某垃圾焚燒發(fā)電廠電氣系統(tǒng)可行性分析

亞太森博（紙業(yè)）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(guī)模為2250t/日，采用3×750t/日的焚燒線，配置2×35W 汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，配套建設(shè)處理能力為1000t/日的滲瀝液處理站。擬建750t/日的焚燒爐，數(shù)量為3條；配套設(shè)置凝汽式汽輪機(jī)組，數(shù)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(tǒng)參考依據(jù)

《火力發(fā)電廠可行性研究報告內(nèi)容深度規(guī)定》（DL/T 5375-2018）；《火力發(fā)電廠廠用電設(shè)計技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5153-2002）；《小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》（GB50049-2011）；國家或行業(yè)其他最新相關(guān)規(guī)程、規(guī)范和文件。

2.1 應(yīng)用范圍

本電氣系統(tǒng)主要包括發(fā)電、廠用電、直流系統(tǒng)等。以場區(qū)圍墻外1m 為界，不含電力接入系統(tǒng)設(shè)計。并網(wǎng)線路設(shè)計負(fù)責(zé)接至場區(qū)圍墻外第一根桿塔處。

2.2 應(yīng)用原則

電氣主接線要求簡單、可靠、安全；電氣設(shè)備選型要求先進(jìn)、節(jié)能；電氣設(shè)備運(yùn)行以后，要便于操作、維護(hù)，實現(xiàn)投資后節(jié)約成本的目的，且要保證檢修維護(hù)工作的開展便捷程度更高；為保證能夠快速、準(zhǔn)確且靈敏地切除故障，選定微機(jī)保護(hù)作為繼電保護(hù)模式，實現(xiàn)對垃圾焚燒電廠電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行要求的切實滿足[1]。

3 電氣主接線系統(tǒng)

3.1 周邊電力系統(tǒng)概述

根據(jù)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(wǎng)，電力接出變電站選擇最終以電力可研批復(fù)為準(zhǔn)。

3.2 電氣主接線方案選擇

本項目機(jī)容量為2x35MW，主要考慮以下兩種方案。方案一：采用發(fā)電機(jī)—雙卷變壓器組的單元接線，機(jī)端電壓經(jīng)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(wǎng)。出口裝設(shè)斷路器，作為機(jī)組的并網(wǎng)開關(guān)，出口設(shè)置廠用分支，經(jīng)廠用分支向廠用電系統(tǒng)供電。10kV 高壓廠用分支按機(jī)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(lián)與一段、二段連接兩段，高壓電機(jī)和廠用變壓器均勻分配在三段母線上。其中，并網(wǎng)線路受電作為本方案內(nèi)基于正常啟動以及事故狀態(tài)下的全廠啟動備用電源，不設(shè)專用啟備變壓器及啟動電源。方案二：采用發(fā)電機(jī)母線接線，在主變升壓器的支持下，機(jī)端電壓提升至110kV，應(yīng)用單母線分段接線，以雙回路110kV 架空線路上網(wǎng)。發(fā)電機(jī)、高壓電機(jī)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(shù)、經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)上表比較結(jié)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(fā)電并網(wǎng)后，依托專用計量表的設(shè)置與應(yīng)用，計量上網(wǎng)電量；應(yīng)用電子式多功能電能表作為本項目內(nèi)投放的計量系統(tǒng)，以此獲取更為準(zhǔn)確且可以核對的電能量數(shù)據(jù)。

3.4 同期點(diǎn)和解列點(diǎn)

同期點(diǎn)設(shè)在發(fā)電機(jī)出口及主變壓器高壓側(cè)斷路器，共計4處。解列點(diǎn)設(shè)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(fù)荷等級

本工程廠用電電壓為10kV 和380/220V。本工程廠用電負(fù)荷按生產(chǎn)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(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、給水泵、引風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵、調(diào)速電機(jī)、盤車、充電裝置、通風(fēng)、應(yīng)急照明等；Ⅱ類：垃圾抓斗吊車、卸料門、輔助燃燒器、輸灰系統(tǒng)、灰渣抓斗、疏水泵、旋轉(zhuǎn)排灰閥門、滲瀝水泵、供油泵房、空壓機(jī)、化學(xué)水處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、生活泵等；Ⅲ類：檢修起重機(jī)、通風(fēng)、機(jī)修間等。

4.2 廠用電負(fù)荷

廠用電工作容量：19030kW；廠用電低壓計算負(fù)荷：7138.9kVA；廠用電高壓計算負(fù)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(nèi)按每臺機(jī)設(shè)置一段10kV 高壓廠用工作母線，共三段，三段高壓母線間設(shè)置母線分段開關(guān)，正常運(yùn)行時，兩段母線分列運(yùn)行，當(dāng)任一臺機(jī)組故障停機(jī)時，分段開關(guān)閉合，由另一臺機(jī)組提供備用電源。3臺10kV 引風(fēng)機(jī)（高壓變頻）、3臺10kV 一次風(fēng)機(jī)（高壓變頻）及4臺10kV 循環(huán)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(jù)廠用電負(fù)荷計算結(jié)果，在廠內(nèi)設(shè)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(fù)荷，盡可能保證均勻分配負(fù)荷；220/380V 低壓廠用系統(tǒng)，分別設(shè)低壓動力中心和MCC 控制中心，選用變壓器中性點(diǎn)直接接地的方式，促使0.4kV 系統(tǒng)投入實際運(yùn)行，選定TN-S 系統(tǒng)作為接地型式。

5 主要設(shè)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(diào)壓三相變壓器，容量為50MVA。高壓開關(guān)設(shè)備：110kV 選用GIS 成套開關(guān)設(shè)備。中壓開關(guān)設(shè)備：10kV 開關(guān)柜選用KYN28-12(Z)鎧裝移開式開關(guān)設(shè)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(shè)備布置

在相同廠房內(nèi)完成對焚燒鍋爐間、電氣設(shè)備間與汽機(jī)房的規(guī)劃設(shè)置，同時要配套設(shè)置電子設(shè)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(nèi)，投放大屏幕及機(jī)組控制屏、操作員站。與之相鄰的電子設(shè)備間內(nèi)設(shè)有直流蓄電池屏和熱工設(shè)備屏等。在主廠房外單獨(dú)設(shè)一獨(dú)立的升壓變電站，主變壓器及110kV 配電裝置均采用室內(nèi)布置，置于升壓變電站內(nèi)。

5.2 直流電系統(tǒng)、交流不停電電源

應(yīng)用單母線分段接線的方式設(shè)置直流系統(tǒng)，投放電壓為DC220V、額定電流為1000Ah 的免維護(hù)鉛酸蓄電池，數(shù)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(tài)下的照明用電需求依然能夠得到切實滿足，加設(shè)了事故照明切換屏。

在主控樓電子設(shè)備間內(nèi)設(shè)置額定容量為120kVA 的交流不停電電源系統(tǒng)UPS 一套，輸出電壓為單相220V，50Hz，向熱工控制儀表、調(diào)節(jié)裝置、機(jī)組分散控制系統(tǒng)DCS、電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)ECMS、熱控自動調(diào)節(jié)和監(jiān)視設(shè)備、電氣測量變送器、火災(zāi)報警、消防控制系統(tǒng)及其他自動裝置供電。交流不停電電源系統(tǒng)UPS 采用靜態(tài)逆變裝置，主要由整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、非自耦式隔離變壓器、旁路變壓器、手動旁路開關(guān)及饋線開關(guān)組成。

5.3 二次接線、繼電保護(hù)及自動裝置

本工程2x35MW 機(jī)組采用兩機(jī)一控的中控室控制方式。本工程電氣設(shè)備的監(jiān)控采用電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)ECMS 監(jiān)控的方式。本工程電動機(jī)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(tǒng)，工作站設(shè)在中控室。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用三層傳統(tǒng)模式，分為站控層、通信管理層和間隔層。站控層配置SCADA 服務(wù)器、操作員站，維護(hù)工程師站、保護(hù)工程師站及五防主機(jī)，采用以太網(wǎng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議采用TCP/UDP/IP。通信管理層采用雙機(jī)互為熱備用，兼作遠(yuǎn)程工作站連接調(diào)度。遠(yuǎn)程工作站通過遠(yuǎn)動專線連接遠(yuǎn)方調(diào)度或通過防火墻接入路由器，再通過網(wǎng)絡(luò)通道與調(diào)度連接。間隔層采用現(xiàn)場總線或RS-485總線。控制室通過綜合自動化系統(tǒng)及就地均可對發(fā)電機(jī)、廠用電及110kV 升壓站進(jìn)行控制，就地具有最高優(yōu)先級，操作電源由信號電源由220V 直流系統(tǒng)提供。

5.3.2 繼電保護(hù)

110kV 線路、發(fā)電機(jī)－變壓器組和廠變等保護(hù)均采用微機(jī)保護(hù)。保護(hù)配置原則按《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程（GB14285-2006）》規(guī)定。

5.3.3 自動裝置

發(fā)電機(jī)各設(shè)置一套數(shù)字式自動勵磁調(diào)節(jié)裝置（AVR）；各設(shè)置一套高周切機(jī)裝置；全廠設(shè)置一套微機(jī)型自動準(zhǔn)同期裝置（ASS）；全廠設(shè)置一套微機(jī)型故障錄波柜，錄取交流電流和電壓量、開關(guān)量，并具有故障測距和遠(yuǎn)傳功能；直流母線設(shè)置一套微機(jī)型絕緣監(jiān)測裝置及微機(jī)監(jiān)控裝置；每組蓄電池設(shè)置一套蓄電池在線監(jiān)測裝置。

5.3.4 過電壓保護(hù)及接地

應(yīng)用避雷針、避雷帶和建筑物結(jié)構(gòu)鋼筋焊接，完成綜合接地網(wǎng)的構(gòu)建，以此提升直擊雷過電壓保護(hù)成效。全廠低壓系統(tǒng)采用TN-S 型接地系統(tǒng)，室外路燈采用局部TT 系統(tǒng)[3]。

5.3.5 電纜設(shè)施

第一，電纜選用原則。選定單芯電纜、銅芯、交聯(lián)聚乙烯絕緣、聚乙烯護(hù)套難燃性電纜作為本項目內(nèi)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(lián)聚乙烯絕緣、聚乙烯護(hù)套難燃性電纜，8.7/10kV 為相應(yīng)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(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜。銅導(dǎo)體最小截面不小于2.5mm2。絕緣水平為0.6/1kV。計算機(jī)系統(tǒng)及模擬量信號采用鋁塑復(fù)合帶對絞屏蔽銅帶總屏蔽計算機(jī)電纜。

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

6 收入估算

對于本項目的總收入而言，在估算期間主要應(yīng)用財政補(bǔ)貼，以及主營業(yè)務(wù)收入的總和進(jìn)行預(yù)估。

在該項目完成建設(shè)并投入實際生產(chǎn)應(yīng)用后，能夠向城市電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行電力輸送，并以此獲取到一定的經(jīng)濟(jì)收益，為該垃圾焚燒電廠的正常運(yùn)營提供資金方面的支持，減少政府部門向本電廠發(fā)放的財政補(bǔ)貼數(shù)額，緩解區(qū)域財政壓力。實踐中，切換參考發(fā)改價格〔2012〕801號令的內(nèi)容以及《中山市南部組團(tuán)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(quán)協(xié)議》（一期）中的相關(guān)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(wǎng)電量280t 以內(nèi)的部分，在進(jìn)行收入估算期間，選用0.55元/kWh 的上網(wǎng)電價完成估算。在熱值最大條件下，年度上網(wǎng)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(yè)務(wù)收入。但是，就當(dāng)前的情況來看，本電廠實際所擁有的垃圾量、產(chǎn)出的垃圾熱值均保持在相對較低的水平，尚未達(dá)到設(shè)計值，基于此，按照設(shè)計值的80%對垃圾焚燒發(fā)電廠第一年的產(chǎn)出電量進(jìn)行計算，并逐年遞增，最終促使上網(wǎng)電量達(dá)到32918萬kWh（年度上網(wǎng)年電量的最大值）。

本垃圾焚燒電廠項目的全部投資內(nèi)部收益率約為6.53%；項目的資本金內(nèi)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(fèi)垃圾補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為93.61元/t，在這樣的條件下，該電廠的年平均收入能夠達(dá)到6691.04萬元/年。

綜上，依托本項目的設(shè)計與建設(shè)，能夠為城市環(huán)境的優(yōu)化改善提供有力支持，推動城市整體形象的進(jìn)一步提高，促使城市的可持續(xù)發(fā)展成為現(xiàn)實。該垃圾焚燒電廠電氣系統(tǒng)的優(yōu)化建設(shè)與投入使用，能夠在獲取更優(yōu)社會效益的同時，能夠?qū)Ω噘Y源的回收利用，實現(xiàn)了再生能源利用的節(jié)能發(fā)展目標(biāo)。