餐廚垃圾處理工程沼氣發電電氣系統集成的研究

胡海金，林 威

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074）

國內餐廚垃圾處理方法一般是將原生垃圾進行分揀，將油脂分離出來并進行深加工作為處理產品之一，剩下的漿液進行發酵產生沼氣作為處理工程的產品之二。而對處理工藝產生的廢水及發酵后的廢渣進行處理也是主要任務之一。產生的沼氣可以作為燃料利用，可以凈化并加壓輸送到市政燃氣管網；可以液化作為液體燃料；可以作汽車加氣；也可以通過燃氣發電機發電。

就燃氣輪機發電系統而言，餐廚垃圾產生的沼氣量相對較小，則發電機容量不很大，只是為環保而利用，發電對電網貢獻甚微。在此類工程設計實踐中如果像常規電廠設計手法，將浪費大量人力資源。另外此類工程往往均為非電力專業設計院進行設計，也無法達到電力專業設計能力。為此，筆者本著節約建設資金，力求技術方案合理的原則下，采用模塊化設計手段，探討比較成熟的設備，進行有效的集成方案設計。

1 餐廚垃圾處理工程沼氣發電系統電氣及熱控的特點

①單機容量較小，通常單機容量500～1000 kW；②發電機出口電壓為0.4 kV；③通常總裝機容量大于自用電負荷，須向電力系統發售電，則必須并網運行；④接入系統電壓通常10 kV；⑤由于發電機組單機容量較小，控制保護較簡單；⑥為充分提高能源利用率，通常對煙氣、缸套水及水套水進行熱量回收；⑦需有1套余熱回收控制裝置；⑧主要電氣測控、熱工設備均為成套供應；⑨發電機組電氣、繼電保護、熱工控制柜由燃氣發電機廠商成套供應；⑩發電機代理成套商可供應發電機輔機電氣、熱工控制柜；?設計者在了解廠商成套控制柜的前提下，可以合理確定電氣主接線方案、熱工控制方案等設計內容；?設計者應具備發變電設計的基本能力，可以合理對成套設備進行集成組態。

2 燃氣發電機組及其成套設備

國內市場有很多家燃氣發電機產品及國外產品代理商，比如嚴巴赫、卡特彼勒、瓦克夏、道義士等國外機型，還有許多國內產品也達到了國際水準。發電設備原理及組成均大同小異，均為燃氣輪機、發電機、發電機控制柜等成套供應。

不論哪家的燃氣發電機組均能成套供應1臺發電機控制柜。以某工程采用的嚴巴赫產品為例，把隨發電機組成套供應的發電機控制柜稱呼為“A柜”。

A柜功能很強大，它既代表著常規電廠的熱工控制系統，又代表著常規電廠的發電機控制、保護、測量、信號系統，還控制著發電機單機接入電力系統。

3 A柜功能

每臺機組隨機配置1面控制保護屏，集中本機組電氣和熱控的控制、保護、測量、信號系統，此屏由機組成套商成套定型供應。

發電機控制系統，具有自動/手動調壓、調速、同期并網合閘及手動跳閘，自動/手動控制勵磁滅磁開關合閘及手動跳閘；發電機出口斷路器事故跳閘聯跳滅磁開關、關閉沼氣內燃發電機組機；滅磁開關跳閘也應聯跳發電機斷路器。

1）發電機具備的保護及自動裝置：復壓閉鎖過電流保護；發電機過負荷保護；定子接地保護；轉子接地保護；逆功率保護；低周解列；零序方向過流保護；自動電壓調節。

2）發電機并網運行應具有的功能：電網電壓過高/過低（跳閘）；電網頻率過高/過低（跳閘）；相位監測；電網頻率、電壓監測；電網同期監測；發電機開關同期特性帶有可調參數（持續時間、轉速可調脈沖、電壓偏離、頻率偏離等）。手動或自動調整勵磁功能。

3）測量功能：發電機頻率（含常測儀表）；發電機電壓；發電機電流；發電機有功功率（含常測儀表）；發電機無功功率；發電機功率因數；發電機有功電度（電子式、脈沖或485接口）；發電機無功電度（電子式、脈沖或485接口）；勵磁機勵磁電流（含4～20 mA變送器輸入集中控制系統）；勵磁機勵磁電壓（含4～20 mA變送器輸入集中控制系統）。

4）信號功能：信號分位置和報警信號,報警信號又分預告信號以黃色表示；事故信號為紅色。發電機斷路器位置信號；事故報警信號；復壓過電流動作；定子接地動作；逆功率動作；低周解列動作；零序方向過流動作；自動電壓調節器故障。

4 電氣系統及系統集成

通常餐廚垃圾發電量較小，以10 kV電壓等級接入系統即可。

以某工程為例，餐廚垃圾處理規模300 t/d，分3期建設。該工程將餐廚垃圾先分揀除油并制取生物柴油，剩下漿液經厭氧發酵生產沼氣，沼氣凈化后利用燃氣發電機發電。燃氣發電機組裝機4臺1 058 kW，發電機出口電壓0.4 kV。由于本工程將根據沼氣產生量以1臺套為單位分期安裝，則分別采用4臺升壓變壓器。2臺發電機分別接入0.4 kV母線供給廠用電負荷后，剩余電能上網售電，另外2臺發電機分別通過各自的升壓變，組成類似“發變組”接入10 kV系統，直接上網售電。

4.1 電力接入系統及電氣主接線

10 kV系統通過聯絡開關與電力系統并網運行。接入系統根據需要設遠動裝置，聯絡開關處設速斷保護及方向過流保護，并設解列保護。

主接線方案見圖1。

圖1 主接線方案

4.2 手動操作為主的集成方法

以某工程為例，電氣系統包括一次、二次2部分。具體包括發電機控制與保護部分；發電機熱工測控部分；發電機余熱回收配電及測控部分；10 kV系統部分；升壓變及380 V系統部分。

設備平面布置單層布置，包括10 kV裝置室、變壓器室、380 V裝置室、控制室，控制室與10 kV裝置室及380 V裝置室相鄰，并一門相同而便于操作聯系方便。平面圖示意見圖2。

圖2 手動操作為主的平面方案

選定一款燃氣發電機后，即隨機配套控制柜1面。比如某工程采用嚴巴赫產品，隨即配套的“A柜”，其“A柜”功能集電氣和熱控的控制、保護、測量、信號系統于一身，它相當于傳統發電廠的電氣測控屏、發電機保護及測控屏、熱工測控屏。設計人并不像傳統電廠設計那樣，去考慮電氣測控、發電機測控及保護、熱工測控等二次設計內容，只需要了解“A柜”功能，如何使用即可以進行設計。

將“A柜”設在控制室，發電機380 V并網開關設在380 V裝置室。通過“A柜”實現發電機的測量、保護及信號，“A柜”還有低壓低周解列裝置，保證電力系統故障時發電機的安全；通過“A柜”實現燃氣輪機的熱工測控；通過“A柜”手動實現發電機的啟動與停止；通過“A柜”手動實現380 V并網開關的同期合閘操作，且同期采用自動同期方式。

選定燃氣發電機品牌后，其成套供應商可成套供應余熱回收配電及測控屏，本研究稱之為“B柜”。“B柜”與“A柜”并列安裝，并與“A柜”之間有連鎖信號。通過“B柜”實現對發電機輔機配電；通過“B柜”實現對發電機輔機測量及信號；通過“B柜”實現對發電機輔機的連鎖；通過“B柜”實現對發電機輔機手動控制與保護。

這樣，控制室里安裝一排測控屏，還有10 kV系統保護后臺計算機系統，并有專業人值守。

4.3 計算機遠程操作為主的集成方法

以某工程為例，電氣系統包括一次、二次2部分。具體包括發電機控制與保護部分；發電機熱工測控部分；發電機余熱回收測控部分；計算機遠程操作員站；10 kV系統部分；升壓變及380 V系統部分。

設備平面布置單層布置，包括10 kV裝置室、變壓器室、380 V裝置室、電子間（可與380 V裝置室共用房間）、控制室，控制室與10 kV裝置室及380 V裝置室相鄰，并一門相同而便于操作聯系方便。平面圖示意如附圖3。

圖3 計算機遠程操作為主的平面方案

選定一款燃氣發電機后，即隨機配套控制柜1面。比如某工程采用嚴巴赫產品，隨即配套的“A柜”，其“A柜”功能集電氣和熱控的控制、保護、測量、信號系統于一身，它相當于傳統發電廠的電氣測控屏、發電機保護及測控屏、熱工測控屏。設計人并不像傳統電廠設計那樣，去考慮電氣測控、發電機測控及保護、熱工測控等二次設計內容，只需要了解“A柜”功能，如何使用即可以進行設計。

將“A柜”設在電子間或380 V裝置室，發電機380 V并網開關設在380 V裝置室。通過“A柜”實現發電機的測量、保護及信號，“A柜”還有低壓低周解列裝置，保證電力系統故障時發電機的安全；通過“A柜”實現燃氣輪機的熱工測控。

關于余熱回收系統，不再像“手動方式”那樣依賴成套商提供的“B柜”了，設計者自行設計配電系統，自行設計一面PLC控制柜，來代替上文所說的“B柜”熱控功能，這里同樣稱作“B柜”，與“A柜”并列安裝于電子間或380 V裝置室。

控制室設計算機遠程集中操作，與“A柜”及“B柜”總線連接進行數據通訊；控制室通過計算機實現發電機的遠程啟動或停機；控制室通過計算機實現380 V并網開關的遠程同期合閘操作，且同期采用自動同期方式；控制室通過計算機實現發電機的遠程信號。

這樣，控制室里安裝一套計算機控制信號系統，還有10 kV系統保護后臺計算機系統，并有專業人值守。

5 結論

1）通過對同類餐廚垃圾處理工程分析，并通過系統集成組態可以實現較簡單的手動控制為主的集成，也可以實現遠程計算機控制為主的集成。

2）通過有機集成不僅實現了餐廚垃圾處理廠燃氣發電系統的安全運行，也實現了工程預期的技術措施，使系統更合理、更安全可靠。

3）通過有機集成對于非電力行業的環衛工程設計人員，具有基本的發變電基礎即可有能力進行系統設計。

［1］能源部西北電力設計院.電力工程設計手冊［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［2］熊信銀.發電廠電氣部分［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］中國電力企業聯合會.GB 50049—2011小型火力發電廠設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

［4］中國機械工業聯合會.GB 50052—2009供配電系統設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［5］中國電力企業聯合會.GB 50062—2008電力裝置的繼電保護和自動裝置設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［6］中國電力企業聯合會.GB 50053—2013 20 kV及以下變電所設計規范［S］.北京：中國計劃出版社，2013.