垃圾焚燒發電廠電氣部分設計要點分析

劉 暢

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

近年來，隨著城市化進程的推進，生活垃圾總量日益增長，如何處理這些垃圾成為了一項重要的課題。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。其中焚燒處理能夠實現垃圾的減量化、資源化和無害化，而且焚燒過程中產生的熱量可以用來發電，因此焚燒處理逐漸得到廣泛應用。目前主要的垃圾焚燒技術有機械爐排焚燒爐技術、流化床焚燒爐技術和回轉窯焚燒爐技術。電氣部分的可靠性是保證垃圾焚燒發電廠穩定運行的關鍵，所以垃圾焚燒發電廠的電氣部分設計就顯得尤為重要。文章根據垃圾焚燒發電廠的主要特點，分析了垃圾焚燒發電廠電氣部分的設計要點，并給出了電氣部分選擇的建議。

1 垃圾焚燒發電廠的主要特點

鑒于機械爐排焚燒爐具有垃圾處理量大、運行可靠穩定、垃圾減量化明顯等特點，越來越多的城市開始建設機械爐排焚燒爐項目。在機械爐排焚燒爐項目中，垃圾通過進料斗進入傾斜向下的爐排，通過爐排之間的運動，將垃圾向下推動，使垃圾依次通過爐排上的各個區域，直至燃盡排出爐膛。燃燒空氣由爐排底部送入，高溫煙氣通過鍋爐的受熱面產生熱蒸汽，同時煙氣也得到冷卻，隨后，煙氣經過處理后排出。

在地理位置方面，垃圾焚燒發電廠一般位于遠離城市中心的郊區，由汽車將垃圾運送至垃圾焚燒發電廠進行處理。垃圾焚燒發電廠將垃圾進行焚燒處理，并將焚燒過程中產生的熱量用來發電。垃圾焚燒發電廠的主要設備包括焚燒爐、余熱鍋爐、汽輪發電機、主變壓器、高低壓配電裝置、煙氣凈化設備、污水處理設備等。

目前，國內大部分垃圾焚燒發電廠單臺焚燒爐的垃圾處理量在350～800 t/d。因為國內垃圾的熱值較低，所以現在垃圾焚燒發電廠的單機發電量一般在10～50 MW之間。而垃圾焚燒電廠的送出電壓等級以35 kV、110 kV居多，高壓廠用電以6 kV、10 kV為主。

與普通的火力發電廠不同，垃圾焚燒發電廠的燃料是垃圾，帶有強烈的氣味和一定程度的腐蝕性。進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行貯存，通過自然壓縮和發酵的作用，降低垃圾的含水量，提高垃圾的熱值，改善焚燒效果。貯存過程中會產生滲濾液，這是一種成分復雜的高濃度有機廢水。考慮到上述因素，垃圾焚燒發電廠通常選用全封閉廠房，在垃圾池、卸料大廳等可能會有垃圾臭氣外溢風險的區域還會采用負壓系統，防止垃圾氣味外溢。

2 電氣部分設計的主要內容和原則

垃圾焚燒發電廠電氣部分設計的主要內容包括發電機及其出線系統、主變升壓系統、廠用電系統、直流及UPS系統、過電壓保護和接地系統、廠內通信系統等。垃圾焚燒發電廠電氣部分設計應依據相關的國家標準和行業標準，結合項目實際的情況，在滿足供電可靠、維護方便、調度靈活及各項技術要求的前提下，實現設計的先進性和可靠性等目標。同時，經濟性也是設計需要考慮的重要因素之一。因此，在進行垃圾焚燒發電廠電氣部分的設計時，需要對項目概況、電力負荷情況、電力系統情況、本項目在電力系統中的位置進行綜合分析，并根據垃圾焚燒爐的類型、設計規劃容量來確定最大負荷利用小時數。此外，還應該結合當地的溫度、濕度等參數，最后選擇性能、價格合適的電氣設備。

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母線兩大類。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缺點如表1。

根據表1的對比不難看出，運行可靠性往往與建設成本呈正相關。雙母線接線比單母線接線的運行可靠性高，在建設成本方面，雙母線接線也比單母線接線高。對于普通的中小型垃圾焚燒發電廠，單臺機組的發電量一般都在50 MW以下，考慮到后期擴建的可能，一個有兩臺機組的垃圾焚燒發電廠的總發電量一般都在100 MW以下。考慮到項目的建設成本以及未來的運行檢修，垃圾焚燒發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省項目投資，提高經濟效益，也有利于未來的運行檢修。

4 高壓配電裝置的選擇

目前高壓配電裝置主要分為兩種：空氣絕緣敞開式開關設備（AIS）和氣體絕緣開關設備（GIS）。這兩種設備主要的對比分析如表2。

表2 AIS和GIS的對比分析

（1）AIS的制造工藝已經比較成熟，在國內也有較多的應用案例。它用瓷套作為設備的外殼和外絕緣，可以相應地降低成本。但由于它是戶外布置，所以在運行過程中容易受到環境條件的影響；而且它的布置較為分散，相應的占地面積大，對于廠區面積緊張的電廠來說不太適用。

（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的運行不受環境條件的影響。此外，GIS的集成程度高，占地面積小，運行可靠性高，維護工作量小，安裝方便，在國內電廠中的使用率越來越高。

盡管垃圾焚燒發電廠會采用各種措施防止垃圾臭氣外溢，垃圾池等區域檢修時仍然會有部分臭氣外溢，這些具有腐蝕性的氣體會對戶外配電裝置元件的電氣性能造成影響。經過日積月累，一旦造成廠內停電，不僅會影響垃圾的正常處理，也會影響售電的收入，這對電廠而言是十分不利的。因此，基于AIS和GIS的對比分析和垃圾焚燒發電廠的特點，廠內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電廠的核心電氣設備之一，關系到發電廠能否持續穩定地向電網輸送電能。

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備少，所以現場維護量少，運行成本也相對較低。此外，三相變壓器還有占地面積小、損耗小等優點。因此，在運輸條件允許的情況下，會優先選擇三相變壓器。

作為變壓器的兩大類型，油浸式變壓器和干式變壓器的主要區別如表3。

表3 油浸式變壓器和干式變壓器的主要區別

根據表3中油浸式變壓器和干式變壓器的主要區別可以看出，垃圾焚燒發電廠的主變壓器適合選用油浸式變壓器。

根據上述分析，以較為常見的發電機出口電壓為10.5 kV、外送線路為110 kV的垃圾焚燒發電廠為例，主變壓器通常會選擇三相油浸式變壓器。

6 其他電氣設備的選擇

廠用電系統的設計應考慮項目是否有擴建的規劃，在滿足運行、檢修要求的前提下，選用技術成熟的設備，從而確保電廠能夠安全穩定地運行。

根據垃圾焚燒發電廠的各項特點，廠用高壓10 kV的配電設備適合選擇金屬鎧裝移開式開關柜，10 kV斷路器選擇真空斷路器，400 V配電設備選擇低壓抽出式開關柜。

降低廠用電率可以有效提高垃圾焚燒發電廠的經濟效益，為此，電氣設計中可以采取以下節能措施。

（1）照明燈具采用節能燈。燈具可以選擇安全高效的LED光源燈具；垃圾焚燒發電廠建筑物內的燈具可以根據生產的要求和自然采光的情況進行分組控制。同時，在照明設計中充分利用自然光，在有自然光的地方可以選擇設置節能自熄開關；在照明設計中合理選擇照度。選擇照度是照明設計中的一項重要內容。照度如果過低，不能保證工作人員的正常工作，也會對生產效率造成影響。照度如果過高，會造成電能的浪費。照度的選擇應該與該場所內進行的工作相適應，合理的照度選擇可以提高工作人員的工作效率；

（2）對引風機、一次風機、二次風機等大功率電機采用變頻調速器；

（3）廠用變壓器選擇低損耗的干式變壓器；

（4）減小供電半徑。廠用電按區域設置電源點，就近進行供電，從而減少電能在輸送過程中的損耗。

（5）合理選擇導體截面。對于電流比較大的電纜宜按經濟電流密度來對電纜截面進行校驗。

（6）保持供配電系統三相平衡。在垃圾焚燒發電廠的供配電系統中，部分用電負荷是單相負荷（如照明等），容易導致三相負荷不平衡度較大，相應引起的損耗也較大。因此，在垃圾焚燒發電廠電氣部分的設計過程中，要注意做好三相負荷的平衡分配，降低配電變壓器的損耗和線路的損耗。

垃圾焚燒發電廠的直流系統包括蓄電池、充電裝置等。而垃圾焚燒發電廠的直流系統負荷主要包括控制負荷、保護負荷、應急照明、直流長明燈、直流潤滑油泵等。垃圾焚燒發電廠的直流電源宜選用鉛酸蓄電池。

此外，垃圾焚燒發電廠的燃料具有特殊性，垃圾在發酵過程中會產生甲烷等可燃氣體。因此，在垃圾池、滲濾液收集池等區域應使用防爆電器。

7 結語

逐漸成熟的垃圾焚燒發電技術給被垃圾困擾的大城市提供了解決方案，垃圾焚燒發電廠電氣部分的設計應充分考慮可靠性和經濟性兩個因素。因為垃圾焚燒發電廠的機組容量較小，在電網中的地位跟火力發電廠不同，所以在滿足供電可靠的條件下，電氣主接線形式不宜過于復雜。文章介紹了垃圾焚燒發電廠的主要特點，分析了垃圾焚燒發電廠電氣部分的設計要點，并給出了電氣部分選擇的建議。垃圾焚燒發電廠電氣部分的設計關系到電廠是否可以長期穩定運行，應該得到充分的重視。