CN212774443U - 一种orc余热发电启发一体式高压异步发电并网装置 - Google Patents

Abstract

一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，包括涡轮膨胀发电单元、用于为涡轮膨胀发电单元提供动力源的ORC有机工质换热循环单元及用于将涡轮膨胀发电单元接入厂用高压内网的启发一体式高压异步并网单元；涡轮膨胀发电单元包括涡轮机、减速机，减速机一端与涡轮机动力输入端连接，另一端经膜片联轴器与高压异步电机连接后组成传动系统；启发一体式高压异步并网单元包括综保装置、电参数测量传感器、并联接在高压异步电机电力输入端与高压真空断路器之间的高压接触器以及高压固态软起动装置，高压真空断路器另一端与厂用高压内网连接；简单可靠、运行安全稳定，能快速友好的接入电网。

Description

一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置

技术领域

本实用新型涉及ORC余热发电技术领域，特别涉及一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置。

背景技术

我国目前总体能源利用率较低，有相当一部分低品位的中低温热源,直接排放,导致能源浪费，随着国家节能减排政策的推进,对节能装备和技术利用的越来越重视, 尤其以利用ORC余热发电技术为低品位的或废弃的热能转化为电能是一种趋势,是一项变废为宝的高效节能技术。随着低温余热越来越受到重视，以及技术的进一步提高，ORC余热并网发电装置的单套发电量越来越大，发电系统要求结构设计可靠简单、运行安全稳定，能快速投入使用，操作维护要求简便，同时尽可能多的发电。

一般生产装置厂用电设计的低压电网容量一般有限，采用逆变并网方式，中间转换环节较多，设备复杂，需要配置整流、逆变器，且大功率高速发电机实现难度大，价格昂贵，单机大功率适应性差。采用同步发电方式结构复杂，还需要额外专门配置励磁调节器、同期并网装置，并且发电的相序、频差、相位、电压等需要与待并电网一至，要求比较苛刻，也就是需要捕捉同期点，对发电机转速控制要求比较高，由于以上几个条件需要精确满足，投资较大，操作较为复杂。而且发电系统并入低压电网时可能对低压电网产生较大冲击，发电电流较大，线路损失较大，电气电缆投资大，经济性不佳。

发明内容

本实用新型目的是为了克服现有技术的上述不足，而提供一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，简单可靠、运行安全稳定，能快速友好的接入电网，操作维护简便，同时尽可能多的发电，减少投资，减少厂用电负荷，节能降耗。

一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，包括涡轮膨胀发电单元、用于为涡轮膨胀发电单元提供动力源的ORC有机工质换热循环单元及用于将涡轮膨胀发电单元接入厂用高压内网的启发一体式高压异步并网单元；

涡轮膨胀发电单元包括涡轮机、减速机，减速机一端与涡轮机动力输入端连接，另一端经膜片联轴器与高压异步电机连接后组成传动系统；

ORC有机工质换热循环单元包括工质储罐、总管道，总管道一端与工质储罐底部出口连接，另一端接在涡轮机进气口处，为涡轮机提供动力源，总管道上依次设有工质泵、以及用于汽化ORC有机工质的预热器和蒸发器，预热器、蒸发器热源管道串联后与外部循环热水源连通，涡轮机进气口端的总管道上装有涡轮机进口阀，涡轮机出气口端连通有涡轮机出口管道；蒸发器与涡轮机进口阀之间的总管道上引出的涡轮机旁通管道经涡轮机旁通阀与涡轮机出口管道连通后经冷凝器接入工质储罐回流口；

启发一体式高压异步并网单元包括综保装置、电参数测量传感器、并联接在高压异步电机电力输入端与高压真空断路器之间的高压接触器以及高压固态软起动装置，高压真空断路器另一端与厂用高压内网连接。

所述工质泵与预热器之间的总管道上引出的分管一经回流阀与工质储罐回流口接通；工质储罐内设有液位传感器二。

工质泵两端的总管道上分别设有工质泵进口阀、工质泵出口单向阀。

蒸发器热源管道与外部循环热水源的进水管连通经预热器热源管道后与外部循环热水源的出水管连通；进水管上依次设有热水进口阀、温度传感器一、压力传感器一，出水管上设有温度传感器二。

所述蒸发器上设置有液位传感器一；蒸发器出口处的总管道上分别设有温度传感器三、压力传感器二。

涡轮机出口管道上依次设有压力传感器三、温度传感器四、涡轮出口手动阀。

减速机上设有润滑油循环系统，润滑油循环系统包括润滑油箱，润滑油箱出油管分别经润滑滑油泵、滑油水冷却器后与减速机进油口连通，减速机出油口经回油管与润滑油箱连通；减速机进油口端的出油管上还设有压力传感器四；减速机上设有还设有测速传感器、振动传感器、温度传感器五。

高压异步电机上设有用于测量高压异步电机定子温度的温度传感单元六、用于测量高压异步电机轴承温度的温度传感单元七；

所述温度传感单元六由三个分别设置在高压异步电机的Ｕ相定子、Ｖ相定子、Ｗ相定子处的PT100温度传感器组成；

所述温度传感单元七由两个分别设置在高压异步电机轴伸端、非轴伸端的PT100温度传感器组成。

还包括可监控液位传感器一、液位传感器二、温度传感器一、压力传感器一、温度传感器二、温度传感器三、压力传感器二、压力传感器三、温度传感器四、测速传感器、振动传感器、温度传感器五、温度传感单元六、温度传感单元七、压力传感器四以及综保装置信号，进而对应控制回流阀、热水进口阀、涡轮机进口阀、涡轮机旁通阀开度，控制工质泵、润滑滑油泵启/停，以及控制启发一体式高压异步并网单元的高压接触器、高压固态软起动装置通断的控制单元。

所述控制单元包括PLC控制器、连接在PLC控制器输出端的触摸屏；涡轮机进口阀为常闭式气动控制阀，涡轮机旁通阀为常开式气动控制阀；热水进口阀、回流阀为电动阀。

本实用新型与其他方法相比，中间转换环节少，无需配置整流逆变等复杂的设备，简单可靠，发电机为通用型高压异步电动机，为货架产品，只是使其运行在发电状态并网发电，不需要开发大功率高速发电机，单机容量可以做得很大。相对采用同步发电方式，电机结构简单可靠，不需要专门配置励磁调节器、同期并网装置，并网时不需要捕捉同期点，对发电机转速控制要求不高，调节裕度高，操作较为简单。而且采用启发一体式高压异步发电方式并入电网时能对启动电流进行限制，对电网几乎没有冲击，而且采用高压发电电流较小，线路损失小，电气电缆投资小，经济性好单机大容量适配性好。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的电气控制原理框图；

图中：1、ORC有机工质换热循环单元；2、控制单元；3、涡轮膨胀发电单元；4、启发一体式高压异步并网单元；5、热水进口阀；6、温度传感器一；7、压力传感器一；8、蒸发器；9、液位传感器一；10、预热器；11、温度传感器二；12、温度传感器三；13、压力传感器二；14、涡轮机；15、减速机；16、测速传感器；17、振动传感器；18、温度传感器五；19、膜片联轴器；20、高压异步电机；21、温度传感单元六；22、温度传感单元七；23、润滑油箱；24、润滑滑油泵；25、滑油水冷却器；26、压力传感器四；27、压力传感器三；28、温度传感器四；29、涡轮出口手动阀；30、冷凝器；31、工质储罐；32、液位传感器二；33、工质泵进口阀；34、工质泵；35、工质泵出口单向阀；36、总管道；37、分管一； 38、回流阀；39、涡轮机旁通管道；40、涡轮机进口阀；41、涡轮机旁通阀；42、涡轮机出口管道； 43、综保装置；44、高压接触器；45、高压固态软起动装置；46、电参数测量传感器；47、高压真空断路器；48、厂用高压内网；49、PLC控制器；50、触摸屏。

具体实施方式

图1中，包括涡轮膨胀发电单元3、ORC有机工质换热循环单元1、启发一体式高压异步并网单元4，ORC有机工质换热循环单元1用于为涡轮膨胀发电单元3提供动力源，启发一体式高压异步并网单元4用于将涡轮膨胀发电单元3发的电接入厂用高压内网48；

涡轮膨胀发电单元3包括涡轮机14、减速机15，减速机15一端与涡轮机14动力输入端连接，另一端经膜片联轴器19与高压异步电机20连接后组成传动系统；减速机15上设有润滑油循环系统，润滑油循环系统包括润滑油箱23，润滑油箱23出油管分别经润滑滑油泵24、滑油水冷却器25后与减速机15进油口连通，减速机15出油口经回油管与润滑油箱23连通；减速机15进油口端的出油管上还设有压力传感器四26；减速机15上设有还设有测速传感器16、振动传感器17、温度传感器五18；高压异步电机20上设有温度传感单元六21、温度传感单元七22；温度传感单元六21由三个分别设置在高压异步电机20的Ｕ相定子、Ｖ相定子、Ｗ相定子处的PT100温度传感器组成；所述温度传感单元七22由两个分别设置在高压异步电机20轴伸端、非轴伸端的PT100温度传感器组成；

ORC有机工质换热循环单元1包括蒸发器8、预热器10、冷凝器30、工质泵34、工质储罐31、总管道36，总管道36一端与工质储罐31底部出口连接，另一端接在涡轮机14进气口处，为涡轮机14提供动力源，总管道36上依次设有工质泵34、以及用于汽化ORC有机工质的预热器10和蒸发器8，预热器10、蒸发器8热源管道串联后与外部循环热水源连通，涡轮机14进气口端的总管道36上装有涡轮机进口阀40，涡轮机14出气口端连通有涡轮机出口管道42；蒸发器8与涡轮机进口阀40之间的总管道36上引出的涡轮机旁通管道39经涡轮机旁通阀41与涡轮机出口管道42连通后经冷凝器30接入工质储罐31回流口；工质泵34与预热器10之间的总管道36上引出的分管一37经回流阀38与工质储罐31回流口接通；工质储罐31内设有液位传感器二32；工质泵34两端的总管道36上分别设有工质泵进口阀33、工质泵出口单向阀35；蒸发器8热源管道与外部循环热水源的进水管连通经预热器10热源管道后与外部循环热水源的出水管连通；进水管上依次设有热水进口阀5、温度传感器一6、压力传感器一7，出水管上设有温度传感器二11；蒸发器8上设置有液位传感器一9；蒸发器8出口处的总管道36上分别设有温度传感器三12、压力传感器二13；涡轮机出口管道42上依次设有压力传感器三27、温度传感器四28、涡轮出口手动阀29；涡轮机进口阀40为常闭式气动控制阀，涡轮机旁通阀41为常开式气动控制阀，既可以在开机时调节涡轮机14进气量，也可在停机时快速甩负荷，保护涡轮机14；热水进口阀5、回流阀38为电动阀；

启发一体式高压异步并网单元4包括电参数测量传感器46、并联接在高压异步电机20电力输入端与高压真空断路器47之间的高压接触器44以及高压固态软起动装置45，综保装置43，高压真空断路器47另一端与厂用高压内网48连接；

还包括可监控液位传感器一9、液位传感器二32、温度传感器一6、压力传感器一7、温度传感器二11、温度传感器三12、压力传感器二13、压力传感器三27、温度传感器四28、测速传感器16、振动传感器17、温度传感器五18、温度传感单元六21、温度传感单元七22、压力传感器四26以及综保装置43采集的电参数测量传感器46测量信号，进而对应控制回流阀38、热水进口阀5、涡轮机进口阀40、涡轮机旁通阀41开度，控制工质泵34、润滑滑油泵24启/停，以及控制启发一体式高压异步并网单元4的高压接触器44、高压固态软起动装置45通断的控制单元2；控制单元2包括PLC控制器49、连接在PLC控制器输出端的触摸屏50。

图2中，液位传感器一9、液位传感器二32、温度传感器一6、压力传感器一7、温度传感器二11、温度传感器三12、压力传感器二13、压力传感器三27、温度传感器四28、测速传感器16、振动传感器17、温度传感器五18、温度传感单元六21、温度传感单元七22以及压力传感器四26连接在PLC控制器输入端口上；回流阀38、热水进口阀5、涡轮机进口阀40、涡轮机旁通阀41、控制工质泵34以及润滑滑油泵24连接在PLC控制器输出端口上；综保装置43、触摸屏50连接在PLC控制器输入/输出端口上，高压接触器44、高压固态软起动装置45、电参数测量传感器46与综保装置43连接。

使用过程：

涡轮膨胀发电单元3旋转方向确认：首先将高压异步电机20与减速机15断开，高压异步电机20通过高压电缆与启发一体式高压异步并网单元4电力输入端与厂用高压内网48连通，通过启发一体式高压异步并网单元4点动控制高压异步电机20，判断高压异步电机20旋转方向与减速机15连接的轴的旋转方向，若一致，可以连轴，若不一致，必须对接在高压异步电机20上的高压电缆调相序，此高压电缆连接高压异步电机20与启发一体式高压异步并网单元4，有三相，调相序就是将高压电缆一端中两相对调，对调后旋转方向才能一致；

通过控制单元2的PLC控制器49控制开启润滑滑油泵24抽取润滑油箱23内润滑油保证压力传感器四26测量值达到要求，并开启滑油水冷却器25，及时冷却润滑油；

PLC控制器49接收并监控测速传感器16、测振传感器17、温度传感器五18、温度传感单元六21、温度传感单元七22测量值，均未超过设定值时，且启发一体式高压异步并网单元4无跳闸信号，压力传感器四26测量值不低于设定值时，通过PLC控制器49控制使涡轮机进口阀40、涡轮机旁通阀41气管上的电磁阀得电，开度初始化，此时涡轮机进口阀40处于关闭状态，涡轮机旁通阀41处于打开状态；

开启ORC有机工质循环换热单元1，PLC控制器49通过监控温度传感器一6、压力传感器一7、温度传感器二11检测信号，进而控制热水进口阀5阀门开度，使有机工质在蒸发器8中变成气态，通过监控液位传感器一9，控制回流阀38开度将蒸发器8内液位控制在一定的液位；PLC控制器49接收温度传感器三12、压力传感器二13信号，温度传感器三12测量温度到达一定值，蒸发器工质出口压力二13到达一定值，控制涡轮机进口阀40开度逐步增大、涡轮机旁通阀41开度逐步减小，增加进入涡轮机14内的工质气量，逐步提高涡轮机14转速，涡轮机14转速进一步增加；

当涡轮机14带动减速机15旋转，测速传感器16测量数值达到95％～99％的额定转速设定值时，控制单元2发出高压异步电机20启动指令给启发一体式高压异步并网单元4，启发一体式高压异步并网单元4的综保装置43发合高压真空断路器47，同时启动高压固态软起动装置45工作，限制高压异步电机20启动电流在设定值以下，到达高压异步电机20达到额定转速后，高压接触器44吸合、同时高压固态软起动装置45退出，完成启动并网过程，继续加大涡轮机进口阀40开度至全开，继续关小涡轮机旁通阀41至全关，高压异步电机20转速超过同步转速1500转／分处于发电状态。通过回流阀38开度控制蒸发器8液位，从而控制蒸发器工质蒸发量控制发电量。

同时控制单元2内的PLC控制器49采集ORC有机工质换热循环单元1内的液位传感器9、压力传感器二13信号，减速机15的测速传感器16、振动传感器17、温度传感器五18、压力传感器四26、温度传感单元六21、温度传感单元七22的信号，启发一体式高压异步并网单元4中的综保装置43对电参数测量传感器46实施监测，当故障发生时，综保装置43发信号给控制单元2内的PLC控制器49，PLC控制器49快速控制涡轮机进口阀40全关，快速控制涡轮机旁通阀41全开，使工质蒸汽不经过涡轮机14，同时启发一体式高压异步并网单元4控制高压接触器44跳闸及分高压真空断路器47，高压异步电机20与厂用高压内网48脱网，关闭热水进口阀5，停止工质泵34，打开回流阀38，迅速降低蒸发器8液位。

本实用新型根据高压异步电机转速达到设定的转速条件发启动高压异步电机20命令，缩短高压异步电机20并入电网的时间，设置高压固态软起动装置45，限制启动电流，使高压异步电机20能友好无冲击的并入厂用高压内网48，转速超过同步转速即处于发电状态。提高发电并网电压，减小发电电流，减少线损，减小电缆载流截面积，减少电缆投资。便于适配单机容量更大的系统。

Claims (10)

1.一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：包括涡轮膨胀发电单元（3）、用于为涡轮膨胀发电单元（3）提供动力源的ORC有机工质换热循环单元（1）及用于将涡轮膨胀发电单元（3）接入厂用高压内网（48）的启发一体式高压异步并网单元（4）；

涡轮膨胀发电单元（3）包括涡轮机（14）、减速机（15），减速机（15）一端与涡轮机（14）动力输入端连接，另一端经膜片联轴器（19）与高压异步电机（20）连接后组成传动系统；

ORC有机工质换热循环单元（1）包括工质储罐（31）、总管道（36），总管道（36）一端与工质储罐（31）底部出口连接，另一端接在涡轮机（14）进气口处，为涡轮机（14）提供动力源，总管道（36）上依次设有工质泵（34）、以及用于汽化ORC有机工质的预热器（10）和蒸发器（8），预热器（10）、蒸发器（8）热源管道串联后与外部循环热水源连通，涡轮机（14）进气口端的总管道（36）上装有涡轮机进口阀（40），涡轮机（14）出气口端连通有涡轮机出口管道（42）；蒸发器（8）与涡轮机进口阀（40）之间的总管道（36）上引出的涡轮机旁通管道（39）经涡轮机旁通阀（41）与涡轮机出口管道（42）连通后经冷凝器（30）接入工质储罐（31）回流口；

启发一体式高压异步并网单元（4）包括综保装置（43）、电参数测量传感器（46）、并联接在高压异步电机（20）电力输入端与高压真空断路器（47）之间的高压接触器（44）以及高压固态软起动装置（45），高压真空断路器（47）另一端与厂用高压内网（48）连接。

2.根据权利要求1所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：所述工质泵（34）与预热器（10）之间的总管道（36）上引出的分管一（37）经回流阀（38）与工质储罐（31）回流口接通；工质储罐（31）内设有液位传感器二（32）。

3.根据权利要求2所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：工质泵（34）两端的总管道（36）上分别设有工质泵进口阀（33）、工质泵出口单向阀（35）。

4.根据权利要求2所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：蒸发器（8）热源管道与外部循环热水源的进水管连通经预热器（10）热源管道后与外部循环热水源的出水管连通；进水管上依次设有热水进口阀（5）、温度传感器一（6）、压力传感器一（7），出水管上设有温度传感器二（11）。

5.根据权利要求4所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：所述蒸发器（8）上设置有液位传感器一（9）；蒸发器（8）出口处的总管道（36）上分别设有温度传感器三（12）、压力传感器二（13）。

6.根据权利要求5所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：涡轮机出口管道（42）上依次设有压力传感器三（27）、温度传感器四（28）、涡轮出口手动阀（29）。

7.根据权利要求6所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：减速机（15）上设有润滑油循环系统，润滑油循环系统包括润滑油箱（23），润滑油箱（23）出油管分别经润滑滑油泵（24）、滑油水冷却器（25）后与减速机（15）进油口连通，减速机（15）出油口经回油管与润滑油箱（23）连通；减速机（15）进油口端的出油管上还设有压力传感器四（26）；减速机（15）上设有还设有测速传感器（16）、振动传感器（17）、温度传感器五（18）。

8.根据权利要求7所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：高压异步电机（20）上设有用于测量高压异步电机（20）定子温度的温度传感单元六（21）、用于测量高压异步电机（20）轴承温度的温度传感单元七（22）；

所述温度传感单元六（21）由三个分别设置在高压异步电机（20）的Ｕ相定子、Ｖ相定子、Ｗ相定子处的PT100温度传感器组成；

所述温度传感单元七（22）由两个分别设置在高压异步电机（20）轴伸端、非轴伸端的PT100温度传感器组成。

9.根据权利要求8所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：还包括可监控液位传感器一（9）、液位传感器二（32）、温度传感器一（6）、压力传感器一（7）、温度传感器二（11）、温度传感器三（12）、压力传感器二（13）、压力传感器三（27）、温度传感器四（28）、测速传感器（16）、振动传感器（17）、温度传感器五（18）、温度传感单元六（21）、温度传感单元七（22）、压力传感器四（26）以及综保装置（43）信号，进而对应控制回流阀（38）、热水进口阀（5）、涡轮机进口阀（40）、涡轮机旁通阀（41）开度，控制工质泵（34）、润滑滑油泵（24）启/停，以及控制启发一体式高压异步并网单元（4）的高压接触器（44）、高压固态软起动装置（45）通断的控制单元（2）。

10.根据权利要求9所述的一种ORC余热发电启发一体式高压异步发电并网装置，其特征在于：所述控制单元（2）包括PLC控制器（49）、连接在PLC控制器输出端的触摸屏（50）；涡轮机进口阀（40）为常闭式气动控制阀，涡轮机旁通阀（41）为常开式气动控制阀；热水进口阀（5）、回流阀（38）为电动阀。

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