CN111058902A - 一种基于工业汽机异步发电的节能系统和节能控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于工业汽机异步发电的节能系统和节能控制方法，该系统包括与中低压蒸汽进汽母管上连接的减温减压器和至少一个背压式汽轮发电机组，减温减压器与中低压蒸汽进汽母管之间设有进口蒸汽管道系统，减温减压器与用汽装置之间设有出口蒸汽管道系统，背压式汽轮发电机组与减温装置连接，减温装置与用汽装置进口总管连接，各管路上设有手动或电动调节阀，减温减压器、背压式汽轮发电机组、用汽装置、各个电动调节阀通过DCS/PLC自动控制系统控制，蒸汽进入背压式汽轮异步发电机组，机组通过冲动蒸汽做功和发电。本申请能够节约成本，建设周期和项目费用是相同装机容量的同步机组的1/2～2/3，可以适用于常见工业领域如磷复肥化工行业、石油化工行业、冶炼冶金行业、造纸轻纺行业等工厂。
Description
技术领域
本发明涉及一种节能系统，尤其是一种基于工业汽机异步发电的节能系统，还涉及到节能控制方法。
背景技术
在诸多工厂生产过程中，加热、干燥、蒸发等生产工艺都不同程度的需要蒸汽作为热源，而这些中低压蒸汽大多来源于企业自产，压力等级较高的通常为3.43～4.0MPa380～430℃，较低的0.5~1.6MPa150～280℃，均不能直接在生产工艺上使用。
前端（中低压产汽或供汽端）：一方面常用的解决方法是采用传统的纯凝汽式或抽凝汽式或背压式同步发电机机组进行有效能回收发电，机组厂房占地面积较大，投资较大，且控制系统较复杂，操作也复杂，需配置同期接入装置及励磁装置，并要向供电部门办理并网手续，并网费用较高。另一方面是采用几级减温减压器把现有的中压蒸汽或同步机组排出低压蒸汽的温度和压力降低至末端各装置的使用要求值，这样，高品质的蒸汽有效能造成了严重的损失。
终端（饱和低压蒸汽用汽或冷凝水端）：用汽装置用汽量最大使用量占50%～100%，传统解决方案是配置合适的减温减压器，从工厂脱盐水泵房抽取足量脱盐水直接喷洒到减温减压器腔体内的蒸汽中，再通过调节回路进行控制蒸汽压力。蒸汽压力太高, 超过用汽装置如换热器列管耐压极限值导致损坏；而蒸汽压力太低，湿度太大，同样会冲击列管，缩短列管使用寿命。因此，加入到蒸汽减温减压器的脱盐水量进行压力和温度的很难合理调节控制，稳定性非常差，故障率较高，影响生产工艺稳定性。
以10万t/a湿法磷化工工厂用汽装置数据分析，每套设备的低压蒸汽用量为25～35t/h，平均30t/h，进入到磷酸浓缩工段的原始蒸汽均为低压过热蒸汽，压力0.5～1.0MPa。依国内各大化工设计院对浓缩装置工艺指标控制，进入石墨换热器的需求低压饱和蒸汽压力应降至0.17～0.31MPa对应温度调控在 118～135℃。
目前，国内余热发电一般采用火电厂的技术和规范，采用同步发电机并配置复杂的调速系统、励磁、同期装置等，没有考虑到用汽工厂余热发电（俗称自备电站）热源不稳定性和间歇性的特点，采用同步电机易出故障而且由于启、停频繁不仅会降低设备寿命而且受热源波动的影响，在低出力时发电机输出功率不稳定、三相电流不平衡、励磁装置的功率因数调节功能不起作用。
近年各类蒸汽透平机驱动较大功率旋转设备以取消电机拖动，再将抽排蒸汽作为生产工艺装置供热的节能技术和工程实践已非常成熟,是合理利用、节约能源的一个有效途径。但是，目前还没有量身定制适宜用汽装置在余热发电替代减温减压器后热电联产的综合节能技术。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于工业汽机异步发电的节能系统和节能控制方法，本发明利用蒸汽和管网配置，基于中低压蒸汽梯级产生的余热发电，本发明的技术方案具体如下：
1、一种基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：包括与中低压蒸汽进汽母管上连接的减温减压器和至少一个背压式汽轮发电机组，减温减压器与中低压蒸汽进汽母管之间设有进口蒸汽管道系统，减温减压器与用汽装置之间设有出口蒸汽管道系统，背压式汽轮发电机组与减温装置连接，减温装置与用汽装置进口总管连接，各管路上设有手动或电动调节阀，减温减压器、背压式汽轮发电机组、用汽装置、各个电动调节阀通过DCS/PLC自动控制系统控制，蒸汽进入背压式汽轮异步发电机组，机组通过冲动蒸汽做功和发电。
2、根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：中低压蒸汽进汽母管与减温器入口之间并联一条小管径供汽支路，保证汽轮机排汽压力不低于用汽装置的需求。
3、根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：进、出口蒸汽管道系统分别设有阀门，减温减压器前设有电动阀组，背压式汽轮发电机组与中低压蒸汽进汽母管之间的接口外大于1DN处设有手动阀，手动阀后端设有电动阀组，背压式汽轮发电机组与减温装置之间设有电动阀组。
4、根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：减温减压器和减温装置上均设有减温水接口。
5、根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：低压出汽总管之间设置调节阀，适当调节每套装置实际需求量。
6、根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：背压式汽轮发电机组与三相异步发电机连接，流动蒸汽进入汽轮机，在汽轮机的转子的带动下与汽轮机的转子联接的发电机的转子被拖动转动，支持使发电机的转子的转速大于定子产生的同步转速，发电机异步发电，自动无功补偿，设置在异步发电机的定子上的出线端子高压开关自动合闸后，与汇流母线联接并入，供用电设备使用。
7、基于权利要求1-6之一的系统的节能控制方法，其特征在于：按以下进行：
（1）启动模式：
a.控制系统控制阀门打开，使得蒸汽进入背压式汽轮发电机组；
b.控制系统控制控制汽阀缓慢打开，汽轮机带动发电机转速上升；
c.当发电机转速上升至接近同步转速，控制系统打开并网开关，发电机出线电路并入工厂电网；
d.当转速上升至大于同步转速3%～5%时，控制系统控制保持转速为设定值，使发电机的输出功率为允许值；
e.根据功率因素，控制系统控制补偿电容，实现定档自动投切；
（2）待机模式：
a.控制系统接受到待机信号时，关闭并网开关使异步电机脱网，进入电动机模式；
b.控制系统接收到正常信号时，打开并网开关，并网进入发电机模式；
（3）急停模式：
a.控制系统接受到故障报警时，控制异步发电机与电网解列，断开与电网连接；
b.控制汽轮机紧急停机；
c.切换至原供汽系统；
d.故障解除后，控制系统进入启动模式，实现自动复位；
（4）工作调节：
a. 控制系统接收减温器信号，自动调节减温器阀门的开度，调节减温水用量，从而保障减温器出口蒸汽温度为设定值；保证减温器出口压力不低于0.17MPa；
b.当汽轮机进口FIC参数长时间低于设定范围时，发出待机信号进入待机模式；参数稳定在设定范围时，发出正常信号。
8、根据权利要求7所述的节能控制方法，其特征在于：启动模式下，同步转速为1500或3000r/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：
本发明使用中低压蒸汽异步发电机组（450kW～6MW）代替减温减压器的综合节能技术，相对于现有透平拖动技术、低参纯凝发电技术，具有以下优点：
（1）本发明的节能技术是基于透平拖动节能技术并结合工厂原有的生产装置和工艺路线而设计开发、现场改造，不受使用场所限制，设备简单、投资少、上马快的特点，而且能节约燃料、降低成本,促进工业蒸汽动力设备的合理、安全和经济运行。
（2）本发明首创在利用中低压蒸汽压差发电的同时，保证进入用汽装置，如换热器的低压蒸汽温度在正常指标范围，也就是饱和蒸汽0.17~0.31MPa对应温度118℃~135℃，有效调节蒸汽流量与实际需求量之间的平衡关系，避免了蒸汽温度控制和压力波动对用汽装置如换热器的损害，降低工厂生产成本。
（3）本发明有效解决了用汽装置传统的减温减压方式和老旧的热电联产方式存在可用热能损失和联产安全可靠性问题，回收蒸汽可用热能并转换成高品位的电能，整体提高能源利用效率3%~22%，节约能源，减少浪费。
（4）本发明为了防止蒸汽倒流在减温器与汽轮排汽口间设置一止回阀，保持常开状态；为了防止蒸汽不足，在每套原用汽装置如换热器进口管道接口前设置一台电动调节阀，确保相互间有一定调节量；为了确保原减温减压器能在本发明涉及系统故障停车时能快速自动投切，保持一定量通汽保证热备状态。
（5）本发明的异步发电机特性上，结构简单，能够自同步，故障后对发电机的转子磁场可以自然消除，生产运行安全有保障。由于无转子励磁磁场，不需要同期及电压调节装置，从发电状态到电动机状态可自动平稳过渡，热源短期中断不需停机，负荷控制也十分简单，并网操作十分简便，非常适用于不稳定动力源的发电，工厂内部并网使用。
（6）基于本发明节能技术的整体节能解决方案，结构改进后，与原减温减压器结构相同或减温功能相同，通过预先设置好的DCS自动控制系统还实现了新热电联产、自动控制、无功补偿和自动并网等模块功能。
（7）本申请能够节约成本，建设周期和项目费用是相同装机容量的同步机组的1/2～2/3，可以适用于常见工业领域如磷复肥化工行业、石油化工行业、冶炼冶金行业、造纸轻纺行业等工厂。
附图说明
图1为本发明的系统的结构示意图；
图2为本发明的控制系统的控制的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本实施例中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对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例的基于工业汽机异步发电的节能系统，包括与中低压蒸汽进汽母管A上连接的减温减压器D和一个背压式汽轮发电机组G，减温减压器D与中低压蒸汽进汽母管A之间设有进口蒸汽管道系统D1，减温减压器D与用汽装置B之间设有出口蒸汽管道系统，背压式汽轮发电机组G与减温装置H连接，减温装置H与用汽装置B进口总管连接，各管路上设有手动或电动调节阀，减温减压器、背压式汽轮发电机组、用汽装置、各个电动调节阀通过DCS自动控制系统控制，蒸汽进入背压式汽轮异步发电机组，机组通过冲动蒸汽做功和发电。本实施例中，用汽装置B为换热器。
本实施例是在低压蒸汽进汽母管A与用汽装置B前的低压蒸汽出汽总管C之间是原减温减压器D（含减温水管道D4）及其进、出口蒸汽管道系统，进、出口蒸汽管道系统设有阀门D1、D2，在原减温减压器前安装一个电动阀组（原系统如有则取消）D3，其他不做任何改动。
从工厂用汽装置附近中低压蒸汽主管引出一路分汽管道作为新系统进汽管道系统（含旁路）E1，并在接口外大于1DN处设置一手动阀F1；在手动阀后汽轮机前安装一个电动阀组F2，经DCS连锁控制后可实现自动切换供汽系统；电动阀组自动控制后经管道输送和变换至合适口径接入高效背压式汽轮异步发电机组G，机组通过冲动蒸汽做功和发电；汽轮机背压排汽管后布置一个减温器H（减温水管道E3），接口管道E2、E4并入原用汽装置进口总管C。
手动或电动闸阀F1、F2、F3分别设置在汽轮机的前端进汽端、后端排汽端；阀门、三通（另一端为安全阀组）、大小头、弯头、汽轮机、减温器、止回阀依序串连接；多套机组并联时，低压出汽总管之间设置调节阀F4，适当调节每套装置实际需求量。
在用汽装置前的中低压蒸汽主管或各支管附近开口，依次接入汽轮机的进汽管道、阀门组、流量/压力/温度变送器及汽轮机的进汽口（低压主管输送过来的就是原始低压蒸汽），新建加入的高效背压式汽轮异步发电机组及配套，依次在汽轮机的排汽口接入出汽管道、减温器、压力/温度变送器、阀门组及在用汽装置（如换热器）闸阀前减温减压器后开口（排出做功后的蒸汽就是需求蒸汽），并联替代原用汽装置前的减温减压器，设置止回阀联锁控制系统；流动蒸汽通过阀门联锁控制进入汽轮机，在汽轮机的转子的带动下与汽轮机的转子联接的发电机的转子被拖动转动，支持使发电机的转子的转速大于定子产生的同步转速，发电机异步发电，自动无功补偿，设置在异步发电机的定子上的出线端子高压开关自动合闸后，与汇流母线联接并入工厂内部磷酸厂高压配电室供用电设备使用。
如图2所示，本实施例的异步发电机和高压并网系统、自动无功补偿分别通过单独的断路器柜并联在企业内部电网上；通过 DCS自动控制系统联锁控制原减温减压器及相关装置。同时，在低压蒸汽母管及减温器入口之间并联一条小管径供汽支路，保证汽轮机排汽压力不低于用汽装置的需求，确保用汽装置如换热器对蒸汽和物料换热的能效平衡和物料平衡。
本实施例的联锁自动控制系统，采用以微机为中心的分散控制系统（DCS），以LCD和键盘（鼠标）为监视控制中心，配以一定数量的常规汽轮机组能在少量就地操作和巡检配合下在控制室内实现机组启动，能在控制室实现机组的运行工况监视、调整、停机和事故处理，并与业主原始DCS系统保持全部数据兼容和通讯。该系统包含所有电气元件、一级仪器仪表及相关辅助系统，二次仪器仪表及辅助系统，主要包括：温度仪表、压力表、振动、位移、液位计、控制阀、开关阀、流量计、限流孔板、可燃气体检测器、变送器、汽轮机控制系统（DEH）、轴系监测系统（TSI）、汽轮机紧急跳闸保护系统（ETS）。
如图2所示，DCS系统控制电动阀的开闭，采集进、出口蒸汽流量、温度、压力，超过设定值时进行事故报警，控制三相异步电机的转速和扭矩，超过设定值时进行事故报警，监测电网的电流、电压，与上位机进行交互，对发电机/电动机模式进行选择，对并网/解列状态进行选择。
本实施例的控制系统实现必要的联合、联锁，包括以下4个模式：
（1）启动模式：
a.控制系统发出指令使新增加的电动阀得电，控制阀门打开；原有的电动阀断电，控制阀门关闭。切换至新汽轮机供汽系统。
b.连锁汽轮机DEH系统控制汽阀缓慢打开，汽轮机带动发电机转速上升；
c.发电机当转速上升至接近同步转速（常用1500或3000r/min），PLC发出指令打开并网开关，发电机出线电路并入工厂电网；
d.当转速上升至大于同步转速3%～5%时，连锁汽轮机DEH系统保持转速为设定值，使发电机的输出功率为允许值；
e.根据功率因素，控制系统发出指令控制补偿电容，实现定档自动投切。
（2）待机模式：
a.当控制系统接受到“待机”信号时，发出指令关闭并网开关使异步电机脱网，进入电动机模式；
b.控制系统保持刷新，接收到“正常”信号时PLC发出指令打开并网开关，并网进入发电机模式。
（3）急停模式：
a.控制系统接受到故障报警时，发出指令控制异步发电机与电网解列，断开与电网连接；
b.连锁汽轮机ETS系统控制汽轮机紧急停机；
c.电动阀B断电，阀门关闭；电动阀A得电，电机带动阀门打开。切换至原供汽系统；
d.控制系统保持刷新，故障解除后，发出指令进入“启动模式”，实现自动复位。
（4）工作调节：
a.控制系统接收减温器TIC信号，自动调节减温器阀门的开度，调节减温水用量，从而保障减温器出口蒸汽温度为设定值；
b.当减温器压力低于0.17MPa（a），控制系统发出指令，电动阀C得电阀门打开，保证控制出口压力不低于0.17MPa；
c.当汽轮机进口FIC参数长时间低于设定范围时，发出“待机”信号进入待机模式。参数稳定在设定范围时，发出“正常”信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：包括与中低压蒸汽进汽母管上连接的减温减压器和至少一个背压式汽轮发电机组，减温减压器与中低压蒸汽进汽母管之间设有进口蒸汽管道系统，减温减压器与用汽装置之间设有出口蒸汽管道系统，背压式汽轮发电机组与减温装置连接，减温装置与用汽装置进口总管连接，各管路上设有手动或电动调节阀，减温减压器、背压式汽轮发电机组、用汽装置、各个电动调节阀通过DCS/PLC自动控制系统控制，蒸汽进入背压式汽轮异步发电机组，机组通过冲动蒸汽做功和发电。
2.根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：中低压蒸汽进汽母管与减温器入口之间并联一条小管径供汽支路，保证汽轮机排汽压力不低于用汽装置的需求。
3.根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：进、出口蒸汽管道系统分别设有阀门，减温减压器前设有电动阀组，背压式汽轮发电机组与中低压蒸汽进汽母管之间的接口外大于1DN处设有手动阀，手动阀后端设有电动阀组，背压式汽轮发电机组与减温装置之间设有电动阀组。
4.根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：减温减压器和减温装置上均设有减温水接口。
5.根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：低压出汽总管之间设置调节阀，适当调节每套装置实际需求量。
6.根据权利要求1所述的基于工业汽机异步发电的节能系统，其特征在于：背压式汽轮发电机组与三相异步发电机连接，流动蒸汽进入汽轮机，在汽轮机的转子的带动下与汽轮机的转子联接的发电机的转子被拖动转动，支持使发电机的转子的转速大于定子产生的同步转速，发电机异步发电，自动无功补偿，设置在异步发电机的定子上的出线端子高压开关自动合闸后，与汇流母线联接并入，供用电设备使用。
7.基于权利要求1-6之一的系统的节能控制方法，其特征在于：按以下进行：
（1）启动模式：
a.控制系统控制阀门打开，使得蒸汽进入背压式汽轮发电机组；
b.控制系统控制控制汽阀缓慢打开，汽轮机带动发电机转速上升；
c.当发电机转速上升至接近同步转速，控制系统打开并网开关，发电机出线电路并入工厂电网；
d.当转速上升至大于同步转速3%～5%时，控制系统控制保持转速为设定值，使发电机的输出功率为允许值；
e.根据功率因素，控制系统控制补偿电容，实现定档自动投切；
（2）待机模式：
a.控制系统接受到待机信号时，关闭并网开关使异步电机脱网，进入电动机模式；
b.控制系统接收到正常信号时，打开并网开关，并网进入发电机模式；
（3）急停模式：
a.控制系统接受到故障报警时，控制异步发电机与电网解列，断开与电网连接；
b.控制汽轮机紧急停机；
c.切换至原供汽系统；
d.故障解除后，控制系统进入启动模式，实现自动复位；
（4）工作调节：
a. 控制系统接收减温器信号，自动调节减温器阀门的开度，调节减温水用量，从而保障减温器出口蒸汽温度为设定值；保证减温器出口压力不低于0.17MPa；
b.当汽轮机进口FIC参数长时间低于设定范围时，发出待机信号进入待机模式；参数稳定在设定范围时，发出正常信号。
8.根据权利要求7所述的节能控制方法，其特征在于：启动模式下，同步转速为1500或3000r/min。
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