垃圾焚烧发电厂电气部分设计要点分析

刘 畅

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071）

近年来，随着城市化进程的推进，生活垃圾总量日益增长，如何处理这些垃圾成为了一项重要的课题。目前垃圾的主要处理方法有填埋处理、焚烧处理和堆肥处理三种。其中焚烧处理能够实现垃圾的减量化、资源化和无害化，而且焚烧过程中产生的热量可以用来发电，因此焚烧处理逐渐得到广泛应用。目前主要的垃圾焚烧技术有机械炉排焚烧炉技术、流化床焚烧炉技术和回转窑焚烧炉技术。电气部分的可靠性是保证垃圾焚烧发电厂稳定运行的关键，所以垃圾焚烧发电厂的电气部分设计就显得尤为重要。文章根据垃圾焚烧发电厂的主要特点，分析了垃圾焚烧发电厂电气部分的设计要点，并给出了电气部分选择的建议。

1 垃圾焚烧发电厂的主要特点

鉴于机械炉排焚烧炉具有垃圾处理量大、运行可靠稳定、垃圾减量化明显等特点，越来越多的城市开始建设机械炉排焚烧炉项目。在机械炉排焚烧炉项目中，垃圾通过进料斗进入倾斜向下的炉排，通过炉排之间的运动，将垃圾向下推动，使垃圾依次通过炉排上的各个区域，直至燃尽排出炉膛。燃烧空气由炉排底部送入，高温烟气通过锅炉的受热面产生热蒸汽，同时烟气也得到冷却，随后，烟气经过处理后排出。

在地理位置方面，垃圾焚烧发电厂一般位于远离城市中心的郊区，由汽车将垃圾运送至垃圾焚烧发电厂进行处理。垃圾焚烧发电厂将垃圾进行焚烧处理，并将焚烧过程中产生的热量用来发电。垃圾焚烧发电厂的主要设备包括焚烧炉、余热锅炉、汽轮发电机、主变压器、高低压配电装置、烟气净化设备、污水处理设备等。

目前，国内大部分垃圾焚烧发电厂单台焚烧炉的垃圾处理量在350～800 t/d。因为国内垃圾的热值较低，所以现在垃圾焚烧发电厂的单机发电量一般在10～50 MW之间。而垃圾焚烧电厂的送出电压等级以35 kV、110 kV居多，高压厂用电以6 kV、10 kV为主。

与普通的火力发电厂不同，垃圾焚烧发电厂的燃料是垃圾，带有强烈的气味和一定程度的腐蚀性。进厂的垃圾并不是直接送入焚烧炉中焚烧，而是需要先在垃圾池中进行贮存，通过自然压缩和发酵的作用，降低垃圾的含水量，提高垃圾的热值，改善焚烧效果。贮存过程中会产生渗滤液，这是一种成分复杂的高浓度有机废水。考虑到上述因素，垃圾焚烧发电厂通常选用全封闭厂房，在垃圾池、卸料大厅等可能会有垃圾臭气外溢风险的区域还会采用负压系统，防止垃圾气味外溢。

2 电气部分设计的主要内容和原则

垃圾焚烧发电厂电气部分设计的主要内容包括发电机及其出线系统、主变升压系统、厂用电系统、直流及UPS系统、过电压保护和接地系统、厂内通信系统等。垃圾焚烧发电厂电气部分设计应依据相关的国家标准和行业标准，结合项目实际的情况，在满足供电可靠、维护方便、调度灵活及各项技术要求的前提下，实现设计的先进性和可靠性等目标。同时，经济性也是设计需要考虑的重要因素之一。因此，在进行垃圾焚烧发电厂电气部分的设计时，需要对项目概况、电力负荷情况、电力系统情况、本项目在电力系统中的位置进行综合分析，并根据垃圾焚烧炉的类型、设计规划容量来确定最大负荷利用小时数。此外，还应该结合当地的温度、湿度等参数，最后选择性能、价格合适的电气设备。

3 电气主接线形式的选择

电气主接线主要分为有母线和无母线两大类。其中有母线的电气主接线形式包括单母线接线、单母线分段接线、双母线接线等；无母线的电气主接线形式包括单元接线、桥形接线等。这些电气主接线形式的优缺点如表1。

根据表1的对比不难看出，运行可靠性往往与建设成本呈正相关。双母线接线比单母线接线的运行可靠性高，在建设成本方面，双母线接线也比单母线接线高。对于普通的中小型垃圾焚烧发电厂，单台机组的发电量一般都在50 MW以下，考虑到后期扩建的可能，一个有两台机组的垃圾焚烧发电厂的总发电量一般都在100 MW以下。考虑到项目的建设成本以及未来的运行检修，垃圾焚烧发电厂的主接线适合采用单母线接线或单母线分段接线。这种接线形式不仅可以节省项目投资，提高经济效益，也有利于未来的运行检修。

4 高压配电装置的选择

目前高压配电装置主要分为两种：空气绝缘敞开式开关设备（AIS）和气体绝缘开关设备（GIS）。这两种设备主要的对比分析如表2。

表2 AIS和GIS的对比分析

（1）AIS的制造工艺已经比较成熟，在国内也有较多的应用案例。它用瓷套作为设备的外壳和外绝缘，可以相应地降低成本。但由于它是户外布置，所以在运行过程中容易受到环境条件的影响；而且它的布置较为分散，相应的占地面积大，对于厂区面积紧张的电厂来说不太适用。

（2）GIS的元件全部密封在六氟化硫气体中，不与外界接触，所以GIS的运行不受环境条件的影响。此外，GIS的集成程度高，占地面积小，运行可靠性高，维护工作量小，安装方便，在国内电厂中的使用率越来越高。

尽管垃圾焚烧发电厂会采用各种措施防止垃圾臭气外溢，垃圾池等区域检修时仍然会有部分臭气外溢，这些具有腐蚀性的气体会对户外配电装置元件的电气性能造成影响。经过日积月累，一旦造成厂内停电，不仅会影响垃圾的正常处理，也会影响售电的收入，这对电厂而言是十分不利的。因此，基于AIS和GIS的对比分析和垃圾焚烧发电厂的特点，厂内的高压配电装置一般选用GIS。

5 主变压器的选择

主变压器是垃圾焚烧发电厂的核心电气设备之一，关系到发电厂能否持续稳定地向电网输送电能。

主变压器在三相是否共体方面有三相变压器和单相变压器两种选择。由于三相变压器的附属设备少，所以现场维护量少，运行成本也相对较低。此外，三相变压器还有占地面积小、损耗小等优点。因此，在运输条件允许的情况下，会优先选择三相变压器。

作为变压器的两大类型，油浸式变压器和干式变压器的主要区别如表3。

表3 油浸式变压器和干式变压器的主要区别

根据表3中油浸式变压器和干式变压器的主要区别可以看出，垃圾焚烧发电厂的主变压器适合选用油浸式变压器。

根据上述分析，以较为常见的发电机出口电压为10.5 kV、外送线路为110 kV的垃圾焚烧发电厂为例，主变压器通常会选择三相油浸式变压器。

6 其他电气设备的选择

厂用电系统的设计应考虑项目是否有扩建的规划，在满足运行、检修要求的前提下，选用技术成熟的设备，从而确保电厂能够安全稳定地运行。

根据垃圾焚烧发电厂的各项特点，厂用高压10 kV的配电设备适合选择金属铠装移开式开关柜，10 kV断路器选择真空断路器，400 V配电设备选择低压抽出式开关柜。

降低厂用电率可以有效提高垃圾焚烧发电厂的经济效益，为此，电气设计中可以采取以下节能措施。

（1）照明灯具采用节能灯。灯具可以选择安全高效的LED光源灯具；垃圾焚烧发电厂建筑物内的灯具可以根据生产的要求和自然采光的情况进行分组控制。同时，在照明设计中充分利用自然光，在有自然光的地方可以选择设置节能自熄开关；在照明设计中合理选择照度。选择照度是照明设计中的一项重要内容。照度如果过低，不能保证工作人员的正常工作，也会对生产效率造成影响。照度如果过高，会造成电能的浪费。照度的选择应该与该场所内进行的工作相适应，合理的照度选择可以提高工作人员的工作效率；

（2）对引风机、一次风机、二次风机等大功率电机采用变频调速器；

（3）厂用变压器选择低损耗的干式变压器；

（4）减小供电半径。厂用电按区域设置电源点，就近进行供电，从而减少电能在输送过程中的损耗。

（5）合理选择导体截面。对于电流比较大的电缆宜按经济电流密度来对电缆截面进行校验。

（6）保持供配电系统三相平衡。在垃圾焚烧发电厂的供配电系统中，部分用电负荷是单相负荷（如照明等），容易导致三相负荷不平衡度较大，相应引起的损耗也较大。因此，在垃圾焚烧发电厂电气部分的设计过程中，要注意做好三相负荷的平衡分配，降低配电变压器的损耗和线路的损耗。

垃圾焚烧发电厂的直流系统包括蓄电池、充电装置等。而垃圾焚烧发电厂的直流系统负荷主要包括控制负荷、保护负荷、应急照明、直流长明灯、直流润滑油泵等。垃圾焚烧发电厂的直流电源宜选用铅酸蓄电池。

此外，垃圾焚烧发电厂的燃料具有特殊性，垃圾在发酵过程中会产生甲烷等可燃气体。因此，在垃圾池、渗滤液收集池等区域应使用防爆电器。

7 结语

逐渐成熟的垃圾焚烧发电技术给被垃圾困扰的大城市提供了解决方案，垃圾焚烧发电厂电气部分的设计应充分考虑可靠性和经济性两个因素。因为垃圾焚烧发电厂的机组容量较小，在电网中的地位跟火力发电厂不同，所以在满足供电可靠的条件下，电气主接线形式不宜过于复杂。文章介绍了垃圾焚烧发电厂的主要特点，分析了垃圾焚烧发电厂电气部分的设计要点，并给出了电气部分选择的建议。垃圾焚烧发电厂电气部分的设计关系到电厂是否可以长期稳定运行，应该得到充分的重视。