苟学亮
陕西麟北煤业开发有限责任公司，陕西 宝鸡721500
摘要：为加快煤矿瓦斯综合开发利用，增加清洁能源供应，减少温室气体排放，针对有些煤矿抽采瓦斯浓度低且不稳定，达不到直接利用的条件的现状，本文介绍了低浓度瓦斯发电系统原理和低浓度瓦斯发电关键技术，分析了发电机组与电网动态并网的条件，采取全自动微机准同期并网技术，使瓦斯发电机组与电网准确可靠并网运行，实现了可观的经济效益和社会效益。
关键词：低浓度瓦斯；发电机；准同期并网
1引言
煤矿瓦斯（主要成分是甲烷）是一种优质清洁能源，既可用作化工原料又可用作燃料或发电。用作燃料和化工原料都有一些弊端，比如增加温室效应、破坏大气臭氧层，而作为低热值能源进行发电，既有国家资源综合利用政策支持，顺应环保发展要求，又可以产生经济效益和社会效益。本文重点介绍利用低浓度瓦斯进行发电，将发电机组与电网并网，使瓦斯热能转换的电能安全可靠并入电网。
2低浓度瓦斯发电原理与组成
2.1低浓度瓦斯发电原理
利用瓦斯抽采系统将储存于煤层中的瓦斯集中抽出，经瓦斯输送系统进入瓦斯发电机组缸体，点燃空燃比符合要求的低浓度瓦斯，利用其燃爆性产生机械能推动燃气发动机带动发电机，进而将瓦斯资源转化为电能。
2.2低浓度瓦斯发电机组
实用的低浓度瓦斯发电机组有三种：往复式发动机、低浓度瓦斯掺入风排瓦斯发电机组和燃气—蒸汽联合循环发电机组。其中往复式发动机热效率最高，可利用瓦斯浓度为9%～30%，发电机组由润滑系统、燃气过滤系统、瓦斯进气系统及控制单元、点火系统、冷却系统、排气系统和机组控制系统等组成。发电机组自带一套控制、保护和监控设备，能实现发电机组启停、调频调压、并网解列、数据采集、状态预警、故障记录等功能，是一套完整的燃气机组控制系统。
3低浓度瓦斯发电关键技术
安全高效利用低浓度瓦斯进行发电，关键在于对瓦斯浓度和压力的动态控制。
3.1低压进气混合增压技术
针对进气瓦斯浓度不稳定、气压低的问题，发动机采用先混合后增压的方式，混合后的气体浓度不随瓦斯进气浓度变化而变化。当瓦斯进气浓度变化时，计算机对运行参数进行分析判断，自动调节混合器，使瓦斯气与空气混合比例发生变化，确保不同浓度瓦斯经混合器自动调节后混合气浓度保持不变。
3.2空燃比电控技术
瓦斯输送过程中浓度和压力不稳定，采用电控混合技术通过闭环控制系统自动调节混合气空燃比，使混合气空燃比始终保持在燃气发动机要求范围内，整个调整过程自动实现，显著提高了混合气燃烧速度和发电机组对瓦斯浓度和压力变化的自适应能力。
3.3稀燃技术
发电机组通过合理匹配配气系统，在局部形成点火能量优势，实现多点点火，增大了点火能量，提高燃气燃烧速度，实现稀薄燃烧，降低机组热负荷，提高机组对燃气的适应性和机组的热效率，解决了点火困难或点火不连续的问题。
3.4全电子自动控制技术
利用全电子自动控制技术（TEM系统）实现全工况的闭环控制，系统对瓦斯浓度、缸温、排温、混合器转角、电参量等数据进行实时监测并回馈，使机组始终处于最佳运行状态，提高了机组运行动力性和可靠性，特别是具有防爆震作用，有效延长缸盖、活塞等关键部件的使用寿命。
4发电机并网条件和特点
4.1发电机并网概念及特点
发电机必须与电力输电网连接起来才能将发出的电能输至用电设备，对发电机出口端母线与电力输送网之间在一定条件下的连接操作就是并网。
发电机并入电力系统运行瞬间，往往伴随着电流冲击和功率冲击，会引起并列点电网电压瞬时下降。如果操作不当，过大的冲击电流可能使发电机大轴扭曲或引起发电机线圈变形、撕烈、绝缘损坏，严重的非同期并列操作会造成重大电力事故。
因此，随着企业电网规模和发电机组容量不断增大，发电机如何实现安全、可靠、精准并网就显得尤为重要。
4.2发电机并网条件
①发电机出口端电压与电网电压幅值相等并且波形一致；
②发电机出口端频率与电网频率相同；
③发电机出口端电压与电网电压相序、相位角一致。
满足以上条件就能完成发电机与电网的同期并网，否则为非同期并网，会引起不同程度的冲击电流。发电机出口端电压与电网电压瞬时值差值越小，冲击电流就越小；发电机出口端频率与电网频率瞬时值差值越小，冲击电流振荡周期就越长，经历冲击电流的时间就越短，并网过程就越平稳。
4.3传统并网方式的缺点
传统并网方式包含手工并网操作和手动准同期自动并网装置，虽然可以实现并网操作时发电机出口端与电网电压、频率、相位等参数保持一致，但仍有以下缺点：①手工并网操作相位误差较大，会引起不同程度的冲击电流，造成电网电压瞬时大幅波动，并网过程平稳性差；②不能自动选择并网合闸时机，对操作人员专业素质和操作熟练程度要求高；③手动准同期装置精度低，虽然是在同期装置所显示的合闸范围内进行并网合闸，由于人为延误和装置精度误差，容易造成非同期并网引起事故。
4.4全自动微机准同期并网技术
全自动微机准同期并网技术工作原理：对待并两侧电源PT信号进行频率和电压采样，将待并两侧电源正弦波信号源转换为数字信号，通过微机处理器进行计算处理，以高精度时标快速计算频差、相差。在满足同期并列条件时，在发电机出口端电压和电网电压相位重合前的一个恒定导前时间发出合闸脉冲，从而确定合闸时间，在整定的导前时间与合闸机构动作时间相吻合的情况下，可实现快速无冲击合闸并网；在不满足同期并列条件时，依照偏差量大小发出长短不同的调节脉冲，在并列操作前对发电机进行自动调压调频，根据调节后频率和电压的变化量实现全智能时隙控制和调节脉冲输出，从而达到快速逼近且无振荡的最佳调节效果。
全自动准同期装置主要由电源、调压、调频、合闸四部分组成：电源部分为装置提供工作电源；调压部分的作用是比较发电机出口端电压和电网电压高低，自动发出降压或升压脉冲，作用于励磁调节器，使发电机出口端电压趋近于电网电压，且当电压差小于整定值时，解除电压差闭锁，允许发出合闸脉冲；调频部分的作用是判断发电机出口端频率和电网频率高低，自动发出增减调频脉冲，调整发电机转速，使发电机出口端频率趋近于电网频率；合闸部分的作用是在频率差和电压差均满足准同期并列条件时，在发电机出口端电压和电网电压相位重合前的一个异前时间发出合闸脉冲，条件不满足则闭锁合闸脉冲回路。
自动准同期装置的动作判据及整定原则：
①ΔU≦ΔUset，ΔUset=±0.05Ugn（其中ΔU、ΔUset为待并两侧电源电压差和电压差整定值，Ugn为发电机额定电压）
②Δfset≦(0.15-0.25)HZ (Δfset为待并两侧电源允许频差)
③tset=ton(其中tset为导前时间，t on为断路器全部合闸时间加上同期装置固有动作时间)
④δset=15°～20°(同期闭锁角δset一般取20°)
引人同期电压是保证同期并网的重要环节，同期装置的两侧电压应通过选择接线方式来补偿由于主变接线组别导致的转角差。例如主变的接线组别为Ynd-11，则发电机电压超前系统电压30°角，引人同期装置的系统电压若取PT开口三角C相电压，则发电机电压取线电压UCB。
5结语
通过低浓度瓦斯发电关键技术有效地对发电机组进气瓦斯浓度和压力进行动态控制，利用全自动微机准同期并网技术克服了传统手工操作和手动准同期自动并网方式的缺点，使低浓度瓦斯发电机组安全稳定运行、准确可靠并网，实现了瓦斯燃烧热能到清洁电能的转换，防止了废弃瓦斯对环境的污染，产生了很好的经济效益和社会效益。
参考文献
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[2]彭晓涛,王少荣,程时杰.高性能微机自动准同期装置[J].电力系统自动化.2002.9
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