焚烧垃圾发电厂电气设计浅析

王政一, 侯 婕

(中国航空规划设计研究总院有限公司, 北京 100120)

0 引 言

随着我国经济的快速发展和新型城镇化的不断加深,垃圾大量增长,各种资源短缺[1-3]。焚烧处理垃圾的方式成为了处理垃圾问题的优选[4]。我国焚烧垃圾发电起步较晚,与发达国家相比还有一定差距,但是逐渐成为解决处理垃圾和供电短缺的重要手段。如何更好地融合垃圾处理和垃圾发电平衡,精准地落实因地方引起的对焚烧垃圾发电厂的差异性要求,成为了焚烧垃圾发电厂电气设计质量综合提升的要点,需要电气工程师重点关注。

与卫生填埋等垃圾处理方式相比,焚烧垃圾发电实现了减量化、无害化和资源化处理,垃圾减量效果非常显著[5-7]。焚烧垃圾后质量比处理前减少了70%,甚至高达90%。焚烧处理后的垃圾采用填埋处理,可以节约出大量的土地资源。垃圾经过焚烧之后,其携带的细菌、致病菌被彻底消灭,是卫生填埋处理垃圾等方式所不具备的优势。焚烧垃圾处理真正实现了垃圾的“无害化”处理。与传统认知不同的是,垃圾不再是废弃、肮脏之物,而是可再生资源,焚烧垃圾发电也进入了新能源发电目录。焚烧垃圾发电厂不仅可以获得垃圾处理费用,还可享受国家的补贴以及税收等优惠政策,部分处理后的废渣还可以制成建筑材料,实现资源的循环利用。

1 电气设计原则

电气设计要依据国家标准规范,并结合焚烧垃圾发电厂的实际情况,不仅满足供电需求和灵活调度的现实需要以及技术安全标准,还要考虑维护方便、远景运维和系统设计以及设备元件的安全可靠等。根据发电机组发电量和厂用电负荷,确定垃圾每日处理规模和电厂接入电网方案,预留电厂增容扩建空间。电气设计供电安全可靠最为关键。在电气设计中,应杜绝电源中断导致的设备、人员伤亡等事故,全面考察焚烧垃圾发电厂的基本情况、规划设计、电气设备及其负荷情况和运行环境。根据焚烧垃圾发电项目类型,规划设计焚烧垃圾发电厂总容量、机组容量及机组数量,确定最大运转负荷持续时间。其次,要充分考虑焚烧垃圾发电厂的运维。设计的焚烧垃圾发电厂应方便运维人员常规操作和维护。随着垃圾管理体系的不断完善和日趋增加,还要考虑电气系统设计的长远发展需要,预留电网增容扩建空间。此外,焚烧垃圾发电厂建设投资和后期运维应遵循经济合理和适用美观的原则。

2 设计要点

2.1 电气主接线

焚烧垃圾发电厂主要处理城市生活垃圾,焚烧垃圾发电厂总容量大部分在50 MW以下,发电机出口电压多选用10.5 kV。焚烧垃圾发电厂发电机一般采用单母线接线,并且按照发电机组分段。焚烧垃圾发电厂发电机主接线形式需要结合实际情况,综合考虑发电机组的安全性、可靠性。焚烧垃圾发电厂发电机组中性点使用非直接接地连接方式,需要在发电机组中性点处使用经消弧线圈、高阻接地等措施,确保发电机组的安全稳定。焚烧垃圾发电厂接入电网方式有两种:① 采取10 kV电压等级直接接入电网;② 变压至35 kV或110 kV电压等级接入电网。在确定接入电网方式后,应对电气设计进行短路电流验算。以10 kV电压等级为例,需要的开关最大短路分短能力为40 kA。当短路电流大于40 kA时,应加装主变压器短路阻抗、主回路增加限流电抗器等限流装置。加装主变压器短路阻抗会增加损耗,不利于长期运行,可以将其增加在发电机组出口、厂用分支处等;主回路增加限流电抗器会造成电抗器短路,适合故障处理,正常运行时损耗较小。限流电抗器宜加设在发电机组出口,这样不仅可以限制短路电流,也可限制焚烧垃圾发电厂对电网的影响。

2.2 短路电流

焚烧垃圾发电厂电气设计和运行都要重点考虑短路电流。首先明确电气主接线设计采取的接线方式是否需要限制短路电流。电气设备进行正常运转和故障状态下的安全运维和资金支持等可以采用短路电流冲击值校验设备的安全性能。焚烧垃圾发电厂采用短路电流计算时,可忽略发电机组的变压器分接头档位,且无须参考电网接入端的潮流分布参数等,计算简便。

2.3 主要电气设备参数

电气设备选型是电气设计的重要组成部分,主要包括发电机、主变压器断路器、励磁系统隔离开关、接触器等。为了保障电气设备安全平稳运行,应确定电气设备的主要参数。首先,根据电压、电流等进行选择确定,电气设备的额定电压应低于电气设计的上限,额定电流应大于电气设备的最大工作电流。其次,结合使用环境进行选择,考虑电气设备所使用场所的温度、海拔、防水、防尘以及防爆防腐等,确定电气设备载流规格、防水等级、防尘等级、防爆等级和防暑处理。如使用场所处于高温环境,电气设备通流变弱,可以适当提高电气设备载流规格。最后,按照短路动热稳定进行选择。在满足电气设备短路断流的情况下,校验电气设备的动稳定和热稳定。

2.4 厂用电系统

焚烧垃圾发电厂用电系统设计应综合考虑近期需要和长远规划,采用成熟电气设备,确保发电机组安全稳定、经济运行。

焚烧垃圾发电厂负荷供电的电源应安全可靠工作,同时配备在发生异常时可以自动切换的备用电源。另外,焚烧垃圾发电厂的电压等级不宜过多,以方便焚烧垃圾发电厂接线运维。

2.5 电气设备

无论是正常工作,还是短路状态,电气设备都应安全稳定运行。电气设备的选定不仅需要满足正常工作需求,还应依据短路条件校验电气设备的动稳定和热稳定。

发电机组出线设备(发电机组机端母线设备柜和出线柜)可以直接布置在发电机组旁边。合理确定焚烧垃圾发电厂装设的避雷设施,包括避雷设施的位置、数量、类型和参数等。为限制雷电入侵波,避雷设施应选用氧化锌避雷器,并在发电机组的出线端和出线侧各设置一组。为防止直击雷危害,焚烧垃圾发电厂各建筑物均设置避雷带。此外,焚烧垃圾发电厂还应设置水平、垂直方向双向接地网。

3 结 语

焚烧垃圾发电具有减量化、无害化和资源化的优势,有利于垃圾显著减量。焚烧垃圾发电厂电气设计主要包括电气主接线设计、短路电流设计、主要电气设备参数的确定和厂用电系统设计,以及电气设备布置等方面。焚烧垃圾发电实现了减量化和无害化处理,对垃圾实现了资源化利用。通过本文的阐述,以期为焚烧垃圾发电厂的电气设计提供有益的参考。