有機朗肯循環發電機組順序控制系統研究

祝廣場 張麗芳 高水華 梅映新

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所， 武漢 430064）

0 引言

順序控制系統是按照設計好的步序完成機組或設備的啟停，簡稱為順控（SCS）。順序控制系統是自動化水平的重要標志[1]。汽輪機的啟動、并網和停機屬于非正常運行的工況，在此狀態下，汽輪機的各個部件由于受熱不均勻等很容易受到致命的影響，進而縮短其使用的壽命。因此，對汽輪機的啟停和并網進行控制顯得尤其重要。

1 汽輪機啟動

汽輪機的啟動是指汽輪機轉子從靜止或盤車狀態加速至額定轉速，并將負荷逐步地加到額定值的過程。汽輪機啟動方式按照工質參數、進汽閥門和啟動溫度有不同的分類方法。

1.1 按工質參數分類

（1）定參數啟動。整個啟動過程中，從沖轉到機組帶額定負荷，主汽門前的工質壓力和溫度始終保持為額定值，通過調整調節汽門的開度來適應機組在啟動過程中不同階段的要求。這種啟動方式熱經濟性差、金屬部件加熱不均以及熱沖擊較大。

（2）滑參數啟動。啟動過程中，主汽門前的工質壓力和溫度隨機組轉速或負荷的變化而逐漸升高。對噴嘴調節的汽輪機，定速后調節閥保持一定開度，完全靠蒸汽參數的調整來適應機組啟動過程中不同階段的要求。這種啟動方式的特點是熱經濟性好，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，不會受到強烈的熱沖擊，有利于設備安全。

1.2 按控制進汽流量的閥門分類

（1）用調門啟動。啟動時主汽門全開，進入汽輪機的蒸汽流量由調門來控制。

（2）用主汽門和旁路門啟動。啟動前，調門全開，進入汽輪機的蒸汽流量由主汽門和旁路門來控制。

1.3 按啟動前汽輪機金屬溫度水平分類

（1）冷態啟動：金屬溫度低于滿負荷時金屬溫度的 40%或金屬溫度低于 150～180 ℃以下稱為冷態啟動。

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

（3）熱態啟動：金屬溫度高于滿負荷時金屬溫度的80%或金屬溫度在350 ℃以上，稱為熱態啟動。有時熱態又分為熱態（350～450 ℃）和極熱態（450 ℃以上）。

2 汽輪機啟動的允許條件

汽輪機在啟動之前，控制系統會自動檢查所需的啟動允許條件是否都已滿足，若不滿足，則不允許啟動。這些允許條件一般包括：工質參數、油系統、發電機狀態和系統報警等。

2.1 工質參數

工質參數對機組啟動影響較大的是溫度，理想的工質溫度應當能避免啟動初期的熱沖擊，而在隨后的過程中汽溫的上升能保證關鍵零部件的金屬維持在某一選定的溫升速度，為避免汽輪機內出現濕蒸汽區，一般要求工質有一定的過熱度。

2.2 油壓

汽輪機潤滑油系統尤為重要，它起著潤滑推力、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、摩擦和湍流所產生的熱量。潤滑油壓力過低，汽輪機是不允許啟動和運行的[2]。因此，為保證汽輪機轉軸與其他部件的接觸部位有足夠的潤滑，汽輪機的潤滑油壓力應維持在一定值。在某陶粒砂 ORC余熱發電控制系統中，潤滑油壓力控制在 0.3 Mpa，且給調節機構的控制油壓力應維持在 0.8 Mpa才允許機組啟動。

2.3 潤滑油溫度

汽輪發電機組潤滑油系統為汽輪機和發電機的各個軸承提供潤滑油，潤滑油溫度就是其軸承的進油溫度，起到潤滑、冷卻的作用，油溫過高，起不到冷卻的作用，無法有效帶走轉軸和油膜摩擦產生的熱量。油溫過低，起不到潤滑的作用，無法有效的建立油膜，甚至誘發振動。所以，對于 ORC余熱發電機組，一般要求潤滑油溫度保持在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 發電機狀態

在機組啟動前，要確保發電機斷路器和電網斷路器都在斷開狀態，發電機控制器在自動模式且沒有任何報警或故障。

2.5 其他條件

機組啟動的其他允許調節主要包括工質泵、潤滑油泵、冷凝器風扇無故障報警，或者所有報警都已經復位；主汽門關閉、調門關閉等。

根據以上允許條件，設計的某陶粒砂 ORC機組汽輪機啟動流程如圖1所示。

圖1 汽輪機啟動流程圖

3 發電機并網

在汽輪機達到并網轉速時，發電機同步器自動檢查發電機輸出電壓的頻率應與電網供電頻率是否相同；隔離開關發電機側的電壓應與隔離開關電網側的電壓是否相等，且三相電壓的相位與電網三相電壓的相位是否對應。調整機組轉速，可使發電機輸出電壓的頻率與電網供電頻率相同；調整發電機轉子的勵磁電壓，改變勵磁電流，可使隔離開關兩側的電壓相等；讓發電機輸出電壓的頻率與電網供電頻率有一微量差，可在某一瞬間使發電機輸出電壓的相位與電網電壓的相位對應，此時立即并入電網。

通常，為防止發電機并網之后出現倒拖現象，要為發電機設置初始負荷，一般為額定負荷的5%~10%左右。

發電機并網的控制流程如圖2所示。

圖2 汽輪機并網流程圖

4 汽輪機停機

停機是指從汽輪機帶負荷運行經卸負荷解列發電機，切斷汽輪機進汽到轉子靜止的過程。停機分為正常停機和事故停機。

正常停機分為滑參數停機和額定參數停機兩種，實際應用中，一般采用滑參數停機。

滑參數停機是在調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、再熱蒸汽參數的降低來逐步卸負荷，降低汽輪機轉速直到停機。用這種方式停機的目的，是要使停機后，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，能夠提前進行檢修，縮短檢修工期。

在事故停機的情況下，故障排除之后，為了能夠盡快恢復機組運行，通常保持工質正常供應，系統通過旁路閥循環運行，維持“停機不停熱”工況。汽輪機停機的控制流程如圖3所示。

圖3 汽輪機停機流程圖

[1]秦宇飛, 白焰, 王瀟, 王天剛. 垃圾焚燒電廠順序控制系統設計及實現[J]. 中國電力, 2010, (2).

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