有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組順序控制系統(tǒng)研究

祝廣場(chǎng) 張麗芳 高水華 梅映新

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所， 武漢 430064）

0 引言

順序控制系統(tǒng)是按照設(shè)計(jì)好的步序完成機(jī)組或設(shè)備的啟停，簡(jiǎn)稱為順控（SCS）。順序控制系統(tǒng)是自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志[1]。汽輪機(jī)的啟動(dòng)、并網(wǎng)和停機(jī)屬于非正常運(yùn)行的工況，在此狀態(tài)下，汽輪機(jī)的各個(gè)部件由于受熱不均勻等很容易受到致命的影響，進(jìn)而縮短其使用的壽命。因此，對(duì)汽輪機(jī)的啟停和并網(wǎng)進(jìn)行控制顯得尤其重要。

1 汽輪機(jī)啟動(dòng)

汽輪機(jī)的啟動(dòng)是指汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子從靜止或盤車狀態(tài)加速至額定轉(zhuǎn)速，并將負(fù)荷逐步地加到額定值的過程。汽輪機(jī)啟動(dòng)方式按照工質(zhì)參數(shù)、進(jìn)汽閥門和啟動(dòng)溫度有不同的分類方法。

1.1 按工質(zhì)參數(shù)分類

（1）定參數(shù)啟動(dòng)。整個(gè)啟動(dòng)過程中，從沖轉(zhuǎn)到機(jī)組帶額定負(fù)荷，主汽門前的工質(zhì)壓力和溫度始終保持為額定值，通過調(diào)整調(diào)節(jié)汽門的開度來(lái)適應(yīng)機(jī)組在啟動(dòng)過程中不同階段的要求。這種啟動(dòng)方式熱經(jīng)濟(jì)性差、金屬部件加熱不均以及熱沖擊較大。

（2）滑參數(shù)啟動(dòng)。啟動(dòng)過程中，主汽門前的工質(zhì)壓力和溫度隨機(jī)組轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的變化而逐漸升高。對(duì)噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機(jī)，定速后調(diào)節(jié)閥保持一定開度，完全靠蒸汽參數(shù)的調(diào)整來(lái)適應(yīng)機(jī)組啟動(dòng)過程中不同階段的要求。這種啟動(dòng)方式的特點(diǎn)是熱經(jīng)濟(jì)性好，金屬部件加熱均勻，并且金屬溫度隨蒸汽溫度的逐步升高而升高，不會(huì)受到強(qiáng)烈的熱沖擊，有利于設(shè)備安全。

1.2 按控制進(jìn)汽流量的閥門分類

（1）用調(diào)門啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)主汽門全開，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量由調(diào)門來(lái)控制。

（2）用主汽門和旁路門啟動(dòng)。啟動(dòng)前，調(diào)門全開，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量由主汽門和旁路門來(lái)控制。

1.3 按啟動(dòng)前汽輪機(jī)金屬溫度水平分類

（1）冷態(tài)啟動(dòng)：金屬溫度低于滿負(fù)荷時(shí)金屬溫度的 40%或金屬溫度低于 150～180 ℃以下稱為冷態(tài)啟動(dòng)。

（2）溫態(tài)啟動(dòng)：金屬溫度低于滿負(fù)荷時(shí)金屬溫度的 40%～80%或金屬溫度在 180～350 ℃之間稱為溫態(tài)啟動(dòng)。

（3）熱態(tài)啟動(dòng)：金屬溫度高于滿負(fù)荷時(shí)金屬溫度的80%或金屬溫度在350 ℃以上，稱為熱態(tài)啟動(dòng)。有時(shí)熱態(tài)又分為熱態(tài)（350～450 ℃）和極熱態(tài)（450 ℃以上）。

2 汽輪機(jī)啟動(dòng)的允許條件

汽輪機(jī)在啟動(dòng)之前，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢查所需的啟動(dòng)允許條件是否都已滿足，若不滿足，則不允許啟動(dòng)。這些允許條件一般包括：工質(zhì)參數(shù)、油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)狀態(tài)和系統(tǒng)報(bào)警等。

2.1 工質(zhì)參數(shù)

工質(zhì)參數(shù)對(duì)機(jī)組啟動(dòng)影響較大的是溫度，理想的工質(zhì)溫度應(yīng)當(dāng)能避免啟動(dòng)初期的熱沖擊，而在隨后的過程中汽溫的上升能保證關(guān)鍵零部件的金屬維持在某一選定的溫升速度，為避免汽輪機(jī)內(nèi)出現(xiàn)濕蒸汽區(qū)，一般要求工質(zhì)有一定的過熱度。

2.2 油壓

汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)尤為重要，它起著潤(rùn)滑推力、支持軸承的作用，并支持軸承建立油楔，帶走主蒸汽通過軸傳導(dǎo)、摩擦和湍流所產(chǎn)生的熱量。潤(rùn)滑油壓力過低，汽輪機(jī)是不允許啟動(dòng)和運(yùn)行的[2]。因此，為保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸與其他部件的接觸部位有足夠的潤(rùn)滑，汽輪機(jī)的潤(rùn)滑油壓力應(yīng)維持在一定值。在某陶粒砂 ORC余熱發(fā)電控制系統(tǒng)中，潤(rùn)滑油壓力控制在 0.3 Mpa，且給調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制油壓力應(yīng)維持在 0.8 Mpa才允許機(jī)組啟動(dòng)。

2.3 潤(rùn)滑油溫度

汽輪發(fā)電機(jī)組潤(rùn)滑油系統(tǒng)為汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的各個(gè)軸承提供潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油溫度就是其軸承的進(jìn)油溫度，起到潤(rùn)滑、冷卻的作用，油溫過高，起不到冷卻的作用，無(wú)法有效帶走轉(zhuǎn)軸和油膜摩擦產(chǎn)生的熱量。油溫過低，起不到潤(rùn)滑的作用，無(wú)法有效的建立油膜，甚至誘發(fā)振動(dòng)。所以，對(duì)于 ORC余熱發(fā)電機(jī)組，一般要求潤(rùn)滑油溫度保持在30~50 ℃，以保證有一定的黏度，使軸承中能形成良好的油膜。

2.4 發(fā)電機(jī)狀態(tài)

在機(jī)組啟動(dòng)前，要確保發(fā)電機(jī)斷路器和電網(wǎng)斷路器都在斷開狀態(tài)，發(fā)電機(jī)控制器在自動(dòng)模式且沒有任何報(bào)警或故障。

2.5 其他條件

機(jī)組啟動(dòng)的其他允許調(diào)節(jié)主要包括工質(zhì)泵、潤(rùn)滑油泵、冷凝器風(fēng)扇無(wú)故障報(bào)警，或者所有報(bào)警都已經(jīng)復(fù)位；主汽門關(guān)閉、調(diào)門關(guān)閉等。

根據(jù)以上允許條件，設(shè)計(jì)的某陶粒砂 ORC機(jī)組汽輪機(jī)啟動(dòng)流程如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)啟動(dòng)流程圖

3 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)

在汽輪機(jī)達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)同步器自動(dòng)檢查發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率應(yīng)與電網(wǎng)供電頻率是否相同；隔離開關(guān)發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓應(yīng)與隔離開關(guān)電網(wǎng)側(cè)的電壓是否相等，且三相電壓的相位與電網(wǎng)三相電壓的相位是否對(duì)應(yīng)。調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速，可使發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率與電網(wǎng)供電頻率相同；調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電壓，改變勵(lì)磁電流，可使隔離開關(guān)兩側(cè)的電壓相等；讓發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率與電網(wǎng)供電頻率有一微量差，可在某一瞬間使發(fā)電機(jī)輸出電壓的相位與電網(wǎng)電壓的相位對(duì)應(yīng)，此時(shí)立即并入電網(wǎng)。

通常，為防止發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之后出現(xiàn)倒拖現(xiàn)象，要為發(fā)電機(jī)設(shè)置初始負(fù)荷，一般為額定負(fù)荷的5%~10%左右。

發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的控制流程如圖2所示。

圖2 汽輪機(jī)并網(wǎng)流程圖

4 汽輪機(jī)停機(jī)

停機(jī)是指從汽輪機(jī)帶負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)卸負(fù)荷解列發(fā)電機(jī)，切斷汽輪機(jī)進(jìn)汽到轉(zhuǎn)子靜止的過程。停機(jī)分為正常停機(jī)和事故停機(jī)。

正常停機(jī)分為滑參數(shù)停機(jī)和額定參數(shù)停機(jī)兩種，實(shí)際應(yīng)用中，一般采用滑參數(shù)停機(jī)。

滑參數(shù)停機(jī)是在調(diào)速汽門接近全開位置并保持開度不變的條件下，依靠主蒸汽、再熱蒸汽參數(shù)的降低來(lái)逐步卸負(fù)荷，降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速直到停機(jī)。用這種方式停機(jī)的目的，是要使停機(jī)后，汽缸的金屬部件均勻冷卻，金屬溫度降低到較低的水平，以便可以提前停止盤車和油循環(huán)，能夠提前進(jìn)行檢修，縮短檢修工期。

在事故停機(jī)的情況下，故障排除之后，為了能夠盡快恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行，通常保持工質(zhì)正常供應(yīng)，系統(tǒng)通過旁路閥循環(huán)運(yùn)行，維持“停機(jī)不停熱”工況。汽輪機(jī)停機(jī)的控制流程如圖3所示。

圖3 汽輪機(jī)停機(jī)流程圖

[1]秦宇飛, 白焰, 王瀟, 王天剛. 垃圾焚燒電廠順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)電力, 2010, (2).

[2]張勝華. 汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓力低的原因分析[J]. 黑河科技, 2002, (4).