有機朗肯循環(huán)發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計

祝廣場 彭紹偉 高水華 李志

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電機組控制系統(tǒng)采用西門子可編程邏輯控制器（PLC）作為主控制器。PLC通過現(xiàn)場工業(yè)總線與人機交互界面（觸摸屏）、汽輪機控制器、發(fā)電機綜合控制與保護裝置等進行信息交換。PLC通過觸摸屏接收機組運行人員的操作指令，對機組各部件和子系統(tǒng)進行集中協(xié)調(diào)控制，對機組運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析，對機組運行過程中出現(xiàn)的各類故障進行分類處理，完成啟動、停機、并網(wǎng)、報警、保護等功能。機組運行人員可通過人機交互界面（觸摸屏）隨時查詢機組運行狀態(tài)參數(shù)以及電能計量顯示。機組電氣控制系統(tǒng)設(shè)置手動操作按鈕，以便于緊急事故狀態(tài)下實現(xiàn)手動安全停機。汽輪發(fā)電機系統(tǒng)主要功能有：自動啟停，無人值守；自動并網(wǎng)/解列；有功、無功控制；自動報警，保護功能；數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄等。

1 人機接口

通過用戶友好的觸摸屏，操作人員能夠從一個顯示屏上瀏覽和選擇多種控制方式及設(shè)定給定值。觸摸屏的操作界面由操作畫面、記錄制表、歷史事件信息、相關(guān)參數(shù)顯示畫面等部分組成。在觸摸屏的操作畫面中，可以實現(xiàn)汽輪機啟機、停機等控制功能，可顯示各種參數(shù)狀態(tài)及故障記錄。

1.1 顯示信息

從觸摸屏的監(jiān)控畫面中不僅可以直觀地看到整個汽輪發(fā)電機組的工藝流程，還可以顯示以下機組的運行信息：

系統(tǒng)信息顯示；

監(jiān)測量顯示；

控制參數(shù)信息；

汽輪發(fā)電機狀態(tài)信息顯示；

報警和停機邏輯顯示。

1.2 制表記錄

使用人機界面組態(tài)軟件可以實現(xiàn)定期記錄、運行操作記錄、事件順序記錄（SOE）、事故追憶記錄、設(shè)備運行記錄、跳閘一覽記錄等功能。

1.3 歷史數(shù)據(jù)存儲和檢索功能

對于系統(tǒng)測量、機組運行等歷史數(shù)據(jù)，觸摸屏具有存儲和檢索功能。觸摸屏和 PLC通過RS232通信，可以根據(jù)觸摸屏定義的PLC端口自動進行數(shù)據(jù)記錄，存儲為數(shù)據(jù)文件，并可以下載至PC機進行存儲和分析。

2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要是對機組的監(jiān)測量、設(shè)備的運行狀態(tài)、機組的運行模式等進行測量、監(jiān)測和顯示，為控制系統(tǒng)進行邏輯計算、協(xié)調(diào)控制、報警保護等打好基礎(chǔ)，最終實現(xiàn)機組的無人值守功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集

在機組運行中，PLC主要對工質(zhì)、熱源、潤滑油、冷卻水、汽輪機進/排汽等進行溫度和壓力測量，對工質(zhì)泵、冷卻水泵、潤滑油泵的運行/停止、故障狀態(tài)進行監(jiān)測，對相關(guān)閥門的開/關(guān)、位置反饋進行采集，確保能夠準(zhǔn)確地顯示出機組狀況和各設(shè)備的運行狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)處理及報警輸出

PLC接收現(xiàn)場變送器和各類開關(guān)的輸入信號后，經(jīng)過運算和邏輯處理，根據(jù)設(shè)計要求，送至監(jiān)控畫面顯示；對預(yù)設(shè)的報警定值，及時發(fā)出報警提示。

3 汽輪機控制系統(tǒng)

3.1 汽輪機啟/停控制

汽輪機控制采用505 調(diào)速器，505主要功能是實現(xiàn)對汽輪機的啟停控制，汽輪機有功功率控制，汽輪機進汽壓力限制，汽輪機超速保護等。

505調(diào)速器提供了三種不同啟動方式的選擇：自動、半自動和手動啟動。

調(diào)速器能組態(tài)成采用順序自動啟動操作方式來啟動汽輪機。該順序邏輯使505 調(diào)速器能完成從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的完整的系統(tǒng)啟動過程。采用這一功能，汽輪機的啟動升速率和暖機轉(zhuǎn)速的保持時間取決于機組停機時間的長短。該順序邏輯能與三種起動方式中的任意一種一起使用。

3.2 轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)是對汽輪機的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機功率進行調(diào)節(jié)，在汽輪機啟動階段，控制從靜止升至額定轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之后，能滿足電網(wǎng)升降負(fù)荷的要求，維持電網(wǎng)頻率不變。

在啟動階段，兩路轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過505調(diào)速器處理后作為控制的實際值，設(shè)定值通過505設(shè)定或者PLC遠(yuǎn)程設(shè)定，偏差經(jīng)過PID運算后得出執(zhí)行機構(gòu)的開度指令，由505送至調(diào)節(jié)閥。

在并網(wǎng)階段，505調(diào)速器根據(jù)發(fā)電機斷路器和電網(wǎng)斷路器的閉合信號，自動切換至負(fù)荷控制。

工質(zhì)壓力由505檢測，引入串級控制回路，用于不同壓力時的功率輸出控制。

3.3 汽輪機危急跳閘系統(tǒng)

汽輪機危急跳閘系統(tǒng)包括超速保護、潤滑油壓力低保護、潤滑油溫度高保護等。

505用來檢測和計算汽輪機轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過緊急停機設(shè)定值時，505發(fā)出緊急停機指令給PLC，同時發(fā)關(guān)閉指令給調(diào)節(jié)閥；PLC收到緊急停機指令時，立即將主汽門關(guān)閉并給發(fā)電機發(fā)解列指令，實現(xiàn)超速保護。

潤滑油壓力低保護和潤滑油溫度高保護由PLC的控制邏輯來判斷，當(dāng)保護動作時，PLC通過505的外部跳閘輸入功能，共同完成緊急停機。

4 發(fā)電機綜合控制與保護系統(tǒng)

4.1 測量顯示

發(fā)電機綜合控制與保護裝置對發(fā)電機電壓、電流、功率、功率因數(shù)、發(fā)電累計電能、逆功率等參數(shù)進行測量和顯示。綜合控制器通過邏輯計算和控制功能實現(xiàn)發(fā)電機的過壓、過流、過頻、逆功等保護。

4.2 并網(wǎng)/解列

發(fā)電機并網(wǎng)之前，綜合控制器檢測發(fā)電機的電壓、頻率、相位、相序，輸出控制信號給發(fā)電機調(diào)壓器和汽輪機調(diào)速器，判斷機組是否滿足同期條件，若滿足就可以直接自動合上并網(wǎng)斷路器。不滿足時，發(fā)電機控制器發(fā)出調(diào)節(jié)指令給505調(diào)速器和發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器，使其進行相關(guān)參數(shù)自動的調(diào)節(jié)以滿足同期條件并實現(xiàn)并網(wǎng)功能。

當(dāng)發(fā)電機組出現(xiàn)故障或者需要停機檢修時，發(fā)電機綜合控制與保護裝置自動將發(fā)電機跟電網(wǎng)解列，確保機組處在安全的狀態(tài)。

4.3 功率因數(shù)及無功功率控制

發(fā)電機綜合保護與控制裝置檢測發(fā)電機電壓、電流計算系統(tǒng)功率因數(shù)，通過輸出控制信號給發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），調(diào)整發(fā)電機無功功率，實現(xiàn)恒功率因數(shù)控制。

4.4 發(fā)電機保護

發(fā)電機綜合控制與保護裝置完成以下項目的發(fā)電機保護，動作時將發(fā)電機解列并反饋至汽輪機控制器和PLC控制器：

發(fā)電機逆功率保護；

發(fā)電機差動保護；

發(fā)電機過流保護；

發(fā)電機欠壓保護。

5 結(jié)語

本文介紹了基于有機工質(zhì)的余熱發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)以完善的數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，結(jié)合高穩(wěn)定性、高可靠性的控制邏輯，使得機組在運行中不必投入大量人力資源，即便在故障狀態(tài)下，也能夠避免事故的發(fā)生。

[1]WOODWARD. WOODWARD 505數(shù)字式調(diào)速器說明書.

[2]吉銘. 西門子 S7- 300 在沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用. 科技論壇, 83.