王政一, 侯 婕

(中國航空規(guī)劃設計研究總院有限公司, 北京 100120)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化的不斷加深,垃圾大量增長,各種資源短缺[1-3]。焚燒處理垃圾的方式成為了處理垃圾問題的優(yōu)選[4]。我國焚燒垃圾發(fā)電起步較晚,與發(fā)達國家相比還有一定差距,但是逐漸成為解決處理垃圾和供電短缺的重要手段。如何更好地融合垃圾處理和垃圾發(fā)電平衡,精準地落實因地方引起的對焚燒垃圾發(fā)電廠的差異性要求,成為了焚燒垃圾發(fā)電廠電氣設計質量綜合提升的要點,需要電氣工程師重點關注。

與衛(wèi)生填埋等垃圾處理方式相比,焚燒垃圾發(fā)電實現(xiàn)了減量化、無害化和資源化處理,垃圾減量效果非常顯著[5-7]。焚燒垃圾后質量比處理前減少了70%,甚至高達90%。焚燒處理后的垃圾采用填埋處理,可以節(jié)約出大量的土地資源。垃圾經(jīng)過焚燒之后,其攜帶的細菌、致病菌被徹底消滅,是衛(wèi)生填埋處理垃圾等方式所不具備的優(yōu)勢。焚燒垃圾處理真正實現(xiàn)了垃圾的“無害化”處理。與傳統(tǒng)認知不同的是,垃圾不再是廢棄、骯臟之物,而是可再生資源,焚燒垃圾發(fā)電也進入了新能源發(fā)電目錄。焚燒垃圾發(fā)電廠不僅可以獲得垃圾處理費用,還可享受國家的補貼以及稅收等優(yōu)惠政策,部分處理后的廢渣還可以制成建筑材料,實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

1 電氣設計原則

電氣設計要依據(jù)國家標準規(guī)范,并結合焚燒垃圾發(fā)電廠的實際情況,不僅滿足供電需求和靈活調(diào)度的現(xiàn)實需要以及技術安全標準,還要考慮維護方便、遠景運維和系統(tǒng)設計以及設備元件的安全可靠等。根據(jù)發(fā)電機組發(fā)電量和廠用電負荷,確定垃圾每日處理規(guī)模和電廠接入電網(wǎng)方案,預留電廠增容擴建空間。電氣設計供電安全可靠最為關鍵。在電氣設計中,應杜絕電源中斷導致的設備、人員傷亡等事故,全面考察焚燒垃圾發(fā)電廠的基本情況、規(guī)劃設計、電氣設備及其負荷情況和運行環(huán)境。根據(jù)焚燒垃圾發(fā)電項目類型,規(guī)劃設計焚燒垃圾發(fā)電廠總容量、機組容量及機組數(shù)量,確定最大運轉負荷持續(xù)時間。其次,要充分考慮焚燒垃圾發(fā)電廠的運維。設計的焚燒垃圾發(fā)電廠應方便運維人員常規(guī)操作和維護。隨著垃圾管理體系的不斷完善和日趨增加,還要考慮電氣系統(tǒng)設計的長遠發(fā)展需要,預留電網(wǎng)增容擴建空間。此外,焚燒垃圾發(fā)電廠建設投資和后期運維應遵循經(jīng)濟合理和適用美觀的原則。

2 設計要點

2.1 電氣主接線

焚燒垃圾發(fā)電廠主要處理城市生活垃圾,焚燒垃圾發(fā)電廠總容量大部分在50 MW以下,發(fā)電機出口電壓多選用10.5 kV。焚燒垃圾發(fā)電廠發(fā)電機一般采用單母線接線,并且按照發(fā)電機組分段。焚燒垃圾發(fā)電廠發(fā)電機主接線形式需要結合實際情況,綜合考慮發(fā)電機組的安全性、可靠性。焚燒垃圾發(fā)電廠發(fā)電機組中性點使用非直接接地連接方式,需要在發(fā)電機組中性點處使用經(jīng)消弧線圈、高阻接地等措施,確保發(fā)電機組的安全穩(wěn)定。焚燒垃圾發(fā)電廠接入電網(wǎng)方式有兩種:① 采取10 kV電壓等級直接接入電網(wǎng);② 變壓至35 kV或110 kV電壓等級接入電網(wǎng)。在確定接入電網(wǎng)方式后,應對電氣設計進行短路電流驗算。以10 kV電壓等級為例,需要的開關最大短路分短能力為40 kA。當短路電流大于40 kA時,應加裝主變壓器短路阻抗、主回路增加限流電抗器等限流裝置。加裝主變壓器短路阻抗會增加損耗,不利于長期運行,可以將其增加在發(fā)電機組出口、廠用分支處等;主回路增加限流電抗器會造成電抗器短路,適合故障處理,正常運行時損耗較小。限流電抗器宜加設在發(fā)電機組出口,這樣不僅可以限制短路電流,也可限制焚燒垃圾發(fā)電廠對電網(wǎng)的影響。

2.2 短路電流

焚燒垃圾發(fā)電廠電氣設計和運行都要重點考慮短路電流。首先明確電氣主接線設計采取的接線方式是否需要限制短路電流。電氣設備進行正常運轉和故障狀態(tài)下的安全運維和資金支持等可以采用短路電流沖擊值校驗設備的安全性能。焚燒垃圾發(fā)電廠采用短路電流計算時,可忽略發(fā)電機組的變壓器分接頭檔位,且無須參考電網(wǎng)接入端的潮流分布參數(shù)等,計算簡便。

2.3 主要電氣設備參數(shù)

電氣設備選型是電氣設計的重要組成部分,主要包括發(fā)電機、主變壓器斷路器、勵磁系統(tǒng)隔離開關、接觸器等。為了保障電氣設備安全平穩(wěn)運行,應確定電氣設備的主要參數(shù)。首先,根據(jù)電壓、電流等進行選擇確定,電氣設備的額定電壓應低于電氣設計的上限,額定電流應大于電氣設備的最大工作電流。其次,結合使用環(huán)境進行選擇,考慮電氣設備所使用場所的溫度、海拔、防水、防塵以及防爆防腐等,確定電氣設備載流規(guī)格、防水等級、防塵等級、防爆等級和防暑處理。如使用場所處于高溫環(huán)境,電氣設備通流變?nèi)?可以適當提高電氣設備載流規(guī)格。最后,按照短路動熱穩(wěn)定進行選擇。在滿足電氣設備短路斷流的情況下,校驗電氣設備的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。

2.4 廠用電系統(tǒng)

焚燒垃圾發(fā)電廠用電系統(tǒng)設計應綜合考慮近期需要和長遠規(guī)劃,采用成熟電氣設備,確保發(fā)電機組安全穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

焚燒垃圾發(fā)電廠負荷供電的電源應安全可靠工作,同時配備在發(fā)生異常時可以自動切換的備用電源。另外,焚燒垃圾發(fā)電廠的電壓等級不宜過多,以方便焚燒垃圾發(fā)電廠接線運維。

2.5 電氣設備

無論是正常工作,還是短路狀態(tài),電氣設備都應安全穩(wěn)定運行。電氣設備的選定不僅需要滿足正常工作需求,還應依據(jù)短路條件校驗電氣設備的動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定。

發(fā)電機組出線設備(發(fā)電機組機端母線設備柜和出線柜)可以直接布置在發(fā)電機組旁邊。合理確定焚燒垃圾發(fā)電廠裝設的避雷設施,包括避雷設施的位置、數(shù)量、類型和參數(shù)等。為限制雷電入侵波,避雷設施應選用氧化鋅避雷器,并在發(fā)電機組的出線端和出線側各設置一組。為防止直擊雷危害,焚燒垃圾發(fā)電廠各建筑物均設置避雷帶。此外,焚燒垃圾發(fā)電廠還應設置水平、垂直方向雙向接地網(wǎng)。

3 結 語

焚燒垃圾發(fā)電具有減量化、無害化和資源化的優(yōu)勢,有利于垃圾顯著減量。焚燒垃圾發(fā)電廠電氣設計主要包括電氣主接線設計、短路電流設計、主要電氣設備參數(shù)的確定和廠用電系統(tǒng)設計,以及電氣設備布置等方面。焚燒垃圾發(fā)電實現(xiàn)了減量化和無害化處理,對垃圾實現(xiàn)了資源化利用。通過本文的闡述,以期為焚燒垃圾發(fā)電廠的電氣設計提供有益的參考。