生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目電氣主接線設(shè)計(jì)

楊建楠

(中國電力建設(shè)工程咨詢有限公司，北京 100120)

生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目電氣主接線設(shè)計(jì)

楊建楠

(中國電力建設(shè)工程咨詢有限公司，北京 100120)

本文結(jié)合已建成生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目實(shí)例，介紹并總結(jié)生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目不同電氣主接線形式的特點(diǎn)及適用情況。著重從供電可靠性、靈活性及經(jīng)濟(jì)性方面加以論證，并提出相應(yīng)優(yōu)化建議。

生活垃圾焚燒發(fā)電；電氣主接線。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市生活垃圾的產(chǎn)生量日益增加，數(shù)據(jù)顯示，2015年全國大中城市生活垃圾產(chǎn)生量約為18564萬t，生活垃圾的合理處置、消納已成為我國面臨的新課題。與傳統(tǒng)的垃圾填埋方式相比，生活垃圾焚燒方式不僅占地省、不造成土壤和地下水二次污染，且日處理能力大，余熱可發(fā)電上網(wǎng)，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。目前，垃圾發(fā)電已成為繼風(fēng)電、光伏后又一個(gè)新能源發(fā)電熱點(diǎn)，越來越多的電力建設(shè)及電力設(shè)計(jì)企業(yè)進(jìn)入此領(lǐng)域。與傳統(tǒng)火力發(fā)電項(xiàng)目相比，生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目機(jī)組容量普遍較小，針對此類項(xiàng)目，其電氣主接線形式具有自身特點(diǎn)。本文通過相關(guān)建成項(xiàng)目實(shí)例加以分析，介紹并總結(jié)生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目電氣主接線設(shè)計(jì)形式。

1 電氣主接線設(shè)計(jì)

目前，國內(nèi)主要大中型城市生活垃圾發(fā)電項(xiàng)目焚燒爐以進(jìn)口或引進(jìn)技術(shù)為主，單臺(tái)焚燒爐垃圾處理量在350～800 t/d(個(gè)別經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市已建成單臺(tái)焚燒爐垃圾處理量在1000 t/d以上)。由于我國生活垃圾分類標(biāo)準(zhǔn)化和執(zhí)行程度尚處于初級(jí)階段，垃圾熱值普遍偏低。受技術(shù)條件和垃圾熱值等客觀因素制約，目前主流垃圾生活垃圾發(fā)電項(xiàng)目單期建設(shè)裝機(jī)容量一般在10～20 MW。考慮到我國大中城市生活垃圾集中、收納、運(yùn)輸?shù)沫h(huán)節(jié)基本為市政統(tǒng)一渠道調(diào)配，以汽車運(yùn)輸為主，單車運(yùn)力有限。垃圾電站的選擇一般位于城鎮(zhèn)結(jié)合區(qū)域或以往垃圾填埋場附近，周邊電網(wǎng)多以35 kV、110 kV電壓等級(jí)為主。綜上所述，生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目廠內(nèi)可采用6.3 kV或10.5 kV作為高壓廠用母線電壓。經(jīng)變壓器升壓后以35 kV或110 kV電壓等級(jí)并入電網(wǎng)。

1.1 35 kV和110 kV電壓等級(jí)選擇

當(dāng)前我國地區(qū)電網(wǎng)絡(luò)改造進(jìn)程中，35 kV電壓等級(jí)在城市輸電網(wǎng)絡(luò)中正逐漸被替代，考慮到項(xiàng)目遠(yuǎn)景規(guī)劃及可靠性，110 kV電壓等級(jí)不僅輸電可靠性更高，且單回線路輸送容量可基本滿足常規(guī)生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目2期甚至3期的擴(kuò)建規(guī)劃。然而，隨著并網(wǎng)電壓等級(jí)的升高，相應(yīng)的主設(shè)備及系統(tǒng)保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通信等配套費(fèi)用隨之增加，如經(jīng)與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)部門溝通并批準(zhǔn)，尤其是對于我國中西部城市建設(shè)的垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目，以單期35 kV電壓等級(jí)接入電網(wǎng)是更具經(jīng)濟(jì)性的選擇。具體采用何種電壓等級(jí)接入電網(wǎng)，除考慮項(xiàng)目規(guī)模、遠(yuǎn)景規(guī)劃與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)發(fā)展水平外，仍需進(jìn)行相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，最終以當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)部門接入系統(tǒng)審查意見為準(zhǔn)。

1.2 高壓廠用電壓等級(jí)選擇

我國10 MW～20 MW發(fā)電機(jī)組的出口電壓一般為6.3 kV和10.5 kV兩種，則廠用電高壓段電壓選擇亦為6.3 kV或10.5 kV。視工程條件不同，需考慮以下因素。

(1)廠用高壓備用電源或保安電源的選擇：一般而言，除卻并網(wǎng)線路外，垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目需要引入一路中壓廠外電源作為廠用高壓備用電壓或保安電源。根據(jù)我國大中型城市的電網(wǎng)配置，10.5 kV電壓等級(jí)的應(yīng)用較6.3 kV要普遍的多。

(2)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比選：10.5 kV相較于6.3 kV電壓，短路電流小，用電可靠性高，帶負(fù)載能力強(qiáng)，尤其是對于大功率電動(dòng)機(jī)，如引風(fēng)機(jī)等設(shè)備的啟動(dòng)方面，更具優(yōu)勢。目前6.3 kV用電設(shè)備如變壓器、開關(guān)柜等與10.5 kV設(shè)備造價(jià)相差并不十分明顯，且垃圾發(fā)電項(xiàng)目高壓電動(dòng)機(jī)數(shù)量較少，高壓開關(guān)柜成本所占比例較小。綜上所述，推薦選擇10.5 kV作為高壓廠用電壓等級(jí)。

2.3 發(fā)電機(jī)出口斷路器及備用電源的選擇

一直以來，關(guān)于火電機(jī)組發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器的探討不絕于耳，其探討的重點(diǎn)在于大型機(jī)組發(fā)電機(jī)出口斷路器的制造難度、可靠性及成本。隨著技術(shù)的成熟及相關(guān)設(shè)備成本的不斷降低，目前絕大部分機(jī)組發(fā)電機(jī)出口均裝設(shè)斷路器。對于小型機(jī)組而言，斷路器的制造難度及成本均較小，除提高系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性外，設(shè)置發(fā)電機(jī)出口斷路器，可減少設(shè)置啟動(dòng)/備用電源回路的投資，機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)檢修電源可從高壓配電裝置經(jīng)主變降壓倒送至廠用電。如果單期建設(shè)項(xiàng)目有兩回出線，則可互為備用，不設(shè)專用高壓備用電源。如只有一條上網(wǎng)線路，可根據(jù)實(shí)際情況選擇是否引接廠外高壓備用電源。鑒于目前主變壓器制造工藝非常成熟，在選擇主流供貨商的設(shè)備前提下，主變發(fā)生故障檢修的概率很低，可不設(shè)廠外高壓備用電源，大大節(jié)省投資費(fèi)用。

2 工程實(shí)例分析

以我國中部某省會(huì)城市垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目為例，本期工程建設(shè)兩臺(tái)500 t/d垃圾焚燒爐，配套兩臺(tái)10 MW凝氣式汽輪發(fā)電機(jī)組。根據(jù)外部電網(wǎng)情況，2×10 MW機(jī)組由主變升壓后經(jīng)一回35 kV線路接入電網(wǎng)，出線形式可選擇以下3種：單母線接線、發(fā)電機(jī)－變壓器－線路出線及擴(kuò)大單元接線。對于單母線接線，其供電靈活性更強(qiáng)，可靠性最好，且對于后期項(xiàng)目的改擴(kuò)建適應(yīng)性更佳，初期投資造價(jià)相對最高，推薦對供電靈活性要求高，有改擴(kuò)建規(guī)劃的項(xiàng)目采用。對于擴(kuò)大單元接線，本工程采用雙繞組變壓器形式。因采用10.5 kV廠用電壓等級(jí)，對短路電流的抑制較好(經(jīng)計(jì)算，10.5 kV側(cè)短路電流水平可限制在25 kA內(nèi))，發(fā)電機(jī)出口斷路器及廠用電設(shè)備均可采用輕型設(shè)備，故不設(shè)置分裂電抗器。如采用6.3 kV電壓等級(jí)，可根據(jù)計(jì)算適當(dāng)添加電抗器或采用三繞組變壓器以抑制短路電流水平。采用雙繞組變壓器擴(kuò)大單元接線可有效降低變壓器及高壓側(cè)設(shè)備初投資，推薦優(yōu)先選用。發(fā)電機(jī)－變壓器－線路接線本質(zhì)上與擴(kuò)大單元接線相同，主要適用于不考慮遠(yuǎn)期擴(kuò)建規(guī)劃，且經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較不適用與擴(kuò)大單元接線的工程。

對于高壓廠用工作電源，圖1、圖2的方案從主變低壓側(cè)引接，不設(shè)置單獨(dú)的發(fā)電機(jī)主母線，高壓廠用電采用單母線分段設(shè)計(jì)，兩段母線互為備用；圖3的方案是設(shè)置發(fā)電機(jī)電壓母線，采用單母線分段設(shè)計(jì)，高壓廠用電源直接引自發(fā)電機(jī)出口母線。圖1、圖2方案的優(yōu)點(diǎn)是廠用高壓電動(dòng)機(jī)未與發(fā)電機(jī)出口直接相連，供電可靠性更高。高壓配電設(shè)備的布置靈活性好，可根據(jù)工程實(shí)際情況布置在主廠房合理位置，滿足運(yùn)行及檢修的需要。缺點(diǎn)是高壓開關(guān)柜設(shè)備增加2臺(tái)，經(jīng)濟(jì)性較差。圖3的方案優(yōu)點(diǎn)是供電靈活，發(fā)電機(jī)與主板可交叉供電，且接線簡單，造價(jià)低。缺點(diǎn)是電氣設(shè)備布置局限性較大。綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，在場地布置可以滿足的條件下，更推薦圖3的設(shè)計(jì)方式。

圖1 單母線接線

圖2 發(fā)電機(jī)－變壓器－線路接線

圖3 擴(kuò)大單元接線(雙繞組變壓器)

本工程建設(shè)出線回路為一回，發(fā)電機(jī)出口設(shè)置斷路器。考慮到目前成套設(shè)備制造水平成熟，采用不設(shè)置專用高壓備用電源的方案。對于保安電源，可采用廠外專用電源引接和廠內(nèi)設(shè)計(jì)柴油發(fā)電機(jī)兩種方案。外接線路的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，在全廠失電后可迅速投切，確保保安負(fù)荷的供電穩(wěn)定。且再不考慮高壓備用電源的情況下，保安電源的容量一般較小，變壓器可采用干式變，整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行費(fèi)用均較低。其缺點(diǎn)是受當(dāng)?shù)卣摺h(huán)境限制因素較多。采用柴油發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)不受外部因素制約。但其缺點(diǎn)包括啟動(dòng)時(shí)間較長，投資較大，不僅對布置、消防的要求較多，且運(yùn)行維護(hù)均有較高要求。是在項(xiàng)目無法取得外部專業(yè)線路或廠址距電源點(diǎn)較遠(yuǎn)，架設(shè)專用線路成本較大情況下的備選方案。

3 結(jié)論

對于生活垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的主接線設(shè)計(jì)，除了要充分項(xiàng)目實(shí)際情況外，更要充分考慮項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)槠錂C(jī)組容量小，受物料輸送及容量限制，在整個(gè)電網(wǎng)中的地位及扮演的角色無法和傳統(tǒng)火電機(jī)組相比，對其發(fā)電可靠性及經(jīng)濟(jì)性的取舍可做適當(dāng)調(diào)整，無需為了更高的可靠性犧牲經(jīng)濟(jì)性。故主要的設(shè)計(jì)原則應(yīng)是在滿足供電安全可靠的前提下，盡量簡化電氣主接線設(shè)計(jì)以節(jié)約初投資及運(yùn)行費(fèi)用，并通過合理選擇廠用電設(shè)計(jì)方式，調(diào)整元件參數(shù)以限制短路電流水平，達(dá)到優(yōu)化導(dǎo)體及設(shè)備選型的目的。

[1] 荊永茂．小型生物質(zhì)發(fā)電廠電氣接線的討論[J]．山東電力技術(shù)，2009，(04)．

[2] 劉奇想．大港垃圾焚燒發(fā)電廠電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略[D]．天津：天津大學(xué)，2014．

Design of Main Electrical Connection for Waste Incineration Generates Electricity Plants

YANG Jian-nan
(China Electric Power Construction Engineering Consulting Co., Ltd., Beijing 100120, China)

Through taking an example of a MSW incinerationproject, this paper summarizes the characteristics and application of different SLD form, focusing on power supply reliability, flexibility and economy in order to demonstrate the corresponding optimization recommendations.

MSW incineration plants; SLD.

TM619

B

1671-9913(2017)03-0062-03

2017-01-10

楊建楠(1987- )，男，北京人，碩士，工程師，從事電氣設(shè)計(jì)工作。