尿素高調水ORC膨脹發電機組過程控制的研究與設計

付國華，魏佳佳

（河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南 新鄉 453731）

0 引言

CO2汽提尿素工藝中，高壓洗滌器產生的熱量需要調溫水進行換熱（該部分調溫水稱謂高調水），利用高調水富余熱能配套有機朗肯循環（Organic Rankine Cycle，ORC）能把該部分熱能轉化為電能，達到降低能耗的目的。目前相關研究大多停留在理論階段，工業運行案例較少，資料缺乏，并且該系統對平穩操作有很高的要求。因此，研究高調水膨脹發電機組的控制策略以及進行工程應用，對尿素裝置的高效運行具有重要的應用價值。

ORC 膨脹發電機組過程控制中，關鍵設備為蒸發器、膨脹機、冷凝器，其中蒸發器、膨脹機的控制比較重要，蒸發器出口工質蒸汽溫度的控制能夠直接影響機組運行效率；蒸發器液位的控制能夠保證膨脹機、蒸發器設備安全；膨脹機轉速控制是機組成功并網的必須條件；發電機功率調節是并網后機組穩定運行的調節手段，只有在運行時候保證各參數能穩定在工藝指標以內，ORC 膨脹發電機組才能最經濟運行，達到利用低品位熱源節能降耗的目的。

圖1 蒸發溫度、冷凝溫度對系統不可逆功率的影響Fig.1 Influence of evaporation temperature and condensation temperature on the irreversible power of the system

圖2 工質質量對工質溫度的影響Fig.2 Effect of working medium quality on working medium temperature

圖3 蒸發器出口溫度調節原理圖Fig.3 Schematic diagram of evaporator outlet temperature regulation

1 蒸發溫度的控制

通過查閱文獻及軟件模擬，當蒸發溫度升高時，預熱器和蒸發器中調溫水與有機工質之間的傳熱溫差減小，傳熱溫差所引起的不可逆損失將降低。當冷凝溫度升高時，系統的不可逆損失增大，系統的輸出功率和熱效率將降低（見圖1）。蒸發溫度低同樣對系統不可逆功率影響，所以蒸發器出口工質汽體溫度必須進行有效控制，使其達到最佳控制范圍內。

1.1 蒸發器出口工質蒸汽溫度干擾量的分析

1）蒸發器內工質流量和蒸發溫度的關系

蒸發器工質流入量的大小和速度均影響著出口溫度的變化。據分析，蒸發器出口氣溫與入口工質量成反比，從圖2 響應曲線來看，有較大的慣性。工質流入量減小，則蒸發器出口工質蒸汽溫度增大。

2）高調水流量與出口工質蒸汽溫度之間的關系

高調水流量與出口工質溫度也存在一定的關系，出口溫度反映了蒸發器內熱量變化的平衡關系。通過文獻可知，蒸發器出口溫度隨著高調水流量的增大而增大，二者呈現正相關趨勢。同時響應曲線也有一定的慣性和延遲，并且蒸發器系統有一定的自平衡能力。

由上可知，如果想要控制出口工質溫度，可以從改變工質流量或者控制高調水質量流量進行調整和控制。通過對工藝流程的分析，影響蒸發器出口溫度的主要因素有：①高調水的流量；②高調水的溫度；③R245fa 工質流量；④R245fa 工質溫度。其中，工質在系統內部進行循環，總的流量保持不變，假如改變進入蒸發器的工質量將會影響到其他設備，造成干擾。所以，可以采用控制高調水（熱源）流量的方式，控制進入蒸發器內部的熱量，達到控制蒸發器出口溫度的目的。

1.2 蒸發溫度控制策略

蒸發器出口溫度控制策略：出口溫度設定值是一個理想值，介質在出口位置的實際溫度是一個變化值，兩者之差則為偏差值。通過偏差值就可以進一步控制高調水的流量（控制器中進行運算，輸出調節閥對應閥位），開大熱水旁路閥，則高調水從旁路閥流走，進入蒸發器的高調水流量減少；減小旁路閥開度，則進入蒸發器高調水流量增大，進而改變高調水的吸熱量，最終達到控制出口工作溫度。其出口工作溫度調節原理如圖3 所示，溫度調節控制流程如圖4 所示。

2 蒸發器液位的控制

ORC 膨脹發電機組中的蒸發器類似于化工行業中的廢熱鍋爐，它既是工藝流程中高調水的冷卻器，又是利用余熱提供工質蒸汽的動力裝置。蒸發器液位是其中的關鍵工藝參數，只有液位在合理的范圍，才能確保蒸發器和膨脹機安全運行。因此，要判斷ORC 膨脹發電機組是否運行正常，首先要看蒸發器液位是否正常。蒸發器液位的設定要結合工質兩相流的分離效果而定，如果蒸發器出口的量偏多，則對應的工質的動量也會增加，從而加劇對膨脹機的沖擊，嚴重時可能會損壞軸密封圈，甚至沖斷葉片；蒸發器液位過低，則可能破壞換熱器列管，嚴重時可能會造成爆裂事故。所以蒸發器液位是系統中關鍵指標，需要進行自動控制。

圖4 蒸發器出口溫度調節流程圖Fig.4 Flow chart of evaporator outlet temperature regulation

2.1 蒸發器液位干擾量的分析

根據工藝流程工藝特性進行分析，影響蒸發器液位的主要有以下幾個變量：①工質進液量，工質泵的打液量以及工質泵出口調節閥的開度直接影響蒸發器液位，較冷的工質進液量造成相應的純滯后；②蒸發器出口工質汽體流量，當膨脹機負荷波動時候，影響蒸發器液位，當負荷增大時候，工質蒸汽用量增加，液位下降，并有可能因為工質蒸汽突然變化造成虛假液位現象，所謂“虛假水位”主要屬于突發情況，特別是在機組負荷猛然增加的工況容易引起蒸發器內部工質壓力偏低，從而形成液面增高的情況；③蒸發器熱量波動，如高調水溫度、流量發生變化。其中，高調水量調穩定后，一般不會進行大幅度調整，所以重點為工質給液量以及蒸發器出口工質蒸汽流量。

2.2 蒸發器液位控制策略

結合鍋爐汽包液位的控制策略，主要有3 種控制方案：

1）單回路蒸發器液位控制即單沖量液位控制系統，以蒸發器液位為唯一的控制變量，液位測量信號經變送器傳輸到液位調節器，調節器通過判斷設定值與實際測定值的偏差，通過工質泵出口調節閥來改變工質流量，保持蒸發器液位在允許的范圍內。

單沖量蒸發器液位調節的優點是：典型的單回路定制控制系統，可以根據蒸發器容量是否足夠大，液位應對干擾信號的反應速度以及“虛假液位”是否嚴重的情況進行選型，在容量大、反應慢、不嚴重的情況下，單沖量就能夠滿足生產要求。

但單沖量蒸發器液位調節存在著一些缺點：單沖量控制方案只根據蒸發器液位信號控制給液量，在階躍擾動很大時，存在“虛假液位”現象，例如工質蒸氣負荷增加時，會造成蒸發器工質進液量和出口工質蒸氣的不平衡。由于工質給液壓力變化等原因造成工質給液量變化時，調節器要等到液位進行變化后才進行動作，并且有一定的遲滯現象。因此，可能導致蒸發器液位波動幅度大，過程時間長。

圖5 雙沖量控制系統原理方框圖Fig.5 Principle block diagram of dual impulse control system

圖6 轉速、功率調節原理圖以及現場實物圖Fig.6 Schematic diagram of speed and power regulation and in-situ physical drawing

2）帶前饋調節單回路控制，即雙沖量控制系統，主控信號為蒸發器液位測量信號，前饋信號為出口工質蒸氣流量信號，二者構成了“前饋-反饋”控制系統。

雙沖量控制系統具有以下優勢：引入前饋信號可以削弱“虛假液位”的干擾和影響。當工質蒸氣流量發生變化時，該控制系統就會產生一個與之變化趨勢相同的信號，從而對工質蒸氣流量進行前饋控制，以提升控制系統的可靠性和靜態特性。

3）三沖量液位控制系統，即帶前饋的串級控制回路，是以蒸發器液位H 為主控制信號，工質氣體流量D 為前饋控制信號，工質給液流量W 為反饋控制信號組成的控制系統。

三沖量控制回路相對單沖量和雙沖量控制系統優點如下：其控制品質最好，能有效地滿足系統對“穩、快、準”的要求，能夠有效地減弱“虛假液位”情況。與單沖量和雙沖量相比，最大的不足是系統復雜、系統成本高不易整定。

綜合3 種控制方案特點，由于該系統工質在密閉的系統內進行循環，工質泵揚程一定，打液量一定，所以由于工質給液壓力低等擾動量較小，發生次數較少，同時由于裝置為撬裝結構，工質泵出口到蒸發器管道較短，遲滯較小，且不易安裝流量計；同時為了節約成本，決定按照帶前饋調節單回路控制，即雙沖量控制系統（見圖5），引入蒸發器出口工質蒸氣為前饋信號，對液位回路進行超前調節。

3 膨脹機轉速及功率的控制

膨脹機是ORC 膨脹發電機組系統的核心部件，由于ORC 膨脹機是高速旋轉的精密設備，如果轉速過高則可能造成葉片斷裂，“飛車”情況，軸系統失穩等危險，并且膨脹機的輸出功率還需要滿足負荷的要求，從而保證整個電網的穩定。所以系統需要對ORC 膨脹機的轉速和功率進行控制調節。

3.1 膨脹機轉速、功率控制擾動量分析

ORC 膨脹機組在啟機過程中，主要涉及到轉速調節，其目的為膨脹機沖轉，按照一定升速曲線進行轉速控制，進行沖轉，直至達到能夠并網頻率。并網后，由于公司大電網的作用，轉速則達到穩定狀態，并網后主要是進行增減負荷的功率調節。根據工質膨脹機特性以及工藝流程，干擾主要為有機工質蒸汽壓力變化以及噴嘴調節閥開度兩個重要參數。這兩個參數決定了質量流量。本系統沖轉時候可以按照穩定工質蒸汽壓力，調節流量的形式或噴嘴調節閥開度一定，調節旁路。由于沖轉前熱源量已調至沖轉時候所需要能量，所以沖轉時候按照穩定壓力，調節進入膨脹機工質蒸汽質量比較容易操作，膨脹機旁路閥同時起到壓力控制作用。本系統通過調節控制閥（機組可調噴嘴）來控制膨脹機的轉速以及功率。

3.2 轉速、功率控制策略

其控制原理為：將轉速與功率的實際采集值和PLC 控制器模塊上的設定值進行比較，然后將偏差量進行計算，輸出調節閥的位置開度變化量，從而實現控制ORC 入口流量，最終實現控制膨脹機轉速和功率的效果，可采用P 和PI 相結合的控制方式，轉速較低時，系統采用純比例控制方式，允許透平有一定的的轉速偏差；當轉速達到一定值，切換至PI 控制方式，實現轉速閉環的無差控制。影響調節回路的因素還有：執行機構線性；執行機構死區；執行機構空行程；執行機構回差；執行機構及閥門的特性曲線改變，所以執行機構以及閥門定位器的選取至關重要，該位置的執行器以及閥門定位器一定要選取精確度比較高的進口產品。其控制邏輯原理圖如圖6 所示。

4 過程控制實際效果

ORC 膨脹發電機組的目的就是為了充分利用高調水的余熱，把該部分熱量充分用來發電。所以正常工況，高調水都是以穩定負荷或最大負荷進行運行，工質在膨脹發電機組內部運行，總量保持不變，蒸發器液位與冷凝器工質儲罐液位相互影響，所以溫度控制選擇調節高調水量為調節對象。當出現擾動時候及時調節高調水流量，達到控制蒸發器出口溫度的目的。通過附表測試數據（見表1）分析以及溫度運行實際曲線，蒸發器溫度能夠達到及時控制，蒸發器液位運行也比較穩定，達到控制效果；轉速調節在大轉速時候能夠起到控制作用，但是在小轉速時候容易波動，不易控制；并網后，功率能夠進行有效控制。總之，該控制系統基本滿足了控制需求，達到控制目的。

表1 性能測試記錄表Table 1 Performance test record table