事故的处置［7］。（三）稳定性。在变频器运转时，风扇的遮光罩处于完全打开的状况，可降低因空气流经遮光罩而引起的节流损失和风管震动，增加运转的平稳性。（四）减少输电线路的电压起伏。电机在进行满负载启动的时候，会对供电网络的电压造成较低的影响，这就会造成一些敏感带电设备的电压波动，甚至出现故障的情况。但是，通过使用变频调速，可以大大地降低起动电压，从而有效地避免了电力线路的电压波动问题。（五）节约能源。在变频调速运行的情况下，与在工频运行时的引风机相比，可以节省较多的电费，这对公司的长期发展来说，会带来很大的经济效益［8］。

4 结束语

在当今能源成本不断攀升的情况下，将高压变频器应用于垃圾焚烧发电机组，既可以适应其多变的运行状态，又可以打破现有的垃圾发电系统的困境，达到降低能耗的目的。在应用高压变频器的过程中，有利于引风机更好的调节风量，同时可以快速调节炉膛压力，保障设备运行的可靠性和安全性，而且还可以有效地降低了噪声污染，从而在提升企业经济效益的同时，还兼顾了节约和环保的利益。