結(jié)合有機(jī)朗肯循環(huán)的異步發(fā)電機(jī)啟動(dòng)

何小輝，朱 弢

（南京天加熱能技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引 言

人類自從第一次“蒸汽革命”之后，科技與經(jīng)濟(jì)水平較之前幾個(gè)世紀(jì)有了突躍地發(fā)展，但期間化石燃料的大量消耗，產(chǎn)生了嚴(yán)峻的環(huán)境污染，其危害程度超過了工業(yè)革命之前幾個(gè)世紀(jì)的總和。“綠色經(jīng)濟(jì)”的理念隨即在本世紀(jì)由聯(lián)合國(guó)環(huán)境署提出，全球政府開始更加注重節(jié)能減排，對(duì)污染較大的企業(yè)，尤其是化工廠，有了更為嚴(yán)苛的環(huán)保要求，因此在節(jié)能研究領(lǐng)域中的低溫余熱回收利用技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為重要課題之一[1]。目前針對(duì)ORC系統(tǒng)的研究，大部分集中在熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，如工質(zhì)的選擇[2-4]，換熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[5-7]等，而對(duì)發(fā)電機(jī)的研究文獻(xiàn)在網(wǎng)上較少。在少量關(guān)于ORC系統(tǒng)電機(jī)文獻(xiàn)中，大部分都集中在同步發(fā)電機(jī)上，對(duì)異步發(fā)電機(jī)的介紹就更加難以搜尋。本文主要介紹了在某ORC系統(tǒng)中，為突破某種帶有專利技術(shù)保護(hù)的軟啟動(dòng)器的限制，設(shè)計(jì)采用了一套常規(guī)開式星三角啟動(dòng)方案，并用測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以論證，從而豐富了異步發(fā)電機(jī)在ORC系統(tǒng)中的案例信息，為ORC的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 ORC發(fā)電系統(tǒng)

有機(jī)朗肯循環(huán)與常規(guī)的蒸汽朗肯循環(huán)類似，只是采用的是低沸點(diǎn)有機(jī)物作為工質(zhì)的動(dòng)力循環(huán)，是一種新型、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)[8]。本文中的測(cè)試平臺(tái)建立在公司實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，測(cè)試平臺(tái)由熱水（蒸汽）循環(huán)裝置、冷卻水循環(huán)裝置、電力裝置三部分構(gòu)成，如圖1所示。平臺(tái)配合向心透平有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備發(fā)電。電力裝置連接380 V 電源，接入點(diǎn)和接入方式需提前到當(dāng)?shù)毓╇娋稚陥?bào)并備案。該部分包括斷路器、多功能雙向計(jì)量電表等[9]。

2 異步發(fā)電機(jī)

2.1 工作原理

異步發(fā)電機(jī)是利用定子與轉(zhuǎn)子間氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用的一種交流發(fā)電機(jī)。依工作原理又稱“感應(yīng)發(fā)電機(jī)”。轉(zhuǎn)速略高于同步轉(zhuǎn)速。輸出功率隨轉(zhuǎn)差率大小而增減?？捎呻娋W(wǎng)激磁或用電力電容器自行激磁[10-12]。

2.2 電機(jī)參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的異步發(fā)電機(jī)的機(jī)頭部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

3 異步發(fā)電機(jī)在ORC系統(tǒng)中的啟動(dòng)

3.1 軟啟動(dòng)器（特殊定制款）

3.1.1 定 義

軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車、多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國(guó)外稱為Soft Starter。它的核心部件是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路。

3.1.2 工作原理

（1）電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，首先將異步發(fā)電機(jī)看成一個(gè)普通異步電動(dòng)機(jī)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過流跳閘。

（2）發(fā)電機(jī)狀態(tài)。待異步發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)（轉(zhuǎn)速有電機(jī)內(nèi)預(yù)制的速度傳感器測(cè)量），啟動(dòng)過程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，之后只為發(fā)電機(jī)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的電壓，機(jī)組透平進(jìn)氣閥門在軟啟動(dòng)器啟動(dòng)結(jié)束（到達(dá)額定轉(zhuǎn)速）的瞬間打開，高壓氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入，推動(dòng)透平高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動(dòng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，即轉(zhuǎn)差率S＜0，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，工質(zhì)推動(dòng)透平的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能向電網(wǎng)或者負(fù)載輸送[13-15]。

3.1.3 優(yōu) 點(diǎn)

晶閘管降壓?jiǎn)?dòng)，減少啟動(dòng)電流，啟動(dòng)時(shí)電流變化趨勢(shì)比較平滑，對(duì)電網(wǎng)沖擊相對(duì)較小，圖2為軟啟動(dòng)理論電流運(yùn)行曲線圖，圖3為實(shí)際示波器測(cè)試電流曲線圖。

3.1.4 特殊點(diǎn)

不同于普通電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)器只提供降壓?jiǎn)?dòng)和計(jì)量啟動(dòng)及電機(jī)運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的功能，該款軟啟動(dòng)器根據(jù)此異步發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)性能特殊定制，具有雙向電路計(jì)量和保護(hù)的功能，通過兩塊含芯片的PCB控制板，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)在耗電（電動(dòng)機(jī)狀態(tài)）和發(fā)電（發(fā)電機(jī)狀態(tài)）兩個(gè)過程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而保護(hù)整個(gè)發(fā)電機(jī)的工作電路。

3.2 開式星三角啟動(dòng)（用在異步發(fā)電機(jī)上）

3.2.1 定 義

在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)將電機(jī)接成星型接線，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)成功后再將電機(jī)改接成三角型接線的一種啟動(dòng)方式。

3.2.2 工作原理

（1）電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。①星型啟動(dòng)：機(jī)頭接線柱X-Y-Z通過星型接觸器吸合相連，A、B、C三端接三相交流電壓380V，此時(shí)每相繞組電壓為220 V，較直接加380 V啟動(dòng)電流大為降低，避免了過大的啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)形成的沖擊。此時(shí)的轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，但電動(dòng)機(jī)可達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速；②三角型運(yùn)行：經(jīng)星型啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)持續(xù)一段時(shí)間（約10 s）達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后，通過PLC控制，斷開星型接觸器，將三角型接觸器吸合，每相繞組電壓變?yōu)?80 V，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速大大提高，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入額定條件下運(yùn)行。

（2）發(fā)電機(jī)狀態(tài)。通過發(fā)電機(jī)內(nèi)置的速度傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在發(fā)電機(jī)以三角型模式運(yùn)行達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組透平閥門瞬間打開，高壓氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入，推動(dòng)透平高速旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時(shí)，即轉(zhuǎn)差率S＜0，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，工質(zhì)推動(dòng)透平的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能向電網(wǎng)或者負(fù)載輸送。

3.2.3 優(yōu)點(diǎn)

星三角啟動(dòng)也屬于降壓?jiǎn)?dòng)，它是以犧牲功率為代價(jià)換取降低啟動(dòng)電流。相較于直接啟動(dòng)，啟動(dòng)電流較低；但比軟啟動(dòng)的啟動(dòng)電流略高一些。

3.2.4 特殊點(diǎn)

星型啟動(dòng)是將電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)變成旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并通過電網(wǎng)提供無功電流產(chǎn)生自勵(lì)，切換成三角型狀態(tài)時(shí)，中間的切換時(shí)間不宜過長(zhǎng)，否則切換瞬間的電流過高容易使發(fā)電機(jī)處的斷路器脫扣。

4 應(yīng) 用

4.1 第一次試驗(yàn)

4.1.1 選 型

根據(jù)272 kW異步發(fā)電機(jī)額定電流430 A，選取某A品牌接觸器2個(gè)，規(guī)格是475 A和410 A，分別用在三角型和星型啟動(dòng)模式下。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)，在斷路器與星三角接觸器間安裝了1套電流互感器CT和1個(gè)相配套的多功能電表。

4.1.2 安 裝

根據(jù)“精益預(yù)制”的設(shè)計(jì)理念，將兩個(gè)接觸器和銅排組裝成1個(gè)撬裝模塊（底板與原軟啟動(dòng)器尺寸開孔一致），以適應(yīng)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)電控柜內(nèi)原軟啟動(dòng)器與星三角改造的無縫銜接更換，做到易拆易裝的效果，減少安裝失誤率，在外觀上也有美化的效果，如圖4所示。

4.1.3 測(cè) 試

經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)星三角啟動(dòng)方案基本達(dá)到預(yù)期效果，但也有一些問題需要改善，如星型與三角型接觸器切換的時(shí)間間隔選?。恍切徒佑|器規(guī)格是否偏大；某品牌A接觸器內(nèi)部拉弧現(xiàn)象比較嚴(yán)重等。

4.1.4 數(shù) 據(jù)

經(jīng)過多功能電表在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)的記錄，星型運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流34 A，切換成三角型瞬間電流達(dá)到200 A，三角型運(yùn)轉(zhuǎn)電流（發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)電流）66 A，如圖5所示。

4.1.5 分 析

常規(guī)的多功能電表在異步發(fā)電機(jī)以星三角啟動(dòng)過程中，只能計(jì)量電流的有效值，且短時(shí)間峰值電壓無法計(jì)量（精度較低），但圖5內(nèi)3組電流數(shù)據(jù)足夠可以給ORC發(fā)電系統(tǒng)前端斷路器的選型提供參考。

4.2 第二次試驗(yàn)

4.2.1 目 的

針對(duì)第一次測(cè)試結(jié)果，做出優(yōu)化，即星型接觸器型號(hào)規(guī)格適當(dāng)減小來節(jié)省成本和接觸器品牌的更換來觀察觸頭拉弧現(xiàn)象（主要目的）。

4.2.2 選 型

根據(jù)272 kW電機(jī)額定電流430 A，重新選取某B品牌接觸器2個(gè)，規(guī)格是460 A和375 A，分別用于三角型和星型啟動(dòng)。

4.2.3 測(cè) 試

經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)某B品牌接觸器拉弧現(xiàn)象較A品牌有顯著改善，星型接觸器型號(hào)縮小后，接觸器表面與相連的銅排無明顯發(fā)熱現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4.3 第三次試驗(yàn)

4.3.1 目 的

第二次測(cè)試結(jié)果，基本滿足試驗(yàn)期望。為追求嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆显囼?yàn)數(shù)據(jù)，采用示波器取樣電機(jī)啟動(dòng)電流。

4.3.2 數(shù)據(jù)記錄

數(shù)據(jù)記錄見圖6～圖10。

4.3.3 分 析

異步發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)到運(yùn)行的過程中，有2個(gè)電流變化劇烈的階段，分別是電機(jī)以星型啟動(dòng)的瞬間和星三角切換的瞬間，從圖6中可以直觀地看出。在圖7星型啟動(dòng)過程中，發(fā)電機(jī)從靜止到空轉(zhuǎn)狀態(tài)，共耗時(shí)2.14 s，在這期間最大的波峰電壓為1 475 A，后面逐步衰減；從圖8可以看出星型平穩(wěn)運(yùn)行電流39.25 A（即星型啟動(dòng)的空載電流）；從圖9可以看出，星三角切換共耗時(shí)248 ms，期間最大波峰電壓1 118 A；從圖10可以推算出，三星型運(yùn)行平穩(wěn)運(yùn)行電流66.375 A（即三角型啟動(dòng)的空載電流）。

4.4 后續(xù)試驗(yàn)設(shè)想（持續(xù)改善）

4.4.1 目 的

針對(duì)前兩次測(cè)試結(jié)果，主要針對(duì)星型啟動(dòng)瞬間啟動(dòng)電流偏高的問題做出優(yōu)化。

4.4.2 思 路

（1）星型啟動(dòng)瞬間，是電能將電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)變成旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，初始的啟動(dòng)電流較高，這是每個(gè)電機(jī)都會(huì)遇到的問題，電機(jī)容量越大，啟動(dòng)電流越大，一般是電機(jī)的額定電流的3倍以上，改為閉式星三角是否有改善；

（2）電機(jī)星型啟動(dòng)之前，提前投入無功補(bǔ)償，給發(fā)電機(jī)提供無功，星型啟動(dòng)后觀察啟動(dòng)電流有無改善；

（3）針對(duì)在發(fā)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，可以在透平進(jìn)口處安裝一個(gè)微型調(diào)節(jié)閥，設(shè)置一個(gè)開度，控制一定量的蒸發(fā)器中的高壓氣態(tài)工質(zhì)推動(dòng)透平，讓透平以一定速度帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再關(guān)閉閥門。在發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下以星型啟動(dòng)，觀察初始電流是否會(huì)減??；

（4）步驟（3）難點(diǎn)一是何時(shí)給微型調(diào)節(jié)閥一定開度，比如蒸發(fā)器中壓力達(dá)到一定數(shù)值開啟；難點(diǎn)二是微型調(diào)節(jié)閥瞬間給多大開度，開多長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉，否則透平帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速過快，之后電機(jī)再以星型啟動(dòng)，初始電流反而比靜止時(shí)更大；

（5）將（2）和（3）結(jié)合考慮，再次比較。

5 結(jié) 論

目前在利用有機(jī)朗肯循環(huán)回收余熱的項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，一般余熱的品質(zhì)相對(duì)較低，對(duì)單臺(tái)裝機(jī)容量小的機(jī)組比較適合。而且一般有大量余熱的工廠，其廠規(guī)模相對(duì)較大，企業(yè)無功容量比較富足，可以克服異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間對(duì)電網(wǎng)的沖擊的缺點(diǎn)，因此在滿足上述條件后，當(dāng)異步發(fā)電機(jī)不能在400 V電網(wǎng)電壓下直接啟動(dòng)的情況下，采用開式星三角啟動(dòng)也不失為一種經(jīng)濟(jì)且可靠的運(yùn)行方式，本文對(duì)異步發(fā)電機(jī)在ORC應(yīng)用上的啟動(dòng)運(yùn)行提供一個(gè)借鑒。