高压变频器在垃圾焚烧发电厂引风机节能中的应用

广元博能再生能源有限公司 江承林

高压变频器在垃圾焚烧发电厂引风机节能中的应用

广元博能再生能源有限公司 江承林

本文介绍了高压变频器在某垃圾焚烧发电厂的余热锅炉引风机节能中的应用。采用高压变频器，实现了引风机电动机的软启动和调速节能。概述了垃圾焚烧发电的工艺流程，主要论述了风机变频调速节能的原理，提出了系统设计方案并着重描述了控制要求和操作功能、电气系统主回路设计和高压变频器与电厂APROL DCS系统的接口电路设计。最后分析了变频调速方案的优势和节能效果。

锅炉引风机；高压变频器；变频调速；节能原理

垃圾焚烧可以实现垃圾处理的减量化、资源化、无害化，并回收其热量用于发电和供热等。垃圾焚烧处理已成为一些发达国家处理垃圾的主要方式。

垃圾焚烧发电项目主要是利用生活垃圾作为原料进行焚烧处理，产生的余热回收进行发电，其中“以处理为主，发电为辅”是该类型项目的显著特点，也决定其显著的社会效益。

垃圾焚烧发电是一项以焚烧处理城市生活垃圾和利用垃圾焚烧产生的余热发电的环保工程，具备较为明显的社会影响。它的主要社会效益有：解决垃圾污染环境问题，提高当地居民生活水平；增加发电量，提供就业机会；促进循环经济的发展。

根据估算，一个日处理量为1000吨的垃圾焚烧发电厂年可处理垃圾36.5万吨，发电1亿度左右，相当于节约3万多吨标准煤。

某城市生活垃圾焚烧发电项目总投资近4亿元，总占地面积近5万平方米。该垃圾发电厂的规模为日处理生活垃圾700吨，装设2台日处理量为350吨的垃圾焚烧炉，相应配套2台余热锅炉。余热锅炉产生的热蒸汽通过1台12MW的汽轮发电机发电，每吨垃圾可产生不低于250kWh的电能，可实现能源的综合利用。

2台余热锅炉各配1台引风机，其电动机采用额定功率为450kW的10kV高压变频电机。高压变频柜自带旁路柜，带变频电机尾端3kW散热风机控制回路。选配500kW或以上功率变频器。根据锅炉负荷的大小，采用变频器调节引风机电机的出力，以实现电动机平滑启动和高效节能。

1　垃圾焚烧发电工艺概述

垃圾焚烧作为一种成熟的垃圾处置方法，在国内外有着广泛的应用。但其受各国技术力量、经济实力以及当地垃圾特性的影响，工艺和技术也各不相同，但最基本的工艺和技术组合形式大致是相同的。

垃圾焚烧发电是通过垃圾干燥、燃烧和燃烬三个阶段，让垃圾在850℃至1100℃的高温下充分燃烧。焚烧中，可通过DCS系统和自动燃烧控制系统即时监控和调整炉内垃圾的燃烧工况，及时调节炉排运行速度和燃烧空气量。焚烧垃圾产生的高温烟气在余热锅炉中进行热交换，产生过热蒸汽，推动汽轮发电机组产生电能。电能通过电网输送到各地，实现垃圾的资源化处理。

垃圾进入焚烧炉经过干燥、燃烧、燃烬过程，使腐败性的有机物因燃烧而成为无机物，病原性生物因在高温焚烧下死灭。

图1 典型的垃圾焚烧处理发电工艺流程图

如图1所示，该垃圾焚烧发电项目的整个工艺流程包括了垃圾接收、焚烧及余热利用、烟气净化处理、灰渣收集处理等系统。

余热锅炉以水为工质吸收高温烟气中的热量，产生4.0MPa，400℃的蒸汽，供汽轮发电机组发电。产生的电力除供本厂使用外，多余电力送入地区电网。

2　风机变频调速节能的原理

以往，对风机、水泵等机械装置采用挡板 、阀门来进行风量和流量控制，造成了大量的能源浪费。现在普遍采用电机转速调节方式来实现节能，虽然调速有多种方式，但是其中应用得最为广泛的是变频调速方式。风机变频调速节能的理论分析如下：

2.1风机的参数和特征

（1）风机的基本参数

风量Q：单位时间流过风机的空气量（m3/s）；

风压H：空气流过产生的压力。其中风机给予每立方米空气的总能量称为风机的全压Ht（Pa），它是由静压Hg和动压Hd组成，即Ht=Hg+ Hd；

功率P：风机工作有效总功率Pt=QHt（W）。如风机用有效静压Hg，则Pg=QHg；

效率η：风机的轴功率因有部分损耗而不能全部传给空气，因此可以用风机效率这一参数衡量风机工作的优劣，按照风机的工作方式及参数的不同，效率分别有：

全压效率ηt=QHt/P

静压效率ηg=QHg/P

（2）风机的特性曲线

表示风机性能的特性曲线有：

H-Q曲线：当转速恒定时，风压与风量间的关系特性；

P-Q曲线：当转速恒定时，功率与风量间的关系特性（如图2中的曲线3）；

η-Q曲线：当转速恒定时，风机的效率特性。

对于同类型的风机，根据风机参数的比例定律，在不同转速n1和n2时的H-Q曲线如图2所示。

图2 风机特性H-Q曲线

由流体力学理论可知，当风机转速从n1变到n2时，风量Q、风压H及风机轴功率P的量值变化关系如下：

风机风量Q与转速成正比，即Q2/Q1= n2/ n1（1）

风压H与转速的二次方成正比，即H2/H1=(n2/n1)2（2）

轴功率P与转速的三次方成正比，即P2/P1=(n2/n1)3（3）

2.2管网风阻特性曲线

当管网的风阻R保持不变时，风量与透风阻力之间的关系是确定不变的，即风量与透风阻力K按阻力定律变化，即

式（4）中： K为透风阻力，Pa；R为风阻，kg/m2；Q为风量，m3/s。

K为Q的抛物线关系称为风阻特性曲线，如图3所示。显然，风阻越大则曲线越陡。

图3 风阻特性K-Q曲线

在风机特性H-Q曲线图（图2）中，R风阻特性K-Q曲线与H-Q曲线相交的点成为工作点。同一风机的两种不同转速n1、n2时的H-Q曲线与风阻特性曲线1相交的工作点分别为A及C，与风阻曲线2相交的工作点为B及D。

2.3电动机容量计算

风机电动机所需的输出轴功率P与风量和风压的乘积成正比，与风机效率和传动装置效率的乘积成反比。

式（5）中：ηT为风机的效率；ηF为传动装置的效率。

当风量需求减少时，调节转速下降可使功率降低很多。例如，当风量与转速均下降到80%时，功率将降低到额定功率的51%；当风量与转速均下降到60%时，功率将降低到额定功率的21%。风机特性曲线见图2，其中曲线3为恒速下的功率——风量特性。

A为额定工作点（额定转速和额定风量），此时输出风量Q1为100%，效率最高，轴功率P1正比于H1与Q1的乘积，相当于图2中AH1OQ1面积。

2.4引风机的节电方法及节能原理

从上述介绍可知，风机的风量Q、风压H和轴功率P分别与转速的一次方、二次方和三次方成正比，因此可以通过调节风机的转速来节约电能。

由图2所示的风机特性曲线可比较以下两种方式的节能效果：

（1）调节入口挡板开度以改变管路特性曲线

引风机采用入口节流调节：当风量由Q1减少到Q2时，管路特性曲线由曲线1变为曲线2，系统工作点由点A移至点B。风量降低了，但风压由H1升高到H2，轴功率P2正比于H2与Q2的乘积，相当于图中BH2OQ2面积，相对于面积AH1OQ1，功率减少不多。

（2）采用变频调速模式以改变风机特性曲线

引风机采用变频调速方法：依靠调节风机转速来控制风量，此时挡板全开，基本无节流损耗。当风量由Q1减少到Q2时，风机转速由n1降到n2，工况点A沿管网阻力曲线1降至C点，风压降为H3，轴功率P3正比于H3与Q2的乘积，相当于图中CH3OQ2，功率明显减小，经济效益显著。

节省的功耗△P正比于△H与Q2的乘积，相当于图中面积BH2OC。

因此可以直观地从图形上看到，采用变频调速比调节风门挡板能节约大量的能量，也就是说，采用变频调速是一种引风机节能的好方法。

（3）输入功率计算

① 采用阀门或挡板进行调节

根据风机理论，风机运行时在需要风量变化时，可以采用阀门或挡板进行调节，其输入功率的计算公式为：

式（6）中：Hnn=U-(U-1) Q2nn，U为系统风量为零时风压力极值。

所以，采用风门挡板时的风机输入功率为：

上式中：Pnn为某个状态下的输入功率标幺值；Hnn为某个状态下的压力标幺值；Qnn为某个状态下的流量标幺值；P为额定状态下的输入功率。

② 采用变频调速方式

异步电机的转速为：

风机风量Q、风压H、功率P与转速n的关系为：

风量 Q∝n

风压 H∝n2

功率 P∝n3

设额定风量为Q0，额定功耗为P0；所需风量为Q1，功耗为Pg.in；由上述正比关系得出变频器的输入功率为：

考虑到变频器和电机效率后，输入功率为：

式（10）中：P0为被拖动的电机的轴功率；η1为被拖动的电机效率；η2为变频器效率。

3　电气系统设计

3.1控制需求与操作功能说明

3.1.1 相关技术标准与规范

（1）技术标准

主要和辅助设备的设计、制造、试验、调试、验收等必须符合做技术标准见表1：

表1 技术标准

（2）高压变频器相关技术规范

该高压变频器的技术规范和指标如表2所示。

表2 高压变频器的技术规范

3.1.2 引风机的运行方式

（1）正常情况下，引风机以变频方式运行，考虑到高压变频器有可能发生故障，所以还配备了工频运行的方式。但希望尽可能在变频方式下运行。

（2）在变频方式下，引风机入口调节挡板必须保持全开，并闭锁其投自动，通过改变变频器的频率（或转速）的设定值调整引风机的出力；在工频方式下，闭锁变频器的频率或转速投自动，仍用入口调节挡板调整引风机的出力。

3.1.3 操作方式

高压变频器应能接受电厂机组分布式控制系统（DCS，采用贝加莱的APROL系统）的控制指令和参数设置，并向DCS反馈高压变频器的主要状态信号、运行参数和故障报警信号。高压变频器同DCS接口一般采用硬接线方式。变频器配置了RS 485通讯接口，支持电厂所用的通讯协议，如Modbus RTU、PROFIBUS等。高压变频器旁路柜内部开关，采用远方操作，并实现电气闭锁。

为实现对变频引风机的启停控制及转速调节，在DCS显示和控制中设计了以下功能：

（1）通过DCS系统实现高压变频器的启/停操作，用于远方启/停高压变频器。

（2）DCS控制高压变频器的输出频率（电机转速），以实现引风机变频器的手/自动控制。

（3）在DCS系统的显示和报警信息中纳入高压变频器的各类故障报警信息和变频、工频运行状态。

设置了引风机变频控制、工频控制操作模式，以及引风机变频顺序起、变频顺序停、工频顺序起、工频顺序停等相关逻辑。在各逻辑中，按设备运行要求实施对变频器的操作；另外，还配备了变频器紧急断开引风机电源的开关逻辑和用事故按钮断开变频器的硬接线。

3.1.4 高压变频器的控制方式及控制逻辑

（1）控制方式

高压变频器控制方式分为就地及远方控制2种。就地控制时，DCS输出的频率（转速）命令信号被电机的实际转速反馈信号跟踪，此时，对高压变频器的远方操作无效。

高压变频器受DCS控制时分自动和手动2种方式。手动状态时，运行人员通过改变相关操作画面中电机转速控制模块的频率设定值来控制高压变频器的输出频率（电机转速），以实现对负压的调节。

（2）引风机高压变频器的启动允许条件

高压变频器的启动必须具备以下3个条件：

① 引风机的高压部分已启动完成（高压开关必须合闸）；

② 引风机的高压变频器就地启动准备好信号有效（从PLC送来）；

③ 引风机的高压变频器的频率（转速）设定值应低于30%额定频率。

由于高压变频器启动的前提为引风机电机高压开关必须合闸及启动反馈信号为1，且全部引风机工频启动的条件也在整个逻辑中起作用。另外考虑到高压变频器就地控制的实际条件，加入了高压变频器就地PLC送来的准备好信号和引风机变频准备好信号作为启动的另一条件。

由于高压变频器输出频率（转速）设定模块中的设定值可能在一个较高的量值上，而这时启动高压变频器必然会使炉膛负压产生较大的扰动，而且容易造成运行误操作，所以在启动中加入了频率设定值必须＜30%额定值的限制。

（3）高压变频器速度自动调节的开关量控制

在工频运行方式下，当引风机的挡板开度调节投入自动时，将会闭锁高压变频器的转速自动控制。另外当偏差回路中的值超过一定值(如定为50%)时，将自动切除高压变频器自动控制。当炉膛负压信号发生故障时，则相关变送器发出故障信号，高压变频器退出自动模式。当炉膛负压低信号触发时，延时3s后闭锁转速增加，当炉膛负压高信号触发时，延时3s后闭锁转速减少。

（4）引风机变频器涉及的相关跳闸保护

① 如引风机的变频器跳闸，则联跳相应余热锅炉引风机的高压开关，且所关联的相应挡板静叶调节的逻辑不变。

② 在引风机跳闸回路中加入了高压变频器重故障联跳引风机功能，从而保证了在变频方式下变频器重故障将联跳引风机，而工频方式下该条件被闭锁。

3.2系统方案设计

3.2.1 高压变频器选型

根据引风机所配驱动电动机的额定功率和有关工艺需求及计算结果，选择了辽宁荣信电气传动技术有限公司提供的RMVC5000-10/38-AT型，10kV，≥500kW高压变频器控制系统2套和配套的RMVC-SC2D3J-10/400型自动切换柜2台。

3.2.2 电气系统主回路

该设计方案是对2台引风机分别独立控制，采用“一拖一”并带自动旁路的变频器驱动配置。其电气主回路系统图如图4所示。

图4 引风机带工频旁路的“一拖一”变频调速方案电气主回路

以1#高压变频器为例，说明其与电动机的连接方式如下：

1#旁路柜的主要配置有：3台真空接触器（KM11、KM21、KM31）和2台刀闸隔离开关K11、K21。KM21与KM31实现电气互锁，当KM11、KM21闭合，而KM31断开时，电机在变频工况下运行；当KM11、KM21断开，而KM31闭合时，电机运行于工频供电状态。另外，当KM11闭合时，K11操作手柄被锁死，不能操作；当KM21闭合时，K21操作手柄被锁死，不能操作。当高压变频器在运行过程中出现故障停机时，系统将立即切断该高压变频器的输入/输出接触器KM11、KM21，并合闸旁路接触器KM31，将电机投入工频电网定速运行，当然还需关联对相应挡板的调节。

3.2.3 高压变频器与电厂APROL DCS系统的接口电路设计

该高压变频器能接受电厂机组DCS（采用贝加莱的APROL系统）的控制指令和参数设置，并向DCS反馈高压变频器的主要状态信号、运行参数和故障报警信息。

该高压变频器自身控制逻辑由变频器内置的PLC来实现，其具有较好的与DCS接口的能力。根据引风机的运行特性要求及对变频器控制的具体要求，采用以下变频调速系统与DCS的接口及控制方案。

DCS与1台变频器之间的硬接线I/O信号至少共需配置有38点（不含备用点）：其中开关量信号34点（含DI信号21点，DO信号13点），模拟量信号4点（4～20mA，AI信号3点，AO信号1点）。

DCS系统中对应于1台引风机变频器的开关量信号包括：

DI：故障报警、工频运行状态、变频运行状态、请求运行状态、变频停止状态、高压合闸允许状态、高压合闸状态、高压分闸状态、就地控制状态、远方控制状态、变频器轻故障状态、充电中状态、变频器重故障状态、高于最低转速状态、变频输入开关已合闸信号、变频输入开关已分闸信号、变频输出开关已合闸信号、变频输出开关已分闸信号、变频旁路开关已合闸信号、变频旁路开关已分闸信号、工频/变频切换失败信号。

DO：高压合闸指令、高压分闸指令、紧急停机指令、PLC紧急停车指令、运行变频器指令、停止变频器指令、复位变频器指令、声光报警复位指令、工频切换变频指令、变频切换工频指令、工频起动指令、工频停机指令、高压开关已合闸信号灯。

模拟量信号包括：

AI：输送至DCS的变频器运行频率、电机电流和运行转速。

AO：由DCS输出至变频器的设定频率。

通过对上述信号在DCS中的定义和逻辑组态，实现变频控制功能。

此外，DCS与高压变频器之间还将建立数据通讯连接，以实现双向数据传输。并将按照DCS的通讯格式要求提供通讯协议或设备数据描述GSD文件以及所需传输的数据。高压变频器通讯将采用光纤连接，以提高通讯速率和抗干扰能力；高压变频器柜内强电信号和弱电信号将分开布置，以避免干扰；柜内设有屏蔽端子和接地设施。高压变频器对本体控制系统的就地控制柜须尽可能减轻谐波影响。

3.2.4 变频器的抗干扰措施

变频器由主回路和控制回路组成，由于主回路存在的非线性（进行逆变开关操作产生的），变频器本身就是一个较强的谐波干扰源，所以对电源侧和输出侧的设备可能产生一定的电磁干扰。与主回路相比，变频器的控制回路却是小能量、弱信号的电路，同样也可能遭受来自其它装置的干扰，造成变频器无法正常工作。因此，变频器在安装使用时，必须对主回路和控制回路采取抗干扰措施。

变频器的主回路需配置进线电抗器，其主回路输出电缆最好采用金属屏蔽电缆或穿钢管敷设，并将钢管可靠接地。一般将控制电缆与主回路电缆或其它动力电缆分离敷设，相隔距离通常应在30cm以上（最低为10cm），分离困难时，须将控制电缆穿金属管铺设并将屏蔽层可靠接地。此外还需将控制导线绞合，绞合间距越小，铺设路线越短，抗干扰效果将越好。

4　变频调速的优势和节能效果

4.1变频调速的技术优势

采用变频调速的节能效果十分明显，且调速性能优越。电动机的转速可以按风量的实际需求进行调节，风机挡板全部打开，避免了气流通过时产生的节流损耗、扰动、燃烧不稳定及管道振动等问题。变频调速后可以实现引风机及其电动机的软启动，使引风机设备和电动机的轴、联轴器及其它部件的机械应力大幅度减小，延长了电动机的寿命，降低了运行维护费用。

此外，变频调速方式下的引风机运行电流和电压明显低于工频运行方式的，且在垃圾电厂发电机组的不同运行负荷参数下，可以节省大量电能。而工频定速的电机运行参数，在不同负荷下的参数变化是通过调节挡板来实现的，其变化量较小，且其功率损失都消耗在挡板上。

该变频器采用移相变压器和单元串联多电平技术，可有效抵消电网谐波中的偶次谐波，并消除(6K-1)次以下的奇数次谐波（K为变频器每相的串联单元数）。由于电网谐波中的3、5、7次等高次谐波含量较高，通过移相变压器可有效滤除47次以下的奇数次谐波（以8级为例），能尽量减小变频器对电源的谐波污染。

4.2运行参数分析及节能估算

由于设备状况、运行条件、操作技术和管理水平的差异，同类垃圾发电机组的经济效益可能相差甚远。作者参照了其它类似垃圾发电机组的实际运行参数，整理出了一组采用变频调速的不同负荷工况下引风机系统的现场运行参数，如表3所示。

表3 引风机系统运行参数

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根据对多台类似发电机组的调研，其负荷率通常为60～80%，结合表3参数分析估算，每台引风机每小时平均可持续节约电流10A左右，两台引风机每小时平均可持续节约电流20A左右。

这样，每台引风机每小时可节约电能约为：1.732× UICOSΦh =1.732×10×10×0.85 (kWh) =147.22 (kWh)，按平均上网电价为0.65元/ kWh计算，每小时节电价值约为人民币95.69元。按全年火电设备利用小时数为5000小时计算，则每台引风机全年可节电约47.845万元。

两台引风机节电价值约95.69万元。

5　结束语

垃圾发电机组的引风机采用变频调速方案，明显地改善了引风机的调节性能，炉膛压力调节系统的响应速度也明显加快，且炉膛压力波动幅度明显减小，运行可靠性和稳定性得到加强，此外，采用变频调速方案还可以有效地减轻噪声污染。

使用变频调速方式，由于可使入口静叶挡板全开，节流损失明显减小，节能效果显著，特别是在低负荷运行的情况下。引风机是垃圾发电机组中的自用电耗电大户，因为通常垃圾发电机组的容量较小，其引风机的电能消耗可能占到机组的6% ～8%，因此成为了节能的主要对象。引风机的经济运行对降低电厂的厂用电比率，提高电厂的综合效益是十分重要的。

[1] 徐甫荣. 高压变频调速技术应用实践[M]. 中国电力出版社，2007.

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Application of High-Voltage Frequency Converter in Energy Conservation of Induced-Draft Fan at Garbage Incineration Power Plant

This paper introduces the application of the high-voltage frequency converter in the energy conservation for the heat recovery boiler induced-draft fan at a garbage incineration power plant. The soft start and speed regulation of the motor of the induced-draft fan are realized by adopting the high-voltage frequency converter. An overview of the technological process of garbage incineration power generation is first presented. Then, the author mainly discusses the energy-saving principle of frequency conversion speed control of the fan. Moreover, the system design is proposed, with the emphasis on the descriptions of the control requirements and operating functions, as well as the main circuit design of the electrical system and the interface circuit design between the highvoltage frequency converters and the APROL DCS of the power plant. Finally, the superiorities and energy-saving effects of the frequency conversion speed control scheme are analyzed.

Boiler induced-draft fan; High-voltage frequency converter; Frequency conversion speed control; Energy-saving principle

江承林（1969-），男，工程师，现就职于广元博能再生能源有限公司，主要从事垃圾电站电气系统前期规划、设计、安装和调试。