垃圾焚烧发电厂电气主接线形式及运行方案的探讨

垃圾焚烧发电厂电气主接线形式及运行方案的探讨张莹【摘要】垃圾焚烧发电厂属小机组电厂，一般机组出力为9MW~25MW不等，针对这样小容量机组的电厂,其全厂电气主接线形式与大容量火力发电机组相比有其自身的特点.本文结合深圳市宝安区白鸽湖垃圾焚烧发电厂电气主接线的实际设计范例，介绍了小容量机组电气主接线形式选择的设计思路，并提出了自己观点进行探讨.【期刊名称】《有色设备》【年(卷)，期】2014(000)003【总页数】5页(P12-16)【关键词】垃圾焚烧发电厂;电气主接线设计【作者】张莹【作者单位】中国恩菲工程技术有限公司电气及自动化事业部，北京100038【正文语种】中文【中图分类】TM645随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，城市垃圾量也飞速增长。垃圾焚烧发电厂占地面积相对于填埋方式小、长期综合处理量大、能源可以回收利用、社会效益和经济效益显著，因其众多优势，逐步被广大地区的环保部门所采用。我国垃圾焚烧发电厂始建于20世纪80年代中期，自90年代后期以来，东南沿海地区和部分中心城市加快了生活垃圾焚烧发电厂建设速度。垃圾焚烧发电厂属小机组电厂，一般单台机组出力为9MW~25MW不等，全厂配置1~2台发电机组。针对这样小容量机组的电厂，其全厂电气主接线形式与大容量火力发电机组相比有其自身的特点。本文结合深圳市宝安区白鸽湖垃圾焚烧发电厂电气主接线的实际设计范例，介绍了小容量机组电气主接线形式选择的设计思路，并提出了个人观点。1.1垃圾电厂上网电压等级及方式的选择分析从整个电厂规模看，垃圾焚烧发电厂规模属于小型火力发电厂。在确定其送电上网方式时有发电机出口电压等级直接并网（直配）和经升压送电上网两种选择。在笔者所接触过的垃圾电厂设计中，送电上网方式都是选用升压送电上网方式。笔者经过考虑认为原因在于，垃圾焚烧发电厂除去厂用电部分（约占总发电量的20%）,实际输送到地区电网电量不超过总发电量的80%，发电量在20MW左右比较普遍，如采用发电机出口电压等级直接并网（10kV或6kV电压等级），其经济输电范围不超过1km；而目前国内垃圾焚烧发电厂的选址多选在城市郊区，甚至靠近居民区，便于垃圾集中的收集的地区，在厂区周边找到符合要求的并网变电站一般可能性不高，因此直配方式很少采用，多数选择由发电机的出口升压至高一级电压等级，再送电至地区变电站。高一级电压等级一般为35kV和110kV两种，随着地区电网的改造，35kV电压等级正逐步退出城市电网，考虑到与城市电网发展趋势相匹配，多采用110kV电压等级并网。110kV等级比35kV等级并网费用要增加不少，如果地区电网能够提供合适的35kV并网点，那么从经济上选用35kV等级并网则更为优化。升压送电上网方式相比以发电机出口电压等级直接并网增加不少投资，但也相对提高了送电上网的可靠性（电压等级越高，可靠性越高）。具体采用哪种并网的等级，需要充分考虑垃圾电厂发电容量、所在地区的电网情况等多种具体因素，进行必要的经济技术比较才能确定。1.2垃圾电厂厂用电接线形式的分析垃圾焚烧发电厂发电机组规模较小，在技术经济合理的条件下会力求主接线简单清晰。根据小型电厂设计习惯，厂内高压母线一般有10kV和6kV两种电压等级的选择。由于10kV电压等级母线段上的短路电流比6kV电压等级母线段上的短路电流要小，且节约线损，目前市场上10kV电气设备使用也较为普遍；另一方面如下面提到的，除了并网线路外，厂内仍可能需要从外网引入一路中压电源作为备用或保安电源，城市电网现有电压等级的配备，10kV电压等级较6kV电压等级要普遍的多。因此，设计中笔者一般采用10kV电压等级的高压母线段。对于备用电源的选择，如果电厂有2条专用上网线路，可以互为备用；如果只有1条专用上网线路，就需要另1条引入线路作为备用电源。也可设置柴油发电机组作为备用电源。笔者经过思考和研究分析如下：方案1采用外引电源。优点：（1）保障速度快，事故情况下可以快速切换，切换时间只受倒闸时间制约，甚至可以做到无差切换（柴油发电机组的启动时间约为15秒），对厂内保安负荷影响较小。（2）对电厂来讲，维护工作量小。（3）运行费用低。缺点：（1）初期建设时，选址、线路架设受电网、政策等条件制约。（2）其供电可靠性受电网运行情况限制。方案2采用柴油发电机组。优点：（1）建设不受外部条件制约。（2）运行期间，可以厂内自行维护、检修，供电可靠性可控。缺点：（1）投资较大。（2）建设、选址对防火要求高，提高工程造价。（3）使用时消耗能源，运行费用高，且有一定的环境污染问题。采用外引电源和柴油发电机组作为备用/保安电源2种方案各有优劣。有些垃圾电厂所在地区的电网无法提供合适的中压电源，或者只能提供分支线而非专线的中压电源，那么此电源的可靠性就有待考证。有些垃圾电厂所在地区的电网虽然可以提供专线中压电源，但电源点距电厂较远，其专线架设费用要远高于厂内设置柴油发电机组的费用时，就要考虑采用柴油发电机组。选择哪种方案为优，需要根据垃圾电厂的情况及地区电力系统的现状，进行经济技术比较选择。厂内电气主接线一般根据焚烧锅炉、发电机组数量及工程分期投入的时间，采用单母线或单母线分段方式。高压厂用母线采用单母线接线，按机分段；在母线上接有炉的I类负荷时，宜按炉对应分段。低压厂用母线采用单母线接线，按炉分段。2.1工程概况及电力系统概况深圳市宝安区白鸽湖垃圾焚烧发电厂是采用现代技术综合利用、处理生活垃圾的基地。年处理生活垃圾40万t（平均日处理1200t）,焚烧炉为机械炉排炉，共3台，单台处理垃圾能力为400t/d，焚烧炉可短时超负荷10%。安装2台12MW（最大功率15MW）凝汽式汽轮发电机组。发电机所发出的电能扣除厂用电外，剩余部分的电力全部经升压变压器送入地方电力网。电气设计按一次建成3炉2机的规模进行设计。本工程以城市垃圾焚烧为主，机组容量较小，在电力系统中不是主力机组，对系统潮流、电压无明显影响。考虑到降低上网电压损失和造价合理，及附近电网资料，接入系统拟采用单回110kV输电线路并入系统。2.2电气原则性接线系统2.2.1发电机电压选择考虑到市网配电电压为10kV，焚烧厂备用启动/应急电源电压定为10kV。同时为与当地电压等级相匹配，减少垃圾电厂内电气设备的电压等级，以利于系统运行、维护管理和减少投资，发电机出口额定电压也选择为10.5kV。2.2.2电气主接线方案分析根据3炉2机建厂规模、并网线路为单回路110kV电压等级的基本条件，电气主接线有以下2个方案：方案1:2台电压为10.5kV发电机各自经电缆引至10kV厂用母线，再各由1台升压变压器升压至110kV，经电缆引至110kV母线，最终由单回输电线并入系统。不设置单独的发电机主母线，10kV厂用母线为单母线分段接线，110kV母线为单母线接线。厂用高压负荷由10kV厂用母线馈出。方案2:2台发电机各经过一台升压变压器接入110kV母线，110kV母线为单母线接线，最终由单回输电线并入系统。发电机与对应主变组成发电机——变压器组。发电机出口设置厂用分支断路器，厂用电源分别由对应发电机出口引接。全厂电气主接线示意图见图1、图2。方案1与方案2比较，技术上优缺点如下：方案1的优点：（1）供电灵活，发电机与主变可交叉供电，1台发电机检修，可用另一台发电机提供全厂厂用电。（2）可外供其它负荷。缺点：厂用高压负荷直接连至发电机母线上，当厂用高压负荷出现故障，后备保护易引起发电机停机。方案2的优点：厂用高压负荷未直接连至发电机母线上，故障几率较方案一稍小。缺点：（1）供电灵活性不及方案1。（2）增加2个10kV开关柜，投资较方案1增加约20万的设备投资。通过上述比较，经过比较认为方案1接线简明、供电灵活，运行中的故障可通过合理配置保护方案限制，因此在设计中采取了以上2种方案中的第1方案。2.3厂用电接线形式和运行方案的探讨2.3.1厂用电电源方案厂用起动电源引接方案：系统110kV电源，经主变降压，倒送电至10kV厂用母线，作为全厂起动电源。变压器选有载调压型。厂用备用起动电源引接方案：因为此工程采用110kV单回线路并网，当系统110kV线路未准备好，厂内需要外部电源进行调试，或者为了处理垃圾的需要进行孤岛运行，由外接10kV线路需提供足够的启动电源容量。经计算保证一炉一机运行的启动容量约为3000kVA。厂用工作电源引接方案：厂用电源分别由对应发电机出口母线引接。厂用保安电源引接方案：在全厂突然停电情况下，为确保人身及设备的安全，迅速采用应急措施，使设备逐步停止运转，需要从城市电网（或者原厂的工作电源）引接10kV电源作为保安电源，经计算保安负荷容量约为800kVA。按规程要求此路10kV电源须从与并网线相独立的电源点引接。笔者在设计中对方案进行了优化整合，将厂用备用起动电源和厂用保安电源合并，电源容量按照起动电源容量争取，设置一台0#变压器，一方面当工作变压器故障或检修时可以自动或人工启动，作为工作变压器的备用；一方面事故情况下，将外引的10kV电源降压，为低压保安负荷供电。通过运行规程控制相应断路器合闸，使不同母线带电，实现起动/备用电源/保安电源功能的区分和转换。2.3.2厂用电接线形式和运行方案厂用电运行方案有2种实现方案，见图3、图4。方案1如图3所示：（1）初始状态时，QF1、QF2、QF3断开，QF4合上。当外接10kV电源作为备用起动电源时（起动电源保持一炉一机正常运转），视起动机炉要求，决定是否合上QF3。（2）正常状态时（全厂运行稳定后），QF1、QF2、QF3断开，QF4合上，保证10kV0段有电，0#变为冷备，10kVI.H段不会并列运行。当一台工作变压器故障或检修时，可以自动或人工启动0#变代替工作变为负荷供电。此时检测需替换工作变压器0.38kV段母线电压失电，检测10kV0段有电，合上QF2,使0#变带电并且0.38kV0段有电。合上需替换工作变压器0.38kV段母线备用进线开关（工作变压器0.38kV段母线主进线开关与备用进线开关须互锁），使0.38kV工作母线段恢复供电。0#变不能同时作为多台工作变压器的备用（因为0#变的容量是按最大一台工作变压器容量选取，不能够同时承担多台变压器的工作容量)，一旦其投入备用，需要闭锁相应其他0.38kV工作母线段的备用进线开关。此过程可由低压备自投装置或者由手动操作完成。当出现1F发电机由2#主变升压并网，或者2F发电机由1#主变升压并网的交叉供电的情况，QF1、QF2断开，QF3、QF4合上。此过程须手动操作，保证不会出现两台发电机并列运行的情况。⑷当全厂失电，即无法从发电机和经由主变倒送取得电源，为了保证人身及设备的安全，实现安全停机，需由外接10kV电源提供保安电源。此时检测10kVI、H段全部失电，外接电源有电。断开QF4，合上QF1、QF2，使10kV仅有0段有电，0#变带电并且0.38kV0段有电。闭锁低压备自投装置，使各工作变压器0.38kV母线段都无法通过备用进线开关恢复供电。此时各保安段的互投开关检测到由0.38kV0段弓|入的电源有电而由失电的工作母线段转至0.38kV0段供电。此时全厂只有0.38kV保安段有电。此过程可由高压备自投装置或者由手动操作完成。方案2如图4所示：当全厂失电，即无法从发电机和经由主变倒送取得电源，为了保证人身及设备的安全，实现安全停机，需由外接10kV电源提供保安电源。此时检测10kVI、H段全部失电，夕卜接电源有电。合上QF1、QF3，使10kVI、H段全部恢复供电，使所有工作变压器带电并且0.38kV工作段恢复供电。此过程可由高压备自投装置或者由手动操作完成，但需注意保证不会出现两台发电机并列运行的情况。图3、图4两种接线方式和相应的运行方案，在初始状态、正常状态和交叉供电状态时是相同，区别在于第4种情况，即全厂失电，保安电源如何投入，保安负荷如何恢复供电的情况。笔者经过比较认为：方案1的优点：全厂保安负荷集中于保安段下，正常时由工作段供电，事故状态时由保安电源供电，管理上分明，不会受到非保安类负荷的影响。缺点：接线稍显复杂，投资略有增加。电气操作步骤稍多。方案2的优点：接线简明，直观，电气操作步骤少。缺点：一般工作负荷和事故状态下仍需运转的保安负荷共同接于工作母线段下，管理区分不明析。事故状态时所有工作母线全都带电，电机类保安负荷由DCS选择性恢复供电，而供电类负荷则无法断开（如果增加失压脱扣装置可以解决这个问题，但一方面增加此部分投资，另一方面在恢复正常供电时增加了检修