結合有機朗肯循環的異步發電機啟動

何小輝，朱 弢

（南京天加熱能技術有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引 言

人類自從第一次“蒸汽革命”之后，科技與經濟水平較之前幾個世紀有了突躍地發展，但期間化石燃料的大量消耗，產生了嚴峻的環境污染，其危害程度超過了工業革命之前幾個世紀的總和?！熬G色經濟”的理念隨即在本世紀由聯合國環境署提出，全球政府開始更加注重節能減排，對污染較大的企業，尤其是化工廠，有了更為嚴苛的環保要求，因此在節能研究領域中的低溫余熱回收利用技術已經發展成為重要課題之一[1]。目前針對ORC系統的研究，大部分集中在熱力系統設計上，如工質的選擇[2-4]，換熱器的設計與優化[5-7]等，而對發電機的研究文獻在網上較少。在少量關于ORC系統電機文獻中，大部分都集中在同步發電機上，對異步發電機的介紹就更加難以搜尋。本文主要介紹了在某ORC系統中，為突破某種帶有專利技術保護的軟啟動器的限制，設計采用了一套常規開式星三角啟動方案，并用測試實驗數據加以論證，從而豐富了異步發電機在ORC系統中的案例信息，為ORC的實際應用提供參考。

1 ORC發電系統

有機朗肯循環與常規的蒸汽朗肯循環類似，只是采用的是低沸點有機物作為工質的動力循環，是一種新型、環保的發電技術[8]。本文中的測試平臺建立在公司實驗室內，測試平臺由熱水（蒸汽）循環裝置、冷卻水循環裝置、電力裝置三部分構成，如圖1所示。平臺配合向心透平有機朗肯循環發電設備發電。電力裝置連接380 V 電源，接入點和接入方式需提前到當地供電局申報并備案。該部分包括斷路器、多功能雙向計量電表等[9]。

2 異步發電機

2.1 工作原理

異步發電機是利用定子與轉子間氣隙旋轉磁場與轉子繞組中感應電流相互作用的一種交流發電機。依工作原理又稱“感應發電機”。轉速略高于同步轉速。輸出功率隨轉差率大小而增減。可由電網激磁或用電力電容器自行激磁[10-12]。

2.2 電機參數

本文實驗室測試的異步發電機的機頭部分數據如表1所示。

3 異步發電機在ORC系統中的啟動

3.1 軟啟動器（特殊定制款）

3.1.1 定 義

軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Starter。它的核心部件是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路。

3.1.2 工作原理

（1）電動機狀態。使用軟啟動器啟動發電機時，首先將異步發電機看成一個普通異步電動機，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低了啟動電流，避免啟動過流跳閘。

（2）發電機狀態。待異步發電機達到額定轉速時（轉速有電機內預制的速度傳感器測量），啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，之后只為發電機機正常運轉所需要的電壓，機組透平進氣閥門在軟啟動器啟動結束（到達額定轉速）的瞬間打開，高壓氣態工質進入，推動透平高速旋轉，進一步帶動異步發電機轉動，當電機轉速超過額定轉速時，即轉差率S＜0，異步電機進入發電狀態，工質推動透平的機械能轉化為電能向電網或者負載輸送[13-15]。

3.1.3 優 點

晶閘管降壓啟動，減少啟動電流，啟動時電流變化趨勢比較平滑，對電網沖擊相對較小，圖2為軟啟動理論電流運行曲線圖，圖3為實際示波器測試電流曲線圖。

3.1.4 特殊點

不同于普通電動機的軟啟動器只提供降壓啟動和計量啟動及電機運行過程數據的功能，該款軟啟動器根據此異步發電機的電氣參數性能特殊定制，具有雙向電路計量和保護的功能，通過兩塊含芯片的PCB控制板，實時監測電機在耗電（電動機狀態）和發電（發電機狀態）兩個過程中的運行數據，從而保護整個發電機的工作電路。

3.2 開式星三角啟動（用在異步發電機上）

3.2.1 定 義

在電機啟動時將電機接成星型接線，當電機啟動成功后再將電機改接成三角型接線的一種啟動方式。

3.2.2 工作原理

（1）電動機狀態。①星型啟動：機頭接線柱X-Y-Z通過星型接觸器吸合相連，A、B、C三端接三相交流電壓380V，此時每相繞組電壓為220 V，較直接加380 V啟動電流大為降低，避免了過大的啟動電流對電網形成的沖擊。此時的轉矩相對較小，但電動機可達到一定的轉速；②三角型運行：經星型啟動電動機持續一段時間（約10 s）達到一定的轉速后，通過PLC控制，斷開星型接觸器，將三角型接觸器吸合，每相繞組電壓變為380 V，轉矩和轉速大大提高，電動機進入額定條件下運行。

（2）發電機狀態。通過發電機內置的速度傳感器監測電機的轉速，在發電機以三角型模式運行達到額定轉速時，機組透平閥門瞬間打開，高壓氣態工質進入，推動透平高速旋轉，從而帶動發電機轉動，當電機轉速超過額定轉速時，即轉差率S＜0，異步電機進入發電狀態，工質推動透平的機械能轉化為電能向電網或者負載輸送。

3.2.3 優點

星三角啟動也屬于降壓啟動，它是以犧牲功率為代價換取降低啟動電流。相較于直接啟動，啟動電流較低；但比軟啟動的啟動電流略高一些。

3.2.4 特殊點

星型啟動是將電機從靜止狀態變成旋轉狀態，并通過電網提供無功電流產生自勵，切換成三角型狀態時，中間的切換時間不宜過長，否則切換瞬間的電流過高容易使發電機處的斷路器脫扣。

4 應 用

4.1 第一次試驗

4.1.1 選 型

根據272 kW異步發電機額定電流430 A，選取某A品牌接觸器2個，規格是475 A和410 A，分別用在三角型和星型啟動模式下。為了實時監測發電機啟動和運行狀態，在斷路器與星三角接觸器間安裝了1套電流互感器CT和1個相配套的多功能電表。

4.1.2 安 裝

根據“精益預制”的設計理念，將兩個接觸器和銅排組裝成1個撬裝模塊（底板與原軟啟動器尺寸開孔一致），以適應項目現場電控柜內原軟啟動器與星三角改造的無縫銜接更換，做到易拆易裝的效果，減少安裝失誤率，在外觀上也有美化的效果，如圖4所示。

4.1.3 測 試

經過測試，發現星三角啟動方案基本達到預期效果，但也有一些問題需要改善，如星型與三角型接觸器切換的時間間隔選??；星型接觸器規格是否偏大；某品牌A接觸器內部拉弧現象比較嚴重等。

4.1.4 數 據

經過多功能電表在電機啟動時數據的記錄，星型運轉時電流34 A，切換成三角型瞬間電流達到200 A，三角型運轉電流（發電機空轉電流）66 A，如圖5所示。

4.1.5 分 析

常規的多功能電表在異步發電機以星三角啟動過程中，只能計量電流的有效值，且短時間峰值電壓無法計量（精度較低），但圖5內3組電流數據足夠可以給ORC發電系統前端斷路器的選型提供參考。

4.2 第二次試驗

4.2.1 目 的

針對第一次測試結果，做出優化，即星型接觸器型號規格適當減小來節省成本和接觸器品牌的更換來觀察觸頭拉弧現象（主要目的）。

4.2.2 選 型

根據272 kW電機額定電流430 A，重新選取某B品牌接觸器2個，規格是460 A和375 A，分別用于三角型和星型啟動。

4.2.3 測 試

經過測試，發現某B品牌接觸器拉弧現象較A品牌有顯著改善，星型接觸器型號縮小后，接觸器表面與相連的銅排無明顯發熱現象，試驗結果達到預期目標。

4.3 第三次試驗

4.3.1 目 的

第二次測試結果，基本滿足試驗期望。為追求嚴謹的符合試驗數據，采用示波器取樣電機啟動電流。

4.3.2 數據記錄

數據記錄見圖6～圖10。

4.3.3 分 析

異步發電機在啟動到運行的過程中，有2個電流變化劇烈的階段，分別是電機以星型啟動的瞬間和星三角切換的瞬間，從圖6中可以直觀地看出。在圖7星型啟動過程中，發電機從靜止到空轉狀態，共耗時2.14 s，在這期間最大的波峰電壓為1 475 A，后面逐步衰減；從圖8可以看出星型平穩運行電流39.25 A（即星型啟動的空載電流）；從圖9可以看出，星三角切換共耗時248 ms，期間最大波峰電壓1 118 A；從圖10可以推算出，三星型運行平穩運行電流66.375 A（即三角型啟動的空載電流）。

4.4 后續試驗設想（持續改善）

4.4.1 目 的

針對前兩次測試結果，主要針對星型啟動瞬間啟動電流偏高的問題做出優化。

4.4.2 思 路

（1）星型啟動瞬間，是電能將電機從靜止狀態變成旋轉狀態，初始的啟動電流較高，這是每個電機都會遇到的問題，電機容量越大，啟動電流越大，一般是電機的額定電流的3倍以上，改為閉式星三角是否有改善；

（2）電機星型啟動之前，提前投入無功補償，給發電機提供無功，星型啟動后觀察啟動電流有無改善；

（3）針對在發電機的應用場合，可以在透平進口處安裝一個微型調節閥，設置一個開度，控制一定量的蒸發器中的高壓氣態工質推動透平，讓透平以一定速度帶動發電機運轉，再關閉閥門。在發電機旋轉狀態下以星型啟動，觀察初始電流是否會減?。?/p>

（4）步驟（3）難點一是何時給微型調節閥一定開度，比如蒸發器中壓力達到一定數值開啟；難點二是微型調節閥瞬間給多大開度，開多長時間關閉，否則透平帶動電機轉速過快，之后電機再以星型啟動，初始電流反而比靜止時更大；

（5）將（2）和（3）結合考慮，再次比較。

5 結 論

目前在利用有機朗肯循環回收余熱的項目現場，一般余熱的品質相對較低，對單臺裝機容量小的機組比較適合。而且一般有大量余熱的工廠，其廠規模相對較大，企業無功容量比較富足，可以克服異步發電機并網瞬間對電網的沖擊的缺點，因此在滿足上述條件后，當異步發電機不能在400 V電網電壓下直接啟動的情況下，采用開式星三角啟動也不失為一種經濟且可靠的運行方式，本文對異步發電機在ORC應用上的啟動運行提供一個借鑒。