有機朗肯循環發電機組控制系統設計

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（ORC）發電機組控制系統采用西門子可編程邏輯控制器（PLC）作為主控制器。PLC通過現場工業總線與人機交互界面（觸摸屏）、汽輪機控制器、發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進行集中協調控制，對機組運行狀態進行實時監測和分析，對機組運行過程中出現的各類故障進行分類處理，完成啟動、停機、并網、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參數以及電能計量顯示。機組電氣控制系統設置手動操作按鈕，以便于緊急事故狀態下實現手動安全停機。汽輪發電機系統主要功能有：自動啟停，無人值守；自動并網/解列；有功、無功控制；自動報警，保護功能；數據采集、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、相關參數顯示畫面等部分組成。在觸摸屏的操作畫面中，可以實現汽輪機啟機、停機等控制功能，可顯示各種參數狀態及故障記錄。

1.1 顯示信息

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

系統信息顯示；

監測量顯示；

控制參數信息；

汽輪發電機狀態信息顯示；

報警和停機邏輯顯示。

1.2 制表記錄

使用人機界面組態軟件可以實現定期記錄、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 歷史數據存儲和檢索功能

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

2 數據采集與處理系統

數據采集與處理系統主要是對機組的監測量、設備的運行狀態、機組的運行模式等進行測量、監測和顯示，為控制系統進行邏輯計算、協調控制、報警保護等打好基礎，最終實現機組的無人值守功能。

2.1 數據采集

在機組運行中，PLC主要對工質、熱源、潤滑油、冷卻水、汽輪機進/排汽等進行溫度和壓力測量，對工質泵、冷卻水泵、潤滑油泵的運行/停止、故障狀態進行監測，對相關閥門的開/關、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。

2.2 數據處理及報警輸出

PLC接收現場變送器和各類開關的輸入信號后，經過運算和邏輯處理，根據設計要求，送至監控畫面顯示；對預設的報警定值，及時發出報警提示。

3 汽輪機控制系統

3.1 汽輪機啟/停控制

汽輪機控制采用505 調速器，505主要功能是實現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。

調速器能組態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 調速器能完成從零轉速到額定轉速的完整的系統啟動過程。采用這一功能，汽輪機的啟動升速率和暖機轉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 轉速/功率調節

轉速/功率調節調節系統的任務是對汽輪機的轉速、發電機功率進行調節，在汽輪機啟動階段，控制從靜止升至額定轉速，并網之后，能滿足電網升降負荷的要求，維持電網頻率不變。

在啟動階段，兩路轉速信號經過505調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，偏差經過PID運算后得出執行機構的開度指令，由505送至調節閥。

在并網階段，505調速器根據發電機斷路器和電網斷路器的閉合信號，自動切換至負荷控制。

工質壓力由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

汽輪機危急跳閘系統包括超速保護、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速，當轉速超過緊急停機設定值時，505發出緊急停機指令給PLC，同時發關閉指令給調節閥；PLC收到緊急停機指令時，立即將主汽門關閉并給發電機發解列指令，實現超速保護。

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 發電機綜合控制與保護系統

4.1 測量顯示

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

4.2 并網/解列

發電機并網之前，綜合控制器檢測發電機的電壓、頻率、相位、相序，輸出控制信號給發電機調壓器和汽輪機調速器，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斷路器。不滿足時，發電機控制器發出調節指令給505調速器和發電機電壓調節器，使其進行相關參數自動的調節以滿足同期條件并實現并網功能。

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

4.3 功率因數及無功功率控制

發電機綜合保護與控制裝置檢測發電機電壓、電流計算系統功率因數，通過輸出控制信號給發電機自動電壓調節器（AVR），調整發電機無功功率，實現恒功率因數控制。

4.4 發電機保護

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

發電機逆功率保護；

發電機差動保護；

發電機過流保護；

發電機欠壓保護。

5 結語

本文介紹了基于有機工質的余熱發電機組控制系統的設計，該系統以完善的數據采集為基礎，結合高穩定性、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，即便在故障狀態下，也能夠避免事故的發生。

[1]WOODWARD. WOODWARD 505數字式調速器說明書.

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