高压余能回收液力透平试验台开发

蒋小平，刘思晗，叶剑斌，吴家辉，李 伟，朱嘉炜

1 前言

我国一次能源利用率严重偏低，大力发展节能减排技术，充分利用二次能源并挖掘能够回收利用的一切能量资源是我国实现可持续发展的重要举措［1,2］。目前，余压能回收在反渗透海水淡化等领域已得到较好的应用［4,5］，国内外研究人员在这些流域相继开发了效果良好的压力能交换器［6,7］。但是对于石化、电力、冶金、环保、合成氨等过程工业领域中存在的大量中高压余能［3］，目前大部分还是通过减压阀等降压设备将介质中富含的多余能量释放后再重新进入工艺流程（或直接排空）；在减压和排放过程中，大量的高压余能转化为热能等耗散到环境中，在产生振动与噪声的同时，也造成了很大的环境污染。据统计，如果仅对30万t以上合成氨装置的余压能进行回收每年就能节电50亿 kW·h［8］。

余压能回收的研究主要集中在液力透平理论、回收方法与回收效率等方面。试验台作为验证理论设计与数值计算的重要手段，国内外研究相对很少；德黑兰大学的Shahram Derakhshan 和Ahmad Nourbakhsh搭建了小型水电试验台［9,10］，Bozorg等搭建了轴流泵透平试验台［11］；国内研究集中在江苏大学和甘肃工业大学，而且主要是围绕单级离心泵反转做中低压液力透平来展开［12～19］；在高压领域，蒋小平等在高压余能回收液力透平的理论研究、装置设计以及数值模拟等方面已经取得了一定进展，迫切需要通过试验进行验证。本文通过自动化集成及优化设计，自主研发一个以SIMENS系统为工控核心的高压余能回收液力透平试验台，系统设计合理，安全性能好，可靠性高，基本能满足高压余能回收研究的需要。

2 总体设计

如图1所示，高压余能回收液力透平试验台主要由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要包括高压泵与恒压变频控制模块、能量转换及扭矩生成模块、由发电机与负载组成的轴功率耗散模块、传感与控制模块等；软件部分包括运行在变频控制柜恒压控制模块内的嵌入式软件、运行在PLC下位机上的本地调控软件、通过网线与下位机进行通信并运行在上位机电脑上的SIMENS组态软件等［20］。另外，试验台还包含相应的304不锈钢水箱（4.5 m3）、高低压系统管路、泵进出口调节闸阀、旁路调节等辅助系统。低压介质从水箱被高压泵进口管吸入后加压，进入液力透平完成能量形式转换并泄压后由管路重新返回水箱，形成整个开式系统的介质循环。

图1 高压余能回收液力透平试验台系统

3 硬件系统设计

3.1 高压泵与恒压变频控制模块

（1）高压泵

一期建设的高压余能液力透平试验台计划提供流量Q=30 m3/h、水头H=300 m的高压水介质，经初步计算及综合考虑，定制了一台设计流量Q=30 m3/h、设计扬程H=315 m、额定转速n=2950 r/min、配套电机功率P=75 kW的变频控制高压多级离心泵。考虑到试验过程中开停机相对频繁，整泵与机组运行工况往往比较恶劣，为了提高系统可靠性，在出厂前对该泵的轴承和密封做了特别处理。

（2）恒压变频控制

为了实现多级泵出口压力的基本稳定，在多级泵出口处安装了一只量程为4 MPa的压力传感器，并将压力信号接入负反馈式恒压供水控制器，如果泵出口压力比设定值偏低（偏高），变频器控制电机自动增速（降速），通过改变压力设定值可以实现不同压力与不同流量条件下的液力透平系列化、系统性试验。

3.2 能量转换及扭矩生成模块

高压多级泵与恒压变频控制模块的耦合驱动为整个试验台提供了可靠稳定的高压流体介质源。高压流体介质（一般为水或气液两相流）首先要完成的就是能量转换，即模拟石油、化工、冶金等流域的真实工况，将需要回收的压力能在液力透平装置中进行能量转换，通过水动力做功生成轴功率，并输出扭矩。

试验台采用双螺杆泵来回收高压介质的压力能。系统可以处理的高压介质为纯高压水或气液两相流；其中采用双螺杆泵作为能量转换的核心设备的主要原因就是利用双螺杆泵能适应气液混输的特性（含气率可以达到80%以上）。

3.3 轴功率耗散模块

若不考虑摩擦等各种形式的阻力与能量损失，液力透平的理论工作转速将达到飞逸转速。所以，试验时为了平衡掉透平输出轴的扭矩及水动力功率，需要利用负载将其进行消耗。一般可直接用测功机来约束透平转子的运转并实现转速、转矩及功率的测量。本试验台设计时为了降低成本与直接观测，设计了可以连续调节的电阻式负载系统，即先利用水力扭矩形成的透平轴功率带动直流电机发电，直流电机配用专门的电流电压调节器作为励磁，发出的电使用可以连续调节的灯泡式电阻性负载来平衡，从而实现发电机负载多工况点的调节。

3.4 数据采集及控制系统模块

数据采集及控制系统如图2所示。

图2 测控系统硬件及原理示意

系统以SIMEMS SIMATIC S7-1200 PLC为核心。主要传感器包括：负责感应并测定透平轴转速与扭矩的转矩转速传感器、高压多级离心泵进出口压力及液力透平出口压力变送器、布置在总回流管上的电磁流量计。流量计的安装位置满足“前十后七”的标准要求，完全可以避免弯管漩涡或回流等对流量测量产生的不利影响。各传感器的模拟量信号均为4～20 mA的标准电流信号；PLC的输入信号包括变频器运行参数（频率、转速等）、增压泵出口压力值、透平出口压力值、流量大小、发电机负载电压、负载电流、转矩和转速大小以及介质温度值。由于各传感器输出信号都是模拟量，须进行A/D转换才能让PLC识别，系统选用SIEMENS SM 1231模块为A/D转换模块，每个模块具有8路转换通道；开关电源为输入120 / 230 VAC，输出24 V/5 ADC；触摸屏选用威纶通MT 8000人机界面，触摸屏与PLC之间采用Profinet进行通讯。

4 软件系统设计

4.1 下位机软件

下位机控制软件在Step7-Micro/WIN平台上开发完成。软件主要实现以下功能：（1）信号采集：对变频器运行参数、增压泵出口压力值、透平出口压力值、试验系统流量、发电机负载电压、负载电流、转矩和转速大小以及介质温度等模拟信号进行采集和转换；（2）自动控制方面：对增压泵进行启停控制，对变频器进行频率调节，对增压泵进口处的阀门进行开关控制，对增压泵出口旁路以及透平出口回路的阀门进行比例控制［21］；通过对变频器的频率调节，在阀门一定开度下比较压力反馈值与给定值的差异，利用PID控制原理形成恒压的闭环控制系统。其中，图3为以恒压控制为例的下位机控制软件控制系统流程。

图3 下位机控制系统流程

在Easybuilder上开发人机界面，主要包括首页、透平参数、变频参数、发电参数以及报警设置等子菜单按钮。

通过首页菜单可设置试验中采集的各参数的上限值，并包括变频器的启停控制、自动/手动状态切换以及自动状态下变频器运行目标频率的设置；透平参数菜单主要是显示当前工况下透平的相关基本参数和计算参数，并可对高压泵进口阀门进行控制，对旁路阀门、液力透平出口回流阀进行比例控制；变频参数菜单主要显示变频器的运行参数（运行频率、电压、电流、功率、电机转速等），并可以通过设置泵出口目标压力进行恒压控制；发电参数菜单主要显示发电机的输出电压、电流、和负载端所耗功率的大小，并可对接入负载进行大小调节；报警设置菜单可设置管道所允许的最大压力，当透平故障进口管路压力骤升，透平泄压不足导致出口压力过大时可自动对变频器进行急停操作并报警。

4. 2 上位机软件

上位机软件除了能够在电脑显示屏对液力透平的各运行参数进行监控，还具有数据采集、处理、存储、曲线生成、通讯以及用户管理等功能。软件系统能生成恒压条件下的流量-扬程关系曲线、流量-透平转速关系曲线、流量-扭矩关系曲线、流量-水力效率关系曲线等，以及恒流量条件下压力-透平转速关系曲线、压力-扭矩关系曲线、压力-水力效率关系曲线等。

上位机软件还具有无线通讯及有线通讯功能，依托该功能，系统与试验现场各传感器（压力、流量、转矩转速等）协调一起完成PLC与上位机之间的以太网或无线网通信，实现各试验参数采集及控制的远程化、自动化及网络化，确保高压余能回收液力透平的数据可靠性与实验安全。

5 透平计算参数及实例验证

5.1 计算参数

透平效率η是衡量液力透平性能的最重要指标，可通过轴功率p与水功率ph的比值求得：

其中 ph=ρgQH/1000

式中 p——轴功率，kW

ph——水功率，kW

ρ——液体的密度，kg/m3

g ——重力加速度，m/s2

Q ——泵（透平）的流量，m3/s

H ——透平水头，m

透平水头与能量转换装置的进出口压差相关，忽略进出口流速差有：

式中 pin，pout——透平进、出口压力，Pa

轴功率与透平输出轴的转速和输出扭矩相关，采用转矩转速传感器对转速和扭矩数据进行采集。轴功率按下式计算：

其中 p——轴功率，kW

M——扭矩，N·m

n——转速，r/min

5.2 实例验证

在搭建的高压余能回收液力透平试验台上完成了某双螺杆泵液力透平试验，调节发电机励磁电流使得转速稳定在900 r/min左右，利用变频器控制透平进口压力在0.2～0.6 MPa之间，区间间隔0.1 MPa，采集及计算得到的试验参数见表1。在透平轴输出有效轴功率条件下得到的透平效率η最高为62.5%。这一方面验证了所建试验台能完成基本的余压能回收液力透平的试验验证功能；另一方面也证明了经过改造设计的双螺杆泵可以用作液力透平回收高压余能，与多级离心泵用作小流量高水头的液力透平相比，前者效率明显要高于后者，而振动和噪声明显要小于后者。

表1 双螺杆泵液力透平试验参数

6 结语

本文基于数据采集、自动变频调速、组态及数据处理等技术，开发出了一套高压余能回收液力透平试验台。试验台主要包含了高压多级泵与变频器匹配的恒压变流量调节仿高压余能介质提供模块、液力透平压能动能转换及扭矩生成模块、交流励磁直流发电机与叠加式负载匹配的轴功率耗散模块，测试系统硬件、软件方面主要为多参数传感与SIMEMS PLC匹配的数据采集处理及控制系统，包含高压介质压力反馈式恒压变流量控制模块、高压介质与液力透平参数采集处理模块以及上位机组态模块等组成的多屏集散监控软件系统。

试验台的实际应用证明，高压介质压力反馈及响应快速平稳，能为能量转换及扭矩生成模块提供高质量的高压仿真介质与稳定的水功率；以SIMEMS SIMATIC S7-1200 PLC为核心的数据采集及控制系统可靠性高，参数信号失真小，抗干扰能力强。整个试验系统符合相关的国家标准，能为液力透平、压力交换器等多种形式的能量回收装置提供全面的性能测试及数据分析。

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