離心泵作透平的發(fā)電裝置系統(tǒng)優(yōu)化研究

紀(jì)　旭，吳明亮，魏　源，李召憲

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

離心泵作透平的發(fā)電裝置系統(tǒng)優(yōu)化研究

紀(jì)旭，吳明亮，魏源，李召憲

(蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

摘要：隨著人們對(duì)能源的需求量不斷上升和節(jié)能意識(shí)的不斷提高，離心泵作透平回收余壓能發(fā)電系統(tǒng)作為把液體液壓能轉(zhuǎn)化為電能的能量回收裝置，對(duì)降低單位產(chǎn)量的耗能量有著積極的作用。而凡是工業(yè)生產(chǎn)中有流體壓力差的設(shè)備中，都存在流體壓力能可以回收利用。基于液力透平對(duì)化工流程中的余壓能起到高效的回收作用，總結(jié)分析了液力透平余壓能回收的幾種配置方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了離心泵反轉(zhuǎn)作透平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)余能回收，并提出了基于PLC的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)了基于WinCC軟件的上位透平和發(fā)電監(jiān)控。通過(guò)實(shí)踐證明，液力透平發(fā)電機(jī)組對(duì)余壓能的回收量回收效率高，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

關(guān)鍵詞：離心泵作透平；發(fā)電機(jī)并網(wǎng)；PLC；WinCC

節(jié)能減排已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要指標(biāo)之一，因此需要加強(qiáng)用能單位的節(jié)能管理，強(qiáng)化目標(biāo)責(zé)任評(píng)價(jià)考核和節(jié)能減排監(jiān)督檢查及能力建設(shè)。迅速增加的能量消耗，化石燃料的高昂價(jià)格、快速耗損和對(duì)環(huán)境的危害，這就使得大力開發(fā)和利用潔凈無(wú)污染的水力能源回饋電網(wǎng)技術(shù)，對(duì)解決電力緊張、環(huán)境污染等問(wèn)題的研究具有非同尋常的意義。

高昂的設(shè)備成本是影響充分利用小型和微型水電項(xiàng)目的發(fā)電潛力的主要問(wèn)題，而利用離心泵作透平[1]代替電動(dòng)機(jī)或汽輪機(jī)等原動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電則是一個(gè)很好的選擇。工業(yè)中可實(shí)現(xiàn)對(duì)液體壓力能的回收利用，將可再生能源在負(fù)荷處就近供電，降低負(fù)荷對(duì)大電網(wǎng)的依賴，提高供電安全性和可靠性，還能可靠地、高質(zhì)量地向電網(wǎng)輸送功率，因此，利用液力透平發(fā)電技術(shù)回收化工流程中的余壓能和對(duì)小型水電站的研究，具有很好的示范效應(yīng)和推廣價(jià)值。

透平回收工業(yè)流程中的余壓能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[2]，經(jīng)并網(wǎng)控制系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送電能，其控制系統(tǒng)以可編程控制器(PLC)為核心，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的智能控制，并用工控機(jī)監(jiān)控管理發(fā)電機(jī)組及透平的運(yùn)行，兩者組成了集散控制系統(tǒng)。

1能量回收方式的確定

泵作透平回收液體壓力能在石油化工、廢水處理和冶金等工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛的應(yīng)用，該裝置機(jī)組配置主要有3種形式：液力透平直接驅(qū)動(dòng)1臺(tái)馬達(dá)/電動(dòng)機(jī)和高壓泵；液力透平輔助電動(dòng)機(jī)做功；液力透平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[3]。

1.1液力透平直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載

當(dāng)負(fù)載的功率小于透平的輸出功率時(shí)，采用這種方式帶動(dòng)負(fù)載(泵或風(fēng)機(jī)等)工作，這種方式最簡(jiǎn)單的布置方式是同軸直聯(lián)，其優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)通過(guò)離合器與液力透平相連，可控制透平轉(zhuǎn)速。如果電動(dòng)機(jī)功率足夠,檢修透平可不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和機(jī)組(水力透平和泵)參數(shù)的匹配性要求高。

1.2液力透平輔助電動(dòng)機(jī)做功

當(dāng)負(fù)載功率大于透平輸出功率，不足以驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，透平作為第二動(dòng)力設(shè)備配置超速離合器協(xié)助第一動(dòng)力設(shè)備(電動(dòng)機(jī)或汽輪機(jī))共同驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作，如液力透平回收系統(tǒng)的余壓能配合發(fā)電機(jī)一起帶動(dòng)大功率泵進(jìn)行工作。該配置方式的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)變化適應(yīng)性強(qiáng)，而且設(shè)備布置緊湊；其缺點(diǎn)是要求較高的安裝精度和復(fù)雜的管路布置，成本較高，維修的工作量增大，壓能的回收效率低。

1.3液力透平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電

將發(fā)電機(jī)通過(guò)離合器與液力透平相連(見圖1)，該方式的優(yōu)點(diǎn)是透平獨(dú)立設(shè)置，發(fā)電機(jī)直接將液力透平的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，且便于管路的布置，便于輸送，與工作機(jī)互不影響，對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)組占地面積小；缺點(diǎn)是涉及機(jī)、電、儀一體化配合，發(fā)電機(jī)存在無(wú)功消耗，需考慮無(wú)功補(bǔ)償。

圖1　液力透平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)布置圖

綜合上述3種配置方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的安裝精度要求、系統(tǒng)穩(wěn)定性、設(shè)備成本和用戶的使用要求等因素，最終選擇液力透平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的配置方式。它是利用系統(tǒng)中穩(wěn)定的余壓能通過(guò)液力透平葉輪轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再由透平機(jī)主軸通過(guò)離合器將能量傳遞到發(fā)電機(jī)上，將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋電網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)余能的回收。

2余壓能回收效率

該裝置的余壓能回收效率η為發(fā)電機(jī)功率與水功率之比，即：

(1)

式中，P是發(fā)電機(jī)功率；Ph是水功率。

回收效率由透平效率ηt和發(fā)電機(jī)效率ηg兩部分組成[4]。其中，透平效率由機(jī)械效率ηm、容積效率ηv和水力效率ηh組成。由透平產(chǎn)生的能量需要克服機(jī)械密封、軸承和圓盤摩擦等傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的損失功率Pm。

機(jī)械效率為透平的軸功率Ps和輸出軸功率P′之比，即：

(2)

式中，ρ是液體密度；Qt是理論流量；Ht是理論揚(yáng)程。

容積效率ηv為透平的理論流量與實(shí)際流量的比值，即：

(3)

式中，Q是實(shí)際流量；q是泄漏流量。

液體通過(guò)透平水力部件時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部摩擦損失和由沖擊、脫流、速度方向改變等引起的水力損失，水力效率是指輸出軸功率和水功率之比，即：

(4)

式中，H是揚(yáng)程。

由式2～式4得透平效率為：

(5)

發(fā)電機(jī)效率為發(fā)電機(jī)功率與透平的輸出軸功率之比，即：

(6)

由式1、式5和式6得：

(7)

即該裝置的余壓能回收效率為發(fā)電機(jī)效率與透平效率的乘積。

3發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件

在現(xiàn)代的發(fā)電廠中，通常把幾臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)接在共同的匯流排上，每個(gè)地區(qū)都是有多個(gè)發(fā)電廠并聯(lián)起來(lái)，從而組成一個(gè)強(qiáng)大的電力系統(tǒng)(電網(wǎng))。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)，應(yīng)減小發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間組成的回路內(nèi)產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊電流，并保證發(fā)電機(jī)的電壓與電網(wǎng)的電壓在并網(wǎng)瞬間相等，以防止發(fā)電機(jī)受到損壞和電網(wǎng)遭受干擾[5]。

當(dāng)發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)系統(tǒng)后，應(yīng)能很快進(jìn)入同步發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，以減小發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)損耗。發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)的條件是在滑差和電壓差都合格的情況下，提前一個(gè)恒定的超前時(shí)間Tyg發(fā)出合閘指令。采用恒定超前時(shí)間的并網(wǎng)裝置，在理論上可使合閘相角差為0。一般有Tyg等于合閘出口動(dòng)作時(shí)間TG和斷路器合閘時(shí)間Tqf之和。將Tyg換算為角度δF的公式如下：

(8)

式中，δF是導(dǎo)前角；ωs是滑差角速度；ΔT是電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)電壓周期的差值；Tsy是電網(wǎng)電壓周期。

4控制方案的確定

PLC是為工業(yè)控制而研制的抗干擾性能很高的控制器[6]，開發(fā)了數(shù)字量的輸入輸出和模擬量輸入輸出模塊，通過(guò)與工控機(jī)的上位監(jiān)控與PLC的下位控制相結(jié)合(見圖2)。

圖2　PLC與工控機(jī)組合控制

該控制系統(tǒng)采用兩級(jí)控制的方案，構(gòu)成監(jiān)控、控制系統(tǒng)。其中上位機(jī)不參與被控對(duì)象的直接控制，而是將控制任務(wù)交給下位機(jī)完成。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)管理、監(jiān)控以及顯示等功能，而下位機(jī)主要完成對(duì)系統(tǒng)的直接控制功能。這種控制方式能夠?qū)⒐た貦C(jī)監(jiān)控組態(tài)和PLC下位控制結(jié)合，擺脫了以微機(jī)為中心的“危險(xiǎn)集中”式的控制方式，工作可靠，也是現(xiàn)階段工業(yè)控制中使用最多的控制方式。

試驗(yàn)裝置中的調(diào)節(jié)閥、旁通閥和安全閥都采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并在透平進(jìn)、出口位置裝有流量計(jì)、壓力變送器，分別測(cè)出透平的流量，進(jìn)、出口壓力等。4～20 mA電流信號(hào)輸入PLC，并在上位機(jī)顯示，從而計(jì)算出透平的揚(yáng)程、效率等。在上位機(jī)上直接通過(guò)PLC控制閥門的開關(guān)，從而控制流量大小，同時(shí)在上位機(jī)上可顯示流量的具體數(shù)據(jù)。

控制過(guò)程如下：1)關(guān)閉所有閥門，查看液位指示器、控制器狀態(tài)是否適合試驗(yàn)，如果滿足要求，打開安全閥；2)逐漸打開進(jìn)口調(diào)節(jié)閥，使液力透平轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，記錄透平、發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)；3)經(jīng)調(diào)節(jié)閥的修正補(bǔ)償子程序自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)口調(diào)節(jié)閥的開關(guān)度，觀察發(fā)電機(jī)發(fā)電狀態(tài)并檢測(cè)發(fā)電機(jī)參數(shù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率和相位滿足并網(wǎng)條件時(shí)，PLC自動(dòng)發(fā)出進(jìn)行并網(wǎng)指令，記錄數(shù)據(jù)；4)完全打開進(jìn)口調(diào)節(jié)閥，發(fā)電機(jī)正常發(fā)電，向電網(wǎng)輸送電能。

在控制中，通過(guò)多功能智能電力儀表檢測(cè)電網(wǎng)電壓、發(fā)電機(jī)電壓電平,模擬開關(guān)用來(lái)選通需要測(cè)量的支路電流信號(hào)。將模擬開關(guān)輸出的信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大。從運(yùn)算放大器出來(lái)的交流信號(hào)經(jīng)采樣保持及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入PLC，由PLC系統(tǒng)負(fù)責(zé)測(cè)量交流信號(hào)的有效值經(jīng)PC/PPI協(xié)議上傳至計(jì)算機(jī)顯示。整形電路將交流正弦波信號(hào)變換為適合PLC測(cè)量的方波信號(hào)，PLC根據(jù)此信號(hào)測(cè)量交流信號(hào)的頻率及相位差。當(dāng)計(jì)算機(jī)判斷所有并網(wǎng)條件均滿足時(shí),進(jìn)行并網(wǎng)。

5WinCC監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)選用的控制器是S7-200PLC，所以組態(tài)軟件也選擇西門子公司的，可實(shí)現(xiàn)與PLC無(wú)縫銜接的WinCC組態(tài)軟件。

5.1WinCC軟件與PLC的通信實(shí)現(xiàn)

WinCC軟件要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的監(jiān)控，首先要能夠與PLC進(jìn)行通信。由于WinCC軟件客戶端目前只能通過(guò)OPC方式與S7-200PLC進(jìn)行通信，需要在上位機(jī)中安裝OPC服務(wù)器——PC Access軟件，該軟件自帶OPC客戶機(jī)測(cè)試端，用戶可以方便地檢測(cè)其項(xiàng)目的通信質(zhì)量及配置的正確性。本系統(tǒng)所采用的通信協(xié)議為PPI協(xié)議，其只需1根PC/PPI編程電纜就可以實(shí)現(xiàn)WinCC軟件與S7-200PLC的通信(見圖3)。

圖3　WinCC軟件與S7-200PLC的通信示意圖

5.2上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

首先應(yīng)在變量管理器中建立相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器連接，并定義訪問(wèn)PLC的過(guò)程變量，通過(guò)WinCC軟件系統(tǒng)給定的各種圖形庫(kù)來(lái)制作工作現(xiàn)場(chǎng)的畫面，再將所建立的變量連接到各畫面中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變量。

本文所述系統(tǒng)在透平發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)(見圖4)的監(jiān)控過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，減少了現(xiàn)場(chǎng)人力資源的浪費(fèi)及操作人員的工作量，使操作人員在控制室就能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地顯示現(xiàn)場(chǎng)情況，也使故障得以及時(shí)解決，提高了生產(chǎn)效率，減少了投資成本和資源浪費(fèi)，直觀的監(jiān)控界面使得操作變得簡(jiǎn)單。

圖4　透平發(fā)電并網(wǎng)控制系統(tǒng)主監(jiān)控界面

將液力透平機(jī)作為原動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，并滿足并網(wǎng)條件時(shí)，將該機(jī)組與市電并網(wǎng)，調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，該電動(dòng)機(jī)即由電動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)向電網(wǎng)輸送電能。

6結(jié)語(yǔ)

液力透平發(fā)電機(jī)組對(duì)余壓能回收的成功應(yīng)用，充分驗(yàn)證了國(guó)內(nèi)液力透平機(jī)技術(shù)的可靠性和先進(jìn)性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境及社會(huì)綜合效益，使企業(yè)認(rèn)識(shí)到了節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品的作用和價(jià)值，提高了環(huán)保生產(chǎn)的意識(shí)，具有很高的示范效應(yīng)以及推廣價(jià)值。該項(xiàng)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于石油、化工行業(yè)，為節(jié)能減排，降低單位GDP能源消耗做出貢獻(xiàn)。

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責(zé)任編輯鄭練

Optimization on the System of Centrifugal Pump as Turbine to Generate Electricity

JI Xu, WU Mingliang, WEI Yuan, LI Zhaoxian

(Mechanic and Electronic Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract：As the demand for energy and awareness of energy saving is increasing, the hydraulic turbine energy recovery equipment is as the fluid pressure energy conversion into mechanical energy or electric energy equipment. It has a positive effect on reducing energy consumption in per unit of output. The liquid pressure can be recycled in all the presence of the liquid pressure which is in the industrial production. Based on the hydraulic turbine, pressure in chemical process can have efficient recovery effect. Analyze the advantage and disadvantage of several configurations about hydraulic turbine energy recovery of residual pressure. Propose a system that hydraulic turbine direct drive generators to achieve the residual pressure energy recovery, and improvement measures about generator interconnection system based on PLC are raised. Achieve a PC turbine power generation monitoring system based on WinCC. Through practice, hydraulic turbine generator sets have high efficiency in residual pressure energy recovery with the stable and reliable state.

Key words:centrifugal pump as turbine, generator grid-connection, PLC, WinCC

收稿日期：2015-03-12

作者簡(jiǎn)介：紀(jì)旭(1987-)，男，碩士研究生，主要從事工業(yè)自動(dòng)化等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TH 311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A