垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

劉 暢

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，生活垃圾總量日益增長(zhǎng)，如何處理這些垃圾成為了一項(xiàng)重要的課題。目前垃圾的主要處理方法有填埋處理、焚燒處理和堆肥處理三種。其中焚燒處理能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾的減量化、資源化和無(wú)害化，而且焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量可以用來(lái)發(fā)電，因此焚燒處理逐漸得到廣泛應(yīng)用。目前主要的垃圾焚燒技術(shù)有機(jī)械爐排焚燒爐技術(shù)、流化床焚燒爐技術(shù)和回轉(zhuǎn)窯焚燒爐技術(shù)。電氣部分的可靠性是保證垃圾焚燒發(fā)電廠穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，所以垃圾焚燒發(fā)電廠的電氣部分設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。文章根據(jù)垃圾焚燒發(fā)電廠的主要特點(diǎn)，分析了垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并給出了電氣部分選擇的建議。

1 垃圾焚燒發(fā)電廠的主要特點(diǎn)

鑒于機(jī)械爐排焚燒爐具有垃圾處理量大、運(yùn)行可靠穩(wěn)定、垃圾減量化明顯等特點(diǎn)，越來(lái)越多的城市開(kāi)始建設(shè)機(jī)械爐排焚燒爐項(xiàng)目。在機(jī)械爐排焚燒爐項(xiàng)目中，垃圾通過(guò)進(jìn)料斗進(jìn)入傾斜向下的爐排，通過(guò)爐排之間的運(yùn)動(dòng)，將垃圾向下推動(dòng)，使垃圾依次通過(guò)爐排上的各個(gè)區(qū)域，直至燃盡排出爐膛。燃燒空氣由爐排底部送入，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)鍋爐的受熱面產(chǎn)生熱蒸汽，同時(shí)煙氣也得到冷卻，隨后，煙氣經(jīng)過(guò)處理后排出。

在地理位置方面，垃圾焚燒發(fā)電廠一般位于遠(yuǎn)離城市中心的郊區(qū)，由汽車(chē)將垃圾運(yùn)送至垃圾焚燒發(fā)電廠進(jìn)行處理。垃圾焚燒發(fā)電廠將垃圾進(jìn)行焚燒處理，并將焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量用來(lái)發(fā)電。垃圾焚燒發(fā)電廠的主要設(shè)備包括焚燒爐、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)、主變壓器、高低壓配電裝置、煙氣凈化設(shè)備、污水處理設(shè)備等。

目前，國(guó)內(nèi)大部分垃圾焚燒發(fā)電廠單臺(tái)焚燒爐的垃圾處理量在350～800 t/d。因?yàn)閲?guó)內(nèi)垃圾的熱值較低，所以現(xiàn)在垃圾焚燒發(fā)電廠的單機(jī)發(fā)電量一般在10～50 MW之間。而垃圾焚燒電廠的送出電壓等級(jí)以35 kV、110 kV居多，高壓廠用電以6 kV、10 kV為主。

與普通的火力發(fā)電廠不同，垃圾焚燒發(fā)電廠的燃料是垃圾，帶有強(qiáng)烈的氣味和一定程度的腐蝕性。進(jìn)廠的垃圾并不是直接送入焚燒爐中焚燒，而是需要先在垃圾池中進(jìn)行貯存，通過(guò)自然壓縮和發(fā)酵的作用，降低垃圾的含水量，提高垃圾的熱值，改善焚燒效果。貯存過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生滲濾液，這是一種成分復(fù)雜的高濃度有機(jī)廢水?？紤]到上述因素，垃圾焚燒發(fā)電廠通常選用全封閉廠房，在垃圾池、卸料大廳等可能會(huì)有垃圾臭氣外溢風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域還會(huì)采用負(fù)壓系統(tǒng)，防止垃圾氣味外溢。

2 電氣部分設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和原則

垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括發(fā)電機(jī)及其出線系統(tǒng)、主變升壓系統(tǒng)、廠用電系統(tǒng)、直流及UPS系統(tǒng)、過(guò)電壓保護(hù)和接地系統(tǒng)、廠內(nèi)通信系統(tǒng)等。垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際的情況，在滿足供電可靠、維護(hù)方便、調(diào)度靈活及各項(xiàng)技術(shù)要求的前提下，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性和可靠性等目標(biāo)。同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性也是設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素之一。因此，在進(jìn)行垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分的設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)項(xiàng)目概況、電力負(fù)荷情況、電力系統(tǒng)情況、本項(xiàng)目在電力系統(tǒng)中的位置進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)垃圾焚燒爐的類(lèi)型、設(shè)計(jì)規(guī)劃容量來(lái)確定最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)。此外，還應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度等參?shù)，最后選擇性能、價(jià)格合適的電氣設(shè)備。

3 電氣主接線形式的選擇

電氣主接線主要分為有母線和無(wú)母線兩大類(lèi)。其中有母線的電氣主接線形式包括單母線接線、單母線分段接線、雙母線接線等；無(wú)母線的電氣主接線形式包括單元接線、橋形接線等。這些電氣主接線形式的優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

根據(jù)表1的對(duì)比不難看出，運(yùn)行可靠性往往與建設(shè)成本呈正相關(guān)。雙母線接線比單母線接線的運(yùn)行可靠性高，在建設(shè)成本方面，雙母線接線也比單母線接線高。對(duì)于普通的中小型垃圾焚燒發(fā)電廠，單臺(tái)機(jī)組的發(fā)電量一般都在50 MW以下，考慮到后期擴(kuò)建的可能，一個(gè)有兩臺(tái)機(jī)組的垃圾焚燒發(fā)電廠的總發(fā)電量一般都在100 MW以下?？紤]到項(xiàng)目的建設(shè)成本以及未來(lái)的運(yùn)行檢修，垃圾焚燒發(fā)電廠的主接線適合采用單母線接線或單母線分段接線。這種接線形式不僅可以節(jié)省項(xiàng)目投資，提高經(jīng)濟(jì)效益，也有利于未來(lái)的運(yùn)行檢修。

4 高壓配電裝置的選擇

目前高壓配電裝置主要分為兩種：空氣絕緣敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備（AIS）和氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）。這兩種設(shè)備主要的對(duì)比分析如表2。

表2 AIS和GIS的對(duì)比分析

（1）AIS的制造工藝已經(jīng)比較成熟，在國(guó)內(nèi)也有較多的應(yīng)用案例。它用瓷套作為設(shè)備的外殼和外絕緣，可以相應(yīng)地降低成本。但由于它是戶外布置，所以在運(yùn)行過(guò)程中容易受到環(huán)境條件的影響；而且它的布置較為分散，相應(yīng)的占地面積大，對(duì)于廠區(qū)面積緊張的電廠來(lái)說(shuō)不太適用。

（2）GIS的元件全部密封在六氟化硫氣體中，不與外界接觸，所以GIS的運(yùn)行不受環(huán)境條件的影響。此外，GIS的集成程度高，占地面積小，運(yùn)行可靠性高，維護(hù)工作量小，安裝方便，在國(guó)內(nèi)電廠中的使用率越來(lái)越高。

盡管垃圾焚燒發(fā)電廠會(huì)采用各種措施防止垃圾臭氣外溢，垃圾池等區(qū)域檢修時(shí)仍然會(huì)有部分臭氣外溢，這些具有腐蝕性的氣體會(huì)對(duì)戶外配電裝置元件的電氣性能造成影響。經(jīng)過(guò)日積月累，一旦造成廠內(nèi)停電，不僅會(huì)影響垃圾的正常處理，也會(huì)影響售電的收入，這對(duì)電廠而言是十分不利的。因此，基于AIS和GIS的對(duì)比分析和垃圾焚燒發(fā)電廠的特點(diǎn)，廠內(nèi)的高壓配電裝置一般選用GIS。

5 主變壓器的選擇

主變壓器是垃圾焚燒發(fā)電廠的核心電氣設(shè)備之一，關(guān)系到發(fā)電廠能否持續(xù)穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送電能。

主變壓器在三相是否共體方面有三相變壓器和單相變壓器兩種選擇。由于三相變壓器的附屬設(shè)備少，所以現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量少，運(yùn)行成本也相對(duì)較低。此外，三相變壓器還有占地面積小、損耗小等優(yōu)點(diǎn)。因此，在運(yùn)輸條件允許的情況下，會(huì)優(yōu)先選擇三相變壓器。

作為變壓器的兩大類(lèi)型，油浸式變壓器和干式變壓器的主要區(qū)別如表3。

表3 油浸式變壓器和干式變壓器的主要區(qū)別

根據(jù)表3中油浸式變壓器和干式變壓器的主要區(qū)別可以看出，垃圾焚燒發(fā)電廠的主變壓器適合選用油浸式變壓器。

根據(jù)上述分析，以較為常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)出口電壓為10.5 kV、外送線路為110 kV的垃圾焚燒發(fā)電廠為例，主變壓器通常會(huì)選擇三相油浸式變壓器。

6 其他電氣設(shè)備的選擇

廠用電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮項(xiàng)目是否有擴(kuò)建的規(guī)劃，在滿足運(yùn)行、檢修要求的前提下，選用技術(shù)成熟的設(shè)備，從而確保電廠能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

根據(jù)垃圾焚燒發(fā)電廠的各項(xiàng)特點(diǎn)，廠用高壓10 kV的配電設(shè)備適合選擇金屬鎧裝移開(kāi)式開(kāi)關(guān)柜，10 kV斷路器選擇真空斷路器，400 V配電設(shè)備選擇低壓抽出式開(kāi)關(guān)柜。

降低廠用電率可以有效提高垃圾焚燒發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益，為此，電氣設(shè)計(jì)中可以采取以下節(jié)能措施。

（1）照明燈具采用節(jié)能燈。燈具可以選擇安全高效的LED光源燈具；垃圾焚燒發(fā)電廠建筑物內(nèi)的燈具可以根據(jù)生產(chǎn)的要求和自然采光的情況進(jìn)行分組控制。同時(shí)，在照明設(shè)計(jì)中充分利用自然光，在有自然光的地方可以選擇設(shè)置節(jié)能自熄開(kāi)關(guān)；在照明設(shè)計(jì)中合理選擇照度。選擇照度是照明設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。照度如果過(guò)低，不能保證工作人員的正常工作，也會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率造成影響。照度如果過(guò)高，會(huì)造成電能的浪費(fèi)。照度的選擇應(yīng)該與該場(chǎng)所內(nèi)進(jìn)行的工作相適應(yīng)，合理的照度選擇可以提高工作人員的工作效率；

（2）對(duì)引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)等大功率電機(jī)采用變頻調(diào)速器；

（3）廠用變壓器選擇低損耗的干式變壓器；

（4）減小供電半徑。廠用電按區(qū)域設(shè)置電源點(diǎn)，就近進(jìn)行供電，從而減少電能在輸送過(guò)程中的損耗。

（5）合理選擇導(dǎo)體截面。對(duì)于電流比較大的電纜宜按經(jīng)濟(jì)電流密度來(lái)對(duì)電纜截面進(jìn)行校驗(yàn)。

（6）保持供配電系統(tǒng)三相平衡。在垃圾焚燒發(fā)電廠的供配電系統(tǒng)中，部分用電負(fù)荷是單相負(fù)荷（如照明等），容易導(dǎo)致三相負(fù)荷不平衡度較大，相應(yīng)引起的損耗也較大。因此，在垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意做好三相負(fù)荷的平衡分配，降低配電變壓器的損耗和線路的損耗。

垃圾焚燒發(fā)電廠的直流系統(tǒng)包括蓄電池、充電裝置等。而垃圾焚燒發(fā)電廠的直流系統(tǒng)負(fù)荷主要包括控制負(fù)荷、保護(hù)負(fù)荷、應(yīng)急照明、直流長(zhǎng)明燈、直流潤(rùn)滑油泵等。垃圾焚燒發(fā)電廠的直流電源宜選用鉛酸蓄電池。

此外，垃圾焚燒發(fā)電廠的燃料具有特殊性，垃圾在發(fā)酵過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生甲烷等可燃?xì)怏w。因此，在垃圾池、滲濾液收集池等區(qū)域應(yīng)使用防爆電器。

7 結(jié)語(yǔ)

逐漸成熟的垃圾焚燒發(fā)電技術(shù)給被垃圾困擾的大城市提供了解決方案，垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)因素。因?yàn)槔贌l(fā)電廠的機(jī)組容量較小，在電網(wǎng)中的地位跟火力發(fā)電廠不同，所以在滿足供電可靠的條件下，電氣主接線形式不宜過(guò)于復(fù)雜。文章介紹了垃圾焚燒發(fā)電廠的主要特點(diǎn)，分析了垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并給出了電氣部分選擇的建議。垃圾焚燒發(fā)電廠電氣部分的設(shè)計(jì)關(guān)系到電廠是否可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)該得到充分的重視。