打开文本图片集

摘要：环保发电厂是实现垃圾处置“无害化，减量化，资源化”的重要手段，而风机和水泵是垃圾发电厂应用最广、数量最多、耗电量最大的装置设备。本文着重讲述了变频调速技术在环保发电厂中的应用，详细阐述了风机和水泵节能意义，变频器调速节能效果，以及变频器应用选型方法。

关键词：风机；水泵；变频器

1 问题的提出

1.1 环保发电的应用

大量有害的城市生活垃圾，在国内正悄然转变成为一种资源。环保发电厂是以城市生活垃圾为惟一燃料的发电厂，环保发电厂是通过焚烧垃圾获得能量，加热给水，使水变为蒸汽进入汽轮机带动发电机组进行发电、供热，取得了显著的环境效益和经济效益，但环保发电厂中还存在不小的电力浪费。

环保发电厂的电力浪费主要是：自用电率。环保发电厂的自用电为20%左右，有的甚至高达30%，其中风机、水泵用电量占很大的比例。风机、水泵在运行中普遍存单机效率低、采用节流调节等问题，因此改善风机、水泵的单机效率，可大幅度降低厂用电率，提高电厂经济效益。环保发电厂的风机、水泵采用调速运行是节能的有效途径，其中，变频调速是节能效果最好、最理想的调速方法。

1.2 环保发电的意义

环保发电厂是最贴近垃圾处置的无害化、减量化、资源化三原则的工程，在国际上已成为保护资源且拉动环保产业的重要项目。发达国家环保发电占垃圾无害化处理的比例已普遍超过80%，环保发电已是成熟的产业并进入了产业化、市场化的成熟期。在我国环保发电技术才刚刚兴起，城市生活垃圾焚烧供热发电，作为资源综合利用节能技术项目，是环保产业的重要部分，也是一项公益性事业。

能源、资源、环境是21世纪困扰人类的三大难题。焚烧垃圾发电，将变频调速技术应用于垃圾发电厂的风机、水泵的调速，正在成为人类解决这三大难题的有力工具之一。

2 风机、水泵在环保发电中的应用

2.1 风机、水泵节能的重大意义

本节通过介绍风机、水泵在不同的调速方式下的功率损耗情况，对风机、水泵的各种节能方法进行了比较，重点阐述风机、水泵调速节能的方法和意义。

传统的风机、泵类负载的电动机使厂用电率居高不下，长期徘徊在27%-29%之间。主要有以下几个原因：

2.1.1 设备陈旧，效率低；

2.1.2 设备实际工况远低于设计工况，运行效率低，长期处于轻载运行状态；

2.1.3 普遍采用定速电动机拖动，有70%采用风挡或阀门调节风量、流量，功率损耗大。

这些风机、泵类电动机用电量占全国工业用电的50%。在热电厂，风机、水泵耗电量占厂用电量的绝大部分，锅炉给水泵耗电量占厂用电量的61%左右，锅炉送、引风机耗电量约占厂用电量的22%，水除灰的灰浆泵和循环泵的耗电量也占了不小的部分。因此，对现有风机、水泵类负载进行技术节能具有非常重大意义。

2.2 风机水泵的应用控制现状

2.2.1 挡板、阀门来调节流量

风机和水泵是环保发电厂中应用较多的设备，而且风机和水泵的功率较大。多数风机水泵依靠挡板、阀门来调节流量，当工艺需求变化时，风机挡板、水泵阀门开度增加或减小。该种调节方式简单易行，但它是以增加管网损耗，耗费大量能源在挡板、阀门上为代价的。

2.2.2 调速问题

在通常设计中，用户配用电机的设计容量都要比实际需求高出很多，造成能量的极大浪费。在原始设计中电气控制多采用直接或Y-△启动，不能改变风机的转速，无法具有调速的功能，机械冲击大，传动系统寿命短，震动及噪声大，功率因数较低等是其主要的问题。

2.3 风机、水泵的节能分析

2.3.1 阀门控制法分析

阀门控制法即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变（通常为额定转速）。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的管阻大小来“强行”改变流量，以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。

如图1所示，曲线①是额定转速下的扬程特性，曲线②是阀门全开时的管阻特性，N为工作点。设用户的用水流量由 减小为 ，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线③，而扬程特性则仍为曲线①，故供水系统的工作点移至B点。这时，流量减小为 ；扬程上升为 ；由公式

可知，供水功率 与面积OEBF成正比。阀门控制时，水泵装置的工作点是在额定转速时的扬程特性曲线①上移动。

2.3.2转速控制法分析

即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度）。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。仍假设用户所需流量由 减小为 ，当转速降低时，扬程特性下降为曲线④，管阻特性则仍为曲线②，工作点移至C点。这时，流量也减小为 ，但扬程减小为 ，供水功率 与面积OECH成正比。转速控制时，水泵装置的工作点是在最大开度的管阻特性上移动的。

2.3.3 两种方法的比较

比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量的情况下，转速控制时的扬程将减小，而阀门控制时的扬程将增大，所以转速控制方式所需的流体功率比阀门控制方式时小的多。两者之差 便是转速控制方式节约的流体功率，它与面积HCBF（图中的阴影部分）成正比。

2.4 风机、水泵采用变频调速的优点

2.4.1 实用性强

采用变频调速，可以实现低速起动，使起动电流低于额定电流，避免起动力矩对电机造成的冲击损伤，不仅延长了电动机的使用寿命，而且无震动、无噪音。

2.4.2 安全性好

变频调速时，风道档板处于全开位置，其压流损失减小到零，不仅避免了锅炉因风量过大而引起的操作波动，大大提高了锅炉的安全性，而且减轻了烟气对档板的冲蚀，延长了电机和挡板的检修周期。

2.4.3 调速性能好，控制方式灵活

可以非常平滑的调整风量，便于运行人员对锅炉燃烧进行调整和控制。变频装置具有友好的控制方式，容易与控制系统配合实现协调控制和闭环控制，提高了控制精度，使自动装置的可靠性大大提高。

2.4.4 调速范围大

变频装置具有一定的超速功能，在不超出电机额定出力的条件下，可使风机超速2.5%，因而在机组满负荷下使风机的风压明显提高，锅炉燃烧状况明显改善。

2.4.5 风机、水泵变频调速节能原理

（1）当风机（水泵）的转速从 变为 时，Q（风量/流量）、H（风压/扬程）、P（风机/水泵功率）大致变化关系为：

由上式可知风机（或水泵）流量与转速的一次方成正比，压力与转速的二次方成正比，而轴功率与转速的三次方成正比。因而，理想情况下有如下表1风机（ 或水泵 ） 流量、转速、功率因素表：

（2）由表1可见：当需求流量下降时，调节转速可以节约大量能源。例如：当流量需求减少一半时，如通过变频调速，则理论上讲，仅需额定功率的12.5%，即可节约87.5%的能源。如采用传统的挡板方式调节风量，虽然也可相应降低能源消耗，但节约效果与变频相比，则有天壤之别。

因此提高锅炉燃烧控制水平，增加经济效益，采用风机变频调速系统取代低效高能耗的风门挡板，已成为各发电厂节能改造的重点。

3 变频调速的应用

3.1 变频器在风机、水泵系统中的调速意义

我国电机拖动系统消耗的电能是全国总量的2/3，其中风机、泵类拖动电机耗电量约占全国总量的35%，电动机容量约有1.5亿千瓦。变负荷运行的风机、泵类达到总量的70%左右，装机容量近1亿千瓦，年耗电量约3000亿千瓦时，它们是靠闸板或阀门调节流量，以粗略适应负荷的需要，平均浪费20%以上的电能，年达200-300亿元。可见，电机拖动系统节能改造的潜力很大，这项节能改造的实施对中国经济的成长和环境保护都有重要的作用。风机水泵类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态。实践证明，采用变频器直接控制风机、泵类负载是一种最科学的控制方法，直接调节电动机的转速保持恒定的水压、风压，从而满足系统要求的压力。当电机在额定转速的80%运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的51.2%，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响。节能效率也接近40%。

变频器可实现风机和水泵类电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，可以减少电动机故障率和延长使用寿命，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。为达到节能的目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点。

3.2 变频器应用特点

3.2.1 过载能力较低，这是因为风机和水泵在运行过程中很少发生过载的原因。

3.2.2 具有闭环控制和PID调节功能，水泵在具体运行时常常需要进行闭环控制，如在供水系统中，要进行恒压供水控制；在中央空调系统中，要求恒温控制、恒温差控制等，故此类变频器大多设置了PID调节功能。（PID调节功能不在本研究课题内故不作详细介绍）

3.2.3 具有“1控多”的切换功能，为了减少设备投资，常常采用由一台变频器控制若干台水泵的控制方式，以此达到最大节能效果。

3.3 变频器的选型及设定

3.3.1 风机和水泵用变频器其主要特点有：

（1）过载能力较低，这是因为风机和水泵在运行过程中很少发生过载的原因。

（2）具有闭环控制和PID调节功能，水泵在具体运行时常常需要进行闭环控制，如在供水系统中，要进行恒压供水控制；在中央空调系统中，要求恒温控制、恒温差控制等，故此类变频器大多设置了PID调节功能。（PID调节功能不在本研究课题内故不作详细介绍）

（3）具有“1控X”的切换功能，为了减少设备投资，常常采用由一台变频器控制若干台水泵的控制方式，为此，许多变频器专门设置了切换功能。（因为本课题没要求使用“1控X”功能故不作详细介绍）

3.3.2 风机、水泵用变频器详细选型

（1）风机和水泵列表

本课题研究需要使用变频器的风机、水泵型号如下表：

（2）风机、水泵用变频器的选型考虑：

a.选变频器时应以电动机实际电流值作为变频器选择的依据，电动机的额定功率只能作为参考。另外应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因素和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10%而温升会增加20%左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，应适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。故在选型时变频器的额定容量 应是风机、水泵额定容量 的1.2倍左右。即应满足 。

b.变频器电流 应大于风机水泵额定电流 ，即应满足 ≥ 。

c.变频器电压 应大于风机水泵额定电压  ，即应满足 ≥ 。

风机和水泵用变频器除了要使用专门的风机和水泵专用变频器外，还应满足上文中的数据指标如：变频器的额定容量 应是风机、水泵额定容量 的1.2倍左右。即应满足 、 ≥ 、 ≥ 等条件。

4 结论

通过此课题研究，变频器在环保发电厂中的应用前景是非常可观的，对环境保护带来的价值也是不可估量的。随着我国环境保护的政策逐步完善，要实现高质量发展，就需要在节能降耗工作中寻找新的方法和技术。随着科技不断进步，变频技术在国内的发展与应用将进入到各行各业，其带来的节能效果将是巨大的。

当然在不同的场合，变频器的使用方法也是不尽相同的，在使用时，我们应当按照实际情况来设计相应的方案，选择合适的变频器。

参考文献

[1]石秋洁.变频器应用基础[M].北京：机械工业出版社，2002.12.

[2]张燕宾.变频器应用教程[M].北京：机械工业出版社，2007.01.

[3]王兆义.变频器应用——专业技能入门与精通[M].北京：机械工业出版社，2010.05.

[4]张淼，冯垛生.变频器的应用与维护[M].广州：华南理工大学出版社，2009.01.

[5]张晓娟.工厂电气控制设备[M].北京：电子工业出版社，2007.06.

[6]廖常初.可编程序控制器应用技术（第五版）[M].重庆：重庆大学出版社，2007.08.