餐厨垃圾处理工程沼气发电电气系统集成的研究

2015-03-18胡海金

环境卫生工程 2015年2期

胡海金，林威

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

国内餐厨垃圾处理方法一般是将原生垃圾进行分拣，将油脂分离出来并进行深加工作为处理产品之一，剩下的浆液进行发酵产生沼气作为处理工程的产品之二。而对处理工艺产生的废水及发酵后的废渣进行处理也是主要任务之一。产生的沼气可以作为燃料利用，可以净化并加压输送到市政燃气管网；可以液化作为液体燃料；可以作汽车加气；也可以通过燃气发电机发电。

就燃气轮机发电系统而言，餐厨垃圾产生的沼气量相对较小，则发电机容量不很大，只是为环保而利用，发电对电网贡献甚微。在此类工程设计实践中如果像常规电厂设计手法，将浪费大量人力资源。另外此类工程往往均为非电力专业设计院进行设计，也无法达到电力专业设计能力。为此，笔者本着节约建设资金，力求技术方案合理的原则下，采用模块化设计手段，探讨比较成熟的设备，进行有效的集成方案设计。

1 餐厨垃圾处理工程沼气发电系统电气及热控的特点

①单机容量较小，通常单机容量500～1000 kW；②发电机出口电压为0.4 kV；③通常总装机容量大于自用电负荷，须向电力系统发售电，则必须并网运行；④接入系统电压通常10 kV；⑤由于发电机组单机容量较小，控制保护较简单；⑥为充分提高能源利用率，通常对烟气、缸套水及水套水进行热量回收；⑦需有1套余热回收控制装置；⑧主要电气测控、热工设备均为成套供应；⑨发电机组电气、继电保护、热工控制柜由燃气发电机厂商成套供应；⑩发电机代理成套商可供应发电机辅机电气、热工控制柜；⑪设计者在了解厂商成套控制柜的前提下，可以合理确定电气主接线方案、热工控制方案等设计内容；⑫设计者应具备发变电设计的基本能力，可以合理对成套设备进行集成组态。

2 燃气发电机组及其成套设备

国内市场有很多家燃气发电机产品及国外产品代理商，比如严巴赫、卡特彼勒、瓦克夏、道义士等国外机型，还有许多国内产品也达到了国际水准。发电设备原理及组成均大同小异，均为燃气轮机、发电机、发电机控制柜等成套供应。

不论哪家的燃气发电机组均能成套供应1台发电机控制柜。以某工程采用的严巴赫产品为例，把随发电机组成套供应的发电机控制柜称呼为“A柜”。

A柜功能很强大，它既代表着常规电厂的热工控制系统，又代表着常规电厂的发电机控制、保护、测量、信号系统，还控制着发电机单机接入电力系统。

3 A柜功能

每台机组随机配置1面控制保护屏，集中本机组电气和热控的控制、保护、测量、信号系统，此屏由机组成套商成套定型供应。

发电机控制系统，具有自动/手动调压、调速、同期并网合闸及手动跳闸，自动/手动控制励磁灭磁开关合闸及手动跳闸；发电机出口断路器事故跳闸联跳灭磁开关、关闭沼气内燃发电机组机；灭磁开关跳闸也应联跳发电机断路器。

1）发电机具备的保护及自动装置：复压闭锁过电流保护；发电机过负荷保护；定子接地保护；转子接地保护；逆功率保护；低周解列；零序方向过流保护；自动电压调节。

2）发电机并网运行应具有的功能：电网电压过高/过低（跳闸）；电网频率过高/过低（跳闸）；相位监测；电网频率、电压监测；电网同期监测；发电机开关同期特性带有可调参数（持续时间、转速可调脉冲、电压偏离、频率偏离等）。手动或自动调整励磁功能。

3）测量功能：发电机频率（含常测仪表）；发电机电压；发电机电流；发电机有功功率（含常测仪表）；发电机无功功率；发电机功率因数；发电机有功电度（电子式、脉冲或485接口）；发电机无功电度（电子式、脉冲或485接口）；励磁机励磁电流（含4～20 mA变送器输入集中控制系统）；励磁机励磁电压（含4～20 mA变送器输入集中控制系统）。

4）信号功能：信号分位置和报警信号,报警信号又分预告信号以黄色表示；事故信号为红色。发电机断路器位置信号；事故报警信号；复压过电流动作；定子接地动作；逆功率动作；低周解列动作；零序方向过流动作；自动电压调节器故障。

4 电气系统及系统集成

通常餐厨垃圾发电量较小，以10 kV电压等级接入系统即可。

以某工程为例，餐厨垃圾处理规模300 t/d，分3期建设。该工程将餐厨垃圾先分拣除油并制取生物柴油，剩下浆液经厌氧发酵生产沼气，沼气净化后利用燃气发电机发电。燃气发电机组装机4台1 058 kW，发电机出口电压0.4 kV。由于本工程将根据沼气产生量以1台套为单位分期安装，则分别采用4台升压变压器。2台发电机分别接入0.4 kV母线供给厂用电负荷后，剩余电能上网售电，另外2台发电机分别通过各自的升压变，组成类似“发变组”接入10 kV系统，直接上网售电。

4.1 电力接入系统及电气主接线

10 kV系统通过联络开关与电力系统并网运行。接入系统根据需要设远动装置，联络开关处设速断保护及方向过流保护，并设解列保护。

主接线方案见图1。

图1 主接线方案

4.2 手动操作为主的集成方法

以某工程为例，电气系统包括一次、二次2部分。具体包括发电机控制与保护部分；发电机热工测控部分；发电机余热回收配电及测控部分；10 kV系统部分；升压变及380 V系统部分。

设备平面布置单层布置，包括10 kV装置室、变压器室、380 V装置室、控制室，控制室与10 kV装置室及380 V装置室相邻，并一门相同而便于操作联系方便。平面图示意见图2。

图2 手动操作为主的平面方案

选定一款燃气发电机后，即随机配套控制柜1面。比如某工程采用严巴赫产品，随即配套的“A柜”，其“A柜”功能集电气和热控的控制、保护、测量、信号系统于一身，它相当于传统发电厂的电气测控屏、发电机保护及测控屏、热工测控屏。设计人并不像传统电厂设计那样，去考虑电气测控、发电机测控及保护、热工测控等二次设计内容，只需要了解“A柜”功能，如何使用即可以进行设计。

将“A柜”设在控制室，发电机380 V并网开关设在380 V装置室。通过“A柜”实现发电机的测量、保护及信号，“A柜”还有低压低周解列装置，保证电力系统故障时发电机的安全；通过“A柜”实现燃气轮机的热工测控；通过“A柜”手动实现发电机的启动与停止；通过“A柜”手动实现380 V并网开关的同期合闸操作，且同期采用自动同期方式。

选定燃气发电机品牌后，其成套供应商可成套供应余热回收配电及测控屏，本研究称之为“B柜”。“B柜”与“A柜”并列安装，并与“A柜”之间有连锁信号。通过“B柜”实现对发电机辅机配电；通过“B柜”实现对发电机辅机测量及信号；通过“B柜”实现对发电机辅机的连锁；通过“B柜”实现对发电机辅机手动控制与保护。

这样，控制室里安装一排测控屏，还有10 kV系统保护后台计算机系统，并有专业人值守。