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无电区域矿山的柴油发电机组设计探讨

2019-11-23
来源: 礼德动力
  O 引 言 
     
  某金属矿位于老挝丰沙里省西部,行政区划属丰沙里省奔怒县管辖。矿区位于热带雨林,人烟稀少,居民点稀少,无人区较多,交通条件极差。区内无工矿企业、电力设施较差、通信较为困难。
  
  该金属矿为一个新建的金属采选尾联合项目,生产规模为采选500 t/d,服务年限为6年。矿山没有通电,在距离矿山9 km处有1条22 kV电力线路,该线路是根据老挝电力公司与中国普洱市电力公司签订的电力买卖合同建设的线路,主要解决老挝北部无电区域的用电问题,线路容量为2 000 kVA,现已使用,目前因线路沿途的老挝人生活水平的提高,负荷也在缓慢的增长中。目前该电力线路的情况是:线路过长、电能质量较低、可靠性差,无法为矿山提供充足可靠的电源。
 
1 电源选择
      矿山企业厂址选择受到矿产资源地理位置的制约,部分矿山资源地处偏僻,远离电源,规模不大,服务年限较短,引入电源将耗费巨额投资,技术经济不合理,需要一种投资省、见效快、供电稳定的小型电源设备。
  
  目前比较常见的小型发电设备有燃气发电机组、水力发电机组、风力发电机组及柴油发电机组等,不同类型的发电机组其性能、使用范围、市场隋况等也有所不同。
  
  柴油发电机组是柴油机以柴油作为能源,驱动交流同步发电机工作而发电的设备,是一种小型独立的发电设备。是目前世界上应用比较广泛的发电设备,主要用于金融、国防、医院、学校、商业、工矿企业及住宅的应急电源及地区电网不能输送到的地区生产和生活所需要的独立供电电源等。
  
  柴油发电机组有很多适合矿山企业供电的优点:①可靠性高,发电出力稳定,负荷适应能力强,适应的负荷变动范围大;②机组能迅速起动并能很快达到全功率;③运行操作简单,维护保养简单方便,便于普通人员使用;@机组结构简单紧凑,系统配置简单,外部因素影响较小;⑤机组的容量选择的容量范围大,适用于多种容量用电负荷的条件;⑥机组所消耗的柴油购买、运输和保存相对方便;⑦机组体积小、运输方便、投资相对较小、随时可以启动。
  
  通过以上分析可以看出,柴油发电机组在地处偏僻、交通极差、远离电源的矿山具有很大的优势,能为矿山企业的生产提供连续、可靠、经济的电源,所以选用柴油发电机组作为偏远小型矿山的主要供电电源。
  
  2 机组容量选择
    柴油发电机组容量的选择一般按机组运行时负荷在标定功率的0.9倍,这样机组处于一个经济运行的状态。柴油发电机组经常在经济负荷下运行,可以降低燃油消耗率,降低发电成本。机组容量选择较小,运行时无法带动全部负载,或者无法启动大功率电动机;如果机组容量选择过大,则一次投资大,运行过程中的成本也会比较高,而且对柴油机损坏比较大,造成维护成本比较高。所以,在容量选择时还要考虑其它方面的因素,如:使用的环境、负载类型等。
  
  2.1 使用环境
    机组的使用环境包括:温度、海拔高度等。环境的变化会对柴油发电机组的实际输出功率产生很大的影响。
  
  海拔升高时,空气密度降低,其空气中的含氧量也相应的减少,柴油机运行时所需的氧气量就不够,机组的输出功率就下降,而又要向原定的负荷供电,就会造成机组超负荷运行。矿山企业一般都位于海拔较高的地方,因此在对柴油发电机组选型时,应考虑柴油机的高原工作性能,严格避免超负荷运行。一般如果该型号机组没有特别指明柴油机功率修正方法,按海拔超过1000 m后,每升高100 m,功率值减少1% 。
  
  现在,随着技术的发展更新,出现了涡轮增压柴油机,可部分补偿高海拔带来的影响。
  
  温度随着海拔的升高会降低,一般每升高100 m,环境温度约下降0.4℃ ~0.6℃左右,因柴油发电机组自身有散热的要求,低温能部分抵消机组对散热的要求,所以在选择机组容量时环境温度的降低可以不考虑。
  
  2.2 负载类型
    柴油发电机组所供电的设备类型不同,对容量的要求也不同。当设备为电阻f生时,因为电阻性负载的特I生是电阻基本保持不变,电流随电压按比例下降。
  
  所以选择机组时,其容量只要稍大于负载功率即可。
  
  在负载为电感性时,机组容量的选择就要特别注意,见表1矿山企业中的大部分负荷都属于电感性负载:电动机,特别是部分电动机的功率还比较大,如球磨机,功率比重占其所在负荷中心总功率约30% ~40% ,甚至更多。直接启动时,其启动电流为正常运行电流时的5~6倍,选型时就必须选择大容量的机组,但这样会造成容量满足了启动的要求,却在设备正常运行时负载率低,造成较大浪费。
  
  对于大功率电动机,可采用降压启动的方式,在启动过程中降低电动机定子绕组上的电压,待电动机启动成功后,再把电压恢复到正常电压值。而目前降压启动的方式有很多种,有星三角降压启动、电阻降压启、自耦变压器降压启动、软启动等,可以根据电动机所拖动负载的性质,选择合适的方式。
  
  运行时,如果在工艺允许的情况下,应尽量从大功率电动机到小功率电动机顺序启动,先启动电流大的电动机,待其启动成功、正常运行后,然后再启动小功率电动机。这样也可以在一定程度上减小机组的容量。
  
  根据负载的特性,采用合适的启动方式,再结合使用环境条件,就能选取合理的柴油发电机组容量,以达到最优的配置。
  无电区域矿山的柴油发电机组设计探讨
  2.3 机组容量计算
    机组容量的计算,有2种计算方式:负荷类型为电阻 负载或电感性负载时功率很小时,可采用按平稳负荷计算方法;负荷中有大功率电感性负载时,采用按系统中最大的单台发电机或成组电动机的起动条件计算方法。
  
  1)按平稳负荷计算机容量式中:可靠系数(K=1.1);— — 计算负荷;P_ 机组容量。
  
  2)按系统中最大的电动机的起动条件计算机组容量P= 。( 一g式中:K——启动时电压、频率降低而导致电动机功率下降的系数.取0.9—0.95;— — 机组允许短时过载系数.取1.3~1.5,时间为15 S;— — 计算负荷;— — 最大电动机的额定功率(kW);K——最大电动机的起动电流倍数,见表1。
  
  3 合理控制功率因数
    3.1 功率因数控制的意义
    柴油发电机组的额定功率因数是滞后0.8,柴油发电机组运行时功率因数过高或过低都会对发电机运行有影响。
  
  功率因数过高,即让机组处于超负荷运行状态,时间一长会影响发电机的稳定性。虽然增加了机组功率利用率,提高了经济l生,但从长远来看,这是以增加事故的概率换来的,一旦有突发事故发生,发电机可能经受不起变动,可能会失步,影响系统稳定的运行。
  
  功率因数过低即无功过高,会造成励磁电流上升,转子绕组温度上升,发电机端电压上升,铁芯内磁通密度增加,损耗增加,发动机的励磁电流、定子电流增加,从而造成设备持续发热、寿命减短。
  
  3.2 补偿容量
    控制矿山企业中,工艺设备的运行功率因数一般在0.7~0.8之间,部分水泵电动机的功率因数高达0.85,在规模不大的矿山企业中,其总自然功率因数超过0.75。如果这时在机组出线端的配电屏内进行电容补偿,因功率因数与要补偿达到的数值相距较近,比较难以控制,容易超过机组要求的额定功率因数0.8,会对发电机运行产生影响,所以在这里补偿意义不大。
  
  矿山企业的厂房,会根据工艺流程、地形条件、道路运输等条件布置得很分散,而机组一般会设置在最大负荷附近,以保证供电的合理陛和经济陛。部分厂房相距机组就会太远,造成供电线路上的损耗比较大和用电端的电压压降下降得比较大。
  
  在车间内部用电端的二级配电箱内安装智能型电容器,实时监测供电母线上的功率因数,按需投人补偿模块进行电容补偿,让供电母线的功率因数达到0.9以上,既能补偿配电箱供电线路损耗及压降,又能改善电动机的运行条件,又不让机组运行功率因数过高或过低,从而对机组造成损害。
  
  采用无功功率就地集中补偿的方式,能改善用电条件,保证机组安全、经济的运行。
  
  4 结语
    柴油发电机组在矿山生产中作为主电源来使用,是一个特殊的应用,应根据矿山企业的负荷和供配电的特点来进行电气设计,以期为类似地处偏僻、远离电源、规模不大、服务年限较短的企业提供符合要求的可靠、经济的电源。