CN112682118B - 一种orc发电系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种ORC发电系统控制方法，包括如下步骤：阀位状态初始化，冷水阀开启，热水阀开启，当热水温度＞T1℃时进行下一步，否则保持不变；工质泵以F1Hz启动，Xs以后，电机温度控制逻辑投入运行，启动发电系统变频器，当过热度＞T2℃时，进行下一步，否则保持不变，电机转速升高＞Z2rpm时，进行下一步，否则保持不变；开启主汽阀，气态工质进入透平做功；2s后，关闭旁通阀；当转速＝Z1rpm，并且过热度＞T2℃时，进行下一步，否则保持不变；以T2为目标值的过热度自动控制逻辑投入运行；发电功率自动控制逻辑投入运行。本发明可以自动将ORC发电系统升高负荷到当前热源条件下的最大发电功率，并且维持系统的稳定运行。

Description

一种ORC发电系统控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种ORC发电系统，具体地说是ORC发电系统的控制方法。

背景技术

ORC发电系统利用广泛存在的工业余热、地热、太阳能等低温热源，实现将低品位的热能转换为电能。在ORC发电系统的使用中，从系统启动到稳定运行的操作过程是比较复杂的。一方面低温余热热源条件具有波动性，增加了人工对系统稳定性控制的难度；另一方面，ORC发电系统的控制变量较多，需要监测的变量也较多，这也增加了人工控制的难度。这种情况下，人工操作对工作人员的操作要求较高，也增加了出现错误的几率。

目前ORC发电系统多以手动启动为主，部分文献在自动控制有一定研究，如专利：一种有机朗肯循环发电系统的控制方法201610167147.9，但此控制方法无法解决热源扰动条件下，系统稳定控制问题；专利：一种用于有机朗肯循环的经济模型预测控制方法202010050375.4，此控制方法利用经济模型求解最优控制目标，考虑热源剧烈波动情况下系统的最优控制量，但是忽略了工程应用中大功率系统热惯性问题，在实际应用中控制元件灵敏度受限无法如系统仿真一样达到控制精度的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供在热源扰动下也可以实现系统稳定运行的一种ORC发电系统控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种ORC发电系统控制方法，其特征是：采用如下ORC发电系统，包括蒸发器、冷凝器、汽轮机发电机组、工质罐，热水进口通过热水进口管连接蒸发器，热水出口通过热水出口管连接蒸发器，热水进口管上设置热水阀和热水温度传感器，蒸发器分别连接工质出口管和工质进口管，工质出口管通过主汽阀连接汽轮发电机组，汽轮发电机组通过冷凝进口管连接冷凝器，冷凝器通过冷凝出口管连接工质罐，工质罐连接工质进口管，工质进口管上设置工质泵，冷水入口通过冷水入口管连接冷凝器，冷水出口通过冷水出口管连接冷凝器，冷水入口管上设置冷水阀；工质出口管和冷凝进口管之间通过旁通管相连，旁通管上设置旁通阀，旁通管与工质出口管的连接处位于主汽阀之前，旁通管与工质出口管的连接处之前的工质出口管上设置冷阀和蒸发器出口温度传感器；汽轮发电机组与工质进口管相连，工质进口管上设置电机冷却阀门；

(1)阀位状态初始化：热水阀、冷水阀、电机冷却阀开度归零，主汽阀关闭，旁通阀打开，工质泵频率0Hz；

(2)冷水阀开启100％；

(3)热水阀开启，开度设定为K；

(4)当热水温度＞T1℃时进行下一步，否则保持不变；

(5)工质泵以F1Hz启动，F1值为变频泵的最低启动频率；

(6)Xs以后，电机温度控制逻辑投入运行，X值为泵启动后系统建立循环的时间的经验值；

(7)启动发电系统变频器；

(8)当过热度＞T2℃时，进行下一步，否则保持不变，T2值为考虑防止透平汽蚀的设计值；

(9)电机由变频器驱动给定Z1rpm转速进行电动旋转，Z1值为电机的额定转速；

(10)当转速升高＞Z2rpm时，进行下一步，否则保持不变；

(11)开启主汽阀，气态工质进入透平做功；

(12)2s后，关闭旁通阀；

(13)当转速＝Z1rpm，并且过热度＞T2℃时，进行下一步，否则保持不变；

(14)以T2为目标值的过热度自动控制逻辑投入运行；

(15)发电功率自动控制逻辑投入运行；

(16)维持稳定运行。

本发明还可以包括：

1、所述过热度自动控制逻辑为：利用蒸发器出口温度T2、蒸发器出口压力P2，根据工质物性计算出过热度Ts，以过热度T2为控制目标，利用PID控制工质泵频率，实现过热度稳定在T2±0.1℃。

2、所述电机温度控制逻辑为：利用电机内不同温度测点，取最大值Max t，以电机温度控制目标设定值t0为控制目标，利用PID控制电机冷却阀门开度，实现电机温度稳定在t0±0.1℃。

3、所述发电功率自动控制逻辑为：每隔Ys执行一次电机温度控制逻辑，Y值取为热水阀变化后，传递到发电功率变化时间，计算当前时刻发电功率Power与Ys前发电功率Power0的差值d：

当|d|<3：

如果0.7W>Power，则增大热水阀开度Kd1％，运行过热度自动控制逻辑；

如果0.95W≥Power≥0.7Wkw，则增大热水阀开度Kd2％，运行过热度自动控制逻辑；

如果1.05W≥Power>0.95W，则保持热水阀开度不变，运行过热度自动控制逻辑；

如果Power>1.05W，则减小热水阀开度Kd2％，停止过热度自动控制逻辑，减小工质泵频率Fd1Hz；

当|d|≥3：

如果1.05W≥Power，则保持热水阀开度不变，运行过热度自动控制逻辑；

如果Power>1.05W，则减小热水阀开度Kd2％，停止过热度自动控制逻辑，减小工质泵频率Fd1Hz；

W为额定发电功率，Kd1为经验值，Kd2为经验值。

4、所述Y取值范围为40s～80s，所述K取值范围为20～30％，所述T1取值范围为50℃～60℃，F1为14Hz，X取值范围为3～5s，T2取值范围为3～5℃，Z2值为Z1/2。

本发明的优势在于：本发明可以根据用户使用需求，实现一键操作，自动将ORC发电系统升高负荷到当前热源条件下的最大发电功率，并且维持系统的稳定运行，减少人力资源。

附图说明

图1为ORC发电系统图；

图2为本发明的流程图；

图3为电机温度自动控制逻辑流程图；

图4为过热度自动控制逻辑流程图；

图5为发电功率控制逻辑流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-5，ORC发电系统组成：热水循环，依次由2热水进口、3热水阀、5蒸发器、1热水出口组成，通过金属管道连接，在3热水阀和5蒸发器之间设有4热水温度传感器，其中通过5蒸发器实现热水与有机工质的换热；

冷水循环，依次由15冷水入口、6冷阀、13冷凝器、14冷水出口组成，通过金属管道连接；

有机工质循环，依次由20工质泵、5蒸发器、8主汽阀、9汽轮发电机组、13冷凝器、18工质罐组成，通过金属管道连接。其中在5蒸发器和13冷凝器之间设置有旁路，旁路设置10旁通阀；在20工质泵与5蒸发器之间设置有电机冷却管路，与电机内部相连，电机冷却管路上设置有19电机冷却阀门；在5蒸发器和8主汽阀之间设置有6蒸发器出口压力传感器、7蒸发器出口温度传感器；在9汽轮发电机组内部设置11电机温度传感器，9汽轮发电机组与12变频器通过电缆连接；

上述系统中的所有阀门、传感器及汽轮发电机组、变频器都通过17PLC控制柜进行监控。

一键自动启动控制方法，包括过热度自动控制逻辑，电机温度控制逻辑，以及发电功率控制逻辑。

a)在PLC控制界面上，按下一键启动按钮；

b)阀位状态初始化：热水阀、冷水阀、电机冷却阀开度归零，主汽阀关闭，旁通阀打开，工质泵频率0Hz；

c)冷水阀开启100％；

d)热水阀开启，开度设定为K，K值一般为20～30％；

e)当热水温度＞T1℃时进行下一步，否则系统保持不变，T1一般为50℃～60℃；

f)工质泵以F1Hz启动，F1值为变频泵的最低启动频率，一般为14Hz；

g)Xs以后，电机温度自动控制逻辑开始运行，X值为泵启动后系统建立循环的时间的经验值，一般根据系统容积决定，取值范围3～5s；

h)启动发电系统变频器；

i)当过热度＞T2℃时，进行下一步，否则系统保持不变，T2值为考虑防止透平汽蚀的设计值，由工质物性决定，T2一般取3～5℃；

j)电机由变频器驱动给定Z1rpm转速进行电动旋转，Z1值为电机设计的额定转速；

k)当转速升高＞Z2rpm时，进行下一步，否则系统保持不变，Z2值一般为Z1/2；

l)开启主汽阀，气态工质进入透平做功；

m)2s后，关闭旁通阀；

n)当转速＝Z1rpm，并且过热度＞T2℃时，进行下一步，否则系统保持不变；

o)以T2为目标值的过热度自动控制逻辑开始运行；

p)发电功率自动控制逻辑开始运行；

q)系统维持稳定运行；

过热度自动控制逻辑：利用蒸发器出口温度T2，蒸发器出口压力P2，根据工质物性计算出过热度Ts，以过热度T2为控制目标，利用PID控制工质泵频率，实现过热度稳定在T2±0.1℃，保证透平安全、稳定运行；

电机温度控制逻辑：利用电机内多个温度测点，取最大值Max t，以电机温度控制目标设定值t0为控制目标，利用PID控制电机冷却阀门开度，实现电机温度稳定在t0±0.1℃，保证电机安全、稳定运行；

发电功率控制逻辑：每隔Ys执行一次,Y值取为热水阀变化后，传递到发电功率变化时间，一般为40s～80s，计算当前时刻发电功率Power与Ys前发电功率Power0的差值d。

当|d|<3：

如果0.7W>Power，则增大热水阀开度Kd1％，运行过热度自动控制逻辑；

如果0.95W≥Power≥0.7Wkw，则增大热水阀开度Kd2％，运行过热度自动控制逻辑；

如果1.05W≥Power>0.95W，则保持热水阀开度不变，运行过热度自动控制逻辑；

如果Power>1.05W，则减小热水阀开度Kd2％，停止过热度自动控制逻辑，减小工质泵频率Fd1Hz；

当|d|≥3：

如果1.05W≥Power，则保持热水阀开度不变，运行过热度自动控制逻辑；；

如果Power>1.05W，则减小热水阀开度Kd2％，停止过热度自动控制逻辑，减小工质泵频率Fd1Hz；

W为额定发电功率；Kd1为经验值，一般取5％；Kd2为经验值，一般取1％；Fd1为经验值，一般取0.5。

Claims (5)

1.一种ORC发电系统控制方法，其特征是：采用如下ORC发电系统，包括蒸发器、冷凝器、汽轮机发电机组、工质罐，热水进口通过热水进口管连接蒸发器，热水出口通过热水出口管连接蒸发器，热水进口管上设置热水阀和热水温度传感器，蒸发器分别连接工质出口管和工质进口管，工质出口管通过主汽阀连接汽轮发电机组，汽轮发电机组通过冷凝进口管连接冷凝器，冷凝器通过冷凝出口管连接工质罐，工质罐连接工质进口管，工质进口管上设置工质泵，冷水入口通过冷水入口管连接冷凝器，冷水出口通过冷水出口管连接冷凝器，冷水入口管上设置冷水阀；工质出口管和冷凝进口管之间通过旁通管相连，旁通管上设置旁通阀，旁通管与工质出口管的连接处位于主汽阀之前，旁通管与工质出口管的连接处之前的工质出口管上设置冷阀和蒸发器出口温度传感器；汽轮发电机组与工质进口管相连，工质进口管上设置电机冷却阀门；

(1)阀位状态初始化：热水阀、冷水阀、电机冷却阀开度归零，主汽阀关闭，旁通阀打开，工质泵频率0Hz；

(2)冷水阀开启100％；

(3)热水阀开启，开度设定为K；

(4)当热水温度＞T1℃时进行下一步，否则保持不变；

(5)工质泵以F1Hz启动，F1值为变频泵的最低启动频率；

(6)Xs以后，电机温度控制逻辑投入运行，X值为泵启动后系统建立循环的时间的经验值；

(7)启动发电系统变频器；

(8)当过热度＞T2℃时，进行下一步，否则保持不变，T2值为考虑防止透平汽蚀的设计值；

(9)电机由变频器驱动给定Z1rpm转速进行电动旋转，Z1值为电机的额定转速；

(10)当转速升高＞Z2rpm时，进行下一步，否则保持不变；

(11)开启主汽阀，气态工质进入透平做功；

(12)2s后，关闭旁通阀；

(13)当转速＝Z1rpm，并且过热度＞T2℃时，进行下一步，否则保持不变；

(14)以T2为目标值的过热度自动控制逻辑投入运行；

(15)发电功率自动控制逻辑投入运行；

(16)维持稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种ORC发电系统控制方法，其特征是：所述过热度自动控制逻辑为：利用蒸发器出口温度T2、蒸发器出口压力P2，根据工质物性计算出过热度Ts，以过热度T2为控制目标，利用PID控制工质泵频率，实现过热度稳定在T2±0.1℃。

3.根据权利要求1所述的一种ORC发电系统控制方法，其特征是：所述电机温度控制逻辑为：利用电机内不同温度测点，取最大值Max t，以电机温度控制目标设定值t0为控制目标，利用PID控制电机冷却阀门开度，实现电机温度稳定在t0±0.1℃。

4.根据权利要求3所述的一种ORC发电系统控制方法，其特征是：所述发电功率自动控制逻辑为：每隔Ys执行一次电机温度控制逻辑，Y值取为热水阀变化后，传递到发电功率变化时间，计算当前时刻发电功率Power与Ys前发电功率Power0的差值d：

当|d|<3：

如果0.7W>Power，则增大热水阀开度Kd1％，运行过热度自动控制逻辑；

如果0.95W≥Power≥0.7Wkw，则增大热水阀开度Kd2％，运行过热度自动控制逻辑；

如果1.05W≥Power>0.95W，则保持热水阀开度不变，运行过热度自动控制逻辑；

如果Power>1.05W，则减小热水阀开度Kd2％，停止过热度自动控制逻辑，减小工质泵频率Fd1Hz；

当|d|≥3：

如果1.05W≥Power，则保持热水阀开度不变，运行过热度自动控制逻辑；

如果Power>1.05W，则减小热水阀开度Kd2％，停止过热度自动控制逻辑，减小工质泵频率Fd1Hz；

W为额定发电功率，Kd1为经验值，Kd2为经验值。

5.根据权利要求4所述的一种ORC发电系统控制方法，其特征是：所述Y取值范围为40s～80s，所述K取值范围为20～30％，所述T1取值范围为50℃～60℃，F1为14Hz，X取值范围为3～5s，T2取值范围为3～5℃，Z2值为Z1/2。

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