LED照明及其控制方式在垃圾焚烧发电厂的应用

侯 婕, 焦见杰

(中国航空规划设计研究总院有限公司, 北京 100120)

0 引 言

近年来,随着经济的不断增长和人们环保意识的不断加强,城市对生活垃圾的处理日益重视,垃圾焚烧发电厂发展迅速,在处理城市生活垃圾中发挥着巨大作用。垃圾焚烧炉产生的余热发电除电厂自用外,盈余部分并入地区电力网,具有可观的经济收益和一定的社会价值[1-2]。

节能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针,发电厂要实现这一目标,减少厂用电率是有效的方法之一。半导体发光二极管(LED)光源将电能直接转化为光能,转化效率高,耗电量低,只需要3～6 W就可达到白炽灯30～50 W灯具的光效,使用寿命最长可达50 000 h。垃圾焚烧发电厂照明设计中采用LED光源,对改善人员的工作环境,提高工作效率和经济效益都有着积极的意义。

1 LED照明的特点

目前,白光LED灯大多是用蓝光LED激发黄色荧光粉发出白光的。近20年来LED光源技术发展很快,产品价格下降的同时光效不断提高,故应用越来越广泛。

1.1 LED光源的优势

(1) 发光效率高。目前整灯光效普遍达到60～120 lm/W,同样照度水平的情况下,理论上不到白炽灯能耗的10%,与荧光灯相比也可达到30%～50%的节能效果。LED灯光效高、能耗低的特性为其在垃圾焚烧发电厂的适应性奠定良好的基础。

(2) 宽电压能力与交直流电压通用能力。考虑欧美国家与我国的市电频率不同,LED灯具备可随正向压降值变化而改变电压的恒定电流源,即宽电压特性,使其能够适应85～265 V内的电压,不会随着电压的浮动变化而损坏灯具。LED灯具对电压的适应能力很强,在垃圾焚烧发电厂电压波动大的情况下也能够正常工作。此外直接电阻降压型LED光源还具备交直流电压通用能力。

(3) 结构与特性。LED光源为环氧树脂包裹结构,无需将灯管抽为真空或注入惰性气体,体积小,抗震抗冲击,不易破碎,属定向发光,便于灯具配套和提高灯具效率;光谱中不存在红外线,温升小,可以直接触摸。大功率单个LED光源工作电压仅为3.2 V,选择输入电压灵活。LED光源启动快,无频闪,响应时间在μs级别,白色光源显色指数可达75～80;能够快速点亮,重复启动光源不需要冷却,适宜选用为焚烧发电厂应急照明灯具。

(4) 可控性与使用寿命。LED光源控制器件为光电转化时间很短的电流型控制器,控制额定参数范围内的不同电流,调光方便,可结合控制技术、通信技术实现自动调光,适用于智能照明系统。目前,半导体器件PN结的理论寿命可达到106h。LED光源为全固态发光体,不含有害元素,可回收利用,为典型的绿色照明光源。

1.2 LED光源的缺点

(1) 颜色、眩光与衰减问题。目前实际LED产品的发光效率普遍在100 lm/W以内,实际发光效率与预期理论值差距较大。颜色质量不尽如人意,部分产品色温偏高,显色指数Ra偏低,色容差和色偏差较大。

LED光源蓝光多、黄光少、亮度高,容易导致眩光,色温超过4 000 K的LED灯具存在蓝光溢出问题,长期使用会对视网膜造成危害。LED灯具的高效率是建立在高色温的基础上,色温越高,发光效率越高。低色温高效率的LED灯具可通过改变电流来调整发光效能。例如在指定的分组电流下采用130 lm/W发光效能的LED光源,工作电流降低40%,会使发光效率提高20%,达到156 lm/W;如果工作电流增加140%,光效降低10%,为117 lm/W。LED光源芯片的散热不良,导致芯片衰减加剧。例如采用14 mil白光段芯片,用普通环氧树脂封装的LED白灯,在30°的环境下单颗点亮,1 000 h后光衰降低70%;如采用品质高的C类低衰胶水封装,1 000 h后光衰可以降低12%。

(2) 散热性与穿透性。LED芯片工作时所加的电能仅30%左右会被转换成光能,其余电能以热传导方式散发,因此散热问题突出,光电转换能力待提高。散热问题导致LED光输出能力降低,芯片加快老化,色温停留在高区间,穿透能力减弱。按照瑞利散射和米德拜散射的使用范围,波长与小于可见光波长的颗粒散射有关,白光波长短于黄光波长,因而LED光源的穿透能力低于高压钠灯。

(3) 驱动装置与抗干扰性。驱动装置等附属件的寿命影响LED光源的整体使用寿命。LED光源的恒流性驱动装置具备防电涌、防冲击和防过热等多项保护功能。但驱动装置等附属件增加电路的元器件数量,从而降低可靠性,影响使用寿命。且LED光源抗强电磁场及雷电干扰能力不足,容易损坏驱动电路。

(4) 价格与标准化。LED 照明一次性投入大,成本高,行业内缺乏有效统一标准,产品更新换代速度快,兼容性不佳。

1.3 LED照明与常规照明的对比

垃圾焚烧发电厂照明环境复杂,不同的工作环境对照度、色温、眩光、显色性、方向性和穿透性有不同的要求。LED与传统光源的照明性能对比如表1所示。

表1 LED灯与传统光源的照明性能对比

对LED灯具与常规灯具的特性进行对比分析,LED光源在垃圾焚烧发电厂的适应性如表2所示。

表2 LED光源在垃圾焚烧发电厂的适应性

1.4 垃圾焚烧发电厂选择LED光源的技术要求

垃圾焚烧发电厂选用的LED灯具应符合下列要求:显色指数Ra不应小于80;同类光源的色容差不应超过5 SDCM;特殊显色指数R9(饱和红色)<0;色温不宜高于4 000 K;寿命期内的色偏差不应超过0.007;不同方向的色偏差不应超过0.004;灯具宜有漫射罩或有不小于30°的遮光角;当功率>25 W时,功率因数≥0.9,当5 W≤功率<25 W时,功率因数≥0.7;灯具使用寿命不应低于25 000 h。

2 LED照明在垃圾焚烧发电厂的应用

设计合理、科学的照明系统对垃圾焚烧发电厂的正常运行有重要影响。焚烧厂的照明系统按功能分为正常照明和应急照明[3-4]。

垃圾焚烧发电厂内正常照明的设计重点为包含焚烧锅炉、汽轮发电机、垃圾卸料、给料、烟气净化、空压站及化学水处理等绝大部分工艺系统厂房。由于垃圾焚烧发电厂环境的特殊,设计中应根据房间性质与使用环境的要求,选择效率高、寿命长的光源。对于焚烧间、卸料平台等高大场所,目前设计中仍考虑选用无极灯、金属卤化物灯;办公会议场所、高低压配电间、各类控制室以及接待大厅、门厅、走廊、楼梯间等场所选用LED灯具;室外道路也采用LED灯具。

应急照明又包括备用照明、疏散照明和安全照明,应使用能快速点亮的灯具。备用照明设置于空压机间、化学水处理车间、主变室、焚烧间、汽机间、设备平台等处,确保生产正常运行。疏散照明用于确保疏散通道被有效地辨认和使用。应急备用照明电源进线引自主控应急照明切换屏,平时由交流电供电,交流失电时自动切换至直流220 V供电。

2.1 LED光源对垃圾焚烧发电厂运行环境的适应性

LED光源在进行灯具防水设计时不受发热的限制,容易实现较高的防护等级。由于LED光源的发热量低,工作温度远低于传统光源,可直接触摸,对爆炸性环境的影响很小。此外,爆炸性环境也很难影响LED的固体密封结构。LED内部结构中无危害健康的元素,灯具掉落或破碎,对人体和环境造成的影响也很小,因而具备优良的安全性。基于LED光源所具备的这些有利特性,在垃圾焚烧发电厂清洁、无吊顶对高美观性无要求的房间,如各类配电间、控制间可选择开敞式LED灯具;在烟气净化间、尾气处理间等多尘潮湿、有腐蚀、环境较恶劣的房间,应采用带透光性能好的透光罩型LED灯具,以保证较高的光效率;汽机厂房、空压机间等场所,选用直接型或半直接型配光LED灯具[5-6]。

LED光源在高场强环境中性能较差,使用寿命大大降低。因此,需要做好灯具的屏蔽措施。LED的光效相较荧光灯并不高,低于高压钠灯,因此照度要求高的场所不具备明显的优势。LED光源较高的色温以及较强的眩光性,长时间容易引起视觉疲劳,因此比较适用于工作人员不会长时间停留的场所。考虑到LED光源高眩光性等特点,在垃圾焚烧发电厂的汽机厂房、卸料平台、化学水处理间等高大生产性厂房中应选用金属卤化物灯、无极灯,不宜选用LED灯具。眩光主要有直接眩光、间接眩光、对比眩光3种形式。垃圾焚烧发电厂主要为直接眩光,可采用限制光源高度,在灯具上设制合理的保护角,采用磨砂透光材料等办法来解决眩光问题。

2.2 LED光源对垃圾焚烧发电厂照明控制方式的适应性

垃圾焚烧发电厂照明控制采用集中控制与分散控制相结合。道路照明通常采用光控和时控相结合的控制方式,并保留手动控制功能。路灯照明控制箱一般设置在门卫室或其他有专人值班的房间内。根据应用场合的不同,焚烧发电厂照明控制方式又可分为调光控制、频繁开关、常明不灭及偶尔开关。LED光源调光灵活,谐波干扰小,相比其他类灯具,能耗较低,使其对垃圾焚烧发电厂的控制方式适应性很强,能克服传统光源的缺点,实现不间断切换[7]。

在焚烧发电厂主厂房的高大空间,如焚烧间、余热锅炉本体、汽机间、垃圾池、 卸料平台、化学水处理间,宜采用照明集中控制的方式,可根据电厂工作人员的常规检修路线,将照明开关布置在工作人员的主要入口处。室内环境较好的区域,如办公室、会议室等视觉要求较高,人员活动比较多的区域,一般设置普通翘板开关对灯具进行分组控制,将开关设置在房间进出口位置。公共场所如狭长的走廊、过道等区域一般会有两个出入口,宜设置一组双控开关,用于点亮灯具。走廊和过道采用半照度照明,灯具的点亮控制可采用间隔点亮的控制方式,设两组双控开关进行控制。

焚烧发电厂户外道路照明可采用光控或时控的控制方式。道路照明控制箱设于有人值班的门卫室进行集中控制,必要时可通过手动方式强制点亮。自动照明控制方式为减少无效照明时间,要根据室外实际照明情况进行点亮,其控制方式有两种,第一种方式是利用光敏装置自动发出指令,控制照明灯具电路的通断;另一种是利用智能时间控制装置在设定的时间内通断室外照明回路。这两种方式各有利弊,智能时间控制装置无法分辨因天气变化而引起的自然光照强度的差别,但可避免光敏探头因自然沉降于表面的污秽而引起的装置误启动。

3 LED照明在实际垃圾焚烧电厂项目中的应用分析

某垃圾焚烧发电厂设置4台垃圾焚烧炉和2台汽轮发电机组以及配套设施。1号主厂房主体层数为单层,局部2层、4层、5层、6层。该厂房共设7个防火分区:卸料平台、垃圾池及多层附跨设1个防火分区,焚烧间、烟气净化间及多层附跨设1个防火分区,升压站设1个防火分区,主控厂房每层设1个防火分区,汽机厂房设1个防火分区。

主厂房的一般照明按三级照明负荷供电,照明电源箱进线引自各区域内的照明、通风电机控制中心(MCC)。炉前配电间及焚烧线配电室的照明为二级负荷,采用双电源末端互投的照明配电箱供电,其照明配电箱的电源分别引自各区域内的照明、通风MCC和厂区保安段。厂房内部采用TN-S系统,自带蓄电池的应急照明灯具。主厂房的应急备用照明按Ⅱ类负荷供电,电源进线引自主控应急照明切换屏,平时由交流电供电,当无交流电时自动切换至直流220 V供电。

建筑物采用LED灯具及电磁感应无极节能灯具。LED灯具要求配置漫射罩或采用其他限制眩光的措施,3次谐波电流不得超过30%,选用符合国家标准要求的高效率灯具。在人员长期工作或停留的房间或场所,采用色温小于4 000 K的LED灯具。

3.1 LED照明的经济性分析

以该垃圾焚烧发电厂卸料平台为例,对LED光源和无极灯的节能效果及经济性进行比较。垃圾卸料平台采用网架下弦点0.5 m均匀悬挂照明灯具的安装方式,参考工作面的平均照度为100 lx。如房间采用150 W LED灯具,则需36盏,如采用250 W的无极灯,则需要27盏。对采用LED灯具和无极灯进行经济性比较,设定条件如下:LED灯每盏500元,寿命5.7年,每年5.0%折旧费;无极灯每盏395元,使用寿命5.0年,每年12.5%折旧费,暂不计算利息。灯具的年利用小时数按3 500 h计算,使用电价按垃圾焚烧发电厂的标杆上网电价0.65元/kWh计算(镇流器等附件按光源功率的10%考虑)。LED灯具与无极灯的年使用费用比较如表3所示。

表3 LED灯具与无极灯的年使用费用比较

对垃圾卸料平台的照明光源进行经济比较分析。假设灯具使用5年后,LED灯投资为[18 000+(12 285+900)×5]元=83 925元,无极灯投资为[10 665+(15 365+1 908)×5]元=97 030元。可以看出,该垃圾焚烧发电厂在采用LED灯具后,虽然初始投资相对会有增加,但将所有灯具的节能及后期效益都考虑进去,若干年后LED灯具带来的照明节能费用非常可观。

从以上分析可知,LED灯的一次投资远高于无极灯,但从全寿命周期成本的角度出发,LED灯具的经济性更优。随着LED技术日渐成熟,LED灯成本会进一步下降,发光效率及寿命如能进一步提高,经济性将更加明显。

3.2 照明控制方式分析

该项目依照电厂工作人员的常规检修路线设置照明集中控制,将焚烧间、卸料大厅、各层设备平台等场所的照明开关集中布置在工作人员巡检的6 m平台入口处,巡检开始时统一开启这些场所的照明,巡检结束再统一关闭。办公室、各类控制配电间、接待大厅等人员活动多的场所,仍将普通翘板开关设置在房间进出口处,分组控制灯具。另外,参观走廊、过道等场所设置一组双控开关,方便出入口点亮灯具。

4 结 语

垃圾焚烧发电厂环境复杂多样,对照明的要求相对较高。从光源技术特点、对电厂环境的适应性、照明灯具的经济性等方面对LED照明在垃圾焚烧发电厂的应用进行分析。结果表明,LED照明设备在具有较高照明情况下能够节省总成本投入,具有较大经济和社会效益,能在一定程度上帮助电厂节省资金投入。

收稿日期：2018-05-10