污水处理厂沼气发电并网运行系统

林文波，李玉庆，聂有壮，马万里?
（天津市东郊污水处理厂,天津300300）

　　摘　要：污水处理厂沼气发电机组并网发电在国内尚属首例，为大型污水处理厂的沼气综合利用和节约运行费用提供了很好的途径。
　　关键词：污水处理厂；沼气发电；并网运行
　　中图分类号：X703；X505
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(1999)12-0039-02

　　1998年10月12日，天津市东郊污水处理厂沼气发电机组并网发电的一次成功，每年不但可以节约可观的运行费用(初步估计约50余万元)，而且可以利用回收发电机 尾气的热能，为污泥处理工艺中的污泥加温提供了可靠的热源，使整个污泥处理工艺进入了良性循环。?

1　 二次结线系统

　　 天津市东郊污水处理厂为双电源用户，设35kV变电站一座，站内有5000W主变两台，有35kV/6 kV两个电压等级，35kV为内桥结线，6kV为单母线分段运行。
　　安装的PARTNER—LSA475—RBC型沼气发电机组单机视在功率355kW，有功功率284kW，额定 电压380V，额定电流539A，功率因数0.8，频率50Hz，暂态电抗Xd=16%，共5台，根据与电力局签订的调度协议，最多开3台发电机，满发852kW。
　　厂内5台发电机分两组，一组3台，一组2台，分设低压母线，两母线间设联络开关。分别通过两台6.3 kV/0.4 kV升压变压器与35 kV变电站6 VⅡ母线并网运行。

2 发电机并网解裂系统

2.1 并网运行系统
　　发电机与电力系统采用并联方式运行，运行时间根据调度协议，按照“两班制运转”方式进行。运转台数由PLC根据储气罐燃料的多少、工艺管路的回水温度高低、发电机运转状态以及运转的先后次序来指定启动哪一台发电机和具体台数，因此每天都需要使某些发电机投入或退出系统，进行并列和解列操作。并列是非常重要的操作，发电机的非同期并列，会产生很大的冲击电流，不但会危及机组自身的安全，还会使电网产生波动、破坏稳定性。因此要求同期装置和控制、保护装置齐全可靠。
　　为了使发电机能并网发电，必须满足以下条件：
　　①发电机发出电源的相序与电网汇流排相序相同。否则，不但发电机不能进入同步，而且会产生很大的拍振电流，使发电机绕组承受过大的电动力，使线圈变形绝缘短路。
　　②发电机的电压有效值与电网汇流排的电压有效值相等或接近相等(电压差<10%)，否则，会由于电位差而产生内部无功环流，生成很大的电磁冲击力。
　　③发电机的频率应与电力系统电源的频率基本相等(频率差不能超过0.5～1Hz)，否则会因为拍振电流和拍振电压的有功分量在发电机轴上产生力矩，使发电机产生机械振动，造成机组损坏。
　　④发电机的电压相位与电力系统电源的电压相位相等(相位差＜10°)，否则将产生有功和无功电流冲击，使发电机烧毁。?
　　发电机与电网并列运行时，由于电网的容量远远大于发电机的容量，所以发电机工作状态的变化不会影响电网电压和频率，因此在发电机与电网并列时，可认为电网电压和频率是不变的。待并发电机以电网为基准，通过增减励磁电流来调整发电机的输出电压，改变燃气发动机的转速来调整频率，调节瞬时速率来满足相位差，在基本满足并列条件的瞬间，闭合发电机的主断路器使发电机投入系统，这就是发电机并列过程。
　　为了直观判断是否满足并列条件，发电机的同期屏上安装有电压差表、两组同期指示灯和同期表用以检查和监视，同时配备有自动准同期装置。通过电压差表可以测得待并发电机的端电压与电网汇流母排间的电压差；通过同期指示灯的暗、亮可以检查发电机与电网汇流排侧的频率和相序；当待并发电机的频率高于电网的运行频率时，同期表指针就顺时针快速旋转；反之，则逆时针方向旋转。频率差得越大，同期表的指针转得越快，频率差减小时指针旋转减慢，当两侧频率差减小到一定程度后，频率非常接近，指针位置与同期点的夹角即是两侧电压的相位差。当上述仪表指示满足并列条件时，即可进行手动准同期并列操作。?
2.2 解裂保护系统
　　为了使发电机组并网后可靠稳定运行，该机组设置了安全完善的保护装置，一旦机组出现下列故障，会自动掉闸，与电网解裂，自动停机。?
　　①过负荷故障：如果在发电机组运行时，其输出功率大于额定功率的10%，发电机组超力就容易使机组损坏。现场安装了负载传感器，当严重超负荷时自动停机。?
　　②超速故障：如果发电机组超过额定转速运行时，会导致发电频率与电网频率不同。故设计了转速继电器，当发电机运行转速大于额定转速的2%时，视其为故障，自动停机。?
　　③油压故障：发电机组的润滑系统是否正常是通过其油压反映出来的，油压不正常可视为机组处于非正常运行状态，严重时可通过继电器自动停机。
　　④水温、水位故障：发电机内部的循环水用于机组冷却，当机组内无水、少水或水温过高，说明冷却系统不正常，可使机组损坏。现安装了水温、水位传感器，在其非正常状态时自动停机。?
　　⑤蓄电池故障：蓄电池用于给发电机组定子的自身励磁，励磁系统的好坏直接影响发电机组的运行质量，故设计了蓄电池电压继电器，当其故障时自动停机。?
　　⑥功率方向故障：发电机组正常运行时向电网输出电能，非正常时电网向发电机提供电源，此时发电机就变成了电动机而消耗电能。故设计了功率方向继电装置，使发电机只能给电网提供电源，一旦反向就与电网解裂，自动停机。?
　　⑦紧急停车装置：当发电机组遇到紧急情况时，可按急停按钮使发电机组瞬间与电网解裂，停止机组运行。?

3　 发电机的励磁系统及二次电路

3.1 励磁系统
　　励磁系统是交流同步发电机核心组成部分，励磁系统的好坏直接影响同步发电机的性质和运行质量。东郊污水处理厂安装的同步发电机是自激励、恒压式无刷发电机，配有复励励磁系统，发电机的励磁功率由其内部获得。这种复励励磁系统动态性能好，突加、突卸额定负载时电压瞬变小、暂态过程小，超载能力可达到发电机额定电流的2.5倍，能够承受3倍于额定值的短路电流，在A.V.R调节器作用下，可获得很高的稳态电压调整率等突出优点。?
3.2 二次电路
　　发电机的二次电路是由不同功能的基本电路组成的，主要包括发电机调压电路，发电机调速电路，自动准同期并列控制电路，手动并列和解列控制电路，测量电路，燃气发动机辅助设 备控制电路，直流24V供电、充电电路，发动机启动和停车电路，继电保护电路等。

4　 结束语

　　 天津市东郊污水处理厂沼气发电机组并网发电在全国尚属首例，它的成功结束了中国污水处理厂沼气发电机组不能并网的历史，填补了国内该项目的空白，也为大型城市污水处理厂沼气综合利用提供了很好的途径。?

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　　收稿日期：1999-06-21