微型燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何 成 1,2

(1.上海理工大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093；2.上海第二工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 上海 201209）

0 引言

微型燃汽輪機(jī)以小規(guī)模、分散式的方式布置在用戶(hù)附近，可獨(dú)立輸出電、熱量[1]。微型燃汽輪機(jī)在出廠前需要經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，只有連續(xù)48小時(shí)運(yùn)行無(wú)故障，才能稱(chēng)得上是合格產(chǎn)品。微型燃汽輪機(jī)連續(xù)運(yùn)行排出的煙氣溫度一般都十分高，目前普遍在500 °C左右。如此高溫的煙氣如果不加處理直接排入大氣，一會(huì)帶來(lái)資源浪費(fèi)，二會(huì)加劇溫室效應(yīng)，對(duì)大氣環(huán)境造成破壞。無(wú)論從環(huán)保、安全和便利性還是從建立節(jié)約型社會(huì)、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康發(fā)展方面考慮[2]，將這些熱量進(jìn)行回收利用都是十分必要的?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）作為新一代的工業(yè)控制裝置[3]，具有功能全面、編程簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[4]，可使復(fù)雜的工業(yè)控制變得簡(jiǎn)單、靈活。本套燃?xì)廨啓C(jī)的余熱回收系統(tǒng)，根據(jù)控制要求，用PLC進(jìn)行軟件編程，來(lái)控制各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高溫蒸汽和冷水的自動(dòng)循環(huán)換熱，經(jīng)加熱的水可供相關(guān)企業(yè)員工用于沐浴等。本套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制自動(dòng)化程度高，適合燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)企業(yè)使用。

1 燃?xì)廨啓C(jī)回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收系統(tǒng)主要分兩大部分：一是燃?xì)廨啓C(jī)的供油系統(tǒng)，二是燃?xì)廨啓C(jī)的余熱回收系統(tǒng)。其中供油系統(tǒng)提供每日所需的柴油，將每日剩余的柴油加以回收，確保設(shè)備安全；余熱回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱量的交換，輸出一定溫度的熱水。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of gasturbine heat recovery

系統(tǒng)的工作原理相應(yīng)分兩部分：一是供油部分，二是余熱回收部分。供油部分給燃?xì)廨啓C(jī)提供每日工作所需用油。按下啟動(dòng)按鈕，油料從進(jìn)油管流入。通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)油的流量大小，經(jīng)過(guò)過(guò)濾器過(guò)濾掉油中雜質(zhì)，再用泵來(lái)提高油壓，把油輸入日用油箱，用來(lái)滿(mǎn)足燃?xì)廨啓C(jī)每日的用油需要。日用油箱上安裝了必要的通風(fēng)和溢流裝置，多余的油通過(guò)排油管或排油閥排入排油箱中。

排油箱是存放排出油的容器，共有兩種油排入排油箱：第一種是燃?xì)廨啓C(jī)的儲(chǔ)備油料，燃?xì)廨啓C(jī)油箱內(nèi)裝有用于檢測(cè)油料情況的傳感器，排油管道中裝有用于調(diào)節(jié)排油量的調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥將會(huì)根據(jù)傳感器發(fā)出的信號(hào)來(lái)調(diào)劑排油量，以防止油料溢出；第二種是燃?xì)廨啓C(jī)的工作油料，使用后排出的油料會(huì)直接排入排油箱內(nèi)。

在油箱的上方還裝有通風(fēng)管。為了防止調(diào)節(jié)閥和傳感器由于出現(xiàn)故障而無(wú)法使用，從而導(dǎo)致油箱的油料溢出，加裝了通風(fēng)管，一方面可以排出油箱中的氣壓，另一方面可以防止溢流，起到雙保險(xiǎn)的作用。

余熱回收部分是系統(tǒng)的關(guān)鍵。回收部分將燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c冷水進(jìn)行充分換熱，提供符合要求的熱水。高溫?zé)煔饬魅霟熕畵Q熱器的管道內(nèi)，同時(shí)冷水通過(guò)電磁閥控制水流大小，再經(jīng)過(guò)水泵增壓，流入煙水換熱器管道外側(cè)，與管道內(nèi)的高溫?zé)煔膺M(jìn)行熱量的充分交換。剩余的煙氣排入大氣，經(jīng)加熱后的水進(jìn)入熱水箱。

一次換熱，尚不能將20 °C的冷水加熱到符合要求的熱水，所以需要多次循環(huán)換熱，即熱水箱的溫水需通過(guò)流入煙水換熱器與高溫?zé)煔庠俅螕Q熱，直到符合要求為止。

溫度傳感器不間斷地檢測(cè)熱水箱內(nèi)水溫。如果用戶(hù)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有用水，熱水箱的水溫度下降，則水路切換閥的閥門(mén)打開(kāi)，熱水箱的水重新進(jìn)入煙水換熱器，進(jìn)行重新加熱。同時(shí)，溫度傳感器不斷檢測(cè)煙水換熱器內(nèi)被加熱水的水溫，直至水溫重新達(dá)到所要求的溫度，則水路切換閥門(mén)打開(kāi)，被加熱過(guò)的水又一次進(jìn)入熱水箱，供用戶(hù)使用。

2 控制系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

控制裝置的組成包括工控機(jī)、PLC、觸摸屏、水溫檢測(cè)傳感器、水位和油位監(jiān)測(cè)傳感器等，其中現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)采用符合工控環(huán)境的研華工控機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)下位機(jī)采用專(zhuān)為工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)的PLC控制器。本系統(tǒng)采用PLC作為系統(tǒng)控制核心。

可編程控制器PLC采用日本三菱公司的FX2n型PLC。FX2n系列是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列，具備如下特點(diǎn)：最大范圍包容了標(biāo)準(zhǔn)，程序執(zhí)行更快，全面補(bǔ)充了通訊功能，滿(mǎn)足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，可以為自動(dòng)化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。觸摸屏是與PLC配套使用的設(shè)備，是一種取代控制面板和鍵盤(pán)的智能操作顯示器。如圖2所示，油位、水溫、水位都由傳感器來(lái)確定信號(hào)。傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)日用油箱內(nèi)的油位、熱水箱內(nèi)的水位和水溫等數(shù)據(jù)，再將反饋量輸入PLC，來(lái)控制各調(diào)節(jié)閥、油泵的狀態(tài)。

PLC負(fù)責(zé)系統(tǒng)各組成部件的控制運(yùn)行、安全聯(lián)鎖保護(hù)與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)行狀態(tài)顯示和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、便捷的現(xiàn)代化操作和管理?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)使用戶(hù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、維護(hù)和調(diào)試，為實(shí)現(xiàn)分布在不同地點(diǎn)的各個(gè)控制設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)行提供技術(shù)保障。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

PC與PLC之間的軟件設(shè)計(jì)采用可視化的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言 Visual Basic語(yǔ)言，來(lái)實(shí)現(xiàn)PC和控制器之間串口通信及網(wǎng)絡(luò)通信。

PLC自帶程序。可以根據(jù)集中控制臺(tái)上所需控制的量來(lái)確定輸入、輸出端。根據(jù)文獻(xiàn)[5]可以看出，PLC的輸入有3點(diǎn)，輸出有12點(diǎn)，共15點(diǎn)，選用16點(diǎn)的三菱FX2n型PLC可以滿(mǎn)足要求。

圖2 控制系統(tǒng)圖Fig.2 Control system diagram

表1 I/O分配表Tab.1 I/O allocation table

根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，PLC的流程框圖如圖3所示：

圖3 PLC控制系統(tǒng)的程序框圖Fig.3 PLC control system block diagram

3 結(jié)論

不同工況下的運(yùn)行結(jié)果和數(shù)據(jù)表明，本套系統(tǒng)具備高效、環(huán)保、安全、節(jié)能等特點(diǎn)，減少了高溫?zé)煔庵苯优欧湃氪髿舛鴮?duì)大氣造成的污染。以PLC和 PC為核心的系統(tǒng)硬件設(shè)施完備、軟件編程方便，大大提高了微型燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和可靠性，系統(tǒng)可以安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]池里杰, 翁一武.微型燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)的控制[J].華東電力, 2007, 35(11):52-54.

[2]俞新祥, 翁一武.楊錦成.分布式供能系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].熱力發(fā)電, 2006(10):11-16.

[3]劉美俊.基于PLC的挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用, 2007, 34(5):17-62.

[4]喬?hào)|凱.基于PLC對(duì)熱電廠給煤機(jī)控制系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用, 2009(4):123-125.

[5]張世生, 張冬梅.淬火機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào), 2009, 23(2):102-105.