一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法技术方案

本发明专利技术属于能源与动力技术领域，尤其涉及一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法。为实现有机朗肯循环孤网发电监控系统的自动化控制并自动处理系统发生的故障，本发明专利技术提出一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法，包括流量计、压力传感器、温度传感器、工质泵、蒸发器、电动三通阀、膨胀机、发电机、冷凝器、热源回路、冷却回路、触摸屏、PLC控制单元、工质泵变频器、继电器、报警器以及多功能电功率计。通过对机组进行实时状态监测，在非稳定热源和冷源波动下，实现余热发电系统的稳定性，可靠性和高效运行。本发明专利技术具有良好的自适应性同时在系统故障时能够自动调节，实现孤网发电系统的无人值守。

An unmanned organic Rankine cycle power grid monitoring system and method

The invention belongs to the field of energy and power technology, especially relates to an unmanned organic Rankine cycle power grid monitoring system and method. To achieve automatic control of organic Rankine cycle isolated power supervisory control system and automatic processing system failure, the invention proposes an unmanned organic Rankine cycle power grid monitoring system and method, including flow meter, pressure sensor, temperature sensor, refrigerant pump, evaporator, electric three-way valve, expansion turbine, generator, condenser heat circuit, cooling circuit, touch screen, PLC control unit, refrigerant pump, frequency converter, relay alarm and multi-function electric power meter. Through the real-time monitoring of the unit, the stability, reliability and efficient operation of the waste heat power generation system are realized under the fluctuation of the unstable heat source and the cold source. The invention has good self adaptability, and can automatically adjust when the system is out of order, and realizes unattended operation of the isolated network generating system.

【技术实现步骤摘要】
一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法
本专利技术属于能源与动力
，尤其涉及一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法。
技术介绍
有机朗肯循环(ORC)是一种能有效利用中低温热能(如余热、太阳能、地热能等)的技术。传统的蒸汽朗肯循环，以水为工质，水的沸点高，如果利用低温余热，由于蒸汽比容大，不容易达到和保持过热状态，使得循环效率很低，甚至不能完成循环。有机朗肯循环采用低沸点的有机工质，由于有机工质沸点低，很容易过热，容易产生高压蒸汽，此外有机朗肯循环设备简单，便于集成和移动，所以对于回收300℃以下的低温余热有巨大的优势，不仅可以用来发电，还可以用来驱动制冷系统的压缩机和驱动反渗透海水淡化系统的高压泵。有机朗肯循环技术在低温热功转换过程中有显著的优点和广阔的应用前景，对其研究已成为中低温能源利用技术的关键和热点。有机朗肯循环(ORC)发电是工矿企业进行节能减排、降耗增效的有效措施，也是实现循环经济的必经之路。有机朗肯循环发电系统主要包括工质泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器、润滑油泵、膨胀机以及热源回路、冷却回路。基本热力过程为蒸汽进入膨胀机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械旋转。从膨胀机械排出的蒸汽在冷凝器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新泵回到蒸发器，如此不断地循环下去。ORC低温发电与火电厂系统有很多相似的地方。同火电厂一样，随着长时间的运行，系统中的各个部件可能发生故障，导致系统效率下降、性能恶化，造成巨大的经济损失，甚至严重威胁人身安全。因此，建立ORC过程的状态监测与控制系统来保证系统的安全、稳定、有效运行越来越得到重视。目前有关ORC控制发电的报道多见于理论，并且一些实验室搭建的ORC孤网发电实验机组多为手动操作实验，并未真正实现自动化控制。因此ORC欲实现商业化，必须实现自动化控制，并对各个状态参数进行实时监测，当设备以及自动调节系统出现故障时，系统能够自动采取措施以保护生产设备不受破坏。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统及方法，一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统，包括有机朗肯循环发电系统和ORC监测控制系统，所述有机朗肯循环发电系统包括流量计4、压力传感器5、温度传感器6、工质泵10、蒸发器11、电动三通阀12、膨胀机13、发电机14、冷凝器15、热源回路16、冷却回路17，所述监控控制系统包括触摸屏1、PLC控制单元2、工质泵变频器3、继电器7、报警器8、多功能电功率计9；所述工质泵10、蒸发器11、电动三通阀12、膨胀机13、冷凝器15依次首尾相连，所述电动三通阀12的另一路出口直接与所述冷凝器15的入口相连，所述膨胀机13与发电机14同轴相连，所述流量计4安装在工质泵10的出口，四组压力传感器5和温度传感器6分别安装在工质泵10出口、蒸发器11出口、膨胀机13出口以及冷凝器15的出口管路上，触摸屏1与PLC控制单元2之间通过电线连接，继电器7、报警器8、多功能电力计9、工质泵变频器3与PLC控制单元2之间通过电线连接，工质泵变频器3与工质泵10的电机通过电线连接，热源回路16与冷却回路17通过导线分别与PLC控制单元2连成闭合回路。所述ORC监测控制系统包括手动模式和自动模式两种运行模式，两种模式可在触摸屏的首页面板上进行切换。所述ORC监测控制系统包括的手动模式，通过手动调节工质泵的变频器频率和工质泵的行程来调节发电机的输出功率和转速；所述ORC监测控制系统包括的自动模式用于机组稳定发电，在热源和冷源波动的情况下，通过多功能电力计输出频率的反馈来调节工质泵变频器的频率。一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统的工作方法如下：步骤A：调节好设定的系统冷热源参数，给机组通电，触摸屏1自动启动，首先按照所需功率进行手动模式调节，将工质泵调节到指定行程；步骤B：工质泵变频器3自动启动；步骤C：当蒸发器出口过热度模拟信号的反馈大于设定值时，电动三通阀12自动切向膨胀机13侧，同时润滑油泵启动，润滑油对膨胀机13进行润滑，膨胀机13转动带动发电机14进行供电；步骤D：根据多功能电功率计9三相频率输出的反馈来调节工质泵变频器3频率，使发电机14转速达到额定工况；步骤E：当发电机14转速在3000±200RPM范围波动时，发电机14的励磁AVR开始工作，使输出三相电压稳定在400±5V；步骤F：当负载增加时，发电机14三相频率降低，自动控制系统启动，调节工质泵变频器3频率，使发电机14转速达到额定工况；步骤G：当负载减小或者突然断路时，膨胀机13失速，电动三通阀12自动切向旁路侧，润滑油泵关闭；步骤H：运行时间结束时，电动三通阀12自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，工质泵10自动小流量运行，待机组冷却后，关闭工质泵10，机组断电。所述系统包括以下报警量以及相应的处理方案：a、膨胀机失速，即同步励磁发电机三相电频率大于58HZ；处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，蜂鸣器报警开启；b、工质泵变频器运行不正常，自动控制失败；处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，工质泵变频器控制停止；c、同步励磁发电机缺相报警，UVW三相单相电流为0时，缺相报警启动；处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，蜂鸣器报警开启，停机检查；d、膨胀机入口过热度不足时，膨胀机出现湿膨胀；处理方案：弹出警告窗口，蜂鸣器报警开启，人工调高热源温度或流量；e、冷却出现问题，机组出现高压，冷凝压力超压；处理方案：弹出警告窗口，储液罐上0.8Mpa安全阀自动弹起泄压；f、膨胀机突然停止转动；处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，同时PLC控制单元控制工质泵变频器减小频率，从而减小工质流量，控制系统界面弹出警告窗口，显示报警原因，蜂鸣器报警开启；g、工质泵入口过冷度小于3℃时，即冷却回路出现问题；处理方案：电动三通阀自动切向旁路侧，润滑油泵关闭，同时PLC控制单元控制工质泵变频器减小频率，从而减小工质流量，PLC控制单元对热源的三通阀发出指令，将热源进入机组的直通状态切换为旁路状态，控制系统界面弹出警告窗口，显示报警原因，蜂鸣器报警开启。所述有机朗肯循环采用R245fa作为工质。所述触摸屏所显示的R245fa工质的焓值、过热度、过冷度、蒸发温度、冷凝温度的未知参数，利用PLC控制单元将温度传感器采集的温度信号与压力传感器采集的压力信号作为输入参数，然后利用拟合公式计算自动获得，直接利用这些信号进行逻辑反馈，实现自动控制。本专利技术的有益效果在于：1.ORC监控系统界面能够显示重要的热工参数与电参数，可以修改PLC控制的反馈量，拟合的R245fa重要热工参数和实际查表所得参数基本无偏差，便于对ORC机组进行实时状态监测与故障诊断。2.在非稳定热源和冷源波动下，本专利技术的自动控制系统具有良好的自适应性。由于有机朗肯循环发电热源温度低，与火电厂相比启动快，并且控制方案简单、有效、安全，能够在给定用电负荷时自动调节运行工况，且响应速度快，能够实现余热发电系统的稳定性，可靠性和高效运行。3.当ORC设备以及自动调节系统出现故障时，系统能够在无人值守时自动采取措施保护生产设备不受破坏，尤其适用于移动式集成机组的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统，其特征在于，包括有机朗肯循环发电系统和ORC监测控制系统，所述有机朗肯循环发电系统包括流量计(4)、压力传感器(5)、温度传感器(6)、工质泵(10)、蒸发器(11)、电动三通阀(12)、膨胀机(13)、发电机(14)、冷凝器(15)、热源回路(16)、冷却回路(17)，所述监测控制系统包括触摸屏(1)、PLC控制单元(2)、工质泵变频器(3)、继电器(7)、报警器(8)、多功能电功率计(9)；所述工质泵(10)、蒸发器(11)、电动三通阀(12)、膨胀机(13)、冷凝器(15)依次首尾相连，所述电动三通阀(12)的另一路出口直接与所述冷凝器(15)的入口相连，所述膨胀机(13)与发电机(14)同轴相连，所述流量计(4)安装在工质泵(10)的出口，四组压力传感器(5)和温度传感器(6)分别安装在工质泵(10)出口、蒸发器(11)出口、膨胀机(13)出口以及冷凝器(15)的出口管路上，触摸屏(1)与PLC控制单元(2)之间通过电线连接，继电器(7)、报警器(8)、多功能电力仪表(9)、工质泵变频器(3)与PLC控制单元(2)之间通过电线连接，工质泵变频器(3)与工质泵(10)的电机通过电线连接，热源回路(16)与冷却回路(17)通过导线分别与PLC控制单元(2)连成闭合回路。...

【技术特征摘要】
1.一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统，其特征在于，包括有机朗肯循环发电系统和ORC监测控制系统，所述有机朗肯循环发电系统包括流量计(4)、压力传感器(5)、温度传感器(6)、工质泵(10)、蒸发器(11)、电动三通阀(12)、膨胀机(13)、发电机(14)、冷凝器(15)、热源回路(16)、冷却回路(17)，所述监测控制系统包括触摸屏(1)、PLC控制单元(2)、工质泵变频器(3)、继电器(7)、报警器(8)、多功能电功率计(9)；所述工质泵(10)、蒸发器(11)、电动三通阀(12)、膨胀机(13)、冷凝器(15)依次首尾相连，所述电动三通阀(12)的另一路出口直接与所述冷凝器(15)的入口相连，所述膨胀机(13)与发电机(14)同轴相连，所述流量计(4)安装在工质泵(10)的出口，四组压力传感器(5)和温度传感器(6)分别安装在工质泵(10)出口、蒸发器(11)出口、膨胀机(13)出口以及冷凝器(15)的出口管路上，触摸屏(1)与PLC控制单元(2)之间通过电线连接，继电器(7)、报警器(8)、多功能电力仪表(9)、工质泵变频器(3)与PLC控制单元(2)之间通过电线连接，工质泵变频器(3)与工质泵(10)的电机通过电线连接，热源回路(16)与冷却回路(17)通过导线分别与PLC控制单元(2)连成闭合回路。2.根据权利要求1所述一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统，其特征在于，所述ORC监测控制系统包括手动模式和自动模式两种运行模式，两种模式可在触摸屏的首页面板上进行切换。3.根据权利要求2所述的一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统，其特征在于，所述ORC监测控制系统包括的手动模式，通过手动调节工质泵的变频器频率和工质泵的行程来调节发电机的输出功率和转速；所述ORC监测控制系统包括的自动模式用于机组稳定发电，在热源和冷源波动的情况下，通过电功率表输出频率的反馈来调节工质泵变频器的频率。4.根据权利要求1所述的一种无人值守式有机朗肯循环孤网发电监控系统，其特征在于，所述系统的工作方法如下：步骤A：调节好设定的系统冷热源参数，给机组通电，触摸屏(1)自动启动，首先按照所需功率进行手动模式调节，将工质泵调节到指定行程；步骤B：工质泵变频器(3)自动启动；步骤C：当蒸发器出口过热度模拟信号的反馈大于设定值时，电动三通阀(12)自动切向膨胀机(13)侧，同时润滑油泵启动，润滑油对膨胀机(13)进行润滑，膨胀机(13)转动带动发电机(14)进行供电；步骤D：根据多功能电功率计(9)三相频率输出的反馈来调节工质泵变频器(3)频率，使发电机(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐进良，刘秀龙，曹泷，苗政，戚风亮，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11