一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法与流程

本发明属于能源与动力技术领域，尤其涉及一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法。

背景技术：

有机朗肯循环(ORC)是一种能有效利用中低温热能(如余热、太阳能、地热能等)的技术。传统的蒸汽朗肯循环，以水为工质，水的沸点高，如果利用低温余热，由于蒸汽比容大，不容易达到和保持过热状态，使得循环效率很低，甚至不能完成循环。有机朗肯循环采用低沸点的有机工质，由于有机工质沸点低，很容易过热，容易产生高压蒸汽，此外有机朗肯循环设备简单，便于集成和移动，所以对于回收300℃以下的低温余热有巨大的优势，不仅可以用来发电，还可以用来驱动制冷系统的压缩机和驱动反渗透海水淡化系统的高压泵。有机朗肯循环技术在低温热功转换过程中有显著的优点和广阔的应用前景，对其研究已成为中低温能源利用技术的关键和热点。有机朗肯循环(ORC)发电是工矿企业进行节能减排、降耗增效的有效措施，也是实现循环经济的必经之路。有机朗肯循环发电系统主要包括工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器、润滑油泵、膨胀机以及热源回路、冷却回路。基本热力过程为蒸汽进入膨胀机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械旋转。从膨胀机械排出的蒸汽在冷凝器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新泵回到蒸发器，如此不断地循环下去。ORC低温发电与火电厂系统有很多相似的地方。同火电厂一样，随着长时间的运行，系统中的各个部件可能发生故障，导致系统效率下降、性能恶化，造成巨大的经济损失，甚至严重威胁人身安全。因此，建立ORC过程的状态监测与控制系统来保证系统的安全、稳定、有效运行越来越得到重视。目前有关ORC控制发电的报道多见于理论，并且一些实验室搭建的ORC孤网发电实验机组多为手动操作实验，并未真正实现自动化控制。因此ORC欲实现商业化，必须实现自动化控制，并对各个状态参数进行实时监测，当设备以及自动调节系统出现故障时，系统能够自动采取措施以保护生产设备不受破坏。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法，一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统，包括有机朗肯循环发电系统和ORC监测控制系统，所述有机朗肯循环发电系统包括流量计4、压力传感器5、温度传感器6、工质泵10、蒸发器11、电动三通阀12、膨胀机13、发电机14、冷凝器15、热源回路16、冷却回路17，所述监控控制系统包括触摸屏1、PLC控制单元2、工质泵变频器3、继电器7、报警器8、多功能电功率计9；所述工质泵10、蒸发器11、电动三通阀12、膨胀机13、冷凝器15依次首尾相连，所述电动三通阀12的另一路出口直接与所述冷凝器15的入口相连，所述膨胀机13与发电机14同轴相连，所述流量计4安装在工质泵10的出口，四组压力传感器5和温度传感器6分别安装在工质泵10出口、蒸发器11出口、膨胀机13出口以及冷凝器15的出口管路上，触摸屏1与PLC控制单元2之间通过电线连接，继电器7、报警器8、多功能电力计9、工质泵变频器3与PLC控制单元2之间通过电线连接，工质泵变频器3与工质泵10的电机通过电线连接，热源回路16与冷却回路17通过导线分别与PLC控制单元2连成闭合回路。

所述ORC监测控制系统包括手动模式和自动模式两种运行模式，两种模式可在触摸屏的首页面板上进行切换。

所述ORC监测控制系统包括的手动模式，通过手动调节工质泵的变频器频率和工质泵的行程来调节发电机的输出功率和转速；所述ORC监测控制系统包括的自动模式用于机组稳定发电，在热源和冷源波动的情况下，通过多功能电力计输出频率的反馈来调节工质泵变频器的频率。

一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统的工作方法如下：

步骤A：调节好设定的系统冷热源参数，给机组通电，触摸屏1自动启动，首先按照所需功率进行手动模式调节，将工质泵调节到指定行程；

步骤B：工质泵变频器3自动启动；

步骤C：当蒸发器出口过热度模拟信号的反馈大于设定值时，电动三通阀12自动切向膨胀机13侧，同时润滑油泵启动，润滑油对膨胀机13进行润滑，膨胀机13转动带动发电机14进行供电；

步骤D：根据多功能电功率计9三相频率输出的反馈来调节工质泵变频器3频率，使发电机14转速达到额定工况；

步骤E：当发电机14转速在3000±200RPM范围波动时，发电机14的励磁AVR开始工作，使输出三相电压稳定在400±5V；

步骤F：当负载增加时，发电机14三相频率降低，自动控制系统启动，调节工质泵变频器3频率，使发电机14转速达到额定工况；

步骤G：当负载减小或者突然断路时，膨胀机13失速，电动三通阀12自动切向旁路侧，润滑油泵关闭；

步骤H：运行时间结束时，电动三通阀12自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，工质泵10自动小流量运行，待机组冷却后，关闭工质泵10，机组断电。

所述系统包括以下报警量以及相应的处理方案：

a、膨胀机失速，即同步励磁发电机三相电频率大于58HZ；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，蜂鸣器报警开启；

b、工质泵变频器运行不正常，自动控制失败；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，工质泵变频器控制停止；

c、同步励磁发电机缺相报警，UVW三相单相电流为0时，缺相报警启动；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，蜂鸣器报警开启，停机检查；

d、膨胀机入口过热度不足时，膨胀机出现湿膨胀；

处理方案：弹出警告窗口，蜂鸣器报警开启，人工调高热源温度或流量；

e、冷却出现问题，机组出现高压，冷凝压力超压；

处理方案：弹出警告窗口，储液罐上0.8Mpa安全阀自动弹起泄压；

f、膨胀机突然停止转动；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，同时PLC控制单元控制工质泵变频器减小频率，从而减小工质流量，控制系统界面弹出警告窗口，显示报警原因，蜂鸣器报警开启；

g、工质泵入口过冷度小于3℃时，即冷却回路出现问题；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，同时PLC控制单元控制工质泵变频器减小频率，从而减小工质流量，PLC控制单元对热源的三通阀发出指令，将热源进入机组的直通状态切换为旁路状态，控制系统界面弹出警告窗口，显示报警原因，蜂鸣器报警开启。

所述有机朗肯循环采用R245fa作为工质。

所述触摸屏所显示的R245fa工质的焓值、过热度、过冷度、蒸发温度、冷凝温度的未知参数，利用PLC控制单元将温度传感器采集的温度信号与压力传感器采集的压力信号作为输入参数，然后利用拟合公式计算自动获得，直接利用这些信号进行逻辑反馈，实现自动控制。

本发明的有益效果在于：

1.ORC监控系统界面能够显示重要的热工参数与电参数，可以修改PLC控制的反馈量，拟合的R245fa重要热工参数和实际查表所得参数基本无偏差，便于对ORC机组进行实时状态监测与故障诊断。

2.在非稳定热源和冷源波动下，本发明的自动控制系统具有良好的自适应性。由于有机朗肯循环发电热源温度低，与火电厂相比启动快，并且控制方案简单、有效、安全，能够在给定用电负荷时自动调节运行工况，且响应速度快，能够实现余热发电系统的稳定性，可靠性和高效运行。

3.当ORC设备以及自动调节系统出现故障时，系统能够在无人值守时自动采取措施保护生产设备不受破坏，尤其适用于移动式集成机组的孤网发电，对实现ORC发电商业化具有重要的意义。

附图说明

附图1为ORC发电监控系统结构图。

附图2为ORC监控系统软件界面示意图。

附图标记：1-触摸屏、2-PLC控制单元、3-工质泵变频器、4-流量计、5-压力传感器、6-温度传感器、7-继电器、8-报警器、9-多功能电功率计、10-工质泵、11-蒸发器、12-电动三通阀、13-膨胀机、14-发电机、15-冷凝器。

具体实施方式

为实现有机朗肯循环孤网发电监控系统的自动化控制，自动调节系统故障，在无人值守时自动采取措施保护生产设备不受破坏，本发明提出了一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法。下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图1为ORC发电监测系统结构图，如图1所示，包括有机朗肯循环发电系统和ORC监测控制系统，所述有机朗肯循环发电系统包括流量计4、压力传感器5、温度传感器6、工质泵10、蒸发器11、电动三通阀12、膨胀机13、发电机14、冷凝器15、热源回路16、冷却回路17，所述监测控制系统包括触摸屏1、PLC控制单元2、工质泵变频器3、继电器7、报警器8、多功能电功率计9；所述工质泵10、蒸发器11、电动三通阀12、膨胀机13、冷凝器15依次首尾相连，所述电动三通阀12的另一路出口直接与所述冷凝器15的入口相连，所述膨胀机13与发电机14同轴相连，所述流量计4安装在工质泵10的出口，所述压力传感器5和温度传感器6安装在工质泵10出口、蒸发器5出口、膨胀机13出口以及冷凝器15的出口管路上，触摸屏1与PLC控制单元2之间通过电线连接，继电器7、报警器8、多功能电力仪表9、工质泵变频器3与PLC控制单元2之间通过电线连接，工质泵变频器3与工质泵10的电机通过电线连接，热源回路16与冷却回路17通过导线分别与PLC控制单元2连成闭合回路。

有机朗肯循环发电监控系统的监测与控制方法为：首先将ORC机组上的流量计4、压力传感器5、温度传感器6分别所采集到的运行参数流量、压力、温度以及多功能电功率计9所采集的发电机转速、发电机电压、发电机电流、发电机输出功率通过模拟量和数字量输入电路送至PLC控制单元2中；其次PLC控制单元2把各种信号信息传送至触摸屏电脑1上，从而可以在触摸屏电脑上显示热工参数以及电参数。同时触摸屏电脑1上的操作按钮又能对PLC控制单元2发出控制指令。PLC控制单元2可以控制改变工质泵变频器3的频率，进而改变工质泵的流量；PLC控制单元2也控制着润滑油泵变频器的频率，从而控制膨胀机13中润滑油的流量。同时PLC控制单元2控制继电器7以及报警器8的开启。继电器7的开启决定电动三通阀12处于旁路状态或者直通状态。将冷源回路与热源回路的温度、流量信号传输到PLC控制单元2中，PLC控制单元2控制冷却水回路的开启以及热源三通阀的开启。其中将蒸发器出口过热度、膨胀机出口过热度以及发电机转速作为PLC控制单元2的反馈量。

ORC机组发电时自动控制的具体步骤如下：

步骤A：调节好设定的系统冷热源参数，给机组通电，触摸屏1自动启动，进入ORC(有机朗肯循环)系统控制软件，首先按照所需功率进行手动模式调节，将工质泵调节到指定行程；

步骤B：按下ORC监控系统软件界面上的自动启动开始按钮，工质泵变频器3自动启动(变频器启动初始值设定为20-25HZ，设定值在ORC监控系统软件的界面上可以输入调整)；

步骤C：当ORC监控系统界面上蒸发器11出口过热度模拟信号的反馈大于设定值时，电动三通阀12自动切向膨胀机13侧，同时润滑油泵启动，润滑油对膨胀机13进行润滑，膨胀机13转动带动同步励磁发电机14进行供电；

步骤D：根据多功能电功率计14三相频率输出的反馈，以周期逼近的方法调节工质泵变频器3频率，使发电机转速达到额定工况。由于调节工质泵变频器3的频率后，流量的变化有滞后性，所以，在发电频率较低时，自动在一个周期约1-2分钟，上调工质泵变频器3频率2-3HZ，然后逐步递加到设定工况。

步骤E：当同步励磁发电机14转速在3000±200RPM范围波动时，同步励磁发电机的励磁AVR开始工作，使输出三相电压稳定在400±5V，交流电的频率随着热源温度波动小范围波动。

步骤F：当负载增加时，发电机三相频率降低，自动控制系统启动，调节工质泵变频器3频率，使发电机14转速达到额定工况；

步骤G：当负载减小或者突然断路时，膨胀机13失速，电动三通阀12自动切向旁路侧，润滑油泵关闭；

步骤H：运行时间结束时，按下ORC监控系统界面上的自动停止按钮，电动三通阀12自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，工质泵10小流量运行，待机组冷却后，关闭工质泵10，机组断电。

对于系统出现故障时，控制系统还包括以下报警量以及处理方案：

A、膨胀机失速，即同步励磁发电机三相电频率大于58HZ；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，蜂鸣器报警开启；

B、工质泵变频器运行不正常，自动控制失败；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，工质泵变频器控制停止；

C、同步励磁发电机缺相报警，UVW三相单相电流为0时，缺相报警启动；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，蜂鸣器报警开启，停机检查；

D、膨胀机入口过热度不足时，膨胀机出现湿膨胀；

处理方案：弹出警告窗口，蜂鸣器报警开启，人工调高热源温度或流量；

E、冷却出现问题，机组出现高压，冷凝压力超压；

处理方案：弹出警告窗口，储液罐上0.8Mpa安全阀自动弹起泄压；

F、膨胀机突然停止转动；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，同时PLC控制单元控制工质泵变频器减小频率，从而减小工质流量，控制系统界面弹出警告窗口，显示报警原因，蜂鸣器报警开启；

G、工质泵入口过冷度小于3℃时，即冷却回路出现问题；

处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，同时PLC控制单元控制工质泵变频器减小频率，从而减小工质流量，PLC控制单元对热源的三通阀发出指令，将热源进入机组的直通状态切换为旁路状态，控制系统界面弹出警告窗口，显示报警原因，蜂鸣器报警开启。

附图2为ORC监控系统软件界面示意图，如图2所示，ORC监控系统界面操作简单，功能齐全，具有系统全貌界面、全部参数界面、运行参数界面、趋势图界面4个子界面。系统全貌界面为默认界面，能够在系统流程图中显示重要的热工参数如压力、流量、温度、过热度，也能够显示负载的电压电流、发电机转速以及电功率，便于对机组进行实时状态监测，系统全貌界面还便于对机组进行各种重要操作，如机组运行模式，包括手动模式和自动模式，两种模式可在控制触摸屏界面的首页面板上进行切换。还可以控制工质泵、油泵的启停。系统全貌界面弹出的报警窗口的信息有利于快速找出机组报警原因，方便进行故障诊断。在全部参数界面记载了机组所有的热工参数与电参数，包括热源回路与冷源回路、工质回路所有压力、温度采集值以及拟合计算的重要参数值。运行参数界面可以对PLC控制的反馈量进行修改，如PLC控制电动三通阀开启所需的过热度值、工质泵启动时的频率、工质泵变频器的自动调整周期、工质泵频率变化步长、发电机目标频率、发电机超速频率。趋势图界面显示热源温度、冷源温度、负载波形以及各个部件进出口压力、温度随时间变化的动态趋势，便于寻找规律和发现问题，做到实时数据显示与记录。在ORC控制系统界面所上显示的R245fa的重要参数焓值、过热度、过冷度是利用PLC逻辑控制单元采集温度传感器的温度信号以及压力传感器的压力信号作为输入参数，然后利用拟合公式计算出R245fa工质未知的重要参数如过热度、蒸发温度、冷凝温度、焓值等，直接利用这些信号进行逻辑反馈，实现自动控制，避免了查询R245fa表的麻烦，更加方便，拟合公式如下所示：

(1)蒸发温度T_sat,P1(℃)

其中P_p,out为工质泵出口压力采集值。

(2)冷凝温度T_sat,P2(℃)

其中P_p,in为工质泵入口压力采集值。

(3)蒸发器出口过热度T_eva,sup(℃)

T_eva,sup＝T_eva,out-T_sat,p1

其中T_eva,out为蒸发器出口(旁路)采集值，T_sat,p1为蒸发温度值。

(4)膨胀机入口过热度T_exp,sup(℃)

T_exp,sup＝T_exp,in-T_sat,p1

其中T_exp,in为膨胀机入口温度采集值，T_sat,p1为蒸发温度值。

(5)膨胀机入口焓值计算H_exp,i(kJ/kg)

其中T_sat,p1为蒸发温度值，T_exp,sup为膨胀机入口过热度计算值。

(6)膨胀机出口过热度T_exp,sup2

T_exp,sup2＝T_exp,out-T_sat,p2

其中T_exp,out为膨胀机出口温度采集值，T_sat,p2为冷凝温度值。

(7)膨胀机出口焓值计算Hexp,o(kJ/kg)

其中T_sat,p2为冷凝温度值，T_exp,sup2为膨胀机出口过热度计算值。

(8)泵入口焓值计算Hp,in(kJ/kg)

H_p,in＝200.3827+1.2708T_p,in+0.000896T_p,in²

+1.0855×10^-6T_p,in³+2.0780×10^-8T_p,in⁴

其中H_p,in为工质泵入口温度采集值。

(9)泵出口焓值计算H_eva,in(kJ/kg)

H_eva,in＝200.3827+1.2708T_p,out+0.000896T_p,out²

+1.0855×10^-6T_p,out³+2.0780×10^-8T_p,out⁴

其中T_p,out为工质泵出口温度采集值。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。