垃圾焚燒發電廠同期點選擇的探討及實例分析

張 瑩

（中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038）

0 前言

同期點是不同系統來的電的交匯點。比如發電機并網時,出口斷路器(來自發電機和電網兩路系統),就是一個同期點。再比如廠用電切換時,常用電源和備用電源都要給工作母線送電,這個母線上的兩個開關(常用和備用受電)就是同期點。

非同期并列輕則設備受損,重則產生災難性后果,所以對同期點一定要梳理清楚。同期點的選擇一般與主接線形式和運行方式密切相關。

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。垃圾焚燒發電廠屬小機組電廠,一般單臺機組出力為9～30 MW不等,全廠配置1～2臺發電機組。近幾年隨著焚燒爐容量的增大,也有單機汽輪機組突破40 MW。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,相應的同期點的選擇考慮角度也有所不同。本文結合實際的工程實例,介紹了垃圾焚燒發電廠選擇同期點的設計思路,并提出了個人觀點進行探討。

1 垃圾焚燒發電廠電氣主接線的型式及運行方式

因為同期點的選擇一般與主接線形式和運行方式密切相關,因此我們先來介紹一下垃圾焚燒發電廠典型的主接線型式及運行方式。

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)和經主變壓器升壓送電上網兩種選擇。

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一千米；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,再送至地區變電站。

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)和輸送距離。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 垃圾電廠的廠用電接線形式

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。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。

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。

1.3 示例工程主接線型式及運行方式介紹

某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1 200 t),焚燒爐為機械爐排爐,共2臺,單臺處理垃圾能力為600 t/d,焚燒爐可短時超負荷10%。安裝2臺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2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,接入系統采用單回110 kV輸電線路并入系統,焚燒廠備用啟動電源電壓定為10 kV,發電機出口額定電壓也選擇為10.5 kV。

綜上所述:電氣主接線設置為兩臺電壓為10.5 kV發電機各自經電纜引至10 kV廠用母線,再各由一臺升壓變壓器升壓至110 kV,經電纜引至110 kV母線,最終由單回輸電線接入系統。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。高壓廠用母線采用單母線接線,按機分段；低壓廠用母線采用單母線接線,按爐分段。全廠電氣主接線示意圖如圖1所示。

圖1 全廠電氣主接線示意圖

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。

廠用備用電源引接方案:由外接10 kV線路需提供足夠的備用電源容量。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。

廠用工作電源引接方案:廠用工作電源分別由對應發電機出口母線引接。

設置一臺0#變壓器,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。

不允許兩臺發電機并列運行,設置閉鎖條件,控制相應斷路器合閘,使不同母線帶電,實現工作/備用電源功能的區分和轉換。

2 垃圾焚燒發電廠同期點選擇的實例分析

同期點是不同系統來的電的交匯點。非同期并列輕則設備受損,重則產生災難性后果,所以對同期點一定要梳理清楚。《火力發電廠、變電站二次接線設計技術規程》(DL/T 5136—2012)中對發電廠和變電站內進行同步操作的斷路器進行了規定。對于開關進行同步操作前須進行檢同期:在合開關之前,先檢測開關兩端(線路側和母線側)是否滿足同期條件(即電壓、頻率、角度都在允許范圍內,可在定值中整定),就是看看兩個電源的相位角是不是相同或者相近,一般相差30°就認為是同期,合閘后不會出現大的波動及影響穩定的問題,再合開關。一般用在機組并列及線路重合閘等。

通過前面對示例工程的主接線型式及運行方式的介紹,我們可以看出發電廠內不同系統電源的交匯點主要分為如下幾類(幾處):110 kV并網線路斷路器、主變高/低壓側斷路器、發電機出口斷路器、10 kV母線分段(聯絡)斷路器。下面我們來逐一分析。

2.1 垃圾焚燒發電廠同期點的設置

2.1.1 發電機出口斷路器

如示例工程所述,系統電源經主變降壓倒送作為全廠起動電源后,發電機起勵并網發電,發電機出口斷路器即為兩個不同系統電源(來自發電機和電網兩路系統)的交匯點,因此對于發電機出口斷路器須檢同期后進行同步操作。這也是垃圾發電廠最主要的同期點。

2.1.2 并網線路斷路器

如示例工程所述,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。在這種運行工況下,系統側有壓,而廠內側無壓,此時,并網線路開關可設置檢無壓合閘操作方式。

正常運行后,因為線路保護或是解列保護動作觸發并網線路開關跳閘。如果廠內的應急安全措施啟動可以維持住發電廠孤島運行(即發電機帶廠用電和升壓變運行),那么系統側和電廠側即分列為兩個獨立部分。當系統回復后,兩側電源有可能處于非同步運行狀態,即兩側電源間電動勢相位差增大。因此除應滿足基本要求外,對于并網線路開關須檢同期后進行同步操作。

這有點類似于雙側電源線路的自動重合閘問題。雙側電源線路上的三相自動重合閘,會根據電網的接線方式和運行情況,采用不同的重合閘方式。目前常采用的有:非同步自動重合閘、快速自動重合閘、檢定線路無電壓和檢定同步的自動重合閘、解列重合閘及自同步重合閘等。但是與雙側電源線路的自動重合閘不同的是,一般電廠尤其是垃圾發電這種小型電廠,相對于系統容量來說體量很小,保護跳閘和事故解列對于電廠沖擊很大,對于電廠的安全穩定設施的要求很高,而非同期對電廠的可能會產生災難性后果,因此一般不允許對電廠側的并網線路開關進行非同步自動重合閘。

2.1.3 主變高/低壓側斷路器

《火力發電廠、變電站二次接線設計技術規程》(DL/T 5136—2012)中對發電廠和變電站內進行同步操作的斷路器進行了規定“發電廠和變電站內,下列斷路器應能進行同步操作:發電機斷路器、發電機雙繞組變壓器組高壓側、發電機三繞組變壓器各電源側、母線分段、母線聯絡、旁路、一個半斷路器接線的全部斷路器。發電廠35kV以上系統聯絡線上、變電站的變壓器各側斷路器及系統聯絡線上,可根據需要裝設同步操作設備。”

規程中要求的是對變壓器高壓側設置為自動準同步的同步點,作者個人理解是因為本規程所面對的更多是大電廠,大電廠中的發變組接線型式更為普遍,這種接線型式下,發電機雙繞組變壓器組高壓側、發電機三繞組變壓器各電源側開關取代了發電機出口斷路器的功能。而將此開關設置為同步點,其目的與本文第2條所論述一致。

另外如示例工程所述,當垃圾焚燒發電廠正常運行后,因為主變保護或是解列保護動作觸發主變高壓和低壓斷路器跳閘。如果廠內的應急安全措施啟動可以維持住發電廠孤島運行(即發電機帶廠用電運行),那么系統側和發電機側即分列為兩個獨立部分。當系統回復后,兩側電源有可能處于非同步運行狀態。此時主變高、低壓側開關類似于雙電源線路兩側的開關,如果對其重新進行合閘,檢同期和檢無壓兩側開關必須各選一種方式。

當主變保護或是解列保護動作觸發主變高壓和低壓斷路器跳閘后,主變處于失電的狀態,當系統恢復后對主變重新充電時會發生勵磁涌流。勵磁涌流的發生是受勵磁電壓的影響。即只要系統電壓一有變動,勵磁電壓受到影響,就會產生勵磁涌流。在不同的情況下將產生初始、電壓復原及共振等不同程度的勵磁涌流。其瞬時尖峰值及持續時間,將視各因素的綜合情況而定。如果合閘瞬間電壓為最大值時,磁通的瞬間值正好為零,變壓器不會產生勵磁涌流；如果合閘瞬間電壓為零值時,此時將產生很大的勵磁涌流,可能會高達變壓器額定電流的8～30倍。

勵磁涌流對變壓器本身危險性不會太大,因為這個沖擊電流存在的時間很短。但對變壓器多次連續合閘充電是不好的,因為大電流的多次沖擊,會引起繞組間的機械力作用,可能逐漸使其固定物松動。此外,勵磁涌流有可能引起變壓器的差動保護動作,故進行變壓器操作時應當注意。

作者在自己涉及的工程中一般采用在主變高壓側設置檢無壓合閘操作,當高壓側開關合閘后,再對低壓側開關檢同期后進行同步操作。這樣做的優點是,可以使電力系統系統對主變進行空載充電。因為我們很難預先知道在哪一瞬間合閘,會產生多大的勵磁涌流,相對于垃圾焚燒發電廠的小型機組,大容量的電力系統系統對電廠內主變勵磁涌流帶來的沖擊有更好的消解能力。即使在充電過程中勵磁涌流引起變壓器差動保護動作,觸發變壓器高壓、低壓斷路器跳閘,對于系統來說不過是斷開與電廠的聯系。但如果是由發電機帶廠用電對主變進行充電(即在主變低壓側設置檢無壓合閘操作),那么如果在充電時產生較大的勵磁涌流,對發電機和負荷的沖擊相對于大容量的電力系統來說要大得多,也可能會引起多種保護動作,造成全廠停機、停爐。這對于以生產為主要目的電廠來說是非常不利的。

另外我們在低壓短路器設置了檢同期合閘,使設備在恰當的相位點接入電網,可以有效地降低涌流和過電壓,最大限度地降低對電網和電廠的干擾。

需說明的是,事故情況下的孤島運行對于電廠的檢測裝置和執行機構都有很高的要求,尤其是垃圾焚燒發電廠這種小機組電廠的其配置的相應安全穩定裝置、汽輪發電機組的執行機構的維穩能力都有一定限制。實際運行過程中,事故情況下的孤島運行實行較少,因此本章節中所論述的2、3斷路器進行同期操作的幾率非常低。

2.1.4 母線分段(聯絡)斷路器

如前所述,垃圾焚燒發電廠運行工況中,不允許兩臺發電機并列運行。廠外電源作為電廠的備用/保安電源的前提條件是,電廠全廠失電——即發電機和經由主變倒送的電源全部失去,此時廠內是沒有電源的。因此對于垃圾焚燒發電廠的典型運行方式來說,10 kV母線分段(聯絡)斷路器是不會處于不同系統電源的交匯點；另外作者在示例工程設計中,增加了開關狀態作為閉鎖條件,當兩段母線同時有電時,不允許母線分段斷路器合閘；當廠內有電時,不允許外引聯絡線斷路器合閘,避免了不同電源系統并列的可能。因此在示例工程中,作者并未將母線分段(聯絡)斷路器設置為同期點。

2.2 垃圾焚燒發電廠同步系統的設置

《火力發電廠、變電站二次接線設計技術規程》(DL/T 5136—2012)中說明“發電廠和變電站宜采用單相同步系統。發電廠的網絡部分、變電站的通過計算機監控的同期捕捉功能實現。”

因此作者通常在垃圾焚燒發電廠中設置一套同期裝置,包括自動同期裝置、手動同期操作裝置和選線裝置。同期點一般選擇在發電機出口斷路器、并網線路電廠側斷路器及主變壓器低壓側斷路器(主變高壓側做檢無壓合閘)。同期裝置可以實現就地和遠方合同期開關。手動同期裝置含控制開關、轉換開關、同步繼電器等必要的操作設備,以及就地同期儀表。同期裝置與綜合自動化系統通訊,以方便運行人員監視發電機同期并網操作過程。

3 結論

垃圾焚燒發電廠屬于小容量機組電廠,主接線型式和運行方式多有類似,但根據各地實際工程情況也會有很多變化和差異。作者在工程設計過程中、針對不同的主接線和運行方式下同期點的設置也進行了多方比較,并且廣泛征求意見。在工程的設計中,最終選取哪些點作為同期點,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。