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摘要：通过对沼气发电技术进行分析，研究了沼气发电项目中的电气设计要点问题。首先以某酒厂新污水处理厂沼气发电项目为例进行分析，对电气主接线设计要点进行了探讨，研究了设置消弧线圈的必要性，分析了该地安装消弧线圈存在的协同工作问题，并给出了解决办法。此外，详细研究了沼气发电项目系统设计中的关键环节，对该项目的发电机主保护、变压器主保护、线路主保护等进行了系统设计，并且设计了计算机监控系统，以便实时监测发电设备的状态、性能参数等信息，及时识别和处置异常情况。研究成果不仅为该项目的优化提供了有效建议，同时也为其他类似工程在电气设计方面提供了有益的参考和指导。
关键词：污水处理；沼气发电；消弧线圈；电气设计
0引言
沼气发电技术[1]是随着沼气池建设和沼气综合利用的迅速发展而崭新兴起的一项创新利用方式。它通过将产生于厌氧发酵处理过程中的沼气，运用于特制的发动机上，同时搭载综合发电装置，以高效地转化为电能和热能。沼气发电技术不仅具备创效、节能、安全和环保等特点，还被认为是一种分布广泛、成本相对较低的分布式能源[2]解决方案。在这个战略性背景下，本文深入研究了某酒业集团新污水处理厂的沼气发电设计，旨在为更加高效、可持续、环保的能源利用提供实质性的贡献，促进沼气发电技术的发展和应用。
该新污水处理厂一期沼气前处理系统按130 000 m3/d设计，热电联产系统按沼气量80 000 m/d设计，为有效应对热电联产系统产气量提升的可能性，工程拟采用9台内燃机，单台装机功率1.5 MW,合计13.5 MW。沼气发电所发电能通过新污水处理厂10 kV开闭所、南山10 kV开闭所，并入新建110 kV变电站。本文深入分析了新污水处理厂沼气发电项目的电气设计[3]要点，详细探讨了在此背景下安装消弧线圈所涉及的协同工作[4]问题，并提供了解决方案。此外，还对沼气发电项目系统设计的关键环节进行了深入研究，围绕主保护、计算机监控系统[5]以及网络安全等方面进行了系统化设计。
1电气主接线设计
本项目沼气发电机型号为PUSH1500GZH,可广泛使用天然气、沼气、煤矿瓦斯等清洁能源作为燃料。额定功率1500 kW,功率因数0.8,额定电压10.5 kV,直轴次瞬态电抗(Xd″)14%,单机电容性电流0.68 A。
根据主机厂家对发电机组运行的要求，一般情况下，在设定有功出力85%Pn,功率因数在0.9条件下，机组连续工作。发电站不考虑机组满发的运行工况，若出现余气，通过火炬消耗。据此，项目终期发电站输出总功率11 475 kW,容量12 750 kVA,额定电压10.5 kV,工作电流70 1 A。
1.1设置消弧线圈的必要性
为了保护额定电压为10 kV的发电机免受损坏，需要在发电机中性点采取消弧线圈[6]或高电阻接地的措施。当发电机定子绕组发生单相接地故障时，如果单相接地电容性电流超过3A,将导致定子铁芯烧伤，并进一步损坏定子绕组绝缘，增加匝间或相间短路的风险。因此，限制单相接地电容性电流在3A以下，可以减少故障发生时的损害程度。
在发电厂中，可以将发电机电压的消弧线圈安装在发电机中性点或厂用变压器中性点上，但需要避免在谐振点运行。为了提高补偿的成功率，通常需要将消弧线圈的分接头调谐到接近谐振点的位置。为了方便进行调谐操作，建议选择与计算值接近的容量。对于安装在电网变压器中性点或具有直配线的发电机中性点的消弧线圈，应采用过补偿方式。这样可以防止在运行方式改变时，电容电流减少，导致消弧线圈处于谐振点运行的情况发生。通过采用过补偿[7]方式，可以保持消弧线圈的运行稳定性。
现工程中常采用自动跟踪补偿消弧装置[8]。其微机控制器能通过各种不同的测量计算方法实时监测系统的电容电流等参数，根据电网的脱谐度[9]和残流的要求自动快速地完成跟踪补偿。当系统的脱谐度超出设定范围时，控制器会发出指令，调整消弧线圈使其脱谐度及残流精确地满足阀值要求。
由于沼气发电站作为业主备用电源，存在孤网运行的可能，因此在系统中双侧电源中性点均需配置消弧线圈。
1.2两消弧线圈的协同工作问题
新110 kV变电站10 kV母线与发电站10 kV母线分别配置消弧线圈后，其电容电流根据L1、L2电感量进行分配，导致两者谐振频率不一致，存在两消弧线圈的配合问题，单相接地电流难以满足规范要求，如图1所示。同时新污水厂及南山10 kV开闭所馈出回路较多，且均采用电缆供电，电容性电流较大。厂内用电设备存在较多的变频设备，虽然进行了滤波处理，其电网谐波[10]仍不能忽视。
两侧消弧线圈的协同工作方式主要分为两类。一类是预调加随调方式，另一类是随调加随调方式。然而,以上几种协同工作方式都存在以下的一些问题。
首先要解决的问题是残余电流[11]的存在。消弧线圈调谐的一个基本要求是确保接地点的残余电流不超过特定的限制值。实际接地电流包括一定的电容或电感电流(υ≠0),以及少量的阻性电流和一定量的谐波电流。然而，阻性电流和谐波电流无法通过消弧线圈的电感电流进行补偿。因此，这部分残余电流的存在可能导致接地点电流超过3A,从而无法满足发电机安全运行的要求。此外，即使单个消弧线圈的残余电流满足小于3A的条件，也不能保证两个消弧线圈的总残余电流小于3A。
其次需要考虑的问题是脱谐度和过电压的情况。对于电容电流较大的配电网，为了确保单相接地故障电流小于3A,必须使系统保持较小的脱谐度。整个系统需要保证单个消弧线圈进行补偿后的残余电流小于1.5 A（如果均匀分配），以确保脱谐度保持在合理范围内。由于三相电容的不对称性，中性点位移电压会产生较强的放大效应，导致中性点电压偏移超过规定的允许值（小于15%Un)。对于通过消弧线圈接地的发电机，通常情况下，中性点位移电压在系统电压的10%以内保持较长时间。如果超过此限制，保护系统将发出接地故障信号。
脱谐度与中性点过电压[12]按下式计算，即
式中：Ubd为消弧线圈投入前中性点不对称电压；d为阻尼率；υ为脱谐度。
脱谐度的过小会导致系统接近谐振补偿状态，这对发电机的运行会带来巨大的潜在危险，例如谐振过电压。为确保中性点位移电压不超过规定的允许值，需要增加脱谐度。然而，如果脱谐度过大，将导致残余接地电流过大（大于3A),可能引起间歇性的弧光接地过电压，危及发电机定子绝缘。很难同时满足总的残余接地电流小于A和中性点位移电压不超过规定允许值的两个相互制约条件。此外，电网谐波[13]对调节精度也有影响。从已投入运行的设备经验来看，电容性电流较大的系统，残流和小于3A仍难保证。最后，协同工作需要线路之间具有通信功能，而对于现有的10 kV厂网，不具备该条件。另外也存在通信故障，使得发电机处于危险运行当中。
综上所述，在本工程系统中性点采用消弧线圈仍不能保证直配发电机组投退或各站馈线回路投退后，其接地残流满足规范要求。在电容性电流较大的系统，脱谐度的选择难以两全。另外由于谐波的存在，导致残流过大，仍可能发生间歇性过电压的问题，危机发电机绝缘。
通过以上分析，本工程采用隔离变压器对发电机侧电容性电流进行控制，采用3机1变的单母线接线方式，变压器发电机侧电容性为2.55 A<3 A,无需配置消弧装置。方案缺点是由于隔离变压器存在变损，影响发电效益，同时相对于10 kV电压等级来说容量较大，设备投资较高；优点是运维简单，不受机组运行台数、负荷回路变化的影响，发电机组较为安全，同时由于隔离变压器的存在也提高了系统的耐雷水平（当地是雷击高发区）。
2主保护设计配置
在机端短路的情况下，发电机的转子速度会瞬间降低，由于发生过电流过载，发电机同时会产生过热、振动等现象。如果这种短时故障只持续了0.5 s,并且故障随即消失，通常不会对发电机组稳定性产生明显影响，在故障消除后1~2 min内其运行稳定性会自动恢复，如图2所示。这是因为天然气发电机组通常容量较小，同时采用了机械稳定系统、预警系统和恢复系统等保护措施。在故障发生时会采取相应措施，比如过载保护器会立刻断开电路，并将机组与电网分离，以保护发电机并防止故障扩大。
2.1发电机主保护
根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB/T 50062—2008)的要求，对于功率超过1MW的发电机，应安装纵联差动保护[14]。对于发电机与变压器之间存在断路器的情况，应分别为发电机和变压器单独配置纵联差动保护。而当发电机与变压器之间没有断路器时，可以使用共用的纵联差动保护装置。在本工程中，发电机将单独配置纵联差动保护作为主要的保护措施，以满足规范的要求。
2.2变压器主保护
根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB/T 50062—2008)的要求，对于电压在10 kV以上、容量在10 MVA及以上的变压器，应采用纵差保护。此外，对于电压为10 kV的重要变压器，如果电流速断保护的灵敏度不符合要求，也可以采用纵差保护。本工程变压器与发电机采用单母线接线形式，3台发电机通过1台隔离变并入新污水处理厂开闭所。隔离变压器额定容量6300 kVA,阻抗电压百分数：7%;发电机d轴次暂态电抗：14%。则保护装置动作电流：
式中：Krel=1.3;Kcon=1;nTA=500/5 A;I″2kmax=1.41 kA;Iop为保护装置一次动作电流，Iop=Iopk·nTA/Kcon=1.833 kA。
保护灵敏度校验：按系统最小运行方式即一台发电机运行时，要求流过变压器发电机侧保护装置两相短路电流I″1 k2 min≥1.5Iop。I″1 k2 min=0.56 kA。
由于发电机容量较小，显然难以满足灵敏度要求，需要配置变压器纵联差动保护作为主保护。
2.3线路主保护
根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》(GB/T 50062—2008)的要求，对于双侧电源线路，可以选择安装带方向或不带方向的电流速断和过电流保护。然而，当这些保护装置无法满足选择性、灵敏性或速动性的要求时，应采用光纤纵联差动保护作为主要保护手段，并且还应安装带方向或不带方向的电流保护作为备用保护。
沼气发电站单元(3机1变）馈出电缆至新污水开闭所仅约300 m,由于电缆长度过短，其电流速断将失去保护范围，不满足选择性要求，需要配置光纤纵联差动保护作为主保护。
2.4继电保护配置图
该设计的继电保护配置如图3所示。
3计算机监控系统设计
电站拟按“无人值班、少人值守”的原则设计[15],采用全计算机监控的方式，并在现地设置必要的常规控制设备。计算机监控系统将采用开放式分层分布系统结构，构建成星型以太网。系统结构分为厂站级和现地单元控制级两个层次。
计算机监控系统拓扑图如图4所示。
3.1主机
该主机采用机架式双模冗余容错服务器，利用硬件同步技术，确保在任何部件故障发生时，系统能够立即进行零秒切换。此外，还可以在同一套硬件平台上部署多个关键业务系统，实现高效整合和集中管理多个系统应用。
3.2操作员工作站
操作员工作站作为操作人员与生产过程之间的人机接口，负责监视、控制生产过程、维护设备以及处理事故。为确保其正常运作，该工作站的硬件和软件需要具备高可靠性和容错性。此外，工作站的软件还应具备快速从错误中恢复的功能，以保证系统的稳定性和连续性运行。
3.3调度远动通信工作站
满足调度直采直送要求，将数据通过双通道上传至调度中心，并支持智能接入调度数据网，能将调度中心下发的命令转发。在计算机监控系统中，调度通信管理主机具备遥测、遥信、遥控、遥调以及网络通信等功能。此外，系统还配置了分布式主机来支持远程遥控装置。沼气电站的远动信息传输到调度主管机构时，应采用专网方式进行传送。在通信协议方面，通常可以采用基于DL/T634.5-104通信协议。
3.4工程师站
工程师站应满足工程应用数据的配置和管理，满足工程设计、系统调试，是唯一可对工程数据进行修改的服务器。
3.5机组LCU主要功能
针对沼气发电站其机组LCU（机旁现地控制柜）是整个发电机组的控制中枢，内部装载集成着水、气、油的压力、温度等采集显示的控制模块，对机组运行的各项参数进行数据采集监控、分析处理和传送。机组LCU以高速PCL为核心，通信模式为局域网TCP/IP方式。其主要功能：一键启停机逻辑控制、完成发动机、燃气发动机的调速控制、空燃比控制、逻辑控制、内燃机监控、转速控制、发电机组的电量管理和机组并网控制等。
3.6开关站LCU主要功能
开关站LCU主要完成高低压开关柜、隔离变压器、厂用变、继电保护等电气设备的数据汇集及传输、电气闭锁、电能质量检测等功能。数据主要包括：自动记录断路器分合闸次数、变压器温度实时监测、双电源开关操作次数、电流、电压、频率、功率、谐波、越复限、保护动作、开关位置、电气闭锁逻辑等。LCU通过局域网与后台通信，将数据存储在厂站层数据库内，同时接受后台及电网调度的遥控操作及管理。
4网络安全设计
根据基本原则“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证”，对站内二次系统进行安全防护设备的配置。在纵向安全防护方面，实时控制区的各应用系统在接入电力调度数据网之前，应添加IP认证加密装置，而非实时控制区的各应用系统在接入电力调度数据网之前，应添加防火墙设备。在横向安全防护方面，建议控制区和非控制区的各应用系统之间采用MPLS VPN技术体制，以划分为控制区VPN和非控制区VPN,从而实现彼此的隔离和安全通信。
安全防护软件及硬件配置应符合网络安全等级保护制度2.0标准，满足系统通过2级测评定级要求。如需上网，则电力监控系统网络安全监测装置(II型）为必配设备，满足电力调度NS5000平台要求。2级等保主要设备要求包括下一代防火墙、防病毒软件、工控监测审计、工控日志审计、工控数据库审计、工控漏扫、II型网络安全监测等，网络安全2级设备配置如图5所示。
5结束语
通过对某酒厂新污水处理厂沼气发电项目的电气设计，可以得出以下结论：(1)机组短路故障持续时间长、保护措施不到位等情况，就有可能会导致发电机的损坏，甚至造成机组停机，对企业的连续生产和供电造成严重影响；(2)由于沼气为易燃易爆气体，尽可能配置完整继电保护功能及从源头上避免由于电气故障引发的火灾危险也很重要；(3)同时应提高对设备各参数的感知能力、信息化管理及网络安全水平，这对设备的正常运行也极为重要；(4)在使用沼气发电机组时，需要加强对设备的日常检修，每运行2000 h进行例检，每年至少进行一次全面检测，及时排除问题，确保机组的正常运行和生产操作的安全稳定。
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某酒厂新污水处理厂沼气发电项目电气设计论文
人参与 2024-07-16 11:49:51 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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