張 瑩

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣及自動化事業(yè)部，北京 100038)

垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線形式及運(yùn)行方案的探討

張 瑩

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司 電氣及自動化事業(yè)部，北京 100038)

垃圾焚燒發(fā)電廠屬小機(jī)組電廠，一般機(jī)組出力為9 MW～25 MW不等，針對這樣小容量機(jī)組的電廠，其全廠電氣主接線形式與大容量火力發(fā)電機(jī)組相比有其自身的特點(diǎn)。本文結(jié)合深圳市寶安區(qū)白鴿湖垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線的實(shí)際設(shè)計(jì)范例，介紹了小容量機(jī)組電氣主接線形式選擇的設(shè)計(jì)思路，并提出了自己觀點(diǎn)進(jìn)行探討。

垃圾焚燒發(fā)電廠；電氣主接線設(shè)計(jì)

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，城市垃圾量也飛速增長。垃圾焚燒發(fā)電廠占地面積相對于填埋方式小、長期綜合處理量大、能源可以回收利用、社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，因其眾多優(yōu)勢，逐步被廣大地區(qū)的環(huán)保部門所采用。我國垃圾焚燒發(fā)電廠始建于20世紀(jì)80年代中期，自90年代后期以來，東南沿海地區(qū)和部分中心城市加快了生活垃圾焚燒發(fā)電廠建設(shè)速度。

垃圾焚燒發(fā)電廠屬小機(jī)組電廠，一般單臺機(jī)組出力為9 MW～25 MW不等，全廠配置1～2臺發(fā)電機(jī)組。針對這樣小容量機(jī)組的電廠，其全廠電氣主接線形式與大容量火力發(fā)電機(jī)組相比有其自身的特點(diǎn)。本文結(jié)合深圳市寶安區(qū)白鴿湖垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線的實(shí)際設(shè)計(jì)范例，介紹了小容量機(jī)組電氣主接線形式選擇的設(shè)計(jì)思路，并提出了個人觀點(diǎn)。

1 垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線的設(shè)計(jì)

1.1 垃圾電廠上網(wǎng)電壓等級及方式的選擇分析

從整個電廠規(guī)模看，垃圾焚燒發(fā)電廠規(guī)模屬于小型火力發(fā)電廠。在確定其送電上網(wǎng)方式時(shí)有發(fā)電機(jī)出口電壓等級直接并網(wǎng)(直配)和經(jīng)升壓送電上網(wǎng)兩種選擇。

在筆者所接觸過的垃圾電廠設(shè)計(jì)中，送電上網(wǎng)方式都是選用升壓送電上網(wǎng)方式。筆者經(jīng)過考慮認(rèn)為原因在于，垃圾焚燒發(fā)電廠除去廠用電部分(約占總發(fā)電量的20%)，實(shí)際輸送到地區(qū)電網(wǎng)電量不超過總發(fā)電量的80%，發(fā)電量在20 MW左右比較普遍，如采用發(fā)電機(jī)出口電壓等級直接并網(wǎng)(10 kV或6 kV電壓等級)，其經(jīng)濟(jì)輸電范圍不超過1 km；而目前國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠的選址多選在城市郊區(qū)，甚至靠近居民區(qū)，便于垃圾集中的收集的地區(qū)，在廠區(qū)周邊找到符合要求的并網(wǎng)變電站一般可能性不高，因此直配方式很少采用，多數(shù)選擇由發(fā)電機(jī)的出口升壓至高一級電壓等級，再送電至地區(qū)變電站。

高一級電壓等級一般為35 kV和110 kV兩種，隨著地區(qū)電網(wǎng)的改造，35 kV電壓等級正逐步退出城市電網(wǎng)，考慮到與城市電網(wǎng)發(fā)展趨勢相匹配，多采用110 kV電壓等級并網(wǎng)。110 kV等級比35 kV等級并網(wǎng)費(fèi)用要增加不少，如果地區(qū)電網(wǎng)能夠提供合適的35 kV并網(wǎng)點(diǎn)，那么從經(jīng)濟(jì)上選用35 kV等級并網(wǎng)則更為優(yōu)化。

升壓送電上網(wǎng)方式相比以發(fā)電機(jī)出口電壓等級直接并網(wǎng)增加不少投資，但也相對提高了送電上網(wǎng)的可靠性(電壓等級越高，可靠性越高)。具體采用哪種并網(wǎng)的等級，需要充分考慮垃圾電廠發(fā)電容量、所在地區(qū)的電網(wǎng)情況等多種具體因素，進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較才能確定。

1.2 垃圾電廠廠用電接線形式的分析

垃圾焚燒發(fā)電廠發(fā)電機(jī)組規(guī)模較小，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的條件下會力求主接線簡單清晰。根據(jù)小型電廠設(shè)計(jì)習(xí)慣，廠內(nèi)高壓母線一般有10 kV和6 kV兩種電壓等級的選擇。由于10 kV電壓等級母線段上的短路電流比6 kV電壓等級母線段上的短路電流要小，且節(jié)約線損，目前市場上10 kV電氣設(shè)備使用也較為普遍；另一方面如下面提到的，除了并網(wǎng)線路外，廠內(nèi)仍可能需要從外網(wǎng)引入一路中壓電源作為備用或保安電源，城市電網(wǎng)現(xiàn)有電壓等級的配備，10 kV電壓等級較6 kV電壓等級要普遍的多。因此，設(shè)計(jì)中筆者一般采用10 kV電壓等級的高壓母線段。

對于備用電源的選擇，如果電廠有2條專用上網(wǎng)線路，可以互為備用；如果只有1條專用上網(wǎng)線路，就需要另1條引入線路作為備用電源。也可設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。

筆者經(jīng)過思考和研究分析如下：

方案1采用外引電源。優(yōu)點(diǎn)：(1)保障速度快，事故情況下可以快速切換，切換時(shí)間只受倒閘時(shí)間制約，甚至可以做到無差切換(柴油發(fā)電機(jī)組的啟動時(shí)間約為15秒)，對廠內(nèi)保安負(fù)荷影響較小。(2)對電廠來講，維護(hù)工作量小。(3)運(yùn)行費(fèi)用低。缺點(diǎn)：(1)初期建設(shè)時(shí)，選址、線路架設(shè)受電網(wǎng)、政策等條件制約。(2)其供電可靠性受電網(wǎng)運(yùn)行情況限制。

方案2采用柴油發(fā)電機(jī)組。優(yōu)點(diǎn)：(1)建設(shè)不受外部條件制約。(2)運(yùn)行期間，可以廠內(nèi)自行維護(hù)、檢修，供電可靠性可控。缺點(diǎn)：(1)投資較大。(2)建設(shè)、選址對防火要求高，提高工程造價(jià)。(3)使用時(shí)消耗能源，運(yùn)行費(fèi)用高，且有一定的環(huán)境污染問題。

采用外引電源和柴油發(fā)電機(jī)組作為備用/保安電源2種方案各有優(yōu)劣。有些垃圾電廠所在地區(qū)的電網(wǎng)無法提供合適的中壓電源，或者只能提供分支線而非專線的中壓電源，那么此電源的可靠性就有待考證。有些垃圾電廠所在地區(qū)的電網(wǎng)雖然可以提供專線中壓電源，但電源點(diǎn)距電廠較遠(yuǎn)，其專線架設(shè)費(fèi)用要遠(yuǎn)高于廠內(nèi)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組的費(fèi)用時(shí)，就要考慮采用柴油發(fā)電機(jī)組。選擇哪種方案為優(yōu)，需要根據(jù)垃圾電廠的情況及地區(qū)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較選擇。

廠內(nèi)電氣主接線一般根據(jù)焚燒鍋爐、發(fā)電機(jī)組數(shù)量及工程分期投入的時(shí)間，采用單母線或單母線分段方式。高壓廠用母線采用單母線接線，按機(jī)分段；在母線上接有爐的Ⅰ類負(fù)荷時(shí)，宜按爐對應(yīng)分段。低壓廠用母線采用單母線接線，按爐分段。

2 深圳市寶安區(qū)白鴿湖垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線及運(yùn)行方案探討

2.1 工程概況及電力系統(tǒng)概況

深圳市寶安區(qū)白鴿湖垃圾焚燒發(fā)電廠是采用現(xiàn)代技術(shù)綜合利用、處理生活垃圾的基地。年處理生活垃圾40萬t(平均日處理1200 t)，焚燒爐為機(jī)械爐排爐，共3臺，單臺處理垃圾能力為400 t/d，焚燒爐可短時(shí)超負(fù)荷10%。安裝2臺12 MW(最大功率15 MW)凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能扣除廠用電外，剩余部分的電力全部經(jīng)升壓變壓器送入地方電力網(wǎng)。電氣設(shè)計(jì)按一次建成3爐2機(jī)的規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本工程以城市垃圾焚燒為主，機(jī)組容量較小，在電力系統(tǒng)中不是主力機(jī)組，對系統(tǒng)潮流、電壓無明顯影響?？紤]到降低上網(wǎng)電壓損失和造價(jià)合理，及附近電網(wǎng)資料，接入系統(tǒng)擬采用單回110 kV輸電線路并入系統(tǒng)。

2.2 電氣原則性接線系統(tǒng)

2.2.1 發(fā)電機(jī)電壓選擇

考慮到市網(wǎng)配電電壓為10 kV，焚燒廠備用啟動/應(yīng)急電源電壓定為10 kV。

同時(shí)為與當(dāng)?shù)仉妷旱燃壪嗥ヅ?，減少垃圾電廠內(nèi)電氣設(shè)備的電壓等級，以利于系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)管理和減少投資，發(fā)電機(jī)出口額定電壓也選擇為10.5 kV。

2.2.2 電氣主接線方案分析

根據(jù)3爐2機(jī)建廠規(guī)模、并網(wǎng)線路為單回路110 kV電壓等級的基本條件，電氣主接線有以下2個方案：

方案1：2臺電壓為10.5 kV發(fā)電機(jī)各自經(jīng)電纜引至10 kV廠用母線，再各由1臺升壓變壓器升壓至110 kV，經(jīng)電纜引至110 kV母線，最終由單回輸電線并入系統(tǒng)。不設(shè)置單獨(dú)的發(fā)電機(jī)主母線，10 kV廠用母線為單母線分段接線，110 kV母線為單母線接線。廠用高壓負(fù)荷由10 kV廠用母線饋出。

方案2：2臺發(fā)電機(jī)各經(jīng)過一臺升壓變壓器接入110 kV母線，110 kV母線為單母線接線，最終由單回輸電線并入系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)與對應(yīng)主變組成發(fā)電機(jī)——變壓器組。發(fā)電機(jī)出口設(shè)置廠用分支斷路器，廠用電源分別由對應(yīng)發(fā)電機(jī)出口引接。

全廠電氣主接線示意圖見圖1、圖2。

圖1 全廠電氣主接線示意圖1

圖2 全廠電氣主接線示意圖2

方案1與方案2比較，技術(shù)上優(yōu)缺點(diǎn)如下：

方案1的優(yōu)點(diǎn)：(1)供電靈活，發(fā)電機(jī)與主變可交叉供電，1臺發(fā)電機(jī)檢修，可用另一臺發(fā)電機(jī)提供全廠廠用電。(2)可外供其它負(fù)荷。缺點(diǎn)：廠用高壓負(fù)荷直接連至發(fā)電機(jī)母線上，當(dāng)廠用高壓負(fù)荷出現(xiàn)故障，后備保護(hù)易引起發(fā)電機(jī)停機(jī)。

方案2的優(yōu)點(diǎn)：廠用高壓負(fù)荷未直接連至發(fā)電機(jī)母線上，故障幾率較方案一稍小。缺點(diǎn)：(1)供電靈活性不及方案1。(2)增加2個10 kV開關(guān)柜，投資較方案1增加約20萬的設(shè)備投資。

通過上述比較，經(jīng)過比較認(rèn)為方案1接線簡明、供電靈活，運(yùn)行中的故障可通過合理配置保護(hù)方案限制，因此在設(shè)計(jì)中采取了以上2種方案中的第1方案。

2.3 廠用電接線形式和運(yùn)行方案的探討

2.3.1 廠用電電源方案

廠用起動電源引接方案：系統(tǒng)110 kV電源，經(jīng)主變降壓，倒送電至10 kV廠用母線，作為全廠起動電源。變壓器選有載調(diào)壓型。

廠用備用起動電源引接方案：因?yàn)榇斯こ滩捎?10 kV單回線路并網(wǎng)，當(dāng)系統(tǒng)110 kV線路未準(zhǔn)備好，廠內(nèi)需要外部電源進(jìn)行調(diào)試，或者為了處理垃圾的需要進(jìn)行孤島運(yùn)行，由外接10 kV線路需提供足夠的啟動電源容量。經(jīng)計(jì)算保證一爐一機(jī)運(yùn)行的啟動容量約為3000 kVA。

廠用工作電源引接方案：廠用電源分別由對應(yīng)發(fā)電機(jī)出口母線引接。

圖3 廠用電接線圖1

廠用保安電源引接方案：在全廠突然停電情況下，為確保人身及設(shè)備的安全，迅速采用應(yīng)急措施，使設(shè)備逐步停止運(yùn)轉(zhuǎn)，需要從城市電網(wǎng)(或者原廠的工作電源)引接10 kV電源作為保安電源，經(jīng)計(jì)算保安負(fù)荷容量約為800 kVA。按規(guī)程要求此路10 kV電源須從與并網(wǎng)線相獨(dú)立的電源點(diǎn)引接。

筆者在設(shè)計(jì)中對方案進(jìn)行了優(yōu)化整合，將廠用備用起動電源和廠用保安電源合并，電源容量按照起動電源容量爭取，設(shè)置一臺0#變壓器，一方面當(dāng)工作變壓器故障或檢修時(shí)可以自動或人工啟動，作為工作變壓器的備用；一方面事故情況下，將外引的10 kV電源降壓，為低壓保安負(fù)荷供電。通過運(yùn)行規(guī)程控制相應(yīng)斷路器合閘，使不同母線帶電，實(shí)現(xiàn)起動/備用電源/保安電源功能的區(qū)分和轉(zhuǎn)換。

2.3.2 廠用電接線形式和運(yùn)行方案

廠用電運(yùn)行方案有2種實(shí)現(xiàn)方案，見圖3、圖4。

方案1如圖3所示：

(1)初始狀態(tài)時(shí)，QF1、QF2、QF3斷開，QF4合上。當(dāng)外接10 kV電源作為備用起動電源時(shí)(起動電源保持一爐一機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn))，視起動機(jī)爐要求，決定是否合上QF3。

(2)正常狀態(tài)時(shí)(全廠運(yùn)行穩(wěn)定后)，QF1、QF2、QF3斷開，QF4合上，保證10 kV0段有電，0#變?yōu)槔鋫洌?0 kVⅠ、Ⅱ段不會并列運(yùn)行。當(dāng)一臺工作變壓器故障或檢修時(shí)，可以自動或人工啟動0#變代替工作變?yōu)樨?fù)荷供電。此時(shí)檢測需替換工作變壓器0.38 kV段母線電壓失電，檢測10 kV0段有電，合上QF2，使0#變帶電并且0.38 kV0段有電。合上需替換工作變壓器0.38 kV段母線備用進(jìn)線開關(guān)(工作變壓器0.38 kV段母線主進(jìn)線開關(guān)與備用進(jìn)線開關(guān)須互鎖)，使0.38 kV工作母線段恢復(fù)供電。0#變不能同時(shí)作為多臺工作變壓器的備用(因?yàn)?#變的容量是按最大一臺工作變壓器容量選取，不能夠同時(shí)承擔(dān)多臺變壓器的工作容量)，一旦其投入備用，需要閉鎖相應(yīng)其他0.38 kV工作母線段的備用進(jìn)線開關(guān)。此過程可由低壓備自投裝置或者由手動操作完成。

圖4 廠用電接線圖2

(3)當(dāng)出現(xiàn)1F發(fā)電機(jī)由2#主變升壓并網(wǎng)，或者2F發(fā)電機(jī)由1#主變升壓并網(wǎng)的交叉供電的情況，QF1、QF2斷開，QF3、QF4合上。此過程須手動操作，保證不會出現(xiàn)兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的情況。

(4)當(dāng)全廠失電，即無法從發(fā)電機(jī)和經(jīng)由主變倒送取得電源，為了保證人身及設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)，需由外接10 kV電源提供保安電源。此時(shí)檢測10 kVⅠ、Ⅱ段全部失電，外接電源有電。斷開QF4，合上QF1、QF2，使10 kV僅有0段有電，0#變帶電并且0.38 kV0段有電。閉鎖低壓備自投裝置，使各工作變壓器0.38 kV母線段都無法通過備用進(jìn)線開關(guān)恢復(fù)供電。此時(shí)各保安段的互投開關(guān)檢測到由0.38 kV0段引入的電源有電而由失電的工作母線段轉(zhuǎn)至0.38 kV0段供電。此時(shí)全廠只有0.38 kV保安段有電。此過程可由高壓備自投裝置或者由手動操作完成。

方案2如圖4所示：

當(dāng)全廠失電，即無法從發(fā)電機(jī)和經(jīng)由主變倒送取得電源，為了保證人身及設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)，需由外接10 kV電源提供保安電源。此時(shí)檢測10 kVⅠ、Ⅱ段全部失電，外接電源有電。合上QF1、QF3，使10 kVⅠ、Ⅱ段全部恢復(fù)供電，使所有工作變壓器帶電并且0.38 kV工作段恢復(fù)供電。此過程可由高壓備自投裝置或者由手動操作完成，但需注意保證不會出現(xiàn)兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的情況。

圖3、圖4兩種接線方式和相應(yīng)的運(yùn)行方案，在初始狀態(tài)、正常狀態(tài)和交叉供電狀態(tài)時(shí)是相同，區(qū)別在于第4種情況，即全廠失電，保安電源如何投入，保安負(fù)荷如何恢復(fù)供電的情況。筆者經(jīng)過比較認(rèn)為：

方案1的優(yōu)點(diǎn)：全廠保安負(fù)荷集中于保安段下，正常時(shí)由工作段供電，事故狀態(tài)時(shí)由保安電源供電，管理上分明，不會受到非保安類負(fù)荷的影響。缺點(diǎn)：接線稍顯復(fù)雜，投資略有增加。電氣操作步驟稍多。

方案2的優(yōu)點(diǎn)：接線簡明，直觀，電氣操作步驟少。缺點(diǎn)：一般工作負(fù)荷和事故狀態(tài)下仍需運(yùn)轉(zhuǎn)的保安負(fù)荷共同接于工作母線段下，管理區(qū)分不明析。事故狀態(tài)時(shí)所有工作母線全都帶電，電機(jī)類保安負(fù)荷由DCS選擇性恢復(fù)供電，而供電類負(fù)荷則無法斷開(如果增加失壓脫扣裝置可以解決這個問題，但一方面增加此部分投資，另一方面在恢復(fù)正常供電時(shí)增加了檢修人員工作量)，保安負(fù)荷可能會受到非保安負(fù)荷的影響。

選擇哪種方案可以更好的滿足運(yùn)行要求，達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)，除了考慮運(yùn)行方案外，還需要結(jié)合繼電保護(hù)廠家保護(hù)和控制方面的實(shí)現(xiàn)能力。為方便運(yùn)行人員直觀管理，筆者在廠用電接線形式的選擇上側(cè)重了管理的分明性，在設(shè)計(jì)中采取了以上2種方案中的第1種方案。

3 結(jié)論

深圳市寶安區(qū)白鴿湖垃圾焚燒處理廠用電運(yùn)行方案多樣，筆者在設(shè)計(jì)過程中針對不同的主接線和運(yùn)行方案也進(jìn)行了多方比較，并且廣泛征求意見。在其他工程的設(shè)計(jì)中，最終選取哪種主接線方式，還要針對工程特點(diǎn)，結(jié)合運(yùn)行要求、繼電保護(hù)的實(shí)現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)成本核算等多方面因素進(jìn)行比較優(yōu)選。

Discussion of Main Electrical Connection Type and Operation Mode of Waste Incineration Power Plant

ZHANG Ying

(Electrical and Automation Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

The power of the assembling units fluctuates from 9 to 25 MW, in waste incineration power plant. For these small-load plants, which main electrical connection has its own characteristics, compared with the large power plants. Taking an example of main electrical connection of the waste incineration power plant in Shenzhen Baoan district, this thesis introduces design thought of main electrical connection for small-load plants, and presents the author’s own viewpoint.

waste incineration power plant；main electrical connection

2014-01-16

張 瑩(1978-)，女，天津市人，工程師，碩士研究生，主要從事電氣設(shè)計(jì)工作。

TM645

B

1003-8884(2014)03-0012-05