垃圾焚燒發電廠電氣主接線形式及運行方案的探討

張 瑩

(中國恩菲工程技術有限公司 電氣及自動化事業部，北京 100038)

垃圾焚燒發電廠電氣主接線形式及運行方案的探討

張 瑩

(中國恩菲工程技術有限公司 電氣及自動化事業部，北京 100038)

垃圾焚燒發電廠屬小機組電廠，一般機組出力為9 MW～25 MW不等，針對這樣小容量機組的電廠，其全廠電氣主接線形式與大容量火力發電機組相比有其自身的特點。本文結合深圳市寶安區白鴿湖垃圾焚燒發電廠電氣主接線的實際設計范例，介紹了小容量機組電氣主接線形式選擇的設計思路，并提出了自己觀點進行探討。

垃圾焚燒發電廠；電氣主接線設計

0 前言

隨著我國經濟的發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、社會效益和經濟效益顯著，因其眾多優勢，逐步被廣大地區的環保部門所采用。我國垃圾焚燒發電廠始建于20世紀80年代中期，自90年代后期以來，東南沿海地區和部分中心城市加快了生活垃圾焚燒發電廠建設速度。

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

1 垃圾焚燒發電廠電氣主接線的設計

1.1 垃圾電廠上網電壓等級及方式的選擇分析

從整個電廠規模看，垃圾焚燒發電廠規模屬于小型火力發電廠。在確定其送電上網方式時有發電機出口電壓等級直接并網(直配)和經升壓送電上網兩種選擇。

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

高一級電壓等級一般為35 kV和110 kV兩種，隨著地區電網的改造，35 kV電壓等級正逐步退出城市電網，考慮到與城市電網發展趨勢相匹配，多采用110 kV電壓等級并網。110 kV等級比35 kV等級并網費用要增加不少，如果地區電網能夠提供合適的35 kV并網點，那么從經濟上選用35 kV等級并網則更為優化。

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

1.2 垃圾電廠廠用電接線形式的分析

垃圾焚燒發電廠發電機組規模較小，在技術經濟合理的條件下會力求主接線簡單清晰。根據小型電廠設計習慣，廠內高壓母線一般有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，且節約線損，目前市場上10 kV電氣設備使用也較為普遍；另一方面如下面提到的，除了并網線路外，廠內仍可能需要從外網引入一路中壓電源作為備用或保安電源，城市電網現有電壓等級的配備，10 kV電壓等級較6 kV電壓等級要普遍的多。因此，設計中筆者一般采用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條專用上網線路，可以互為備用；如果只有1條專用上網線路，就需要另1條引入線路作為備用電源。也可設置柴油發電機組作為備用電源。

筆者經過思考和研究分析如下：

方案1采用外引電源。優點：(1)保障速度快，事故情況下可以快速切換，切換時間只受倒閘時間制約，甚至可以做到無差切換(柴油發電機組的啟動時間約為15秒)，對廠內保安負荷影響較小。(2)對電廠來講，維護工作量小。(3)運行費用低。缺點：(1)初期建設時，選址、線路架設受電網、政策等條件制約。(2)其供電可靠性受電網運行情況限制。

方案2采用柴油發電機組。優點：(1)建設不受外部條件制約。(2)運行期間，可以廠內自行維護、檢修，供電可靠性可控。缺點：(1)投資較大。(2)建設、選址對防火要求高，提高工程造價。(3)使用時消耗能源，運行費用高，且有一定的環境污染問題。

采用外引電源和柴油發電機組作為備用/保安電源2種方案各有優劣。有些垃圾電廠所在地區的電網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的電網雖然可以提供專線中壓電源，但電源點距電廠較遠，其專線架設費用要遠高于廠內設置柴油發電機組的費用時，就要考慮采用柴油發電機組。選擇哪種方案為優，需要根據垃圾電廠的情況及地區電力系統的現狀，進行經濟技術比較選擇。

廠內電氣主接線一般根據焚燒鍋爐、發電機組數量及工程分期投入的時間，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，按機分段；在母線上接有爐的Ⅰ類負荷時，宜按爐對應分段。低壓廠用母線采用單母線接線，按爐分段。

2 深圳市寶安區白鴿湖垃圾焚燒發電廠電氣主接線及運行方案探討

2.1 工程概況及電力系統概況

深圳市寶安區白鴿湖垃圾焚燒發電廠是采用現代技術綜合利用、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，焚燒爐可短時超負荷10%。安裝2臺12 MW(最大功率15 MW)凝汽式汽輪發電機組。發電機所發出的電能扣除廠用電外，剩余部分的電力全部經升壓變壓器送入地方電力網。電氣設計按一次建成3爐2機的規模進行設計。

本工程以城市垃圾焚燒為主，機組容量較小，在電力系統中不是主力機組，對系統潮流、電壓無明顯影響。考慮到降低上網電壓損失和造價合理，及附近電網資料，接入系統擬采用單回110 kV輸電線路并入系統。

2.2 電氣原則性接線系統

2.2.1 發電機電壓選擇

考慮到市網配電電壓為10 kV，焚燒廠備用啟動/應急電源電壓定為10 kV。

同時為與當地電壓等級相匹配，減少垃圾電廠內電氣設備的電壓等級，以利于系統運行、維護管理和減少投資，發電機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3爐2機建廠規模、并網線路為單回路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發電機各自經電纜引至10 kV廠用母線，再各由1臺升壓變壓器升壓至110 kV，經電纜引至110 kV母線，最終由單回輸電線并入系統。不設置單獨的發電機主母線，10 kV廠用母線為單母線分段接線，110 kV母線為單母線接線。廠用高壓負荷由10 kV廠用母線饋出。

方案2：2臺發電機各經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。發電機與對應主變組成發電機——變壓器組。發電機出口設置廠用分支斷路器，廠用電源分別由對應發電機出口引接。

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，技術上優缺點如下：

方案1的優點：(1)供電靈活，發電機與主變可交叉供電，1臺發電機檢修，可用另一臺發電機提供全廠廠用電。(2)可外供其它負荷。缺點：廠用高壓負荷直接連至發電機母線上，當廠用高壓負荷出現故障，后備保護易引起發電機停機。

方案2的優點：廠用高壓負荷未直接連至發電機母線上，故障幾率較方案一稍小。缺點：(1)供電靈活性不及方案1。(2)增加2個10 kV開關柜，投資較方案1增加約20萬的設備投資。

通過上述比較，經過比較認為方案1接線簡明、供電靈活，運行中的故障可通過合理配置保護方案限制，因此在設計中采取了以上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110 kV電源，經主變降壓，倒送電至10 kV廠用母線，作為全廠起動電源。變壓器選有載調壓型。

廠用備用起動電源引接方案：因為此工程采用110 kV單回線路并網，當系統110 kV線路未準備好，廠內需要外部電源進行調試，或者為了處理垃圾的需要進行孤島運行，由外接10 kV線路需提供足夠的啟動電源容量。經計算保證一爐一機運行的啟動容量約為3000 kVA。

廠用工作電源引接方案：廠用電源分別由對應發電機出口母線引接。

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，為確保人身及設備的安全，迅速采用應急措施，使設備逐步停止運轉，需要從城市電網(或者原廠的工作電源)引接10 kV電源作為保安電源，經計算保安負荷容量約為800 kVA。按規程要求此路10 kV電源須從與并網線相獨立的電源點引接。

筆者在設計中對方案進行了優化整合，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，設置一臺0#變壓器，一方面當工作變壓器故障或檢修時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，為低壓保安負荷供電。通過運行規程控制相應斷路器合閘，使不同母線帶電，實現起動/備用電源/保安電源功能的區分和轉換。

2.3.2 廠用電接線形式和運行方案

廠用電運行方案有2種實現方案，見圖3、圖4。

方案1如圖3所示：

(1)初始狀態時，QF1、QF2、QF3斷開，QF4合上。當外接10 kV電源作為備用起動電源時(起動電源保持一爐一機正常運轉)，視起動機爐要求，決定是否合上QF3。

(2)正常狀態時(全廠運行穩定后)，QF1、QF2、QF3斷開，QF4合上，保證10 kV0段有電，0#變為冷備，10 kVⅠ、Ⅱ段不會并列運行。當一臺工作變壓器故障或檢修時，可以自動或人工啟動0#變代替工作變為負荷供電。此時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段母線備用進線開關(工作變壓器0.38 kV段母線主進線開關與備用進線開關須互鎖)，使0.38 kV工作母線段恢復供電。0#變不能同時作為多臺工作變壓器的備用(因為0#變的容量是按最大一臺工作變壓器容量選取，不能夠同時承擔多臺變壓器的工作容量)，一旦其投入備用，需要閉鎖相應其他0.38 kV工作母線段的備用進線開關。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)當出現1F發電機由2#主變升壓并網，或者2F發電機由1#主變升壓并網的交叉供電的情況，QF1、QF2斷開，QF3、QF4合上。此過程須手動操作，保證不會出現兩臺發電機并列運行的情況。

(4)當全廠失電，即無法從發電機和經由主變倒送取得電源，為了保證人身及設備的安全，實現安全停機，需由外接10 kV電源提供保安電源。此時檢測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線開關恢復供電。此時各保安段的互投開關檢測到由0.38 kV0段引入的電源有電而由失電的工作母線段轉至0.38 kV0段供電。此時全廠只有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：

當全廠失電，即無法從發電機和經由主變倒送取得電源，為了保證人身及設備的安全，實現安全停機，需由外接10 kV電源提供保安電源。此時檢測10 kVⅠ、Ⅱ段全部失電，外接電源有電。合上QF1、QF3，使10 kVⅠ、Ⅱ段全部恢復供電，使所有工作變壓器帶電并且0.38 kV工作段恢復供電。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兩臺發電機并列運行的情況。

圖3、圖4兩種接線方式和相應的運行方案，在初始狀態、正常狀態和交叉供電狀態時是相同，區別在于第4種情況，即全廠失電，保安電源如何投入，保安負荷如何恢復供電的情況。筆者經過比較認為：

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

方案2的優點：接線簡明，直觀，電氣操作步驟少。缺點：一般工作負荷和事故狀態下仍需運轉的保安負荷共同接于工作母線段下，管理區分不明析。事故狀態時所有工作母線全都帶電，電機類保安負荷由DCS選擇性恢復供電，而供電類負荷則無法斷開(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，另一方面在恢復正常供電時增加了檢修人員工作量)，保安負荷可能會受到非保安負荷的影響。

選擇哪種方案可以更好的滿足運行要求，達到技術經濟的最優，除了考慮運行方案外，還需要結合繼電保護廠家保護和控制方面的實現能力。為方便運行人員直觀管理，筆者在廠用電接線形式的選擇上側重了管理的分明性，在設計中采取了以上2種方案中的第1種方案。

3 結論

深圳市寶安區白鴿湖垃圾焚燒處理廠用電運行方案多樣，筆者在設計過程中針對不同的主接線和運行方案也進行了多方比較，并且廣泛征求意見。在其他工程的設計中，最終選取哪種主接線方式，還要針對工程特點，結合運行要求、繼電保護的實現、經濟成本核算等多方面因素進行比較優選。

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，主要從事電氣設計工作。

TM645

B

1003-8884(2014)03-0012-05