有機朗肯循環(huán)發(fā)電機組控制系統(tǒng)設計

祝廣場 彭紹偉 高水華 李志

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電機組控制系統(tǒng)采用西門子可編程邏輯控制器（PLC）作為主控制器。PLC通過現(xiàn)場工業(yè)總線與人機交互界面（觸摸屏）、汽輪機控制器、發(fā)電機綜合控制與保護裝置等進行信息交換。PLC通過觸摸屏接收機組運行人員的操作指令，對機組各部件和子系統(tǒng)進行集中協(xié)調(diào)控制，對機組運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和分析，對機組運行過程中出現(xiàn)的各類故障進行分類處理，完成啟動、停機、并網(wǎng)、報警、保護等功能。機組運行人員可通過人機交互界面（觸摸屏）隨時查詢機組運行狀態(tài)參數(shù)以及電能計量顯示。機組電氣控制系統(tǒng)設置手動操作按鈕，以便于緊急事故狀態(tài)下實現(xiàn)手動安全停機。汽輪發(fā)電機系統(tǒng)主要功能有：自動啟停，無人值守；自動并網(wǎng)/解列；有功、無功控制；自動報警，保護功能；數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄等。

1 人機接口

通過用戶友好的觸摸屏，操作人員能夠從一個顯示屏上瀏覽和選擇多種控制方式及設定給定值。觸摸屏的操作界面由操作畫面、記錄制表、歷史事件信息、相關(guān)參數(shù)顯示畫面等部分組成。在觸摸屏的操作畫面中，可以實現(xiàn)汽輪機啟機、停機等控制功能，可顯示各種參數(shù)狀態(tài)及故障記錄。

1.1 顯示信息

從觸摸屏的監(jiān)控畫面中不僅可以直觀地看到整個汽輪發(fā)電機組的工藝流程，還可以顯示以下機組的運行信息：

系統(tǒng)信息顯示；

監(jiān)測量顯示；

控制參數(shù)信息；

汽輪發(fā)電機狀態(tài)信息顯示；

報警和停機邏輯顯示。

1.2 制表記錄

使用人機界面組態(tài)軟件可以實現(xiàn)定期記錄、運行操作記錄、事件順序記錄（SOE）、事故追憶記錄、設備運行記錄、跳閘一覽記錄等功能。

1.3 歷史數(shù)據(jù)存儲和檢索功能

對于系統(tǒng)測量、機組運行等歷史數(shù)據(jù)，觸摸屏具有存儲和檢索功能。觸摸屏和 PLC通過RS232通信，可以根據(jù)觸摸屏定義的PLC端口自動進行數(shù)據(jù)記錄，存儲為數(shù)據(jù)文件，并可以下載至PC機進行存儲和分析。

2 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)主要是對機組的監(jiān)測量、設備的運行狀態(tài)、機組的運行模式等進行測量、監(jiān)測和顯示，為控制系統(tǒng)進行邏輯計算、協(xié)調(diào)控制、報警保護等打好基礎(chǔ)，最終實現(xiàn)機組的無人值守功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集

在機組運行中，PLC主要對工質(zhì)、熱源、潤滑油、冷卻水、汽輪機進/排汽等進行溫度和壓力測量，對工質(zhì)泵、冷卻水泵、潤滑油泵的運行/停止、故障狀態(tài)進行監(jiān)測，對相關(guān)閥門的開/關(guān)、位置反饋進行采集，確保能夠準確地顯示出機組狀況和各設備的運行狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)處理及報警輸出

PLC接收現(xiàn)場變送器和各類開關(guān)的輸入信號后，經(jīng)過運算和邏輯處理，根據(jù)設計要求，送至監(jiān)控畫面顯示；對預設的報警定值，及時發(fā)出報警提示。

3 汽輪機控制系統(tǒng)

3.1 汽輪機啟/停控制

汽輪機控制采用505 調(diào)速器，505主要功能是實現(xiàn)對汽輪機的啟停控制，汽輪機有功功率控制，汽輪機進汽壓力限制，汽輪機超速保護等。

505調(diào)速器提供了三種不同啟動方式的選擇：自動、半自動和手動啟動。

調(diào)速器能組態(tài)成采用順序自動啟動操作方式來啟動汽輪機。該順序邏輯使505 調(diào)速器能完成從零轉(zhuǎn)速到額定轉(zhuǎn)速的完整的系統(tǒng)啟動過程。采用這一功能，汽輪機的啟動升速率和暖機轉(zhuǎn)速的保持時間取決于機組停機時間的長短。該順序邏輯能與三種起動方式中的任意一種一起使用。

3.2 轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)

轉(zhuǎn)速/功率調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務是對汽輪機的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機功率進行調(diào)節(jié)，在汽輪機啟動階段，控制從靜止升至額定轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)之后，能滿足電網(wǎng)升降負荷的要求，維持電網(wǎng)頻率不變。

在啟動階段，兩路轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過505調(diào)速器處理后作為控制的實際值，設定值通過505設定或者PLC遠程設定，偏差經(jīng)過PID運算后得出執(zhí)行機構(gòu)的開度指令，由505送至調(diào)節(jié)閥。

在并網(wǎng)階段，505調(diào)速器根據(jù)發(fā)電機斷路器和電網(wǎng)斷路器的閉合信號，自動切換至負荷控制。

工質(zhì)壓力由505檢測，引入串級控制回路，用于不同壓力時的功率輸出控制。

3.3 汽輪機危急跳閘系統(tǒng)

汽輪機危急跳閘系統(tǒng)包括超速保護、潤滑油壓力低保護、潤滑油溫度高保護等。

505用來檢測和計算汽輪機轉(zhuǎn)速，當轉(zhuǎn)速超過緊急停機設定值時，505發(fā)出緊急停機指令給PLC，同時發(fā)關(guān)閉指令給調(diào)節(jié)閥；PLC收到緊急停機指令時，立即將主汽門關(guān)閉并給發(fā)電機發(fā)解列指令，實現(xiàn)超速保護。

潤滑油壓力低保護和潤滑油溫度高保護由PLC的控制邏輯來判斷，當保護動作時，PLC通過505的外部跳閘輸入功能，共同完成緊急停機。

4 發(fā)電機綜合控制與保護系統(tǒng)

4.1 測量顯示

發(fā)電機綜合控制與保護裝置對發(fā)電機電壓、電流、功率、功率因數(shù)、發(fā)電累計電能、逆功率等參數(shù)進行測量和顯示。綜合控制器通過邏輯計算和控制功能實現(xiàn)發(fā)電機的過壓、過流、過頻、逆功等保護。

4.2 并網(wǎng)/解列

發(fā)電機并網(wǎng)之前，綜合控制器檢測發(fā)電機的電壓、頻率、相位、相序，輸出控制信號給發(fā)電機調(diào)壓器和汽輪機調(diào)速器，判斷機組是否滿足同期條件，若滿足就可以直接自動合上并網(wǎng)斷路器。不滿足時，發(fā)電機控制器發(fā)出調(diào)節(jié)指令給505調(diào)速器和發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器，使其進行相關(guān)參數(shù)自動的調(diào)節(jié)以滿足同期條件并實現(xiàn)并網(wǎng)功能。

當發(fā)電機組出現(xiàn)故障或者需要停機檢修時，發(fā)電機綜合控制與保護裝置自動將發(fā)電機跟電網(wǎng)解列，確保機組處在安全的狀態(tài)。

4.3 功率因數(shù)及無功功率控制

發(fā)電機綜合保護與控制裝置檢測發(fā)電機電壓、電流計算系統(tǒng)功率因數(shù)，通過輸出控制信號給發(fā)電機自動電壓調(diào)節(jié)器（AVR），調(diào)整發(fā)電機無功功率，實現(xiàn)恒功率因數(shù)控制。

4.4 發(fā)電機保護

發(fā)電機綜合控制與保護裝置完成以下項目的發(fā)電機保護，動作時將發(fā)電機解列并反饋至汽輪機控制器和PLC控制器：

發(fā)電機逆功率保護；

發(fā)電機差動保護；

發(fā)電機過流保護；

發(fā)電機欠壓保護。

5 結(jié)語

本文介紹了基于有機工質(zhì)的余熱發(fā)電機組控制系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)以完善的數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，結(jié)合高穩(wěn)定性、高可靠性的控制邏輯，使得機組在運行中不必投入大量人力資源，即便在故障狀態(tài)下，也能夠避免事故的發(fā)生。

[1]WOODWARD. WOODWARD 505數(shù)字式調(diào)速器說明書.

[2]吉銘. 西門子 S7- 300 在沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)中的應用. 科技論壇, 83.