某垃圾焚燒發電廠電氣系統可行性分析

亞太森博（紙業）有限公司 施增廣

1 工程概況

新建生活垃圾焚燒電廠1座，總處理規模為2250t/日，采用3×750t/日的焚燒線，配置2×35W 汽輪機發電機組，配套建設處理能力為1000t/日的滲瀝液處理站。擬建750t/日的焚燒爐，數量為3條；配套設置凝汽式汽輪機組，數量為2臺，額定功率為35MW，額定電壓為10.5kV，項目如期建成后，將對該市的生活垃圾資源化利用程度將大幅提高。

2 電氣系統參考依據

《火力發電廠可行性研究報告內容深度規定》（DL/T 5375-2018）；《火力發電廠廠用電設計技術規定》（DL/T 5153-2002）；《小型火力發電廠設計規范》（GB50049-2011）；國家或行業其他最新相關規程、規范和文件。

2.1 應用范圍

本電氣系統主要包括發電、廠用電、直流系統等。以場區圍墻外1m 為界，不含電力接入系統設計。并網線路設計負責接至場區圍墻外第一根桿塔處。

2.2 應用原則

電氣主接線要求簡單、可靠、安全；電氣設備選型要求先進、節能；電氣設備運行以后，要便于操作、維護，實現投資后節約成本的目的，且要保證檢修維護工作的開展便捷程度更高；為保證能夠快速、準確且靈敏地切除故障，選定微機保護作為繼電保護模式，實現對垃圾焚燒電廠電氣系統安全運行要求的切實滿足[1]。

3 電氣主接線系統

3.1 周邊電力系統概述

根據廠址周圍就近變電站情況，暫定初步方案如下：本工程暫按雙回路110kV 上網，電力接出變電站選擇最終以電力可研批復為準。

3.2 電氣主接線方案選擇

本項目機容量為2x35MW，主要考慮以下兩種方案。方案一：采用發電機—雙卷變壓器組的單元接線，機端電壓經主變壓器升壓至110kV，110kV 采用單母線分段接線，以雙回路110kV 架空線路上網。出口裝設斷路器，作為機組的并網開關，出口設置廠用分支，經廠用分支向廠用電系統供電。10kV 高壓廠用分支按機分為10kV 三段，按爐分段，10kV 第一、第二段分別接1,2#主變，第三段為公共段，通過母聯與一段、二段連接兩段，高壓電機和廠用變壓器均勻分配在三段母線上。其中，并網線路受電作為本方案內基于正常啟動以及事故狀態下的全廠啟動備用電源，不設專用啟備變壓器及啟動電源。方案二：采用發電機母線接線，在主變升壓器的支持下，機端電壓提升至110kV，應用單母線分段接線，以雙回路110kV 架空線路上網。發電機、高壓電機和廠用變壓器均勻接在兩段母線上，兩種方案比較可見表1。

表1 方案一與方案二技術、經濟比較

根據上表比較結果，方案一投資稍高，但操作簡單、安全性、可靠性高。故本工程推薦方案一。

3.3 計量與測量

該項目投用發電并網后，依托專用計量表的設置與應用，計量上網電量；應用電子式多功能電能表作為本項目內投放的計量系統，以此獲取更為準確且可以核對的電能量數據。

3.4 同期點和解列點

同期點設在發電機出口及主變壓器高壓側斷路器，共計4處。解列點設在110kV 線路斷路器，共計2處。

4 廠用電

4.1 廠用電壓等級、廠用負荷等級

本工程廠用電電壓為10kV 和380/220V。本工程廠用電負荷按生產過程中的重要性分為以下幾類：0Ⅰ類：熱工總電源；0Ⅱ類：直流油泵，控制電源；Ⅰ類：液壓站、一次風機、二次風機、給水泵、引風機、循環水泵、調速電機、盤車、充電裝置、通風、應急照明等；Ⅱ類：垃圾抓斗吊車、卸料門、輔助燃燒器、輸灰系統、灰渣抓斗、疏水泵、旋轉排灰閥門、滲瀝水泵、供油泵房、空壓機、化學水處理系統、廢水處理系統、生活泵等；Ⅲ類：檢修起重機、通風、機修間等。

4.2 廠用電負荷

廠用電工作容量：19030kW；廠用電低壓計算負荷：7138.9kVA；廠用電高壓計算負荷：7024kVA；廠用電率：19.5%。

4.3 廠用電接線

4.3.1 高壓廠用電接線

在綜合主廠房內按每臺機設置一段10kV 高壓廠用工作母線，共三段，三段高壓母線間設置母線分段開關，正常運行時，兩段母線分列運行，當任一臺機組故障停機時，分段開關閉合，由另一臺機組提供備用電源。3臺10kV 引風機（高壓變頻）、3臺10kV 一次風機（高壓變頻）及4臺10kV 循環水泵電源分別引自3段10kV 高壓母線[2]。

4.3.2 低壓廠用電接線

根據廠用電負荷計算結果，在廠內設置6臺干式變壓器，額定容量均保持在2000kVA 水平。其中，5臺干式變壓器作為工作變壓器，主要向全廠公用以及三條焚燒線提供負荷，盡可能保證均勻分配負荷；220/380V 低壓廠用系統，分別設低壓動力中心和MCC 控制中心，選用變壓器中性點直接接地的方式，促使0.4kV 系統投入實際運行，選定TN-S 系統作為接地型式。

5 主要設備選擇

主變壓器：采用SF11-50000/110 121±2×2.5%/10.5kV YNd11型油浸式無勵磁調壓三相變壓器，容量為50MVA。高壓開關設備：110kV 選用GIS 成套開關設備。中壓開關設備：10kV 開關柜選用KYN28-12(Z)鎧裝移開式開關設備，配真空斷路器。

廠用變壓器：采用SCB13-2000/10.5 10.5±2×2.5/0.4kV Dyn11系列干式變壓器。

5.1 電氣設備布置

在相同廠房內完成對焚燒鍋爐間、電氣設備間與汽機房的規劃設置，同時要配套設置電子設備間、MCC 及中央控制室、變配電低壓動力中心。其中，要在中央控制室內，投放大屏幕及機組控制屏、操作員站。與之相鄰的電子設備間內設有直流蓄電池屏和熱工設備屏等。在主廠房外單獨設一獨立的升壓變電站，主變壓器及110kV 配電裝置均采用室內布置，置于升壓變電站內。

5.2 直流電系統、交流不停電電源

應用單母線分段接線的方式設置直流系統，投放電壓為DC220V、額定電流為1000Ah 的免維護鉛酸蓄電池，數量為2組；投放兩臺充電裝置（一主一備）；為確保全廠事故狀態下的照明用電需求依然能夠得到切實滿足，加設了事故照明切換屏。

在主控樓電子設備間內設置額定容量為120kVA 的交流不停電電源系統UPS 一套，輸出電壓為單相220V，50Hz，向熱工控制儀表、調節裝置、機組分散控制系統DCS、電氣監控管理系統ECMS、熱控自動調節和監視設備、電氣測量變送器、火災報警、消防控制系統及其他自動裝置供電。交流不停電電源系統UPS 采用靜態逆變裝置，主要由整流器、逆變器、靜態開關、非自耦式隔離變壓器、旁路變壓器、手動旁路開關及饋線開關組成。

5.3 二次接線、繼電保護及自動裝置

本工程2x35MW 機組采用兩機一控的中控室控制方式。本工程電氣設備的監控采用電氣監控管理系統ECMS 監控的方式。本工程電動機的各類信號均采用硬接線方式，接入DCS 的IO 卡件。

5.3.1 二次線

本工程采用電氣綜合自動化系統，工作站設在中控室。系統結構采用三層傳統模式，分為站控層、通信管理層和間隔層。站控層配置SCADA 服務器、操作員站，維護工程師站、保護工程師站及五防主機，采用以太網組網，網絡傳輸協議采用TCP/UDP/IP。通信管理層采用雙機互為熱備用，兼作遠程工作站連接調度。遠程工作站通過遠動專線連接遠方調度或通過防火墻接入路由器，再通過網絡通道與調度連接。間隔層采用現場總線或RS-485總線。控制室通過綜合自動化系統及就地均可對發電機、廠用電及110kV 升壓站進行控制，就地具有最高優先級，操作電源由信號電源由220V 直流系統提供。

5.3.2 繼電保護

110kV 線路、發電機－變壓器組和廠變等保護均采用微機保護。保護配置原則按《繼電保護和安全自動裝置技術規程（GB14285-2006）》規定。

5.3.3 自動裝置

發電機各設置一套數字式自動勵磁調節裝置（AVR）；各設置一套高周切機裝置；全廠設置一套微機型自動準同期裝置（ASS）；全廠設置一套微機型故障錄波柜，錄取交流電流和電壓量、開關量，并具有故障測距和遠傳功能；直流母線設置一套微機型絕緣監測裝置及微機監控裝置；每組蓄電池設置一套蓄電池在線監測裝置。

5.3.4 過電壓保護及接地

應用避雷針、避雷帶和建筑物結構鋼筋焊接，完成綜合接地網的構建，以此提升直擊雷過電壓保護成效。全廠低壓系統采用TN-S 型接地系統，室外路燈采用局部TT 系統[3]。

5.3.5 電纜設施

第一，電纜選用原則。選定單芯電纜、銅芯、交聯聚乙烯絕緣、聚乙烯護套難燃性電纜作為本項目內投放的110kV 動力電纜，絕緣水平為64/110kV。10kV 動力電纜選用三芯電纜、銅芯、交聯聚乙烯絕緣、聚乙烯護套難燃性電纜，8.7/10kV 為相應電纜的絕緣水平。盡可能投放多芯電纜（三芯或四芯）電纜作為本項目中所使用的低壓動力電纜，銅芯交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電纜。銅導體最小截面不小于2.5mm2。絕緣水平為0.6/1kV。計算機系統及模擬量信號采用鋁塑復合帶對絞屏蔽銅帶總屏蔽計算機電纜。

第二，電纜通道及敷設方式。主廠房車間內采用電纜架空橋架，高、低壓配電室內采用電纜溝。使用室外電纜溝完成對場區主電纜通道的設置，如果主電纜需要穿越道路，則引入排管敷設的方式。在進行輔助車間電纜通道的設置期間，主要選用電纜溝或橋架敷設。

6 收入估算

對于本項目的總收入而言，在估算期間主要應用財政補貼，以及主營業務收入的總和進行預估。

在該項目完成建設并投入實際生產應用后，能夠向城市電網內進行電力輸送，并以此獲取到一定的經濟收益，為該垃圾焚燒電廠的正常運營提供資金方面的支持，減少政府部門向本電廠發放的財政補貼數額，緩解區域財政壓力。實踐中，切換參考發改價格〔2012〕801號令的內容以及《中山市南部組團垃圾綜合處理基地垃圾焚燒電廠和垃圾滲濾液處理廠特許權協議》（一期）中的相關要求組織展開對本垃圾焚燒電廠收入的估算，即在本項目中，針對噸垃圾上網電量280t 以內的部分，在進行收入估算期間，選用0.55元/kWh 的上網電價完成估算。在熱值最大條件下，年度上網年電量的最大值為32918萬kWh，此時本電廠能夠獲取到14450.07萬元/年的業務收入。但是，就當前的情況來看，本電廠實際所擁有的垃圾量、產出的垃圾熱值均保持在相對較低的水平，尚未達到設計值，基于此，按照設計值的80%對垃圾焚燒發電廠第一年的產出電量進行計算，并逐年遞增，最終促使上網電量達到32918萬kWh（年度上網年電量的最大值）。

本垃圾焚燒電廠項目的全部投資內部收益率約為6.53%；項目的資本金內部收益率約為7.67%，相比于銀行貸款利率保持在更高水平。可以確定出，收費垃圾補貼標準為93.61元/t，在這樣的條件下，該電廠的年平均收入能夠達到6691.04萬元/年。

綜上，依托本項目的設計與建設，能夠為城市環境的優化改善提供有力支持，推動城市整體形象的進一步提高，促使城市的可持續發展成為現實。該垃圾焚燒電廠電氣系統的優化建設與投入使用，能夠在獲取更優社會效益的同時，能夠對更多資源的回收利用，實現了再生能源利用的節能發展目標。