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順能垃圾發(fā)電廠變頻器的選型及變頻調(diào)速控制

文檔作者：陳湘文檔來源：湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年10月10日
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2008年2月
第9卷第2期
電力 設(shè)備
Electrical Equipme~
Feb．2OO7
V0I．9 N0．2
順能垃圾發(fā)電廠變頻器的選型及變頻調(diào)速控制
陳 湘
(湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學院，湖南省株洲市412004)
摘要：文章介紹了順能垃圾發(fā)電廠變頻器的選型，變頻控制電路及變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用效果。采用變頻技術(shù)后，順能
垃圾發(fā)電廠的自用電率基本控制在20％以內(nèi)。變頻調(diào)速采用軟啟動方式，延長了電動機、風機和泵的使用壽命，提高了
系統(tǒng)的安全可靠性，減少了噪聲污染。
關(guān)鍵詞：垃圾發(fā)電廠；電機；變頻調(diào)速；應(yīng)用效果
中圖分類號：TM301．2
廣東順德順能垃圾發(fā)電廠是應(yīng)用國際先進的垃
圾發(fā)電處理技術(shù)，以國際慣例BoT— — 建設(shè)一運營一移
交的方式，由民營企業(yè)投資2．4億元建設(shè)的一座現(xiàn)代
化的垃圾發(fā)電廠。作為順德市循環(huán)經(jīng)濟的兩大主要
基礎(chǔ)項目之一，發(fā)電廠一期工程于2004年8月開始
運行，裝機容量為1．2萬kW，日處理垃圾600 t，占順
德市垃圾總量的1／3，發(fā)電量l3萬kW -h。特許經(jīng)營
期27年，預(yù)計不到8年就可以收回投資，具有非?？?
觀的社會效益和經(jīng)濟效益。
1 順能垃圾發(fā)電廠的電機概況
順能垃圾發(fā)電廠有2臺鍋爐，每臺鍋爐包括焚燒
爐的32臺電機及其他的電機、水泵，共55臺電機，其
中大部分為風機和水泵。
6臺一次風機在工作時風門處于常開位置，沒有
采用風量調(diào)節(jié)，為了防止一次風太大，火焰上升太高，
甚至直射爐墻，產(chǎn)生高溫結(jié)焦，發(fā)電廠對所有的二次
風機采取了變頻調(diào)速控制，可調(diào)節(jié)風量的大小，使二
次風量合適，爐膛出口溫度保持正常。
由于燃燒垃圾的成分十分復(fù)雜，含水量相差也比
較大，為了使垃圾在爐內(nèi)保持良好的燃燒狀態(tài)，需要
不斷地對進入爐床的風量和向爐內(nèi)推進垃圾的速度
進行調(diào)整。同時，垃圾在爐內(nèi)還要經(jīng)過烘干、預(yù)熱、燃
燒、燃燼，在每一個階段配風也不相同，要求風機根據(jù)
配風的變化做相應(yīng)的處理，以維持正常的負壓。
55臺電機中，除了全部的二次風機、干燥爐排風
機、再循環(huán)風機、再燃煙道風機、主爐膛燃燒器風機、
再燃煙道燃燒器風機、引風機均采用了變頻調(diào)速技術(shù)
進行風量調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)風門的開度來控制爐膛出口
的溫度，使各區(qū)的風量和風溫都可以根據(jù)垃圾焚燒的
狀況進行調(diào)整和控制，保證合理的配風，使垃圾完全
充分燃燒。
項目資助：湖南省科學技術(shù)廳湖南省財政廳(O~FJ4109)
給水泵是發(fā)電機組的“心臟”。由于負荷經(jīng)常變
化，且峰谷差較大，如果通過給水泵的調(diào)節(jié)閥進行調(diào)
節(jié)，閥門開度越小，其節(jié)流損耗就越大。相對于其他
的水泵，給水泵的容量較大，節(jié)能潛力也較大。因此，
順能垃圾發(fā)電廠的3臺給水泵都采用了變頻調(diào)速技
術(shù)，根據(jù)對應(yīng)的工作點調(diào)節(jié)給水流量，使工況最佳，單
耗最低。
垃圾搬運起重機是垃圾供料系統(tǒng)的核心設(shè)備，主
要承擔垃圾的投放、搬運、攪拌、取物和稱量T作。順
能垃圾發(fā)電廠的垃圾搬運起重機的負荷量為10 t，包
括5臺電機：2臺大車行走電機(其中1臺備用、1臺
小車行走電機、抓斗起升電機和抓斗開閉電機各1
臺。垃圾搬運起重機工作環(huán)境差、粉塵多、振動大，并
且經(jīng)常處于頻繁的起動、制動、反轉(zhuǎn)狀態(tài)，要承受較大
的過載和機械沖擊。如果采用傳統(tǒng)的線繞式異步電
動機串電阻起動和調(diào)速方式，不僅設(shè)備沖擊嚴重、噪
聲大，并且碳刷打火，使得接觸器觸頭、電機及所串電
阻容易燒壞，維護量大。而且負荷改變時，電機的轉(zhuǎn)
速也改變，調(diào)速效果不好，所串電阻長期發(fā)熱，將消耗
大量的電能。因此，系統(tǒng)對垃圾搬運起重機也采用了
變頻器來趨動。
垃圾焚燒處理過程中產(chǎn)生的煙氣中含有一些污染
物會對環(huán)境造成二次污染，必須對這些污染物進行處
理，滿足環(huán)境保護的要求。在煙氣處理系統(tǒng)中，石灰螺
旋輸送機輸送中和酸性氣體的石灰；活性炭螺旋輸送
機輸送吸附重金屬和二惡英／呋喃類物質(zhì)的活性炭；循
環(huán)灰給料機負責使反應(yīng)器內(nèi)的石灰、活性炭和煙氣中
的灰塵充分反應(yīng)，達到比較理想的凈化效果。
由于燃燒的垃圾成份時刻變化，垃圾在燃燒過
程中產(chǎn)生的污染物成份也變化多樣，這就要求系統(tǒng)
在處理煙氣時投入的石灰、活性炭也隨著污染物的
成份改變。輸送機輸送的物體質(zhì)量與傳輸速度成正
比，所以，輸送機的速度需要進行調(diào)節(jié)。在順能垃圾
發(fā)電廠，采用變頻方式控制輸送機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)
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42 電力設(shè)備 第9卷第2期
投入石灰、活性炭量的大小。變頻調(diào)速系統(tǒng)的拓撲圖
如圖1所示。
Profibus
中心控制室工業(yè)計算機
可編程控制器I l其他設(shè)備
1號焚燒爐I 2號焚燒爐
圉 圜圉圉 國目國目 目圉
A～垃圾搬運起重機，共1臺；B一各段爐排二次風機，
共10臺；c一各段再燃煙道風機，共7臺；D一再循環(huán)
風機和干燥爐排風機，各1臺．共2臺；E一爐膛燃燒器
風機，共6臺；F一引風機．共1臺
圖l 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)拓撲圖
2 變頻器選型及變頻調(diào)速控制電路
一般情況下，風機變頻通常選用風機專用變頻
器，但垃圾發(fā)電廠工作環(huán)境的灰塵、雜質(zhì)比較多，設(shè)計
時必須考慮適量的過載能力。而風機、水泵專用變頻
器的過載能力通常都很低，不太適合現(xiàn)行的工作場
合，因此，設(shè)計時選擇了普通變頻器。由于風機屬于
平方轉(zhuǎn)矩負載，低速時負載轉(zhuǎn)矩較小，運行過程中負
載不會急劇變化，對變頻器的調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精
度的要求不太高，選擇普通的V／F調(diào)壓調(diào)頻控制方式
的通用變頻器即可滿足要求。
考慮到發(fā)電廠的性質(zhì)和特點，系統(tǒng)在運行過程中
必須具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，因此，要求變頻器
性能高、故障低。在變頻器選擇的過程中，對變頻器
品牌的要求比較高，通過反復(fù)考慮變頻器的性價比，
選擇了西門子MicroMaster4系列變頻器。
2號爐的l0臺二次風機、6臺主爐膛燃燒器風機
和2臺再燃煙道燃燒器風機的額定電壓都是380V，額
定容量比較小，且工作時負載不大，選用西門子Mi—
croMaster420基本型變頻器即可滿足要求。
然后，根據(jù)電機的容量，進一步選擇變頻器具體
的規(guī)格、型號。在傳統(tǒng)的火電廠，由于風機在設(shè)計時
留的裕量非常大，變頻器的容量選擇與電動機的容量
接近，有時變頻器的容量甚至可以比電動機的容量小
一個等級。但是，順能垃圾發(fā)電廠的電動機在設(shè)計時
就按滿負荷計算，裕量并不大，根據(jù)變頻器選用的最
高可靠性原則，將變頻器容量適當選取大一點，約為
電動機額定容量的1．2～1．3倍。例如2號、6號爐的
二次風機的額定容量為2．2 kW ，選擇6SE6420—2UD22—
2BA0型號變頻器，其容量為3 kW；3～5號爐的二次風
機的額定容量為4 kW，選擇6SE6420·2UD24·0BA0
型號變頻器，其容量為5 kW；同樣，主爐膛燃燒器風
機的額定容量為3 kW，選擇6SE6420—2UD23—2BA0
型號變頻器；再燃煙道燃燒器風機的額定容量為5．5
kW ，選擇6SE6420—2UD25·5CAO型號變頻器。
MicroMaster430是風機、水泵專用變頻器，具有應(yīng)
用于風機和泵類負荷的硬件和軟件特征，尤其適合用
于風機和水泵負載的控制。使用此型號的變頻器可
以節(jié)約能源消耗，降低運行噪聲，對環(huán)境起到很好的
保護作用。在PID控制信號作用下，變頻器最多可以
控制3臺輔助電動機，可廣泛用于風機、水泵的控制。
通過對輸出轉(zhuǎn)矩的變化范圍進行監(jiān)控，能夠識別變頻
器是否處于欠負載或過負載運行。在無負載的情況
下，可以斷開電動機的運行。
干燥爐排風機、4臺再燃煙道風機、再循環(huán)風機、3
臺給水泵電機的容量相對比較大，選用Micro Master430
節(jié)能型變頻器比較合適。
引風機的額定電壓為400 V／690 V，額定電流為
850 A／490 A，額定容量為500 kW，是順能垃圾發(fā)電廠
容量最大的1臺電機，選擇了裝機裝柜大功率變
頻器。
順能垃圾發(fā)電廠共有3臺給水泵采用了變頻調(diào)
速控制，由于水泵在運行過程很少發(fā)生過載，且電路
需要閉環(huán)控制和PID調(diào)節(jié)功能，所以選擇西門子Mi—
croMaster430節(jié)能型風機、水泵專用變頻器。由于給
水泵的額定容量為185 kW ，沒有完全匹配的變頻器，
選擇等級略高的型號，從技術(shù)規(guī)格上可以看出，
6SE6430—2UIM2—0GA0型號變頻器比較符合要求。
垃圾搬運起重機共采用了4臺變頻器進行控制，
其中有1臺變頻器控制2臺大車行走電機。由于起
重機在下降過程中有能量回饋到電網(wǎng)，要求電動機能
夠在四象限運行，應(yīng)選擇電流型變頻器；又因為起重
機屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，對轉(zhuǎn)矩的要求比較高，而且還需
要較高的速度精度和較好的動態(tài)性能，選用矢量型變
頻器比較符合要求。綜合考慮，垃圾搬運起重機全部
選用日本安川(YASKAWA)VS一616G5型變頻器。這
是一種帶脈沖編碼器(PG)的電流型矢量控制的高性
能變頻器，具有非常好的動態(tài)響應(yīng)特性，脈沖編碼器能
夠檢測電機的角速度，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，在極低速
時的平滑運行和高力矩高精度的速度、力矩控制。由
于垃圾搬運起重機的5臺電機在工作時常處于滿載或
過載運行狀態(tài)，變頻器的容量選擇要適量大一些，確保
變頻器的安全，從而使系統(tǒng)可靠地丁作。根據(jù)電動機
的功率，變頻器的功率分別選擇：大車50 kVA，小車
11 kVA，抓斗機130 kVA。大部分的風機控制電路完全
相同，為最基本的起動、停車和反轉(zhuǎn)控制，如圖2所示。
煙氣再循環(huán)風機通過傳感器測出燃燒參數(shù)，經(jīng)過
計算機運算處理后，通過控制爐排擺動的幅度、擺動頻
率，改變氣量配比和煙氣再循環(huán)風機擋板開度來控制
各級燃燒過程和煙氣溫度。由于煙氣再循環(huán)風機的工
作特點，容易發(fā)生煙道阻塞等故障，從而使余熱鍋爐膨
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新成果與技術(shù)應(yīng)用 陳湘：順能垃圾發(fā)電廠變頻器的選型及變頻調(diào)速控制 43
圖2 風機的變頻調(diào)速控制電路
脹，引起事故。由于煙氣再循環(huán)風機的容量較大，而且
其工作狀態(tài)直接影響到煙氣凈化的效果，為了保證系統(tǒng)
安全可靠地運行，在基本控制線路上加裝了急停按鈕。
為了確保給水泵持續(xù)、安全、可靠地運行，在選擇
設(shè)計方案時，對給水泵電路采取了雙路電源供電的方
式，電路如圖3所示。當按下SB1起動按鈕，KM1線
圈通電，給水泵由A組電源供電；如果按下SB2起動
按鈕，KM2線圈通電，給水泵由B組電源供電。為了
PIC控制B組
RL5-B
IU 5．C
I也6．B
IU 6一C
5號給
B組電源
A蛆電源
就地切換／
遠程切換
圖3 給水泵的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
防止A組電源和B組電源同時導(dǎo)通引起電源之間的
短路，電路采用了復(fù)合按鈕與接觸器輔助觸點的雙重
互鎖。除了通過按鈕進行電源之間的切換，在電路設(shè)
計上還設(shè)置了遠控切換，由2組PLC控制實現(xiàn)。就地
切換和遠控切換由鈕子開關(guān)KA1進行選擇。起重機
的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，電氣系統(tǒng)采用PLC進行控制，
此處不再贅述。
3 變頻調(diào)速控制的應(yīng)用效果
變頻調(diào)速技術(shù)在順能垃圾發(fā)電廠的應(yīng)用效果主
要有2個方面：節(jié)約能源和提高系統(tǒng)的安全可靠性。
3．1 節(jié)能
表1為順能垃圾發(fā)電廠2006年6月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。
從生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，采用變頻技術(shù)后，順能垃圾發(fā)電廠的
自用電率大部分時間可以控制在20％ 以內(nèi)，遠遠低于
表1 順能垃圾發(fā)電廠2007年6月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)
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電力設(shè)備 第9卷第2期
一般火電廠30％ 以上的自用電量。以 廠月平均售電量
360萬kW·h計算，年售電量近似可達4 320萬kW-h．
按當?shù)氐碾妰r0．6 (kW-h)計算，1年可得發(fā)電收
入約為2 600萬元。另外，一1二廠每天可處理垃圾約
600～800 t，當前，每處理1 t垃圾政府補貼60元．
1年可得到政府補貼約1 500萬元，全年總收入達
4 000萬元，按T 廠投資總額2．4億計算，除去各項費
用，靜態(tài)回收年限約為8年，具有非?？捎^的經(jīng)濟
效益。
3．2 提高系統(tǒng)的工作特性
(1)實現(xiàn)了軟起動，延長了電動機的使用壽命。
通過檢測，電機轉(zhuǎn)速與調(diào)速系統(tǒng)頻率之問有著良好的
線性關(guān)系。因此，電機的轉(zhuǎn)速基本上可以隨著頻率成
正比變化，電機轉(zhuǎn)速具有很好的連續(xù)性和較大的調(diào)速
范圍，從根本上消除了對電機的沖擊應(yīng)力。
采用變頻起動，電機的電流從0開始，隨著轉(zhuǎn)速
的上升而逐漸增加，在比較短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定運
行狀態(tài)。起動電流的最大值也不會超過額定電流，
而且電流的變化與直接起動相比要緩慢得多，真正
實現(xiàn)了軟起動。變頻起動的Matlab仿真波形如圖4
所示。
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圖4 變頻起動時定子電流的波形
(2)延長了風機和水泵的使用壽命。變頻調(diào)速
時，電機大部分時問處于低速運行狀態(tài)，大大延長了
電機軸承的使用壽命及整機的連續(xù)運行周期，減少了
維護量。變頻調(diào)速運行時，風機和水泵的出口閥和調(diào)
節(jié)閥可全開，利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量和壓力，對于水泵，在
低負荷時也低速運行，泵必需的汽蝕余量降低，減少
了泵內(nèi)發(fā)生汽蝕的可能性，從而減少了維護工作量，
延長了水泵的壽命。
(3)提高了系統(tǒng)的安全可靠性。變頻調(diào)速運行
時，風機和水泵的出口閥和調(diào)節(jié)閥可全開，利用轉(zhuǎn)速
調(diào)節(jié)流量和壓力，改善了由于閥門調(diào)節(jié)時對管系的沖
擊，降低了調(diào)節(jié)閥前后管系泄漏的可能性，從而減少
了維護工作量。另外，選用的變頻器本身具有高可靠
性的保護系統(tǒng)，而且具有完善的故障診斷記錄功能，
有利于迅速查找并排除故障。例如出現(xiàn)電機接地、相
間短路等故障時，變頻器本身靈敏、準確的保護功能
可減少甚至避免崩燒事故的發(fā)生，因此大大提高了系
統(tǒng)的安全可靠性。
(4)提高操作的舒適性。垃圾搬運起重機采用
變頻器驅(qū)動后，可以用鼠籠式異步電動機取代繞線
式異步電動機。鼠籠式異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，防護
等級高，維護工作量小，可靠性高，適合在較惡劣環(huán)
境下工作。由于變頻器驅(qū)動時，頻率和電壓都是按
一定比例、一定速度逐步升高或降低，因此使得電機
起動沖擊電流小，轉(zhuǎn)速變化非常平穩(wěn)，操作人員操作
非常舒適，起升、行走定位也較準確，提高了生產(chǎn)
效率。
(5)減少了噪聲污染。變頻調(diào)節(jié)時，由于負荷小
時轉(zhuǎn)速低，降低了風機、水泵及系統(tǒng)的噪聲，改善了運
行環(huán)境。
4 參考文獻
[1] 王汝武．節(jié)能技術(shù)及工程實例．北京：化學_丁業(yè)出版社，2006．
[2] 汪玉林．垃圾發(fā)電技術(shù)及工程實例．北京：化學工業(yè)出版
社．2003．
收稿日期：2008·O卜05
作者簡介：
陳湘(1967‘)，女，丁學碩士，副教授，湖南省維修電工
專家委員會委員，主要從事電機傳動與控制的教學和研究。
(責任編輯張曉燕)
The M otor and Frequency Conversion Speed Control in
Shunneng Garbage Power Plant
CHEN Xiang
(Hunan Railway College of Science and Technology，Zhuzhou 412000，China)
Abstract：The article briefed the type selection of frequency converter，frequency conversion control circuit as well as the app lication
efect offrequency conversion speed control techn ology in Shunneng garbage Power Plant．since the frequency conversion technology
Was adopted ，the serrice power rate of shunneng garbage power plant mi t be controlled within 20％ in the great part of time． The
soft start。up mode of frequency conrersion speed control extended the life time of motor．The application of frequency conversion
speed control might extend the life time of draft fans and pumps，raise the safety and reliability of system
， and reduce the Hoise
polution．
Keywords：garbage power plant；motor；frequency conversion speed control；application efect

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