尿素高調(diào)水ORC膨脹發(fā)電機(jī)組過程控制的研究與設(shè)計(jì)

付國(guó)華，魏佳佳

（河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453731）

0 引言

CO2汽提尿素工藝中，高壓洗滌器產(chǎn)生的熱量需要調(diào)溫水進(jìn)行換熱（該部分調(diào)溫水稱謂高調(diào)水），利用高調(diào)水富余熱能配套有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）能把該部分熱能轉(zhuǎn)化為電能，達(dá)到降低能耗的目的。目前相關(guān)研究大多停留在理論階段，工業(yè)運(yùn)行案例較少，資料缺乏，并且該系統(tǒng)對(duì)平穩(wěn)操作有很高的要求。因此，研究高調(diào)水膨脹發(fā)電機(jī)組的控制策略以及進(jìn)行工程應(yīng)用，對(duì)尿素裝置的高效運(yùn)行具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

ORC 膨脹發(fā)電機(jī)組過程控制中，關(guān)鍵設(shè)備為蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器，其中蒸發(fā)器、膨脹機(jī)的控制比較重要，蒸發(fā)器出口工質(zhì)蒸汽溫度的控制能夠直接影響機(jī)組運(yùn)行效率；蒸發(fā)器液位的控制能夠保證膨脹機(jī)、蒸發(fā)器設(shè)備安全；膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速控制是機(jī)組成功并網(wǎng)的必須條件；發(fā)電機(jī)功率調(diào)節(jié)是并網(wǎng)后機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的調(diào)節(jié)手段，只有在運(yùn)行時(shí)候保證各參數(shù)能穩(wěn)定在工藝指標(biāo)以內(nèi)，ORC 膨脹發(fā)電機(jī)組才能最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，達(dá)到利用低品位熱源節(jié)能降耗的目的。

圖1 蒸發(fā)溫度、冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)不可逆功率的影響Fig.1 Influence of evaporation temperature and condensation temperature on the irreversible power of the system

圖2 工質(zhì)質(zhì)量對(duì)工質(zhì)溫度的影響Fig.2 Effect of working medium quality on working medium temperature

圖3 蒸發(fā)器出口溫度調(diào)節(jié)原理圖Fig.3 Schematic diagram of evaporator outlet temperature regulation

1 蒸發(fā)溫度的控制

通過查閱文獻(xiàn)及軟件模擬，當(dāng)蒸發(fā)溫度升高時(shí)，預(yù)熱器和蒸發(fā)器中調(diào)溫水與有機(jī)工質(zhì)之間的傳熱溫差減小，傳熱溫差所引起的不可逆損失將降低。當(dāng)冷凝溫度升高時(shí)，系統(tǒng)的不可逆損失增大，系統(tǒng)的輸出功率和熱效率將降低（見圖1）。蒸發(fā)溫度低同樣對(duì)系統(tǒng)不可逆功率影響，所以蒸發(fā)器出口工質(zhì)汽體溫度必須進(jìn)行有效控制，使其達(dá)到最佳控制范圍內(nèi)。

1.1 蒸發(fā)器出口工質(zhì)蒸汽溫度干擾量的分析

1）蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)流量和蒸發(fā)溫度的關(guān)系

蒸發(fā)器工質(zhì)流入量的大小和速度均影響著出口溫度的變化。據(jù)分析，蒸發(fā)器出口氣溫與入口工質(zhì)量成反比，從圖2 響應(yīng)曲線來(lái)看，有較大的慣性。工質(zhì)流入量減小，則蒸發(fā)器出口工質(zhì)蒸汽溫度增大。

2）高調(diào)水流量與出口工質(zhì)蒸汽溫度之間的關(guān)系

高調(diào)水流量與出口工質(zhì)溫度也存在一定的關(guān)系，出口溫度反映了蒸發(fā)器內(nèi)熱量變化的平衡關(guān)系。通過文獻(xiàn)可知，蒸發(fā)器出口溫度隨著高調(diào)水流量的增大而增大，二者呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)。同時(shí)響應(yīng)曲線也有一定的慣性和延遲，并且蒸發(fā)器系統(tǒng)有一定的自平衡能力。

由上可知，如果想要控制出口工質(zhì)溫度，可以從改變工質(zhì)流量或者控制高調(diào)水質(zhì)量流量進(jìn)行調(diào)整和控制。通過對(duì)工藝流程的分析，影響蒸發(fā)器出口溫度的主要因素有：①高調(diào)水的流量；②高調(diào)水的溫度；③R245fa 工質(zhì)流量；④R245fa 工質(zhì)溫度。其中，工質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)，總的流量保持不變，假如改變進(jìn)入蒸發(fā)器的工質(zhì)量將會(huì)影響到其他設(shè)備，造成干擾。所以，可以采用控制高調(diào)水（熱源）流量的方式，控制進(jìn)入蒸發(fā)器內(nèi)部的熱量，達(dá)到控制蒸發(fā)器出口溫度的目的。

1.2 蒸發(fā)溫度控制策略

蒸發(fā)器出口溫度控制策略：出口溫度設(shè)定值是一個(gè)理想值，介質(zhì)在出口位置的實(shí)際溫度是一個(gè)變化值，兩者之差則為偏差值。通過偏差值就可以進(jìn)一步控制高調(diào)水的流量（控制器中進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)節(jié)閥對(duì)應(yīng)閥位），開大熱水旁路閥，則高調(diào)水從旁路閥流走，進(jìn)入蒸發(fā)器的高調(diào)水流量減少；減小旁路閥開度，則進(jìn)入蒸發(fā)器高調(diào)水流量增大，進(jìn)而改變高調(diào)水的吸熱量，最終達(dá)到控制出口工作溫度。其出口工作溫度調(diào)節(jié)原理如圖3 所示，溫度調(diào)節(jié)控制流程如圖4 所示。

2 蒸發(fā)器液位的控制

ORC 膨脹發(fā)電機(jī)組中的蒸發(fā)器類似于化工行業(yè)中的廢熱鍋爐，它既是工藝流程中高調(diào)水的冷卻器，又是利用余熱提供工質(zhì)蒸汽的動(dòng)力裝置。蒸發(fā)器液位是其中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，只有液位在合理的范圍，才能確保蒸發(fā)器和膨脹機(jī)安全運(yùn)行。因此，要判斷ORC 膨脹發(fā)電機(jī)組是否運(yùn)行正常，首先要看蒸發(fā)器液位是否正常。蒸發(fā)器液位的設(shè)定要結(jié)合工質(zhì)兩相流的分離效果而定，如果蒸發(fā)器出口的量偏多，則對(duì)應(yīng)的工質(zhì)的動(dòng)量也會(huì)增加，從而加劇對(duì)膨脹機(jī)的沖擊，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)損壞軸密封圈，甚至沖斷葉片；蒸發(fā)器液位過低，則可能破壞換熱器列管，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成爆裂事故。所以蒸發(fā)器液位是系統(tǒng)中關(guān)鍵指標(biāo)，需要進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖4 蒸發(fā)器出口溫度調(diào)節(jié)流程圖Fig.4 Flow chart of evaporator outlet temperature regulation

2.1 蒸發(fā)器液位干擾量的分析

根據(jù)工藝流程工藝特性進(jìn)行分析，影響蒸發(fā)器液位的主要有以下幾個(gè)變量：①工質(zhì)進(jìn)液量，工質(zhì)泵的打液量以及工質(zhì)泵出口調(diào)節(jié)閥的開度直接影響蒸發(fā)器液位，較冷的工質(zhì)進(jìn)液量造成相應(yīng)的純滯后；②蒸發(fā)器出口工質(zhì)汽體流量，當(dāng)膨脹機(jī)負(fù)荷波動(dòng)時(shí)候，影響蒸發(fā)器液位，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)候，工質(zhì)蒸汽用量增加，液位下降，并有可能因?yàn)楣べ|(zhì)蒸汽突然變化造成虛假液位現(xiàn)象，所謂“虛假水位”主要屬于突發(fā)情況，特別是在機(jī)組負(fù)荷猛然增加的工況容易引起蒸發(fā)器內(nèi)部工質(zhì)壓力偏低，從而形成液面增高的情況；③蒸發(fā)器熱量波動(dòng)，如高調(diào)水溫度、流量發(fā)生變化。其中，高調(diào)水量調(diào)穩(wěn)定后，一般不會(huì)進(jìn)行大幅度調(diào)整，所以重點(diǎn)為工質(zhì)給液量以及蒸發(fā)器出口工質(zhì)蒸汽流量。

2.2 蒸發(fā)器液位控制策略

結(jié)合鍋爐汽包液位的控制策略，主要有3 種控制方案：

1）單回路蒸發(fā)器液位控制即單沖量液位控制系統(tǒng)，以蒸發(fā)器液位為唯一的控制變量，液位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器傳輸?shù)揭何徽{(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器通過判斷設(shè)定值與實(shí)際測(cè)定值的偏差，通過工質(zhì)泵出口調(diào)節(jié)閥來(lái)改變工質(zhì)流量，保持蒸發(fā)器液位在允許的范圍內(nèi)。

單沖量蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是：典型的單回路定制控制系統(tǒng)，可以根據(jù)蒸發(fā)器容量是否足夠大，液位應(yīng)對(duì)干擾信號(hào)的反應(yīng)速度以及“虛假液位”是否嚴(yán)重的情況進(jìn)行選型，在容量大、反應(yīng)慢、不嚴(yán)重的情況下，單沖量就能夠滿足生產(chǎn)要求。

但單沖量蒸發(fā)器液位調(diào)節(jié)存在著一些缺點(diǎn)：?jiǎn)螞_量控制方案只根據(jù)蒸發(fā)器液位信號(hào)控制給液量，在階躍擾動(dòng)很大時(shí)，存在“虛假液位”現(xiàn)象，例如工質(zhì)蒸氣負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)造成蒸發(fā)器工質(zhì)進(jìn)液量和出口工質(zhì)蒸氣的不平衡。由于工質(zhì)給液壓力變化等原因造成工質(zhì)給液量變化時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到液位進(jìn)行變化后才進(jìn)行動(dòng)作，并且有一定的遲滯現(xiàn)象。因此，可能導(dǎo)致蒸發(fā)器液位波動(dòng)幅度大，過程時(shí)間長(zhǎng)。

圖5 雙沖量控制系統(tǒng)原理方框圖Fig.5 Principle block diagram of dual impulse control system

圖6 轉(zhuǎn)速、功率調(diào)節(jié)原理圖以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖Fig.6 Schematic diagram of speed and power regulation and in-situ physical drawing

2）帶前饋調(diào)節(jié)單回路控制，即雙沖量控制系統(tǒng)，主控信號(hào)為蒸發(fā)器液位測(cè)量信號(hào)，前饋信號(hào)為出口工質(zhì)蒸氣流量信號(hào)，二者構(gòu)成了“前饋-反饋”控制系統(tǒng)。

雙沖量控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：引入前饋信號(hào)可以削弱“虛假液位”的干擾和影響。當(dāng)工質(zhì)蒸氣流量發(fā)生變化時(shí)，該控制系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與之變化趨勢(shì)相同的信號(hào)，從而對(duì)工質(zhì)蒸氣流量進(jìn)行前饋控制，以提升控制系統(tǒng)的可靠性和靜態(tài)特性。

3）三沖量液位控制系統(tǒng)，即帶前饋的串級(jí)控制回路，是以蒸發(fā)器液位H 為主控制信號(hào)，工質(zhì)氣體流量D 為前饋控制信號(hào)，工質(zhì)給液流量W 為反饋控制信號(hào)組成的控制系統(tǒng)。

三沖量控制回路相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)如下：其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)“穩(wěn)、快、準(zhǔn)”的要求，能夠有效地減弱“虛假液位”情況。與單沖量和雙沖量相比，最大的不足是系統(tǒng)復(fù)雜、系統(tǒng)成本高不易整定。

綜合3 種控制方案特點(diǎn)，由于該系統(tǒng)工質(zhì)在密閉的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，工質(zhì)泵揚(yáng)程一定，打液量一定，所以由于工質(zhì)給液壓力低等擾動(dòng)量較小，發(fā)生次數(shù)較少，同時(shí)由于裝置為撬裝結(jié)構(gòu)，工質(zhì)泵出口到蒸發(fā)器管道較短，遲滯較小，且不易安裝流量計(jì)；同時(shí)為了節(jié)約成本，決定按照帶前饋調(diào)節(jié)單回路控制，即雙沖量控制系統(tǒng)（見圖5），引入蒸發(fā)器出口工質(zhì)蒸氣為前饋信號(hào)，對(duì)液位回路進(jìn)行超前調(diào)節(jié)。

3 膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速及功率的控制

膨脹機(jī)是ORC 膨脹發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的核心部件，由于ORC 膨脹機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)的精密設(shè)備，如果轉(zhuǎn)速過高則可能造成葉片斷裂，“飛車”情況，軸系統(tǒng)失穩(wěn)等危險(xiǎn)，并且膨脹機(jī)的輸出功率還需要滿足負(fù)荷的要求，從而保證整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定。所以系統(tǒng)需要對(duì)ORC 膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

3.1 膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速、功率控制擾動(dòng)量分析

ORC 膨脹機(jī)組在啟機(jī)過程中，主要涉及到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，其目的為膨脹機(jī)沖轉(zhuǎn)，按照一定升速曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，直至達(dá)到能夠并網(wǎng)頻率。并網(wǎng)后，由于公司大電網(wǎng)的作用，轉(zhuǎn)速則達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并網(wǎng)后主要是進(jìn)行增減負(fù)荷的功率調(diào)節(jié)。根據(jù)工質(zhì)膨脹機(jī)特性以及工藝流程，干擾主要為有機(jī)工質(zhì)蒸汽壓力變化以及噴嘴調(diào)節(jié)閥開度兩個(gè)重要參數(shù)。這兩個(gè)參數(shù)決定了質(zhì)量流量。本系統(tǒng)沖轉(zhuǎn)時(shí)候可以按照穩(wěn)定工質(zhì)蒸汽壓力，調(diào)節(jié)流量的形式或噴嘴調(diào)節(jié)閥開度一定，調(diào)節(jié)旁路。由于沖轉(zhuǎn)前熱源量已調(diào)至沖轉(zhuǎn)時(shí)候所需要能量，所以沖轉(zhuǎn)時(shí)候按照穩(wěn)定壓力，調(diào)節(jié)進(jìn)入膨脹機(jī)工質(zhì)蒸汽質(zhì)量比較容易操作，膨脹機(jī)旁路閥同時(shí)起到壓力控制作用。本系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)控制閥（機(jī)組可調(diào)噴嘴）來(lái)控制膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速以及功率。

3.2 轉(zhuǎn)速、功率控制策略

其控制原理為：將轉(zhuǎn)速與功率的實(shí)際采集值和PLC 控制器模塊上的設(shè)定值進(jìn)行比較，然后將偏差量進(jìn)行計(jì)算，輸出調(diào)節(jié)閥的位置開度變化量，從而實(shí)現(xiàn)控制ORC 入口流量，最終實(shí)現(xiàn)控制膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的效果，可采用P 和PI 相結(jié)合的控制方式，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，系統(tǒng)采用純比例控制方式，允許透平有一定的的轉(zhuǎn)速偏差；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值，切換至PI 控制方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的無(wú)差控制。影響調(diào)節(jié)回路的因素還有：執(zhí)行機(jī)構(gòu)線性；執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)空行程；執(zhí)行機(jī)構(gòu)回差；執(zhí)行機(jī)構(gòu)及閥門的特性曲線改變，所以執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及閥門定位器的選取至關(guān)重要，該位置的執(zhí)行器以及閥門定位器一定要選取精確度比較高的進(jìn)口產(chǎn)品。其控制邏輯原理圖如圖6 所示。

4 過程控制實(shí)際效果

ORC 膨脹發(fā)電機(jī)組的目的就是為了充分利用高調(diào)水的余熱，把該部分熱量充分用來(lái)發(fā)電。所以正常工況，高調(diào)水都是以穩(wěn)定負(fù)荷或最大負(fù)荷進(jìn)行運(yùn)行，工質(zhì)在膨脹發(fā)電機(jī)組內(nèi)部運(yùn)行，總量保持不變，蒸發(fā)器液位與冷凝器工質(zhì)儲(chǔ)罐液位相互影響，所以溫度控制選擇調(diào)節(jié)高調(diào)水量為調(diào)節(jié)對(duì)象。當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)候及時(shí)調(diào)節(jié)高調(diào)水流量，達(dá)到控制蒸發(fā)器出口溫度的目的。通過附表測(cè)試數(shù)據(jù)（見表1）分析以及溫度運(yùn)行實(shí)際曲線，蒸發(fā)器溫度能夠達(dá)到及時(shí)控制，蒸發(fā)器液位運(yùn)行也比較穩(wěn)定，達(dá)到控制效果；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在大轉(zhuǎn)速時(shí)候能夠起到控制作用，但是在小轉(zhuǎn)速時(shí)候容易波動(dòng)，不易控制；并網(wǎng)后，功率能夠進(jìn)行有效控制?？傊摽刂葡到y(tǒng)基本滿足了控制需求，達(dá)到控制目的。

表1 性能測(cè)試記錄表Table 1 Performance test record table