垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線形式及運(yùn)行方案的探討

垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線形式及運(yùn)行方案的探討張瑩【摘要】垃圾焚燒發(fā)電廠屬小機(jī)組電廠，一般機(jī)組出力為9MW~25MW不等，針對(duì)這樣小容量機(jī)組的電廠,其全廠電氣主接線形式與大容量火力發(fā)電機(jī)組相比有其自身的特點(diǎn).本文結(jié)合深圳市寶安區(qū)白鴿湖垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線的實(shí)際設(shè)計(jì)范例，介紹了小容量機(jī)組電氣主接線形式選擇的設(shè)計(jì)思路，并提出了自己觀點(diǎn)進(jìn)行探討.【期刊名稱】《有色設(shè)備》【年(卷)，期】2014(000)003【總頁數(shù)】5頁(P12-16)【關(guān)鍵詞】垃圾焚燒發(fā)電廠;電氣主接線設(shè)計(jì)【作者】張瑩【作者單位】中國恩菲工程技術(shù)有限公司電氣及自動(dòng)化事業(yè)部，北京100038【正文語種】中文【中圖分類】TM645隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(fā)電廠占地面積相對(duì)于填埋方式小、長期綜合處理量大、能源可以回收利用、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，因其眾多優(yōu)勢(shì)，逐步被廣大地區(qū)的環(huán)保部門所采用。我國垃圾焚燒發(fā)電廠始建于20世紀(jì)80年代中期，自90年代后期以來，東南沿海地區(qū)和部分中心城市加快了生活垃圾焚燒發(fā)電廠建設(shè)速度。垃圾焚燒發(fā)電廠屬小機(jī)組電廠，一般單臺(tái)機(jī)組出力為9MW~25MW不等，全廠配置1~2臺(tái)發(fā)電機(jī)組。針對(duì)這樣小容量機(jī)組的電廠，其全廠電氣主接線形式與大容量火力發(fā)電機(jī)組相比有其自身的特點(diǎn)。本文結(jié)合深圳市寶安區(qū)白鴿湖垃圾焚燒發(fā)電廠電氣主接線的實(shí)際設(shè)計(jì)范例，介紹了小容量機(jī)組電氣主接線形式選擇的設(shè)計(jì)思路，并提出了個(gè)人觀點(diǎn)。1.1垃圾電廠上網(wǎng)電壓等級(jí)及方式的選擇分析從整個(gè)電廠規(guī)?？?，垃圾焚燒發(fā)電廠規(guī)模屬于小型火力發(fā)電廠。在確定其送電上網(wǎng)方式時(shí)有發(fā)電機(jī)出口電壓等級(jí)直接并網(wǎng)（直配）和經(jīng)升壓送電上網(wǎng)兩種選擇。在筆者所接觸過的垃圾電廠設(shè)計(jì)中，送電上網(wǎng)方式都是選用升壓送電上網(wǎng)方式。筆者經(jīng)過考慮認(rèn)為原因在于，垃圾焚燒發(fā)電廠除去廠用電部分（約占總發(fā)電量的20%）,實(shí)際輸送到地區(qū)電網(wǎng)電量不超過總發(fā)電量的80%，發(fā)電量在20MW左右比較普遍，如采用發(fā)電機(jī)出口電壓等級(jí)直接并網(wǎng)（10kV或6kV電壓等級(jí)），其經(jīng)濟(jì)輸電范圍不超過1km；而目前國內(nèi)垃圾焚燒發(fā)電廠的選址多選在城市郊區(qū)，甚至靠近居民區(qū)，便于垃圾集中的收集的地區(qū)，在廠區(qū)周邊找到符合要求的并網(wǎng)變電站一般可能性不高，因此直配方式很少采用，多數(shù)選擇由發(fā)電機(jī)的出口升壓至高一級(jí)電壓等級(jí)，再送電至地區(qū)變電站。高一級(jí)電壓等級(jí)一般為35kV和110kV兩種，隨著地區(qū)電網(wǎng)的改造，35kV電壓等級(jí)正逐步退出城市電網(wǎng)，考慮到與城市電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)相匹配，多采用110kV電壓等級(jí)并網(wǎng)。110kV等級(jí)比35kV等級(jí)并網(wǎng)費(fèi)用要增加不少，如果地區(qū)電網(wǎng)能夠提供合適的35kV并網(wǎng)點(diǎn)，那么從經(jīng)濟(jì)上選用35kV等級(jí)并網(wǎng)則更為優(yōu)化。升壓送電上網(wǎng)方式相比以發(fā)電機(jī)出口電壓等級(jí)直接并網(wǎng)增加不少投資，但也相對(duì)提高了送電上網(wǎng)的可靠性（電壓等級(jí)越高，可靠性越高）。具體采用哪種并網(wǎng)的等級(jí)，需要充分考慮垃圾電廠發(fā)電容量、所在地區(qū)的電網(wǎng)情況等多種具體因素，進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(fā)電廠發(fā)電機(jī)組規(guī)模較小，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的條件下會(huì)力求主接線簡單清晰。根據(jù)小型電廠設(shè)計(jì)習(xí)慣，廠內(nèi)高壓母線一般有10kV和6kV兩種電壓等級(jí)的選擇。由于10kV電壓等級(jí)母線段上的短路電流比6kV電壓等級(jí)母線段上的短路電流要小，且節(jié)約線損，目前市場(chǎng)上10kV電氣設(shè)備使用也較為普遍；另一方面如下面提到的，除了并網(wǎng)線路外，廠內(nèi)仍可能需要從外網(wǎng)引入一路中壓電源作為備用或保安電源，城市電網(wǎng)現(xiàn)有電壓等級(jí)的配備，10kV電壓等級(jí)較6kV電壓等級(jí)要普遍的多。因此，設(shè)計(jì)中筆者一般采用10kV電壓等級(jí)的高壓母線段。對(duì)于備用電源的選擇，如果電廠有2條專用上網(wǎng)線路，可以互為備用；如果只有1條專用上網(wǎng)線路，就需要另1條引入線路作為備用電源。也可設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源。筆者經(jīng)過思考和研究分析如下：方案1采用外引電源。優(yōu)點(diǎn)：（1）保障速度快，事故情況下可以快速切換，切換時(shí)間只受倒閘時(shí)間制約，甚至可以做到無差切換（柴油發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)時(shí)間約為15秒），對(duì)廠內(nèi)保安負(fù)荷影響較小。（2）對(duì)電廠來講，維護(hù)工作量小。（3）運(yùn)行費(fèi)用低。缺點(diǎn)：（1）初期建設(shè)時(shí)，選址、線路架設(shè)受電網(wǎng)、政策等條件制約。（2）其供電可靠性受電網(wǎng)運(yùn)行情況限制。方案2采用柴油發(fā)電機(jī)組。優(yōu)點(diǎn)：（1）建設(shè)不受外部條件制約。（2）運(yùn)行期間，可以廠內(nèi)自行維護(hù)、檢修，供電可靠性可控。缺點(diǎn)：（1）投資較大。（2）建設(shè)、選址對(duì)防火要求高，提高工程造價(jià)。（3）使用時(shí)消耗能源，運(yùn)行費(fèi)用高，且有一定的環(huán)境污染問題。采用外引電源和柴油發(fā)電機(jī)組作為備用/保安電源2種方案各有優(yōu)劣。有些垃圾電廠所在地區(qū)的電網(wǎng)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(qū)的電網(wǎng)雖然可以提供專線中壓電源，但電源點(diǎn)距電廠較遠(yuǎn)，其專線架設(shè)費(fèi)用要遠(yuǎn)高于廠內(nèi)設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)組的費(fèi)用時(shí)，就要考慮采用柴油發(fā)電機(jī)組。選擇哪種方案為優(yōu)，需要根據(jù)垃圾電廠的情況及地區(qū)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較選擇。廠內(nèi)電氣主接線一般根據(jù)焚燒鍋爐、發(fā)電機(jī)組數(shù)量及工程分期投入的時(shí)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(jī)分段；在母線上接有爐的I類負(fù)荷時(shí)，宜按爐對(duì)應(yīng)分段。低壓廠用母線采用單母線接線，按爐分段。2.1工程概況及電力系統(tǒng)概況深圳市寶安區(qū)白鴿湖垃圾焚燒發(fā)電廠是采用現(xiàn)代技術(shù)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1200t）,焚燒爐為機(jī)械爐排爐，共3臺(tái)，單臺(tái)處理垃圾能力為400t/d，焚燒爐可短時(shí)超負(fù)荷10%。安裝2臺(tái)12MW（最大功率15MW）凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能扣除廠用電外，剩余部分的電力全部經(jīng)升壓變壓器送入地方電力網(wǎng)。電氣設(shè)計(jì)按一次建成3爐2機(jī)的規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程以城市垃圾焚燒為主，機(jī)組容量較小，在電力系統(tǒng)中不是主力機(jī)組，對(duì)系統(tǒng)潮流、電壓無明顯影響?？紤]到降低上網(wǎng)電壓損失和造價(jià)合理，及附近電網(wǎng)資料，接入系統(tǒng)擬采用單回110kV輸電線路并入系統(tǒng)。2.2電氣原則性接線系統(tǒng)2.2.1發(fā)電機(jī)電壓選擇考慮到市網(wǎng)配電電壓為10kV，焚燒廠備用啟動(dòng)/應(yīng)急電源電壓定為10kV。同時(shí)為與當(dāng)?shù)仉妷旱燃?jí)相匹配，減少垃圾電廠內(nèi)電氣設(shè)備的電壓等級(jí)，以利于系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)管理和減少投資，發(fā)電機(jī)出口額定電壓也選擇為10.5kV。2.2.2電氣主接線方案分析根據(jù)3爐2機(jī)建廠規(guī)模、并網(wǎng)線路為單回路110kV電壓等級(jí)的基本條件，電氣主接線有以下2個(gè)方案：方案1:2臺(tái)電壓為10.5kV發(fā)電機(jī)各自經(jīng)電纜引至10kV廠用母線，再各由1臺(tái)升壓變壓器升壓至110kV，經(jīng)電纜引至110kV母線，最終由單回輸電線并入系統(tǒng)。不設(shè)置單獨(dú)的發(fā)電機(jī)主母線，10kV廠用母線為單母線分段接線，110kV母線為單母線接線。廠用高壓負(fù)荷由10kV廠用母線饋出。方案2:2臺(tái)發(fā)電機(jī)各經(jīng)過一臺(tái)升壓變壓器接入110kV母線，110kV母線為單母線接線，最終由單回輸電線并入系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)與對(duì)應(yīng)主變組成發(fā)電機(jī)——變壓器組。發(fā)電機(jī)出口設(shè)置廠用分支斷路器，廠用電源分別由對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)出口引接。全廠電氣主接線示意圖見圖1、圖2。方案1與方案2比較，技術(shù)上優(yōu)缺點(diǎn)如下：方案1的優(yōu)點(diǎn)：（1）供電靈活，發(fā)電機(jī)與主變可交叉供電，1臺(tái)發(fā)電機(jī)檢修，可用另一臺(tái)發(fā)電機(jī)提供全廠廠用電。（2）可外供其它負(fù)荷。缺點(diǎn)：廠用高壓負(fù)荷直接連至發(fā)電機(jī)母線上，當(dāng)廠用高壓負(fù)荷出現(xiàn)故障，后備保護(hù)易引起發(fā)電機(jī)停機(jī)。方案2的優(yōu)點(diǎn)：廠用高壓負(fù)荷未直接連至發(fā)電機(jī)母線上，故障幾率較方案一稍小。缺點(diǎn)：（1）供電靈活性不及方案1。（2）增加2個(gè)10kV開關(guān)柜，投資較方案1增加約20萬的設(shè)備投資。通過上述比較，經(jīng)過比較認(rèn)為方案1接線簡明、供電靈活，運(yùn)行中的故障可通過合理配置保護(hù)方案限制，因此在設(shè)計(jì)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(yùn)行方案的探討2.3.1廠用電電源方案廠用起動(dòng)電源引接方案：系統(tǒng)110kV電源，經(jīng)主變降壓，倒送電至10kV廠用母線，作為全廠起動(dòng)電源。變壓器選有載調(diào)壓型。廠用備用起動(dòng)電源引接方案：因?yàn)榇斯こ滩捎?10kV單回線路并網(wǎng)，當(dāng)系統(tǒng)110kV線路未準(zhǔn)備好，廠內(nèi)需要外部電源進(jìn)行調(diào)試，或者為了處理垃圾的需要進(jìn)行孤島運(yùn)行，由外接10kV線路需提供足夠的啟動(dòng)電源容量。經(jīng)計(jì)算保證一爐一機(jī)運(yùn)行的啟動(dòng)容量約為3000kVA。廠用工作電源引接方案：廠用電源分別由對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)出口母線引接。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(shè)備的安全，迅速采用應(yīng)急措施，使設(shè)備逐步停止運(yùn)轉(zhuǎn)，需要從城市電網(wǎng)（或者原廠的工作電源）引接10kV電源作為保安電源，經(jīng)計(jì)算保安負(fù)荷容量約為800kVA。按規(guī)程要求此路10kV電源須從與并網(wǎng)線相獨(dú)立的電源點(diǎn)引接。筆者在設(shè)計(jì)中對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化整合，將廠用備用起動(dòng)電源和廠用保安電源合并，電源容量按照起動(dòng)電源容量爭取，設(shè)置一臺(tái)0#變壓器，一方面當(dāng)工作變壓器故障或檢修時(shí)可以自動(dòng)或人工啟動(dòng)，作為工作變壓器的備用；一方面事故情況下，將外引的10kV電源降壓，為低壓保安負(fù)荷供電。通過運(yùn)行規(guī)程控制相應(yīng)斷路器合閘，使不同母線帶電，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)/備用電源/保安電源功能的區(qū)分和轉(zhuǎn)換。2.3.2廠用電接線形式和運(yùn)行方案廠用電運(yùn)行方案有2種實(shí)現(xiàn)方案，見圖3、圖4。方案1如圖3所示：（1）初始狀態(tài)時(shí)，QF1、QF2、QF3斷開，QF4合上。當(dāng)外接10kV電源作為備用起動(dòng)電源時(shí)（起動(dòng)電源保持一爐一機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)），視起動(dòng)機(jī)爐要求，決定是否合上QF3。（2）正常狀態(tài)時(shí)（全廠運(yùn)行穩(wěn)定后），QF1、QF2、QF3斷開，QF4合上，保證10kV0段有電，0#變?yōu)槔鋫洌?0kVI.H段不會(huì)并列運(yùn)行。當(dāng)一臺(tái)工作變壓器故障或檢修時(shí)，可以自動(dòng)或人工啟動(dòng)0#變代替工作變?yōu)樨?fù)荷供電。此時(shí)檢測(cè)需替換工作變壓器0.38kV段母線電壓失電，檢測(cè)10kV0段有電，合上QF2,使0#變帶電并且0.38kV0段有電。合上需替換工作變壓器0.38kV段母線備用進(jìn)線開關(guān)（工作變壓器0.38kV段母線主進(jìn)線開關(guān)與備用進(jìn)線開關(guān)須互鎖），使0.38kV工作母線段恢復(fù)供電。0#變不能同時(shí)作為多臺(tái)工作變壓器的備用（因?yàn)?#變的容量是按最大一臺(tái)工作變壓器容量選取，不能夠同時(shí)承擔(dān)多臺(tái)變壓器的工作容量)，一旦其投入備用，需要閉鎖相應(yīng)其他0.38kV工作母線段的備用進(jìn)線開關(guān)。此過程可由低壓備自投裝置或者由手動(dòng)操作完成。當(dāng)出現(xiàn)1F發(fā)電機(jī)由2#主變升壓并網(wǎng)，或者2F發(fā)電機(jī)由1#主變升壓并網(wǎng)的交叉供電的情況，QF1、QF2斷開，QF3、QF4合上。此過程須手動(dòng)操作，保證不會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的情況。⑷當(dāng)全廠失電，即無法從發(fā)電機(jī)和經(jīng)由主變倒送取得電源，為了保證人身及設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)，需由外接10kV電源提供保安電源。此時(shí)檢測(cè)10kVI、H段全部失電，外接電源有電。斷開QF4，合上QF1、QF2，使10kV僅有0段有電，0#變帶電并且0.38kV0段有電。閉鎖低壓備自投裝置，使各工作變壓器0.38kV母線段都無法通過備用進(jìn)線開關(guān)恢復(fù)供電。此時(shí)各保安段的互投開關(guān)檢測(cè)到由0.38kV0段弓|入的電源有電而由失電的工作母線段轉(zhuǎn)至0.38kV0段供電。此時(shí)全廠只有0.38kV保安段有電。此過程可由高壓備自投裝置或者由手動(dòng)操作完成。方案2如圖4所示：當(dāng)全廠失電，即無法從發(fā)電機(jī)和經(jīng)由主變倒送取得電源，為了保證人身及設(shè)備的安全，實(shí)現(xiàn)安全停機(jī)，需由外接10kV電源提供保安電源。此時(shí)檢測(cè)10kVI、H段全部失電，夕卜接電源有電。合上QF1、QF3，使10kVI、H段全部恢復(fù)供電，使所有工作變壓器帶電并且0.38kV工作段恢復(fù)供電。此過程可由高壓備自投裝置或者由手動(dòng)操作完成，但需注意保證不會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的情況。圖3、圖4兩種接線方式和相應(yīng)的運(yùn)行方案，在初始狀態(tài)、正常狀態(tài)和交叉供電狀態(tài)時(shí)是相同，區(qū)別在于第4種情況，即全廠失電，保安電源如何投入，保安負(fù)荷如何恢復(fù)供電的情況。筆者經(jīng)過比較認(rèn)為：方案1的優(yōu)點(diǎn)：全廠保安負(fù)荷集中于保安段下，正常時(shí)由工作段供電，事故狀態(tài)時(shí)由保安電源供電，管理上分明，不會(huì)受到非保安類負(fù)荷的影響。缺點(diǎn)：接線稍顯復(fù)雜，投資略有增加。電氣操作步驟稍多。方案2的優(yōu)點(diǎn)：接線簡明，直觀，電氣操作步驟少。缺點(diǎn)：一般工作負(fù)荷和事故狀態(tài)下仍需運(yùn)轉(zhuǎn)的保安負(fù)荷共同接于工作母線段下，管理區(qū)分不明析。事故狀態(tài)時(shí)所有工作母線全都帶電，電機(jī)類保安負(fù)荷由DCS選擇性恢復(fù)供電，而供電類負(fù)荷則無法斷開（如果增加失壓脫扣裝置可以解決這個(gè)問題，但一方面增加此部分投資，另一方面在恢復(fù)正常供電時(shí)增加了檢修