某垃圾焚烧发电厂电气系统可行性分析

亚太森博（纸业）有限公司 施增广

1 工程概况

新建生活垃圾焚烧电厂1座，总处理规模为2250t/日，采用3×750t/日的焚烧线，配置2×35W 汽轮机发电机组，配套建设处理能力为1000t/日的渗沥液处理站。拟建750t/日的焚烧炉，数量为3条；配套设置凝汽式汽轮机组，数量为2台，额定功率为35MW，额定电压为10.5kV，项目如期建成后，将对该市的生活垃圾资源化利用程度将大幅提高。

2 电气系统参考依据

《火力发电厂可行性研究报告内容深度规定》（DL/T 5375-2018）；《火力发电厂厂用电设计技术规定》（DL/T 5153-2002）；《小型火力发电厂设计规范》（GB50049-2011）；国家或行业其他最新相关规程、规范和文件。

2.1 应用范围

本电气系统主要包括发电、厂用电、直流系统等。以场区围墙外1m 为界，不含电力接入系统设计。并网线路设计负责接至场区围墙外第一根杆塔处。

2.2 应用原则

电气主接线要求简单、可靠、安全；电气设备选型要求先进、节能；电气设备运行以后，要便于操作、维护，实现投资后节约成本的目的，且要保证检修维护工作的开展便捷程度更高；为保证能够快速、准确且灵敏地切除故障，选定微机保护作为继电保护模式，实现对垃圾焚烧电厂电气系统安全运行要求的切实满足[1]。

3 电气主接线系统

3.1 周边电力系统概述

根据厂址周围就近变电站情况，暂定初步方案如下：本工程暂按双回路110kV 上网，电力接出变电站选择最终以电力可研批复为准。

3.2 电气主接线方案选择

本项目机容量为2x35MW，主要考虑以下两种方案。方案一：采用发电机—双卷变压器组的单元接线，机端电压经主变压器升压至110kV，110kV 采用单母线分段接线，以双回路110kV 架空线路上网。出口装设断路器，作为机组的并网开关，出口设置厂用分支，经厂用分支向厂用电系统供电。10kV 高压厂用分支按机分为10kV 三段，按炉分段，10kV 第一、第二段分别接1,2#主变，第三段为公共段，通过母联与一段、二段连接两段，高压电机和厂用变压器均匀分配在三段母线上。其中，并网线路受电作为本方案内基于正常启动以及事故状态下的全厂启动备用电源，不设专用启备变压器及启动电源。方案二：采用发电机母线接线，在主变升压器的支持下，机端电压提升至110kV，应用单母线分段接线，以双回路110kV 架空线路上网。发电机、高压电机和厂用变压器均匀接在两段母线上，两种方案比较可见表1。

表1 方案一与方案二技术、经济比较

根据上表比较结果，方案一投资稍高，但操作简单、安全性、可靠性高。故本工程推荐方案一。

3.3 计量与测量

该项目投用发电并网后，依托专用计量表的设置与应用，计量上网电量；应用电子式多功能电能表作为本项目内投放的计量系统，以此获取更为准确且可以核对的电能量数据。

3.4 同期点和解列点

同期点设在发电机出口及主变压器高压侧断路器，共计4处。解列点设在110kV 线路断路器，共计2处。

4 厂用电

4.1 厂用电压等级、厂用负荷等级

本工程厂用电电压为10kV 和380/220V。本工程厂用电负荷按生产过程中的重要性分为以下几类：0Ⅰ类：热工总电源；0Ⅱ类：直流油泵，控制电源；Ⅰ类：液压站、一次风机、二次风机、给水泵、引风机、循环水泵、调速电机、盘车、充电装置、通风、应急照明等；Ⅱ类：垃圾抓斗吊车、卸料门、辅助燃烧器、输灰系统、灰渣抓斗、疏水泵、旋转排灰阀门、渗沥水泵、供油泵房、空压机、化学水处理系统、废水处理系统、生活泵等；Ⅲ类：检修起重机、通风、机修间等。

4.2 厂用电负荷

厂用电工作容量：19030kW；厂用电低压计算负荷：7138.9kVA；厂用电高压计算负荷：7024kVA；厂用电率：19.5%。

4.3 厂用电接线

4.3.1 高压厂用电接线

在综合主厂房内按每台机设置一段10kV 高压厂用工作母线，共三段，三段高压母线间设置母线分段开关，正常运行时，两段母线分列运行，当任一台机组故障停机时，分段开关闭合，由另一台机组提供备用电源。3台10kV 引风机（高压变频）、3台10kV 一次风机（高压变频）及4台10kV 循环水泵电源分别引自3段10kV 高压母线[2]。

4.3.2 低压厂用电接线

根据厂用电负荷计算结果，在厂内设置6台干式变压器，额定容量均保持在2000kVA 水平。其中，5台干式变压器作为工作变压器，主要向全厂公用以及三条焚烧线提供负荷，尽可能保证均匀分配负荷；220/380V 低压厂用系统，分别设低压动力中心和MCC 控制中心，选用变压器中性点直接接地的方式，促使0.4kV 系统投入实际运行，选定TN-S 系统作为接地型式。

5 主要设备选择

主变压器：采用SF11-50000/110 121±2×2.5%/10.5kV YNd11型油浸式无励磁调压三相变压器，容量为50MVA。高压开关设备：110kV 选用GIS 成套开关设备。中压开关设备：10kV 开关柜选用KYN28-12(Z)铠装移开式开关设备，配真空断路器。

厂用变压器：采用SCB13-2000/10.5 10.5±2×2.5/0.4kV Dyn11系列干式变压器。

5.1 电气设备布置

在相同厂房内完成对焚烧锅炉间、电气设备间与汽机房的规划设置，同时要配套设置电子设备间、MCC 及中央控制室、变配电低压动力中心。其中，要在中央控制室内，投放大屏幕及机组控制屏、操作员站。与之相邻的电子设备间内设有直流蓄电池屏和热工设备屏等。在主厂房外单独设一独立的升压变电站，主变压器及110kV 配电装置均采用室内布置，置于升压变电站内。

5.2 直流电系统、交流不停电电源

应用单母线分段接线的方式设置直流系统，投放电压为DC220V、额定电流为1000Ah 的免维护铅酸蓄电池，数量为2组；投放两台充电装置（一主一备）；为确保全厂事故状态下的照明用电需求依然能够得到切实满足，加设了事故照明切换屏。

在主控楼电子设备间内设置额定容量为120kVA 的交流不停电电源系统UPS 一套，输出电压为单相220V，50Hz，向热工控制仪表、调节装置、机组分散控制系统DCS、电气监控管理系统ECMS、热控自动调节和监视设备、电气测量变送器、火灾报警、消防控制系统及其他自动装置供电。交流不停电电源系统UPS 采用静态逆变装置，主要由整流器、逆变器、静态开关、非自耦式隔离变压器、旁路变压器、手动旁路开关及馈线开关组成。

5.3 二次接线、继电保护及自动装置

本工程2x35MW 机组采用两机一控的中控室控制方式。本工程电气设备的监控采用电气监控管理系统ECMS 监控的方式。本工程电动机的各类信号均采用硬接线方式，接入DCS 的IO 卡件。

5.3.1 二次线

本工程采用电气综合自动化系统，工作站设在中控室。系统结构采用三层传统模式，分为站控层、通信管理层和间隔层。站控层配置SCADA 服务器、操作员站，维护工程师站、保护工程师站及五防主机，采用以太网组网，网络传输协议采用TCP/UDP/IP。通信管理层采用双机互为热备用，兼作远程工作站连接调度。远程工作站通过远动专线连接远方调度或通过防火墙接入路由器，再通过网络通道与调度连接。间隔层采用现场总线或RS-485总线。控制室通过综合自动化系统及就地均可对发电机、厂用电及110kV 升压站进行控制，就地具有最高优先级，操作电源由信号电源由220V 直流系统提供。

5.3.2 继电保护

110kV 线路、发电机－变压器组和厂变等保护均采用微机保护。保护配置原则按《继电保护和安全自动装置技术规程（GB14285-2006）》规定。

5.3.3 自动装置

发电机各设置一套数字式自动励磁调节装置（AVR）；各设置一套高周切机装置；全厂设置一套微机型自动准同期装置（ASS）；全厂设置一套微机型故障录波柜，录取交流电流和电压量、开关量，并具有故障测距和远传功能；直流母线设置一套微机型绝缘监测装置及微机监控装置；每组蓄电池设置一套蓄电池在线监测装置。

5.3.4 过电压保护及接地

应用避雷针、避雷带和建筑物结构钢筋焊接，完成综合接地网的构建，以此提升直击雷过电压保护成效。全厂低压系统采用TN-S 型接地系统，室外路灯采用局部TT 系统[3]。

5.3.5 电缆设施

第一，电缆选用原则。选定单芯电缆、铜芯、交联聚乙烯绝缘、聚乙烯护套难燃性电缆作为本项目内投放的110kV 动力电缆，绝缘水平为64/110kV。10kV 动力电缆选用三芯电缆、铜芯、交联聚乙烯绝缘、聚乙烯护套难燃性电缆，8.7/10kV 为相应电缆的绝缘水平。尽可能投放多芯电缆（三芯或四芯）电缆作为本项目中所使用的低压动力电缆，铜芯交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆。铜导体最小截面不小于2.5mm2。绝缘水平为0.6/1kV。计算机系统及模拟量信号采用铝塑复合带对绞屏蔽铜带总屏蔽计算机电缆。

第二，电缆通道及敷设方式。主厂房车间内采用电缆架空桥架，高、低压配电室内采用电缆沟。使用室外电缆沟完成对场区主电缆通道的设置，如果主电缆需要穿越道路，则引入排管敷设的方式。在进行辅助车间电缆通道的设置期间，主要选用电缆沟或桥架敷设。

6 收入估算

对于本项目的总收入而言，在估算期间主要应用财政补贴，以及主营业务收入的总和进行预估。

在该项目完成建设并投入实际生产应用后，能够向城市电网内进行电力输送，并以此获取到一定的经济收益，为该垃圾焚烧电厂的正常运营提供资金方面的支持，减少政府部门向本电厂发放的财政补贴数额，缓解区域财政压力。实践中，切换参考发改价格〔2012〕801号令的内容以及《中山市南部组团垃圾综合处理基地垃圾焚烧电厂和垃圾渗滤液处理厂特许权协议》（一期）中的相关要求组织展开对本垃圾焚烧电厂收入的估算，即在本项目中，针对吨垃圾上网电量280t 以内的部分，在进行收入估算期间，选用0.55元/kWh 的上网电价完成估算。在热值最大条件下，年度上网年电量的最大值为32918万kWh，此时本电厂能够获取到14450.07万元/年的业务收入。但是，就当前的情况来看，本电厂实际所拥有的垃圾量、产出的垃圾热值均保持在相对较低的水平，尚未达到设计值，基于此，按照设计值的80%对垃圾焚烧发电厂第一年的产出电量进行计算，并逐年递增，最终促使上网电量达到32918万kWh（年度上网年电量的最大值）。

本垃圾焚烧电厂项目的全部投资内部收益率约为6.53%；项目的资本金内部收益率约为7.67%，相比于银行贷款利率保持在更高水平。可以确定出，收费垃圾补贴标准为93.61元/t，在这样的条件下，该电厂的年平均收入能够达到6691.04万元/年。

综上，依托本项目的设计与建设，能够为城市环境的优化改善提供有力支持，推动城市整体形象的进一步提高，促使城市的可持续发展成为现实。该垃圾焚烧电厂电气系统的优化建设与投入使用，能够在获取更优社会效益的同时，能够对更多资源的回收利用，实现了再生能源利用的节能发展目标。