有机朗肯循环发电机组控制系统设计

祝广场 彭绍伟 高水华 李志

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

0 引言

有机朗肯循环（ORC）发电机组控制系统采用西门子可编程逻辑控制器（PLC）作为主控制器。PLC通过现场工业总线与人机交互界面（触摸屏）、汽轮机控制器、发电机综合控制与保护装置等进行信息交换。PLC通过触摸屏接收机组运行人员的操作指令，对机组各部件和子系统进行集中协调控制，对机组运行状态进行实时监测和分析，对机组运行过程中出现的各类故障进行分类处理，完成启动、停机、并网、报警、保护等功能。机组运行人员可通过人机交互界面（触摸屏）随时查询机组运行状态参数以及电能计量显示。机组电气控制系统设置手动操作按钮，以便于紧急事故状态下实现手动安全停机。汽轮发电机系统主要功能有：自动启停，无人值守；自动并网/解列；有功、无功控制；自动报警，保护功能；数据采集、显示和记录等。

1 人机接口

通过用户友好的触摸屏，操作人员能够从一个显示屏上浏览和选择多种控制方式及设定给定值。触摸屏的操作界面由操作画面、记录制表、历史事件信息、相关参数显示画面等部分组成。在触摸屏的操作画面中，可以实现汽轮机启机、停机等控制功能，可显示各种参数状态及故障记录。

1.1 显示信息

从触摸屏的监控画面中不仅可以直观地看到整个汽轮发电机组的工艺流程，还可以显示以下机组的运行信息：

系统信息显示；

监测量显示；

控制参数信息；

汽轮发电机状态信息显示；

报警和停机逻辑显示。

1.2 制表记录

使用人机界面组态软件可以实现定期记录、运行操作记录、事件顺序记录（SOE）、事故追忆记录、设备运行记录、跳闸一览记录等功能。

1.3 历史数据存储和检索功能

对于系统测量、机组运行等历史数据，触摸屏具有存储和检索功能。触摸屏和 PLC通过RS232通信，可以根据触摸屏定义的PLC端口自动进行数据记录，存储为数据文件，并可以下载至PC机进行存储和分析。

2 数据采集与处理系统

数据采集与处理系统主要是对机组的监测量、设备的运行状态、机组的运行模式等进行测量、监测和显示，为控制系统进行逻辑计算、协调控制、报警保护等打好基础，最终实现机组的无人值守功能。

2.1 数据采集

在机组运行中，PLC主要对工质、热源、润滑油、冷却水、汽轮机进/排汽等进行温度和压力测量，对工质泵、冷却水泵、润滑油泵的运行/停止、故障状态进行监测，对相关阀门的开/关、位置反馈进行采集，确保能够准确地显示出机组状况和各设备的运行状态。

2.2 数据处理及报警输出

PLC接收现场变送器和各类开关的输入信号后，经过运算和逻辑处理，根据设计要求，送至监控画面显示；对预设的报警定值，及时发出报警提示。

3 汽轮机控制系统

3.1 汽轮机启/停控制

汽轮机控制采用505 调速器，505主要功能是实现对汽轮机的启停控制，汽轮机有功功率控制，汽轮机进汽压力限制，汽轮机超速保护等。

505调速器提供了三种不同启动方式的选择：自动、半自动和手动启动。

调速器能组态成采用顺序自动启动操作方式来启动汽轮机。该顺序逻辑使505 调速器能完成从零转速到额定转速的完整的系统启动过程。采用这一功能，汽轮机的启动升速率和暖机转速的保持时间取决于机组停机时间的长短。该顺序逻辑能与三种起动方式中的任意一种一起使用。

3.2 转速/功率调节

转速/功率调节调节系统的任务是对汽轮机的转速、发电机功率进行调节，在汽轮机启动阶段，控制从静止升至额定转速，并网之后，能满足电网升降负荷的要求，维持电网频率不变。

在启动阶段，两路转速信号经过505调速器处理后作为控制的实际值，设定值通过505设定或者PLC远程设定，偏差经过PID运算后得出执行机构的开度指令，由505送至调节阀。

在并网阶段，505调速器根据发电机断路器和电网断路器的闭合信号，自动切换至负荷控制。

工质压力由505检测，引入串级控制回路，用于不同压力时的功率输出控制。

3.3 汽轮机危急跳闸系统

汽轮机危急跳闸系统包括超速保护、润滑油压力低保护、润滑油温度高保护等。

505用来检测和计算汽轮机转速，当转速超过紧急停机设定值时，505发出紧急停机指令给PLC，同时发关闭指令给调节阀；PLC收到紧急停机指令时，立即将主汽门关闭并给发电机发解列指令，实现超速保护。

润滑油压力低保护和润滑油温度高保护由PLC的控制逻辑来判断，当保护动作时，PLC通过505的外部跳闸输入功能，共同完成紧急停机。

4 发电机综合控制与保护系统

4.1 测量显示

发电机综合控制与保护装置对发电机电压、电流、功率、功率因数、发电累计电能、逆功率等参数进行测量和显示。综合控制器通过逻辑计算和控制功能实现发电机的过压、过流、过频、逆功等保护。

4.2 并网/解列

发电机并网之前，综合控制器检测发电机的电压、频率、相位、相序，输出控制信号给发电机调压器和汽轮机调速器，判断机组是否满足同期条件，若满足就可以直接自动合上并网断路器。不满足时，发电机控制器发出调节指令给505调速器和发电机电压调节器，使其进行相关参数自动的调节以满足同期条件并实现并网功能。

当发电机组出现故障或者需要停机检修时，发电机综合控制与保护装置自动将发电机跟电网解列，确保机组处在安全的状态。

4.3 功率因数及无功功率控制

发电机综合保护与控制装置检测发电机电压、电流计算系统功率因数，通过输出控制信号给发电机自动电压调节器（AVR），调整发电机无功功率，实现恒功率因数控制。

4.4 发电机保护

发电机综合控制与保护装置完成以下项目的发电机保护，动作时将发电机解列并反馈至汽轮机控制器和PLC控制器：

发电机逆功率保护；

发电机差动保护；

发电机过流保护；

发电机欠压保护。

5 结语

本文介绍了基于有机工质的余热发电机组控制系统的设计，该系统以完善的数据采集为基础，结合高稳定性、高可靠性的控制逻辑，使得机组在运行中不必投入大量人力资源，即便在故障状态下，也能够避免事故的发生。

[1]WOODWARD. WOODWARD 505数字式调速器说明书.

[2]吉铭. 西门子 S7- 300 在沼气发电控制系统中的应用. 科技论坛, 83.