离心泵作透平的发电装置系统优化研究

纪　旭，吴明亮，魏　源，李召宪

(兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

离心泵作透平的发电装置系统优化研究

纪旭，吴明亮，魏源，李召宪

(兰州理工大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

摘要：随着人们对能源的需求量不断上升和节能意识的不断提高，离心泵作透平回收余压能发电系统作为把液体液压能转化为电能的能量回收装置，对降低单位产量的耗能量有着积极的作用。而凡是工业生产中有流体压力差的设备中，都存在流体压力能可以回收利用。基于液力透平对化工流程中的余压能起到高效的回收作用，总结分析了液力透平余压能回收的几种配置方式的优缺点，提出了离心泵反转作透平直接驱动发电机发电实现系统余能回收，并提出了基于PLC的发电机并网控制系统的改进措施，实现了基于WinCC软件的上位透平和发电监控。通过实践证明，液力透平发电机组对余压能的回收量回收效率高，运行稳定、可靠。

关键词：离心泵作透平；发电机并网；PLC；WinCC

节能减排已成为我国经济发展的重要指标之一，因此需要加强用能单位的节能管理，强化目标责任评价考核和节能减排监督检查及能力建设。迅速增加的能量消耗，化石燃料的高昂价格、快速耗损和对环境的危害，这就使得大力开发和利用洁净无污染的水力能源回馈电网技术，对解决电力紧张、环境污染等问题的研究具有非同寻常的意义。

高昂的设备成本是影响充分利用小型和微型水电项目的发电潜力的主要问题，而利用离心泵作透平[1]代替电动机或汽轮机等原动机来驱动发电机发电则是一个很好的选择。工业中可实现对液体压力能的回收利用，将可再生能源在负荷处就近供电，降低负荷对大电网的依赖，提高供电安全性和可靠性，还能可靠地、高质量地向电网输送功率，因此，利用液力透平发电技术回收化工流程中的余压能和对小型水电站的研究，具有很好的示范效应和推广价值。

透平回收工业流程中的余压能驱动发电机发电[2]，经并网控制系统向电网输送电能，其控制系统以可编程控制器(PLC)为核心，能够实现系统的智能控制，并用工控机监控管理发电机组及透平的运行，两者组成了集散控制系统。

1能量回收方式的确定

泵作透平回收液体压力能在石油化工、废水处理和冶金等工业生产中已得到广泛的应用，该装置机组配置主要有3种形式：液力透平直接驱动1台马达/电动机和高压泵；液力透平辅助电动机做功；液力透平直接驱动发电机发电[3]。

1.1液力透平直接驱动负载

当负载的功率小于透平的输出功率时，采用这种方式带动负载(泵或风机等)工作，这种方式最简单的布置方式是同轴直联，其优点是电动机通过离合器与液力透平相连，可控制透平转速。如果电动机功率足够,检修透平可不影响系统的正常运行。其缺点是对系统的稳定性和机组(水力透平和泵)参数的匹配性要求高。

1.2液力透平辅助电动机做功

当负载功率大于透平输出功率，不足以驱动负载时，透平作为第二动力设备配置超速离合器协助第一动力设备(电动机或汽轮机)共同驱动负载工作，如液力透平回收系统的余压能配合发电机一起带动大功率泵进行工作。该配置方式的优点是对系统性能参数变化适应性强，而且设备布置紧凑；其缺点是要求较高的安装精度和复杂的管路布置，成本较高，维修的工作量增大，压能的回收效率低。

1.3液力透平直接驱动发电机发电

将发电机通过离合器与液力透平相连(见图1)，该方式的优点是透平独立设置，发电机直接将液力透平的旋转机械能转换成电能，且便于管路的布置，便于输送，与工作机互不影响，对系统性能参数适应性强，机组占地面积小；缺点是涉及机、电、仪一体化配合，发电机存在无功消耗，需考虑无功补偿。

图1　液力透平直接驱动发电机布置图

综合上述3种配置方式的优缺点，结合现场的安装精度要求、系统稳定性、设备成本和用户的使用要求等因素，最终选择液力透平直接驱动发电机发电的配置方式。它是利用系统中稳定的余压能通过液力透平叶轮转换为机械能，再由透平机主轴通过离合器将能量传递到发电机上，将旋转机械能转换成电能回馈电网，以实现系统余能的回收。

2余压能回收效率

该装置的余压能回收效率η为发电机功率与水功率之比，即：

(1)

式中，P是发电机功率；Ph是水功率。

回收效率由透平效率ηt和发电机效率ηg两部分组成[4]。其中，透平效率由机械效率ηm、容积效率ηv和水力效率ηh组成。由透平产生的能量需要克服机械密封、轴承和圆盘摩擦等传递过程中产生的损失功率Pm。

机械效率为透平的轴功率Ps和输出轴功率P′之比，即：

(2)

式中，ρ是液体密度；Qt是理论流量；Ht是理论扬程。

容积效率ηv为透平的理论流量与实际流量的比值，即：

(3)

式中，Q是实际流量；q是泄漏流量。

液体通过透平水力部件时会产生局部摩擦损失和由冲击、脱流、速度方向改变等引起的水力损失，水力效率是指输出轴功率和水功率之比，即：

(4)

式中，H是扬程。

由式2～式4得透平效率为：

(5)

发电机效率为发电机功率与透平的输出轴功率之比，即：

(6)

由式1、式5和式6得：

(7)

即该装置的余压能回收效率为发电机效率与透平效率的乘积。

3发电机并网条件

在现代的发电厂中，通常把几台并联运行的发电机接在共同的汇流排上，每个地区都是有多个发电厂并联起来，从而组成一个强大的电力系统(电网)。在发电机并网时，应减小发电机与电网之间组成的回路内产生的瞬态冲击电流，并保证发电机的电压与电网的电压在并网瞬间相等，以防止发电机受到损坏和电网遭受干扰[5]。

当发电机投入电网系统后，应能很快进入同步发电并网运行状态，以减小发电机空转损耗。发电机并入电网的条件是在滑差和电压差都合格的情况下，提前一个恒定的超前时间Tyg发出合闸指令。采用恒定超前时间的并网装置，在理论上可使合闸相角差为0。一般有Tyg等于合闸出口动作时间TG和断路器合闸时间Tqf之和。将Tyg换算为角度δF的公式如下：

(8)

式中，δF是导前角；ωs是滑差角速度；ΔT是电网和发电机电压周期的差值；Tsy是电网电压周期。

4控制方案的确定

PLC是为工业控制而研制的抗干扰性能很高的控制器[6]，开发了数字量的输入输出和模拟量输入输出模块，通过与工控机的上位监控与PLC的下位控制相结合(见图2)。

图2　PLC与工控机组合控制

该控制系统采用两级控制的方案，构成监控、控制系统。其中上位机不参与被控对象的直接控制，而是将控制任务交给下位机完成。上位机主要实现管理、监控以及显示等功能，而下位机主要完成对系统的直接控制功能。这种控制方式能够将工控机监控组态和PLC下位控制结合，摆脱了以微机为中心的“危险集中”式的控制方式，工作可靠，也是现阶段工业控制中使用最多的控制方式。

试验装置中的调节阀、旁通阀和安全阀都采用电动调节阀，并在透平进、出口位置装有流量计、压力变送器，分别测出透平的流量，进、出口压力等。4～20 mA电流信号输入PLC，并在上位机显示，从而计算出透平的扬程、效率等。在上位机上直接通过PLC控制阀门的开关，从而控制流量大小，同时在上位机上可显示流量的具体数据。

控制过程如下：1)关闭所有阀门，查看液位指示器、控制器状态是否适合试验，如果满足要求，打开安全阀；2)逐渐打开进口调节阀，使液力透平转速达到额定转速，记录透平、发电机数据；3)经调节阀的修正补偿子程序自动调节进口调节阀的开关度，观察发电机发电状态并检测发电机参数，当发电机的电压、频率和相位满足并网条件时，PLC自动发出进行并网指令，记录数据；4)完全打开进口调节阀，发电机正常发电，向电网输送电能。

在控制中，通过多功能智能电力仪表检测电网电压、发电机电压电平,模拟开关用来选通需要测量的支路电流信号。将模拟开关输出的信号输入到运算放大器，运算放大器对电流信号进行放大。从运算放大器出来的交流信号经采样保持及模/数转换电路进入PLC，由PLC系统负责测量交流信号的有效值经PC/PPI协议上传至计算机显示。整形电路将交流正弦波信号变换为适合PLC测量的方波信号，PLC根据此信号测量交流信号的频率及相位差。当计算机判断所有并网条件均满足时,进行并网。

5WinCC监控系统的设计

由于本系统选用的控制器是S7-200PLC，所以组态软件也选择西门子公司的，可实现与PLC无缝衔接的WinCC组态软件。

5.1WinCC软件与PLC的通信实现

WinCC软件要实现对现场信号的监控，首先要能够与PLC进行通信。由于WinCC软件客户端目前只能通过OPC方式与S7-200PLC进行通信，需要在上位机中安装OPC服务器——PC Access软件，该软件自带OPC客户机测试端，用户可以方便地检测其项目的通信质量及配置的正确性。本系统所采用的通信协议为PPI协议，其只需1根PC/PPI编程电缆就可以实现WinCC软件与S7-200PLC的通信(见图3)。

图3　WinCC软件与S7-200PLC的通信示意图

5.2上位机监控界面设计

首先应在变量管理器中建立相应的驱动器连接，并定义访问PLC的过程变量，通过WinCC软件系统给定的各种图形库来制作工作现场的画面，再将所建立的变量连接到各画面中，实现动态变量。

本文所述系统在透平发电并网控制系统(见图4)的监控过程中，对现场设备的运行状况进行实时显示，减少了现场人力资源的浪费及操作人员的工作量，使操作人员在控制室就能够实时、准确地显示现场情况，也使故障得以及时解决，提高了生产效率，减少了投资成本和资源浪费，直观的监控界面使得操作变得简单。

图4　透平发电并网控制系统主监控界面

将液力透平机作为原动机来拖动异步电动机，当异步电动机转速达到额定转速，并满足并网条件时，将该机组与市电并网，调节原动机的转速；当转速超过异步电动机的额定转速时，该电动机即由电动状态变为发电状态向电网输送电能。

6结语

液力透平发电机组对余压能回收的成功应用，充分验证了国内液力透平机技术的可靠性和先进性，取得了良好的经济、环境及社会综合效益，使企业认识到了节能环保产品的作用和价值，提高了环保生产的意识，具有很高的示范效应以及推广价值。该项技术可广泛应用于石油、化工行业，为节能减排，降低单位GDP能源消耗做出贡献。

参考文献

[1] 王桃，孔繁余，何玉洋，等．离心泵作透平的研究现状[J]. 排灌机械工程学报, 2013,31(8)：674-680.

[2] Nautiyal H, Varun V, Kumar A, et al. Experimental investigation of centrifugal pump working as turbine for small hydropower systems[J]. Energy Science & Technology, 2011, 1(1):79-86.

[3] 李言. 水力透平发电技术在NHD溶液静压能回收中的应用[J]. 科技视界，2012(27)：362-363.

[4] 杨孙圣. 离心泵做透平的理论分析数值计算与实验研究[D]. 镇江：江苏大学, 2012

[5] 曾翔君，刘国伟，申忠如，等. 发电机并网的仿真研究[J]. 西北电力技术，2001(6)：13-15.

[6] 胡健. 西门子S7-200PLC与工业网络应用技术[M]. 北京：化学工业出版社，2010.

责任编辑郑练

Optimization on the System of Centrifugal Pump as Turbine to Generate Electricity

JI Xu, WU Mingliang, WEI Yuan, LI Zhaoxian

(Mechanic and Electronic Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Abstract：As the demand for energy and awareness of energy saving is increasing, the hydraulic turbine energy recovery equipment is as the fluid pressure energy conversion into mechanical energy or electric energy equipment. It has a positive effect on reducing energy consumption in per unit of output. The liquid pressure can be recycled in all the presence of the liquid pressure which is in the industrial production. Based on the hydraulic turbine, pressure in chemical process can have efficient recovery effect. Analyze the advantage and disadvantage of several configurations about hydraulic turbine energy recovery of residual pressure. Propose a system that hydraulic turbine direct drive generators to achieve the residual pressure energy recovery, and improvement measures about generator interconnection system based on PLC are raised. Achieve a PC turbine power generation monitoring system based on WinCC. Through practice, hydraulic turbine generator sets have high efficiency in residual pressure energy recovery with the stable and reliable state.

Key words:centrifugal pump as turbine, generator grid-connection, PLC, WinCC

收稿日期：2015-03-12

作者简介：纪旭(1987-)，男，硕士研究生，主要从事工业自动化等方面的研究。

中图分类号：TH 311

文献标志码:A