煤礦瓦斯發(fā)電運(yùn)行調(diào)研分析

鄭 東，吉 博，盧俊安，竇勤耘

(貴州大學(xué)，貴陽(yáng) 550025)

貴州省積極引導(dǎo)煤礦用好用足瓦斯抽采政策，利用燃?xì)鈾C(jī)組進(jìn)行瓦斯發(fā)電，技術(shù)可靠，投資少，見效快，在發(fā)電的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“冷、熱、電”相結(jié)合，目前已成為貴州煤礦瓦斯綜合利用最合理的方式。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，受煤礦瓦斯量及系統(tǒng)事故影響，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中并網(wǎng)操作準(zhǔn)同期及正常運(yùn)行勵(lì)磁方式、線路保護(hù)投入、功角測(cè)量裝置、電網(wǎng)安全穩(wěn)控及故障錄波裝置等與系統(tǒng)發(fā)生振蕩相關(guān)。

1 案例分析

1.1 煤礦信息簡(jiǎn)介

某煤礦可抽瓦斯量為442.75 Mm3，礦井綜合瓦斯抽采濃度為17%，屬于低濃度瓦斯。按礦井服務(wù)年限計(jì)算，可供利用瓦斯量為10.79 Mm3/年。煤礦選用適合中小型瓦斯電站生產(chǎn)的低濃度瓦斯發(fā)電600GF1-1RW機(jī)組。按高低負(fù)壓抽采量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)的瓦斯量計(jì)算，需瓦斯發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)為：N=(22.89+9.28)×60×35 190/(1.2×1.5×9 880×600)=6.3臺(tái)。實(shí)際投入運(yùn)行6臺(tái)600 kW機(jī)組。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的余熱，排氣溫度達(dá)550℃左右。采用熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收，為煤礦提供生活用熱水。瓦斯電站余熱回收裝置系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 瓦斯電站余熱回收裝置Fig.1 Waste heat recovery device of gas power station

1.2 經(jīng)濟(jì)效益

年發(fā)電量：6臺(tái)×480 kW×24 h×360天/年=2 488.32萬kW·h。年總運(yùn)行成本：2 488.32萬kWh×0.12元/kW·h=298.60萬元。 年發(fā)電收益：2 488.32萬kWh×0.52元/kWh=1 293.93萬元。余熱利用收益：1 476 t/a×500元/t=73.8萬元。 效益：1 293.93+73.8-298.60=1 069.13萬元。

根據(jù)預(yù)測(cè)，礦井年平均排放瓦斯量約為16.9 Mm3，僅從瓦斯發(fā)電對(duì)資源回收考慮，其利用率可達(dá)63.84%。

1.3 線路運(yùn)行數(shù)據(jù)

瓦斯發(fā)電10 kV通過煤礦35 kV變電站接入系統(tǒng)。35 kV線路1月份最大下網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生在1月16日，最大功率7.85 MW、最大電流137.45，詳見圖2曲線視圖。1月25因瓦斯發(fā)電廠停機(jī)導(dǎo)致負(fù)荷有突變，網(wǎng)內(nèi)上網(wǎng)電站計(jì)量顯示線路瞬間負(fù)荷為19.50 MW，停機(jī)后最大負(fù)荷3.25 MW，詳見圖3曲線視圖。

圖2 線路1月16日曲線視圖Fig.2 Curve view of line on January 16

圖3 線路1月25日曲線視圖Fig.3 Curve view of line on January 25

從瓦斯發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)序和系統(tǒng)運(yùn)行曲線分析， 1月25日15點(diǎn)至15點(diǎn)30分35 kV線路下網(wǎng)負(fù)荷曲線陡升，主要原因?yàn)橥咚雇蛔兒笕就C(jī)，后瓦斯發(fā)電廠迅速恢復(fù)上網(wǎng)，存在多機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)導(dǎo)致異步系統(tǒng)振蕩風(fēng)險(xiǎn)。

2 振蕩分析

系統(tǒng)振蕩時(shí)的現(xiàn)象：發(fā)、配電各電氣量周期性擺動(dòng)，發(fā)電機(jī)和變壓器發(fā)出有節(jié)奏的轟鳴聲。連接失去同步的發(fā)電機(jī)或系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線上的電流表、功率表擺動(dòng)最大。失去同期的電網(wǎng)有頻率差出現(xiàn)，送電端頻率高，受電端頻率低并略有擺動(dòng)。引起振蕩的原因：輸電線路輸送功率超過極限值造成靜態(tài)穩(wěn)定破壞。電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)聯(lián)絡(luò)的某一線路或設(shè)備斷開、阻抗突然增加，引起穩(wěn)定破壞而失去同步。大容量機(jī)組突然甩負(fù)荷，系統(tǒng)功率發(fā)生較大突變，造成電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞。發(fā)電機(jī)組失磁，從系統(tǒng)吸收無功功率，無功功率不足致使電壓大幅度下降，導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)失靈，造成其輸入力矩突變失去平衡引起振蕩。電源間非同步合閘未能拖入同步。系統(tǒng)振蕩事故處理應(yīng)先判斷出是同步振蕩還是異步振蕩，發(fā)生振蕩均會(huì)出現(xiàn)電氣量擺動(dòng)，但也有明顯的區(qū)別。

2.1 系統(tǒng)同步振蕩

同步振蕩是發(fā)電機(jī)輸入或輸出功率變化，功角δ隨之變化，因機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性，δ不能立刻達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，需在新的δ值附近多次振蕩之后，才能穩(wěn)定在新的δ下運(yùn)行。特點(diǎn)是各機(jī)組電氣量以平均值為中心振蕩，擺動(dòng)頻率低，振蕩周期清晰穩(wěn)定，不過零，機(jī)組振動(dòng)較小，儀表波動(dòng)平緩，可通過頻率及電壓的變化估算振蕩周期，中樞點(diǎn)電壓保持較高水平，同步振蕩出現(xiàn)各機(jī)組仍保持同步運(yùn)行，頻率基本相同。處理措施：可增加電機(jī)的勵(lì)磁電壓、功率極限，提高電機(jī)穩(wěn)定性。若單機(jī)高功率因數(shù)引起，可適當(dāng)降低有功。若振蕩發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)或停機(jī)過程，立即暫停操作。若發(fā)電機(jī)組非同期并網(wǎng)、調(diào)速器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器異常等引起的同期振蕩，立即進(jìn)行消除。如短時(shí)間無法消除，應(yīng)解列發(fā)電機(jī)組。若是廠內(nèi)輸出線路事故跳閘引起，降低機(jī)組有功出力直至振蕩消除。

2.2 系統(tǒng)異步振蕩

異步振蕩是發(fā)電機(jī)受較大擾動(dòng)，功角δ在0～360°周期性地變化，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)失去同步運(yùn)行狀態(tài)。特點(diǎn)是各機(jī)組電氣量擺動(dòng)頻率較高，儀表顯示跳變，振蕩周期不清晰，機(jī)組發(fā)出不正常的、有節(jié)奏轟鳴聲；定子電流、機(jī)組功率振幅很大，過零；線路電氣量出現(xiàn)較高頻率擺動(dòng)，振動(dòng)中心電壓變化很大；異步振蕩出現(xiàn)時(shí)各機(jī)組不能保持同步運(yùn)行，出現(xiàn)一定的頻率差。處理措施：可增加發(fā)電機(jī)無功出力，盡量使母線電壓運(yùn)行在允許值上限。若頻率升高，可減少機(jī)組有功出力。若頻率降低，可增加機(jī)組出力，直至振蕩消除。若振蕩發(fā)生在機(jī)組并網(wǎng)時(shí)或因發(fā)電機(jī)失磁引起的系統(tǒng)振蕩，應(yīng)立即解列發(fā)電機(jī)。

2.3 系統(tǒng)振蕩恢復(fù)

系統(tǒng)振蕩恢復(fù)時(shí)，相關(guān)參數(shù)指示值波動(dòng)減慢，波動(dòng)幅度及頻率差逐漸減小至消失。

3 結(jié)論

通過實(shí)地考察，調(diào)研煤礦瓦斯發(fā)電建設(shè)、運(yùn)行情況，針對(duì)運(yùn)行中遇到的系統(tǒng)振蕩問題進(jìn)行分析處理，為煤礦瓦斯發(fā)電正常運(yùn)行提供技術(shù)支撐，提高瓦斯發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。