餐廚垃圾處理工程沼氣發(fā)電電氣系統(tǒng)集成的研究

胡海金，林 威

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074）

國內(nèi)餐廚垃圾處理方法一般是將原生垃圾進行分揀，將油脂分離出來并進行深加工作為處理產(chǎn)品之一，剩下的漿液進行發(fā)酵產(chǎn)生沼氣作為處理工程的產(chǎn)品之二。而對處理工藝產(chǎn)生的廢水及發(fā)酵后的廢渣進行處理也是主要任務(wù)之一。產(chǎn)生的沼氣可以作為燃料利用，可以凈化并加壓輸送到市政燃氣管網(wǎng)；可以液化作為液體燃料；可以作汽車加氣；也可以通過燃氣發(fā)電機發(fā)電。

就燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)而言，餐廚垃圾產(chǎn)生的沼氣量相對較小，則發(fā)電機容量不很大，只是為環(huán)保而利用，發(fā)電對電網(wǎng)貢獻甚微。在此類工程設(shè)計實踐中如果像常規(guī)電廠設(shè)計手法，將浪費大量人力資源。另外此類工程往往均為非電力專業(yè)設(shè)計院進行設(shè)計，也無法達到電力專業(yè)設(shè)計能力。為此，筆者本著節(jié)約建設(shè)資金，力求技術(shù)方案合理的原則下，采用模塊化設(shè)計手段，探討比較成熟的設(shè)備，進行有效的集成方案設(shè)計。

1 餐廚垃圾處理工程沼氣發(fā)電系統(tǒng)電氣及熱控的特點

①單機容量較小，通常單機容量500～1000 kW；②發(fā)電機出口電壓為0.4 kV；③通常總裝機容量大于自用電負荷，須向電力系統(tǒng)發(fā)售電，則必須并網(wǎng)運行；④接入系統(tǒng)電壓通常10 kV；⑤由于發(fā)電機組單機容量較小，控制保護較簡單；⑥為充分提高能源利用率，通常對煙氣、缸套水及水套水進行熱量回收；⑦需有1套余熱回收控制裝置；⑧主要電氣測控、熱工設(shè)備均為成套供應(yīng)；⑨發(fā)電機組電氣、繼電保護、熱工控制柜由燃氣發(fā)電機廠商成套供應(yīng)；⑩發(fā)電機代理成套商可供應(yīng)發(fā)電機輔機電氣、熱工控制柜；?設(shè)計者在了解廠商成套控制柜的前提下，可以合理確定電氣主接線方案、熱工控制方案等設(shè)計內(nèi)容；?設(shè)計者應(yīng)具備發(fā)變電設(shè)計的基本能力，可以合理對成套設(shè)備進行集成組態(tài)。

2 燃氣發(fā)電機組及其成套設(shè)備

國內(nèi)市場有很多家燃氣發(fā)電機產(chǎn)品及國外產(chǎn)品代理商，比如嚴巴赫、卡特彼勒、瓦克夏、道義士等國外機型，還有許多國內(nèi)產(chǎn)品也達到了國際水準。發(fā)電設(shè)備原理及組成均大同小異，均為燃氣輪機、發(fā)電機、發(fā)電機控制柜等成套供應(yīng)。

不論哪家的燃氣發(fā)電機組均能成套供應(yīng)1臺發(fā)電機控制柜。以某工程采用的嚴巴赫產(chǎn)品為例，把隨發(fā)電機組成套供應(yīng)的發(fā)電機控制柜稱呼為“A柜”。

A柜功能很強大，它既代表著常規(guī)電廠的熱工控制系統(tǒng)，又代表著常規(guī)電廠的發(fā)電機控制、保護、測量、信號系統(tǒng)，還控制著發(fā)電機單機接入電力系統(tǒng)。

3 A柜功能

每臺機組隨機配置1面控制保護屏，集中本機組電氣和熱控的控制、保護、測量、信號系統(tǒng)，此屏由機組成套商成套定型供應(yīng)。

發(fā)電機控制系統(tǒng)，具有自動/手動調(diào)壓、調(diào)速、同期并網(wǎng)合閘及手動跳閘，自動/手動控制勵磁滅磁開關(guān)合閘及手動跳閘；發(fā)電機出口斷路器事故跳閘聯(lián)跳滅磁開關(guān)、關(guān)閉沼氣內(nèi)燃發(fā)電機組機；滅磁開關(guān)跳閘也應(yīng)聯(lián)跳發(fā)電機斷路器。

1）發(fā)電機具備的保護及自動裝置：復(fù)壓閉鎖過電流保護；發(fā)電機過負荷保護；定子接地保護；轉(zhuǎn)子接地保護；逆功率保護；低周解列；零序方向過流保護；自動電壓調(diào)節(jié)。

2）發(fā)電機并網(wǎng)運行應(yīng)具有的功能：電網(wǎng)電壓過高/過低（跳閘）；電網(wǎng)頻率過高/過低（跳閘）；相位監(jiān)測；電網(wǎng)頻率、電壓監(jiān)測；電網(wǎng)同期監(jiān)測；發(fā)電機開關(guān)同期特性帶有可調(diào)參數(shù)（持續(xù)時間、轉(zhuǎn)速可調(diào)脈沖、電壓偏離、頻率偏離等）。手動或自動調(diào)整勵磁功能。

3）測量功能：發(fā)電機頻率（含常測儀表）；發(fā)電機電壓；發(fā)電機電流；發(fā)電機有功功率（含常測儀表）；發(fā)電機無功功率；發(fā)電機功率因數(shù)；發(fā)電機有功電度（電子式、脈沖或485接口）；發(fā)電機無功電度（電子式、脈沖或485接口）；勵磁機勵磁電流（含4～20 mA變送器輸入集中控制系統(tǒng)）；勵磁機勵磁電壓（含4～20 mA變送器輸入集中控制系統(tǒng)）。

4）信號功能：信號分位置和報警信號,報警信號又分預(yù)告信號以黃色表示；事故信號為紅色。發(fā)電機斷路器位置信號；事故報警信號；復(fù)壓過電流動作；定子接地動作；逆功率動作；低周解列動作；零序方向過流動作；自動電壓調(diào)節(jié)器故障。

4 電氣系統(tǒng)及系統(tǒng)集成

通常餐廚垃圾發(fā)電量較小，以10 kV電壓等級接入系統(tǒng)即可。

以某工程為例，餐廚垃圾處理規(guī)模300 t/d，分3期建設(shè)。該工程將餐廚垃圾先分揀除油并制取生物柴油，剩下漿液經(jīng)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，沼氣凈化后利用燃氣發(fā)電機發(fā)電。燃氣發(fā)電機組裝機4臺1 058 kW，發(fā)電機出口電壓0.4 kV。由于本工程將根據(jù)沼氣產(chǎn)生量以1臺套為單位分期安裝，則分別采用4臺升壓變壓器。2臺發(fā)電機分別接入0.4 kV母線供給廠用電負荷后，剩余電能上網(wǎng)售電，另外2臺發(fā)電機分別通過各自的升壓變，組成類似“發(fā)變組”接入10 kV系統(tǒng)，直接上網(wǎng)售電。

4.1 電力接入系統(tǒng)及電氣主接線

10 kV系統(tǒng)通過聯(lián)絡(luò)開關(guān)與電力系統(tǒng)并網(wǎng)運行。接入系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)遠動裝置，聯(lián)絡(luò)開關(guān)處設(shè)速斷保護及方向過流保護，并設(shè)解列保護。

主接線方案見圖1。

圖1 主接線方案

4.2 手動操作為主的集成方法

以某工程為例，電氣系統(tǒng)包括一次、二次2部分。具體包括發(fā)電機控制與保護部分；發(fā)電機熱工測控部分；發(fā)電機余熱回收配電及測控部分；10 kV系統(tǒng)部分；升壓變及380 V系統(tǒng)部分。

設(shè)備平面布置單層布置，包括10 kV裝置室、變壓器室、380 V裝置室、控制室，控制室與10 kV裝置室及380 V裝置室相鄰，并一門相同而便于操作聯(lián)系方便。平面圖示意見圖2。

圖2 手動操作為主的平面方案

選定一款燃氣發(fā)電機后，即隨機配套控制柜1面。比如某工程采用嚴巴赫產(chǎn)品，隨即配套的“A柜”，其“A柜”功能集電氣和熱控的控制、保護、測量、信號系統(tǒng)于一身，它相當于傳統(tǒng)發(fā)電廠的電氣測控屏、發(fā)電機保護及測控屏、熱工測控屏。設(shè)計人并不像傳統(tǒng)電廠設(shè)計那樣，去考慮電氣測控、發(fā)電機測控及保護、熱工測控等二次設(shè)計內(nèi)容，只需要了解“A柜”功能，如何使用即可以進行設(shè)計。

將“A柜”設(shè)在控制室，發(fā)電機380 V并網(wǎng)開關(guān)設(shè)在380 V裝置室。通過“A柜”實現(xiàn)發(fā)電機的測量、保護及信號，“A柜”還有低壓低周解列裝置，保證電力系統(tǒng)故障時發(fā)電機的安全；通過“A柜”實現(xiàn)燃氣輪機的熱工測控；通過“A柜”手動實現(xiàn)發(fā)電機的啟動與停止；通過“A柜”手動實現(xiàn)380 V并網(wǎng)開關(guān)的同期合閘操作，且同期采用自動同期方式。

選定燃氣發(fā)電機品牌后，其成套供應(yīng)商可成套供應(yīng)余熱回收配電及測控屏，本研究稱之為“B柜”?！癇柜”與“A柜”并列安裝，并與“A柜”之間有連鎖信號。通過“B柜”實現(xiàn)對發(fā)電機輔機配電；通過“B柜”實現(xiàn)對發(fā)電機輔機測量及信號；通過“B柜”實現(xiàn)對發(fā)電機輔機的連鎖；通過“B柜”實現(xiàn)對發(fā)電機輔機手動控制與保護。

這樣，控制室里安裝一排測控屏，還有10 kV系統(tǒng)保護后臺計算機系統(tǒng)，并有專業(yè)人值守。

4.3 計算機遠程操作為主的集成方法

以某工程為例，電氣系統(tǒng)包括一次、二次2部分。具體包括發(fā)電機控制與保護部分；發(fā)電機熱工測控部分；發(fā)電機余熱回收測控部分；計算機遠程操作員站；10 kV系統(tǒng)部分；升壓變及380 V系統(tǒng)部分。

設(shè)備平面布置單層布置，包括10 kV裝置室、變壓器室、380 V裝置室、電子間（可與380 V裝置室共用房間）、控制室，控制室與10 kV裝置室及380 V裝置室相鄰，并一門相同而便于操作聯(lián)系方便。平面圖示意如附圖3。

圖3 計算機遠程操作為主的平面方案

選定一款燃氣發(fā)電機后，即隨機配套控制柜1面。比如某工程采用嚴巴赫產(chǎn)品，隨即配套的“A柜”，其“A柜”功能集電氣和熱控的控制、保護、測量、信號系統(tǒng)于一身，它相當于傳統(tǒng)發(fā)電廠的電氣測控屏、發(fā)電機保護及測控屏、熱工測控屏。設(shè)計人并不像傳統(tǒng)電廠設(shè)計那樣，去考慮電氣測控、發(fā)電機測控及保護、熱工測控等二次設(shè)計內(nèi)容，只需要了解“A柜”功能，如何使用即可以進行設(shè)計。

將“A柜”設(shè)在電子間或380 V裝置室，發(fā)電機380 V并網(wǎng)開關(guān)設(shè)在380 V裝置室。通過“A柜”實現(xiàn)發(fā)電機的測量、保護及信號，“A柜”還有低壓低周解列裝置，保證電力系統(tǒng)故障時發(fā)電機的安全；通過“A柜”實現(xiàn)燃氣輪機的熱工測控。

關(guān)于余熱回收系統(tǒng)，不再像“手動方式”那樣依賴成套商提供的“B柜”了，設(shè)計者自行設(shè)計配電系統(tǒng)，自行設(shè)計一面PLC控制柜，來代替上文所說的“B柜”熱控功能，這里同樣稱作“B柜”，與“A柜”并列安裝于電子間或380 V裝置室。

控制室設(shè)計算機遠程集中操作，與“A柜”及“B柜”總線連接進行數(shù)據(jù)通訊；控制室通過計算機實現(xiàn)發(fā)電機的遠程啟動或停機；控制室通過計算機實現(xiàn)380 V并網(wǎng)開關(guān)的遠程同期合閘操作，且同期采用自動同期方式；控制室通過計算機實現(xiàn)發(fā)電機的遠程信號。

這樣，控制室里安裝一套計算機控制信號系統(tǒng)，還有10 kV系統(tǒng)保護后臺計算機系統(tǒng)，并有專業(yè)人值守。

5 結(jié)論

1）通過對同類餐廚垃圾處理工程分析，并通過系統(tǒng)集成組態(tài)可以實現(xiàn)較簡單的手動控制為主的集成，也可以實現(xiàn)遠程計算機控制為主的集成。

2）通過有機集成不僅實現(xiàn)了餐廚垃圾處理廠燃氣發(fā)電系統(tǒng)的安全運行，也實現(xiàn)了工程預(yù)期的技術(shù)措施，使系統(tǒng)更合理、更安全可靠。

3）通過有機集成對于非電力行業(yè)的環(huán)衛(wèi)工程設(shè)計人員，具有基本的發(fā)變電基礎(chǔ)即可有能力進行系統(tǒng)設(shè)計。

［1］能源部西北電力設(shè)計院.電力工程設(shè)計手冊［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［2］熊信銀.發(fā)電廠電氣部分［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［3］中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB 50049—2011小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

［4］中國機械工業(yè)聯(lián)合會.GB 50052—2009供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［5］中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB 50062—2008電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［6］中國電力企業(yè)聯(lián)合會.GB 50053—2013 20 kV及以下變電所設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2013.