一种ORC系统启机并网系统及方法

技术领域

本发明涉及中小型余热发电技术领域，具体为一种ORC系统启机并网系统及方法。

背景技术

工业余热回收领域，针对炼化、聚酯、化肥、煤化工、有色金属冶炼等行业存在大量的200℃以下的工艺物料、热水、热液和烟气等，常规中经常需要采用空冷器、冷却塔等进行冷却，可以采用有机朗肯循环发电系统（ORC系统）来回收低品位余热，产生电力供厂区使用或馈送电网，从而降低工业能耗，特别是在针对当下工业用电峰值电价大幅度上调，国家高度重视双碳战略，对工业节能和碳排放愈加重视的大环境政策下，低品位余热回收发电的经济性和重要性明显提升。

中高温的余热回收，采用余热锅炉产生高温高压的水蒸汽，推动汽轮机做功，通过联轴器与同步发电机连接输出电功率。常规的余热回收发电，基本上是采用同步发电机进行并网馈电，采用电液调节阀精密控制透平转速，保证透平-发电机转速在电网同步转速的允许的极小偏差范围，同时需要复杂的同期并网柜来保证相序和相位，进行并网控制；同时为了适应余热源的波动，往往采用旁通阀和电液调节阀的实时控制来保证系统稳定，导致系统中需要配置电液调速系统、电动旁通阀、同期并网柜等复杂且昂贵的设备，增加了投资成本和运维难度；另外工质泵无论大小工况都保持工作在额定功率状态，增加了设备投资成本、导致系统配置和控制复杂，工质泵自耗电占比高达20%甚至更多，较多，运维难度大，导致严重影响系统的综合经济性。这些因素的存在导致多年以来下降，也是此类机组难以大规模推广和应用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有的中小型余热发电机组采用同步发电机、同期柜、控制柜、电气开关柜、电液调速系统进行并网馈电存在的系统配置繁多和控制复杂、运维难度大的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种ORC系统启机并网系统，包括有机朗肯循环机组和并网开关柜，有机朗肯循环机组通过并网开关柜接入电网；有机朗肯循环机组包括两极感应式电动机、工质泵变频控制开关、低速变频器、工质泵、超越离合器、减速箱、冷凝器、透平和蒸发器；所述并网开关柜内安装有并网控制模块，并网控制模块包括：

信息采集单元，用于采集蒸发器压力传感器和冷凝器压力传感器检测的压力数据以及冷凝器液位计检测的液位数据；

阀门控制单元，用于控制安装在冷凝器和蒸发器上的阀门开启或关闭以及透平进口电动调节阀的开启、关闭和开启的开度；

透平暖机单元，用于通过压差对透平进行过热气体暖机；

开关控制单元，用于控制工质泵变频控制开关、并网开关、变频器开关和电机变频启动开关合闸、断开以及设置延时时间、执行延时断开和耦合联锁闭合；

设定复位单元，用于对低速变频器进行频率设定和复位，并根据冷凝器液位与设定范围的差值对低速变频器的频率进行PID控制，使工质泵变频运行。

作为本发明的一种优选实施方式，所述两极感应式电动机的一端通过超越离合器与减速箱的一端连接，减速箱的另一端与透平动力输入端连接；蒸发器通过管道一与透平的进口处连接，透平的出口处通过管道二与冷凝器的一端连接，冷凝器的另一端通过管道三与工质泵的一端连接，工质泵的另一端通过管道四与蒸发器连接；工质泵通过工质泵变频控制开关与低速变频器的一端连接；

所述工质泵用于将冷凝器内的有机工质液体输送至蒸发器，蒸发器用于对余热源进行工质换热，以实现将有机工质液体蒸发为高温高压的气体并将其输送至透平，高温高压的气体进入透平内推动透平内的叶轮旋转做功；透平用于通过减速箱及超越离合器驱动两极感应式电动机发电；两极感应式电动机和低速变频器通过并网开关柜接入电网。

作为本发明的一种优选实施方式，所述减速箱内安装有透平转速传感器，冷凝器上安装有冷凝器压力传感器、冷凝器液位计，蒸发器上安装有蒸发器压力传感器；管道一上安装有透平进口电动调节阀。

作为本发明的一种优选实施方式，所述并网开关柜内还安装有无功补偿装置、并网开关、变频器开关和电机变频启动开关。

一种ORC系统启机并网的方法，包括以下步骤：

步骤一：对冷凝器通冷却水和对蒸发器通余热源，即打开冷却水阀门，使冷凝器通水；打开蒸发器热源阀门，使余热源进入蒸发器；

步骤二：检测蒸发器与冷凝器之间的压差，当压差大于300kpa时，打开透平进口电动调节阀，使其开度到30%，此时蒸发器的有机工质高温蒸气进入管道一及透平，依据暖机时长对机组管路和壳体进行暖机操作；

步骤三：暖机完成后，变频器开关和电机变频启动开关合闸，根据设置的升速曲线设置低速变频器频率增加过程，此时两极感应式电动机工作在电动机模式，逐步达到电网同步转速空载运转；用有机朗肯循环机组中的低速变频器启动透平及两极感应式电动机，以降低启机电流和对电网的冲击；

步骤四：根据设置的延时时间设置低速变频器切除屏蔽，即延时断开电机变频启动开关并耦合联锁闭合并网开关，由电网直接拖动两极感应式电动机在同步转速下空转；

步骤五：根据透平进口电动调节阀设定的开启曲线逐步全开，按照透平转速100转/秒的速度升速到额定，超过电网同步转速转后，超越离合器啮合，此时保持透平进口电动调节阀开度增加5%开度稳定运行十分钟，此时电动机转为小功率发电模式并向电网馈电；

步骤六：低速变频器的频率设定复位，工质泵变频控制开关闭合；当冷凝器的液位超过设定上限，控制启动工质泵，初设频率给定35Hz；根据冷凝器液位与设定范围的差值对低速变频器的频率进行PID控制，使工质泵变频运行；

步骤七：有机朗肯循环机组进入正常运行和并网发电状态，此时两极感应式电动机功率自动跟随余热源波动，通过工质泵变频运行保证液位稳定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过并网开关柜配合低速变频器的投切来实现发电自动快速并网，通过低速变频器在并网后的电机切出和控制工质泵变频运行来适应热源的波动，通过机组启机流程的自动控制实现快速稳定启机、并网和转入自跟随的稳定运行；

2、本发明启机并网可以明显减少有机朗肯循环发电机组的设备配置、降低复杂程度，加快启机并网流程，降低启机和并网难度以及变工况适应难度，从而改善有机朗肯循环发电系统的运维特性和经济性，有利于降低余热回收系统的成本和运维难度，从而有利于相关机组的推广应用。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的有机朗肯循环机组示意图；

图2为本发明的并网控制模块示意图；

图3为本发明的启机和并网流程图。

附图标记：

1、两极感应式电动机；2、并网开关柜；3、工质泵变频控制开关；4、低速变频器；5、透平进口电动调节阀；6、工质泵；7、蒸发器压力传感器；8、冷凝器压力传感器；9、冷凝器液位计；10、超越离合器；11、透平转速传感器；12、减速箱；13、冷凝器；14、透平；15、蒸发器；21、并网控制模块；22、并网开关；23、变频器开关；24、电机变频启动开关；31、管道一；32、管道二；33、管道三；34、管道四。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1所示，一种ORC系统启机并网系统，包括有机朗肯循环机组和并网开关柜2，有机朗肯循环机组包括两极感应式电动机1、工质泵变频控制开关3、低速变频器4、工质泵6、超越离合器10、减速箱12、冷凝器13、透平14和蒸发器15；

两极感应式电动机1的一端通过超越离合器10与减速箱12的一端连接，减速箱12的另一端与透平14动力输入端连接；减速箱12内安装有透平转速传感器11；透平转速传感器11用于检测透平14的转速数据；

蒸发器15通过管道一31与透平14的进口处连接，透平14的出口处通过管道二32与冷凝器13的一端连接，蒸发器15上安装有蒸发器压力传感器7；管道一上安装有透平进口电动调节阀5；

冷凝器13的另一端通过管道三33与工质泵6的一端连接，工质泵6的另一端通过管道四34与蒸发器15连接；工质泵6通过工质泵变频控制开关3与低速变频器4的一端连接；冷凝器13上安装有冷凝器压力传感器8和冷凝器液位计9。

工质泵6将冷凝器13内的有机工质液体输送至蒸发器15，蒸发器15对余热源进行工质换热，以实现将有机工质液体蒸发为高温高压的气体并将其输送至透平14，高温高压的气体进入透平14内推动透平14内的叶轮旋转做功；透平14用于通过减速箱12及超越离合器10驱动两极感应式电动机1发电；两极感应式电动机1另一端和低速变频器4通过并网开关柜2接入电网；

并网开关柜2内安装有无功补偿装置、并网控制模块21、并网开关22、变频器开关23和电机变频启动开关24。

有机朗肯循环机组的工作过程为：

余热源在蒸发器15中与工质换热，将工质泵6输送的有机工质液体蒸发为高温高压的气体，高温高压的气体进入透平14推动透平14的叶轮旋转做功，带动两极感应式电动机1发电；透平14排出的气体进入冷凝器13，与冷却水换热，在冷凝器13中凝结为液体，经过工质泵6输送回蒸发器15，进入不断的工作循环。

请参阅图2所示，并网控制模块21包括信息采集单元、阀门控制单元、透平暖机单元、开关控制单元和设定复位单元；

信息采集单元集蒸发器压力传感器7和冷凝器压力传感器8检测的压力数据以及冷凝器液位计9检测的液位数据；

阀门控制单元控制安装在冷凝器13和蒸发器15上的阀门开启或关闭以及透平进口电动调节阀5的开启、关闭和开启的开度；

透平暖机单元通过压差对透平14进行过热气体暖机；

开关控制单元控制工质泵变频控制开关3、并网开关22、变频器开关23和电机变频启动开关24合闸、断开以及设置延时时间、执行延时断开和耦合联锁闭合；

设定复位单元对低速变频器4进行频率设定和复位，并根据冷凝器13液位与设定范围的差值对低速变频器4的频率进行PID控制，使工质泵6变频运行。

启机并网系统和工作过程如下：

减速箱12通过超越离合器10与两极感应式电动机1相连，两极感应式电动机1和低速变频器4通过自主定制设计的并网开关柜2与电网相连，工质泵6经工质泵变频控制开关3与低速变频器4相连。

请参阅图3所示，启机和并网的方法如下：

对冷凝器13通冷却水以及蒸发器15通余热源，即打开冷却水阀门，使冷凝器13通水；打开蒸发器15热源阀门，使余热源进入蒸发器15；

检测蒸发器15与冷凝器13的压差大于300kpa（Pe-Pc≥300kpa）时，其中，Pe为冷凝器压力传感器8采集的压力值，Pc为蒸发器压力传感器7采集的压力值；

打开透平进口电动调节阀5开度到30%，此时蒸发器15的有机工质高温蒸气进入管道一31、透平14，对机组管路和壳体进行暖机操作。

暖机时长按照蜗壳、导叶和叶轮的升温曲线计算（根据部件材料热容、质量和有机工质气体传热系数及环境温度计算），一般不超过10分钟，必须有暖机步骤，目的是防止有机工质气体进入透平14后被壳体冷却凝结，液滴进入高速旋转的叶轮中引起液击；其中，暖机时长的具体计算为：

式1：Q1=（C1×M1+C2×M2+C3×M3）×（Tf-Th）

式2：当蜗壳无保温时，Q2=hf ×A×（Tf-Th）；当蜗壳有保温时，Q2=[hf ×A×（Tf-Th）]/（1+hf×δ/λ）；

式3：Tn=（Q1+Q2）/（mf×（r+Cf×（Tf-Tfs）））；

式1中Q1指暖机过程蜗壳、导叶、叶轮从环境温度升温到进口气体温度所需要的热量，C1、C2、C3分别指蜗壳、导叶和叶轮的比热容，与所用材料有关；M1、M2、M3分别指蜗壳、导叶和叶轮的质量；Tf指进口工质气体的温度，Th指环境温度；

式2中Q2指暖机过程通过蜗壳与外部环境大气的散热量（导叶和叶轮是包在蜗壳之中，只有蜗壳与外部大气环境接触），按照蜗壳是否包保温材料分两种计算：

1）蜗壳无保温，通过蜗壳外表面与环境空气对流散热，hf为对流散热系数，A为蜗壳外表面积；

2）蜗壳有保温，式中δ为保温层厚度，λ为保温材料导热系数，显然加保温时散热量会减少；

式3即为计算暖机时间，式中Tn指暖机时间，分子即为式1和式2的结果；式3分母中，mf指工质流量，r指工质在进口压力下的潜热，Cf指工质在进口压力下的比热容，Tfs指工质在进口压力下的饱和温度；

以上参数显然是和机组本身以及暖机时工况参数有关，基于此即可准确估算暖机时间。

暖机完成后，并网开关柜2中变频器开关23和电机变频启动开关24合闸，根据设置的升速曲线设置低速变频器4频率增加过程（0-50Hz），此时电机工作在电动机模式，逐步达到电网同步转速空载运转；用机组中的低速变频器4启动透平14及两极感应式电动机1，降低启机电流对电网的冲击。

根据设置的延时时间设置低速变频器4切除屏蔽，即延时断开电机变频启动开关24并耦合联锁闭合并网开关22；由电网直接拖动两极感应式电动机1在同步转速下空转；其目的是完成启机后将低速变频器4切除，控制电机启动和工质泵6运行，即低速变频器4既用于电机的启动，也还用于工质泵6的运行，两者在时间上分隔。

根据透平进口电动调节阀5设定的开启曲线逐步全开，按照透平14转速100转/秒的速度升速到额定，超过电网同步转速3000rpm后，超越离合器10啮合，此时保持透平进口电动调节阀5开度增加5%，稳定运行10分钟，此时两极感应式电动机1转为小功率发电模式并向电网馈电。

由于升速过程中，超越离合器10处于脱开状态，两极感应式电动机1被电网拖动空载运转，此时只需要透平进口电动调节阀5控制逐步增加少量蒸气，通过进气克服透平14阻力，以实现平稳升速，故升速较快，一般2分钟左右即可达到额定转速；

当透平14转速达到额定转速后，透平进口电动调节阀5开度增加5%，透平14转速存在进一步提高的趋势，此时超越离合器10会检测到两侧存在正转差，判定正传差的值进行啮合操作，带动电机转速略微超过电网同步转速，进入发电模式，此时稳定运行10min是保持小功率输出状态，以减小两极感应式电动机1啮合和模式转变过程中的机械冲击和电力冲击。

透平进口电动调节阀5逐步全开，实现两极感应式电动机1发电输出跟随余热源的流量进行适应性调节；即余热源量大、输出功率大；余热源量小、输出功率小；不做工况限制，能发多少电就发多少电。

低速变频器4频率设定复位，与工质泵变频控制开关3闭合，当冷凝器13液位超过设定上限，自动控制启动工质泵6，初设频率给定35Hz；后续根据冷凝器13液位与设定范围的差值对低速变频器4的频率进行PID控制，使工质泵6变频运行；

有机朗肯循环发电机组进入正常运行和并网发电状态，此时两极感应式电动机1功率自动跟随余热源波动，工质泵6变频运行保证液位稳定，由两极感应式电动机1电流反馈进行机组超功率保护，实现机组的无人值守和自动控制。

实施例2

超越离合器10改用SSS离合器，则两极感应式电动机1启动过程涡轮不转；

此时过程为：

电网逐步将两极感应式电动机1启动起来，达到电网同步转速、空载运转；通过低速变频器4降低启机电流；

低速变频器4切除，与工质泵变频控制开关吸合；

透平进口电动调节阀5开度不超过30%进行暖机，暖机时间约10min，然后按照升速曲线设置透平进口电动调节阀5缓慢增加开度，涡轮启动升速，超过电网同步转速后SSS离合器自动啮合开始输出功率，转为并网发电模式。

透平进口电动调节阀5逐步全开，涡轮进入随热源状况完全发电状态；

低速变频器4与工质泵变频控制开关3吸合，当冷凝器13液位超过设定上限控制启动工质泵6；根据冷凝器13液位与设定范围的差值进行PID控制工质泵6变频运行。

有机朗肯循环发电机组进入正常运行和并网发电状态；

随余热源的量而自动稳定调节，采用低速变频器4控制工质泵6的目的是为了：

1、在热源来流减少时，工质泵6降频运行，避免蒸发器15液位过高导致涡轮带液损坏叶轮，保证涡轮的安全；同时降低泵的功耗，从而减少系统的自耗功，改善经济性；

2、热源来流增加时，工质泵6升频运行，避免蒸发器15液位过低导致涡轮进口过热度过高而引起涡轮性能下降以及冷凝器13换热性能下降，改善经济性。

发电机过流保护，由发电机电流（表征其实是发电机功率）设置联锁旁通阀，用来保护电机不会超功率；电流设置额定报警；旁通阀是气动快开阀，与同步发电机原理不一样，同步发电机需要调节阀精准控制转速，保证转速在电网允许的波动范围内。

本发明减速箱12通过超越离合器10与两极感应式电动机1相连，通过设置无功补偿装置的并网开关柜2配合低速变频器4的投切来实现两极感应式电动机1的自动快速并网，通过低速变频器4在并网后的电机切出和控制工质泵6变频运行来适应热源的波动，通过机组启机流程的自动控制实现快速稳定启机、自动并网和转入自跟随自适应的稳定运行，采用提出的启机并网系统和方法，可以明显减少有机朗肯循环发电机组的设备配置、降低复杂程度，加快启机并网流程，降低启机和并网难度以及变工况适应难度，从而改善有机朗肯循环发电系统的运维特性和经济性，有利于降低余热回收系统的成本和运维难度，从而有利于相关机组的推广应用。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。