垃圾焚燒發電廠用電剖析及電氣系統節能措施探討

張 鑫，張會妍，龍吉生，杜靈亮，孫軼斐

（1.上海康恒環境股份有限公司，上海 201703；2.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京100083）

1 工程背景概述

目前，某廠商自主投資建設運營的垃圾焚燒發電項目達15 座，項目建設的發展規劃一般為5～10 a，電氣設備隨工藝要求配置較大裕量，實際長期運行中電氣設備處于低負荷運行狀態，并存在一次性投資和廠用電損耗問題。根據在運行項目統計數據及電氣設備負荷運行狀況分析，一次性投資在變壓器和大功率電動機體現明顯，而大功率電動機長期低負荷運行帶來的電量損耗極具代表性。因此，本研究從電氣專業角度，以變壓器選型及大功率電動機配置變頻調速的節能措施為例，論述降低廠用電量、提高上網電量的電氣節能效果，以期對垃圾焚燒發電廠建設和投運的節能起到一定的指導作用。

2 運行狀況及設計參數

根據運行1～5 a 的5 座類似垃圾焚燒發電廠2021 年度運行數據，選取全年單月發電量最高的月份運行數據進行統計，其結果如表1 所示。

表1 垃圾焚燒發電廠數據統計（單月）Table 1 Statistical data of waste incineration power plant（single month）

3 電能損耗分析方法及計算

垃圾焚燒發電廠電氣設備分為一次設備和二次設備，電能損耗主要發生在屬于一次用電設備的變壓器和電動機設備上。電氣設備額定值和實際運行數據對比，選擇廠用電率相對較高的焚燒廠A 項目，在發電量接近設計容量的情況下，分析原設計方案及采取節能措施后的運行節能效果。

3.1 變壓器能效分析

3.1.1 概述

變壓器是一種通過交變的磁通起到變壓目的的電氣設備，由繞組、鐵芯組成。目前垃圾發電廠廠用電部分基本使用的是10/0.4 kV 電壓等級，廠用電系統變壓器選擇為SCB 型干式變壓器。

由于變壓器本身的空載損耗和負載損耗特性，為了降低用電損耗，應經濟合理地選用變壓器的容量。變壓器容量選擇要以全廠計算負載為依據，適當考慮后期項目建設計劃用電需求［1］。

變壓器的損失電量由鐵損和銅損兩部分組成。因此，計算損失電量的同時，變壓器能效等級選擇也尤為重要。1 000 kVA 變壓器不同能效等級標準電量損耗［2］見圖1，變壓器功率損耗率特性曲線見圖2。

圖1 1 000 kVA 變壓器不同能效等級標準電量損耗Figure 1 Standard energy loss for different energy efficiency levels of a 1 000 kVA transformer

圖2 變壓器功率損耗率特性曲線Figure 2 Characteristic curve of transformer power loss rate

由圖1、圖2 可以看出，在變壓器實際選擇時，應綜合考慮容量和能效等級、負載率和變壓器對應的效率關系。

3.1.2 變壓器損耗計算

以鍋爐變壓器為例，計算變壓器運行產生的損耗電量。

鍋爐變壓器實際運行負載SN2=600 kVA，選擇SCB14-1 000 kVA 型二級能效干式變壓器，負載率β1=50%。已知：P11=1.205 kW［2］，Pk1=7.315 kW［2］。則變壓器電量損耗如下：

鐵損P11=1.205 kW；

銅損P12=β12×Pk1

［3］=（50%）2×7.315=1.829 kW；

總損耗P1=P11+P12=1.205+1.829=3.034 kW。

鍋爐變壓器實際運行負載SN2=600 kVA，選擇SCB12-2 000 kVA 型干式變壓器，負載率β2＝30%。已知：P21=2.44 kW［2］，Pk2=14.45 kW［2］。則變壓器電量損耗如下：

鐵損P21=2.44 kW；

銅損P22=β22×Pk2

［3］=（30%）2×14.45=1.30 kW；

總損耗P2=P21+P22=2.44+1.30=3.74 kW。

由以上實例可知，實際運行負載不變的情況下，使變壓器保持在合理的負載系數范圍內，變壓器損耗應根據短路損耗和空載損耗綜合計算，結合變壓器阻抗百分比不同，實際變壓器負載率在50%～70%為最經濟運行狀態［4］。而相同容量的變壓器，能效等級更高的節能型變壓器，不僅可降低其鐵損和負載損耗，同時也符合國家關于變壓器能效提升計劃的要求。

3.1.3 變壓器能效等級選擇

變壓器能效等級越高，其空載損耗和負載損耗就越低。在已建設運營項目中，不便于更換低能耗變壓器的情況下，可采取平衡負荷分配和并列運行等措施，以提高變壓器的負載率和效率。

3.2 電動機能效分析

3.2.1 概述

垃圾焚燒發電廠各工藝系統的運行離不開電動機的驅動。在全廠運行的設備中，大功率風機和水泵類具有一定代表性。電動機能否在最經濟合理的方式下運行，是影響電動機電能損耗的因素之一。

我國的三相異步電動機根據其本身性能，以負載率為界定劃分3 個運行區域：經濟運行區負載率為70%～100%、一般運行區負載率為40%～70%、非經濟運行區負載率在40%以下［5］。

三相異步電動機效率和負載率的關系如圖3所示，其在不同負載情況下的功率因數和效率如表2 所示。

圖3 三相異步電動機效率和負載率對應曲線Figure 3 Corresponding curve of efficiency and load rate of three phase asynchronous motor

表2 電動機在不同負載階段運行的功率因數和效率參數Table 2 Parameter for power factor and efficiency parameter of electric motors in different load stages

3.2.2 電動機損耗計算

以循環水泵電動機為例，根據銘牌數據，電壓10 kV、軸功率280 kW，取η1=0.920、η2=0.875、cosφ2=0.89、η3=0.880、cosφ3=0.85，計算電動機功率355 kW 和220 kW 時的電能損耗，驗證低負載運行損耗的差值。

電動機輸出功率Pe1=P1/η1=280/0.920=304.35 kW；

電動機輸入功率Pa1=P1/η1/η2=280/0.920/0.875=347.83 kW。

根據軸功率及機械效率選擇電動機為355 kW等級，匹配度合適。但根據循環水泵滿載電流為26.5 A，目前最高運行電流為13 A。顯然根據高峰值裕量選擇的電動機容量在實際運行中出現“大馬拉小車”的現象。

電 動 機 實 際 輸 出 功 率Pe2= 3×U×I×cosφ2=1.732×10×13×0.89=200.39 kW。

根據實際運行數據計算，選擇電動機為220 kW 作為日常平穩運行的容量比較合適。

以上計算可知，選擇355 kW 電動機的實際運行負載率為56%、效率為0.850、功率因數為0.77；而220 kW 電動機、90% 以上負載率，效率為0.875、功率因數為0.89。以此計算兩個不同功率電動機耗電量。

355 kW 電動機的電網輸入功率Pb1=Pe2/η3=200/0.85=235.3 kW；

220 kW 電動機的電網輸入功率Pb2=Pe2/η3=200/0.875=228.6 kW；

損耗功率為Pb1-Pb2=235.3-228.6=6.7 kW。

根據以上計算得出：相較實際輸出功率200 kW，大部分功率成為無用功返回電網。而真正損耗的有功功率也有近7 kW，其中一部分損耗體現在電動機本身的銅損和鐵損。

3.2.3 變頻器節能計算

項目建設中，電動機根據長遠規劃和工藝考慮最高峰值作為選擇容量的依據，而長期低負荷運行無疑會造成電能損耗。因此，應選擇高效節能型電動機并采取變頻調節措施。

本研究基于通用工況下，對風機和水泵使用變頻器后的節能效果進行計算，進一步分析垃圾發電廠低負荷運行電動機的節能方案。

變頻器節能計算應基于中心調速，即最低頻率和額定頻率（50 Hz）的中心值［6］。流量和揚程的取值決定風機泵類的能效：流量（Q）與轉速（n）成一次方關系，即Q1/Q2=n1/n2；揚程（H）與轉速（n）成二次方關系，即H1/H2=（n1/n2）2；電動機軸功率（P）與轉速（n）成三次方關系，即P1/P2=（n1/n2）3。推導可知，在風機泵類同樣功效需求情況下，變頻器頻率與轉速取決于流量和揚程的三次方比例關系。不同流量調節方式的風機泵類運行工況見圖4。

圖4 不同流量調節方式的風機泵類運行工況Figure 4 Operating conditions of fan and pump types with different flow regulation methods

項目中3#給水泵電動機400 kW，根據工藝參數，實際運行閥門開度最大流量取82%、功率系數為0.63、效率為0.96。251 kW 實際運行工況下，變頻器節能效果計算［7］如下：

工頻運行功率Pg=251 kW；

變頻運行功率Pb=（251/0.63）×0.823/0.96=228.83 kW；

節約電功率△P=251-228.8=22.17 kW；

節電r=22.2/251×100%=8.83%。

3.2.4 電動機及變頻器運行數據分析

針對大功率電動機運行負載情況，以具有代表性的垃圾焚燒廠A 數據計算為基礎，對電動機的選型、功率計算等運行數據進行分析，探討節能降耗的措施。A 廠大功率電動機實際運行及變頻器電能降耗投資成本對比見表3。

表3 A 廠大功率電動機實際運行及變頻器電能降耗投資成本對比Table 3 Comparison of investment costs for actual operation of high power motors and energy consumption reduction of frequency converters in factory A

引風機等電動機已經配置變頻調速裝置，不進行節能改造效果的論證；給水泵及循環泵電動機可根據實際情況考慮變頻器補償，補償電動機自身損耗的同時，更多地降低工藝運行損耗。

4 成本經濟分析

A 廠變頻器投資成本核算：電價按0.65 元/kWh計，年運行8 000 h。則年節約電能金額為89.4×0.65×8 000=46.488 萬元，投資成本回收時間為95/46.488=2.04 a。

根據A 廠的運行數據，大部分電動機低負荷運行，功率損耗不可忽視。更換為變頻器調節方式后，從項目建設的經濟投入和項目運行的長期損耗來分析，節能結果如表4 所示。

表4 電動機采取變頻節能措施的回報時間Table 4 The return time for frequency conversion energy-saving measures taken by electric motors

根據表4 統計可以看出，雖然電氣設備單臺損耗不明顯，但疊加到全廠電動機負載、變壓器所供電的負載統計并疊加到年度，其數值還是可觀的。

5 廠用電量控制及節能措施

目前變壓器和電動機選型的容量是滿足項目實際需求的，另外考慮建設資金的投入，選擇性價比高的三級能效變壓器和工頻電動機，雖然可以節省投入資金，但是從項目運營方面來看，設備消耗的電量也相應增加。

根據分析，針對低負荷運行電動機，通過增加投資和降耗以節約資金的對比，已運行項目首選增加變頻器節能的方式來達到降低損耗的目標；在建項目則選擇配置高效節能電動機及變壓器以節能降耗。主要節能措施如下：

1）容量選擇。項目建設階段，根據高效節能型電動機和變壓器超載能力的特性和經濟性價比，合理選擇設備容量、型號和能效等級。

2）設備選型。核算經濟成本和運行節能成本，合理選用節能設備，提高設備運行的功率因數及效率。

3）負載分配。對工作段的負載進行分配調整，保持變壓器50%～70% 負載率的最佳運行狀態，電動機負載率在70%以上時跟蹤調配。

4）經濟運行。根據電動機運行狀態，盡量使工頻電動機負載接近滿載，通過變頻調整補充，同樣可以彌補低負載運行帶來的損耗。

6 結論

目前在項目發電效率達到遠期目標前，機組、工藝及電氣設備長期低負荷運行狀況成為常態，從而不可避免地存在一次性投資和長期廠用電損耗過高（高于實際需要）問題。電氣系統的優化作為垃圾發電廠節能降耗的有效措施之一，通過選擇合適容量的節能型變壓器及大功率電動機配置變頻調速，可達到節能降耗、降低廠用電量、提高上網電量的目標，同時對垃圾焚燒發電廠的建設起到一定的指導作用。

7 建議及展望

1）方案設計方面：電動機功率選擇，使電動機功率保持在高效運行范圍內，合理設置臺數、容量，采用變頻調速技術等；變壓器容量選擇，使變壓器負載率在合理范圍內。

2）設備選型方面：選擇高效節能型變壓器及電動機，提高設備運行效率。

3）負荷分配方面：合理分配不同工作段的負荷，針對大容量變壓器，保持50%～70% 的負載率，70%以上狀態隨時跟蹤調配。

4）運行調節方面：根據電動機運行狀態，調整運行方案，盡量使得工頻電機負荷接近滿載，變頻電機作調節補充。