微型燃气轮机余热回收系统设计

2010-05-01何成1,2

上海第二工业大学学报 2010年4期

何成 1,2

(1.上海理工大学动力工程学院上海 200093；2.上海第二工业大学机电工程学院上海 201209）

0 引言

微型燃汽轮机以小规模、分散式的方式布置在用户附近，可独立输出电、热量[1]。微型燃汽轮机在出厂前需要经过检验，只有连续48小时运行无故障，才能称得上是合格产品。微型燃汽轮机连续运行排出的烟气温度一般都十分高，目前普遍在500 °C左右。如此高温的烟气如果不加处理直接排入大气，一会带来资源浪费，二会加剧温室效应，对大气环境造成破坏。无论从环保、安全和便利性还是从建立节约型社会、促进国民经济可持续健康发展方面考虑[2]，将这些热量进行回收利用都是十分必要的。可编程逻辑控制器（PLC）作为新一代的工业控制装置[3]，具有功能全面、编程简单、性能稳定等优点[4]，可使复杂的工业控制变得简单、灵活。本套燃气轮机的余热回收系统，根据控制要求，用PLC进行软件编程，来控制各个系统的运行，实现高温蒸汽和冷水的自动循环换热，经加热的水可供相关企业员工用于沐浴等。本套系统结构简单，控制自动化程度高，适合燃气轮机生产企业使用。

1 燃气轮机回收系统的结构及工作原理

1.1 系统结构

整个燃气轮机余热回收系统主要分两大部分：一是燃气轮机的供油系统，二是燃气轮机的余热回收系统。其中供油系统提供每日所需的柴油，将每日剩余的柴油加以回收，确保设备安全；余热回收系统实现热量的交换，输出一定温度的热水。系统总体结构示意图如图1所示。

1.2 工作原理

图1 燃气轮机余热回收系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of gasturbine heat recovery

系统的工作原理相应分两部分：一是供油部分，二是余热回收部分。供油部分给燃气轮机提供每日工作所需用油。按下启动按钮，油料从进油管流入。通过调节阀调节油的流量大小，经过过滤器过滤掉油中杂质，再用泵来提高油压，把油输入日用油箱，用来满足燃气轮机每日的用油需要。日用油箱上安装了必要的通风和溢流装置，多余的油通过排油管或排油阀排入排油箱中。

排油箱是存放排出油的容器，共有两种油排入排油箱：第一种是燃气轮机的储备油料，燃气轮机油箱内装有用于检测油料情况的传感器，排油管道中装有用于调节排油量的调节阀，调节阀将会根据传感器发出的信号来调剂排油量，以防止油料溢出；第二种是燃气轮机的工作油料，使用后排出的油料会直接排入排油箱内。

在油箱的上方还装有通风管。为了防止调节阀和传感器由于出现故障而无法使用，从而导致油箱的油料溢出，加装了通风管，一方面可以排出油箱中的气压，另一方面可以防止溢流，起到双保险的作用。

余热回收部分是系统的关键。回收部分将燃气轮机产生的高温烟气与冷水进行充分换热，提供符合要求的热水。高温烟气流入烟水换热器的管道内，同时冷水通过电磁阀控制水流大小，再经过水泵增压，流入烟水换热器管道外侧，与管道内的高温烟气进行热量的充分交换。剩余的烟气排入大气，经加热后的水进入热水箱。

一次换热，尚不能将20 °C的冷水加热到符合要求的热水，所以需要多次循环换热，即热水箱的温水需通过流入烟水换热器与高温烟气再次换热，直到符合要求为止。

温度传感器不间断地检测热水箱内水温。如果用户长时间没有用水，热水箱的水温度下降，则水路切换阀的阀门打开，热水箱的水重新进入烟水换热器，进行重新加热。同时，温度传感器不断检测烟水换热器内被加热水的水温，直至水温重新达到所要求的温度，则水路切换阀门打开，被加热过的水又一次进入热水箱，供用户使用。

2 控制系统

2.1 硬件系统

控制装置的组成包括工控机、PLC、触摸屏、水温检测传感器、水位和油位监测传感器等，其中现场上位机采用符合工控环境的研华工控机，现场下位机采用专为工业自动控制设计的PLC控制器。本系统采用PLC作为系统控制核心。

可编程控制器PLC采用日本三菱公司的FX2n型PLC。FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列，具备如下特点：最大范围包容了标准，程序执行更快，全面补充了通讯功能，满足单个需要的大量特殊功能模块，可以为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。触摸屏是与PLC配套使用的设备，是一种取代控制面板和键盘的智能操作显示器。如图2所示，油位、水温、水位都由传感器来确定信号。传感器用来监测日用油箱内的油位、热水箱内的水位和水温等数据，再将反馈量输入PLC，来控制各调节阀、油泵的状态。

PLC负责系统各组成部件的控制运行、安全联锁保护与现场数据采集、实时监控、运行状态显示和实时数据的分析、存储，实现整个系统安全、稳定、便捷的现代化操作和管理。现场总线使用户可以进行远程监视、维护和调试，为实现分布在不同地点的各个控制设备的协调运行提供技术保障。