螺杆膨胀机变速恒频发电系统及发电方法与流程

本发明涉及螺杆膨胀机发电系统及发电方法。

背景技术：

螺杆膨胀机是一种具有内膨胀的原动机，广泛应用在带压气体的能量回收，可作为机械驱动或发电机组的原动机。螺杆膨胀机作为回转容积式膨胀机，入口的体积流量主要取决于转子直径、内容积比、转速和内部间隙。常规的螺杆膨胀机无论配套同步发电机或异步发电机，由于受电网频率的制约，转速基本保持恒定，因此入口的体积流量也相对恒定。同时，在设计孔口时，膨胀机的内容积比主要根据外压比设计，这样在运行时可避免产生过膨胀和欠膨胀机的情况，从而实现最高效率。

但实际运行中，由于与螺杆膨胀机的出口相连的低压管网或与螺杆膨胀机的入口相连的高压管网的气体流量总是变化的，导致螺杆膨胀机的气体流量也会随之发生变化。为使螺杆膨胀机的气体流量与外部管网的气体流量达到平衡，确保螺杆膨胀机的排气压力、进气压力或与螺杆膨胀机相连的发电机的输出功率与设定值一致，目前市面上的螺杆膨胀机几乎都采用入口节流方式对螺杆膨胀机的气体流量进行调节，即通过控制器调节膨胀机入口调节阀的开度改变螺杆膨胀机的进气压力实现对螺杆膨胀机的气体流量进行调节。这种节流调节方式会使得螺杆膨胀机的进气压力下降，改变了外压比，原有的内容积比将不再适合当前运行工况，螺杆膨胀机将产生较大的过膨胀，使得螺杆膨胀机发电机组的效率急剧下降。更严重的是，当螺杆膨胀机发电机组处于较低的效率下，为了达到并网的同步转速，气体流量不得不维持在较高水平。若气体流量不足时，发电机或无法并入电网，或逆功率解列。

此外，当螺杆膨胀机配套同步发电机时，为了实现并网，要求螺杆膨胀机发电机组的转速控制较为精确，使得螺杆膨胀机发电机组的发电频率与电网频率一致才能达到并网条件。因此，螺杆膨胀机入口需要配套精度较高的自动控制阀门，价格昂贵，操作不便。当螺杆膨胀机配套异步发电机时，虽然无需较高精度的转速控制,但异步发电机组将消耗电网的无功功率，使电网功率因数下降，且并网瞬间有较大的冲击电流。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统，其能够在不改变螺杆膨胀机的内外压比的情况下使螺杆膨胀机发电系统适应气体流量的变化，工作效率高，并且在气体流量很小时也能实现高效率的发电。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种螺杆膨胀机变速恒频发电方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统，包括螺杆膨胀机、传动机构、异步发电机、四象限变频器、控制器、以及压力反馈装置和/或输出功率反馈装置；螺杆膨胀机的输出轴通过传动机构与异步发电机的转子连接；四象限变频器的电源侧连接电网，四象限变频器的电机侧连接异步发电机；压力反馈装置的输出端和/或所述输出功率反馈装置的输出端与控制器的输入端连接；压力反馈装置用于将实时检测到的螺杆膨胀机的排气压力和/或进气压力反馈给控制器，输出功率反馈装置用于将实时检测到的异步发电机的输出功率反馈给控制器；控制器的输出端与四象限变频器的信号输入端连接，控制器用于根据排气压力设定值及排气压力反馈值、进气压力设定值及进气压力反馈值或者是异步发电机的输出功率设定值及异步发电机的输出功率反馈值计算出四象限变频器的电机给定频率，并将电机给定频率输出给四象限变频器，以控制异步发电机的转子转速。

上述的螺杆膨胀机变速恒频发电系统，其中，控制器用于将排气压力设定值与排气压力反馈值的差值进行PID调节或PI调节后得到电机给定频率，或者是将进气压力设定值与进气压力反馈值的差值进行PID调节或PI调节后得到所述的电机给定频率，或者是将异步发电机的输出功率设定值与异步发电机的输出功率反馈值的差值进行PID调节或PI调节后得到电机给定频率。

本发明还提供了一种螺杆膨胀机变速恒频发电方法，包括：

气态发电介质进入螺杆膨胀机后膨胀做功并推动螺杆膨胀机运转，从而带动异步发电机运行发电；

异步发电机所输出的电能通过四象限变频器并入电网；

压力反馈装置将实时检测到的螺杆膨胀机的排气压力和/或进气压力反馈给控制器，和/或输出功率反馈装置将实时检测到的异步发电机的输出功率反馈给控制器；

控制器根据排气压力设定值及排气压力反馈值、进气压力设定值及进气压力反馈值或者是异步发电机的输出功率设定值及异步发电机的输出功率反馈值计算出四象限变频器的电机给定频率，并将电机给定频率输出给四象限变频器，四象限变频器根据该电机给定频率控制异步发电机的转子转速，使螺杆膨胀机的排气压力稳定在排气压力设定值，或使螺杆膨胀机的进气压力稳定在所述进气压力设定值，或使异步发电机的输出功率稳定在输出功率设定值。

采用上述技术方案后，本发明至少具有以下优点：

1、本发明通过改变螺杆膨胀机的转速而非进气压力使得螺杆膨胀机的排气压力、进气压力或与螺杆膨胀机相连的发电机的输出功率稳定在设定值，确保螺杆膨胀机的气体流量与外部管网的气体流量达到平衡，不仅具有较强的适应气体流量波动的能力，而且在变流量工况下能维持螺杆膨胀机的外压比设计值，从而使螺杆膨胀机始终运行在较高效率点，在螺杆膨胀机的气体流量偏离设计时，也仍然能够保证较高的发电量，同时可降低并网发电所需的最小螺杆膨胀机气体流量，并网工况要求低；

2、本发明通过对四象限变频器的电机给定频率设定，可方便地控制螺杆膨胀机的转速，从而实现对气体流量或与气体流量相关的工艺参数如输出功率、排气压力、进气压力等的控制。由于采用了四象限变频器，无需精确地控制螺杆膨胀机转速，而只需通过变频器的参数设计即可实现并网解列, 可方便地实现一键启停和并网解列，并网解列容易，控制简单。由于并网时的最大冲击电流小于发电机额定电流，对电网不会造成冲击；

3、异步发电机从四象限变频器获得无功功率，整个系统不消耗电网的无功功率；

4、四象限变频器将异步发电机和电网隔离为彼此独立的系统，使得异步发电机和电网不会相互干扰；利用四象限变频器的保护功能还可方便地实现对异步发电机的各种保护。

附图说明

图1示出了本发明一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统的第一实施例的原理示意图。

图2示出了本发明一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统的第二实施例的原理示意图。

图3示出了本发明一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统的第三实施例的原理示意图。

图4示出了本发明一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统的第四实施例的原理示意图。

图5示出了本发明一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统与现有节流发电系统的发电量比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1。根据本发明第一实施例的一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统，包括螺杆膨胀机1、传动机构2、异步发电机3、四象限变频器4、控制器5、压力反馈装置6和输出功率反馈装置7。

螺杆膨胀机1的输出轴通过传动机构2与异步发电机3的转子连接。在一种具体的实施方式中，传动机构2为联轴器。在另一种具体的实施方式中，传动机构2包括第一联轴器、第二联轴器和齿轮箱。螺杆膨胀机1的输出轴通过第一联轴器与齿轮箱的输入轴连接，齿轮箱的输出轴通过第二联轴器与异步发电机3的转子连接。齿轮箱具有匹配螺杆膨胀机1与异步发电机3转速的功能。

四象限变频器4的电机侧连接异步发电机3，四象限变频器4的电源侧通过电气开关装置8与电网9连接。异步发电机3输出的有功功率经四象限变频器4的逆变单元逆变后，通过电气开关装置8回馈至外部电网9。而异步发电机3所需的无功功率由四象限变频器4的内部电容器提供，无需消耗电网9的无功功率。电气开关装置8例如可采用断路器，但不限于此。

压力反馈装置6的输出端和输出功率反馈装置7的输出端与控制器5的输入端连接。在本实施例中，压力反馈装置6只检测螺杆膨胀机的排气压力，压力反馈装置6用于将实时检测到的螺杆膨胀机1的排气压力反馈给控制器5，输出功率反馈装置7用于将实时检测到的异步发电机3的输出功率反馈给控制器5。在一种具体的实施方式中，压力反馈装置6为压力传感器；输出功率反馈装置7为电能表，该电能表可以是集成在四象限变频器4中，也可以是独立于四象限变频器4的电能表。

控制器5的输出端与四象限变频器4的信号输入端连接，控制器5用于根据排气压力设定值及排气压力反馈值、或者是异步发电机的输出功率设定值及异步发电机的输出功率反馈值计算出四象限变频器的电机给定频率，并将电机给定频率输出给四象限变频器4，以控制异步发电机3的转子转速。由于异步发电机3的转子与螺杆膨胀机1相连，异步发电机3的转子转速与螺杆膨胀机1的转速相等，控制异步发电机3的转子转速也即控制了螺杆膨胀机1的转速。由于螺杆膨胀机1的进、排气压力保持不变，转速的变化将导致通过螺杆膨胀机组气量的变化，从而匹配蒸汽用量的变化，保证螺杆膨胀机1的排气压力或输出功率稳定在设定值。控制器5可采用PLC控制器，但不限于此，例如，也可以采用DCS系统的控制器。

控制器5是采用排气压力方式还是输出功率方式控制螺杆膨胀机的气体流量，由用户根据螺杆膨胀机变速恒频发电系统的使用环境来确定。控制器5可根据外部指令在排气压力控制方式与输出功率控制方式之间进行切换，在控制器5处于排气压力控制方式时，排气压力作为要调节的过程变量，控制器5将根据排气压力设定值及排气压力反馈值计算出的四象限变频器4的电机给定频率输出给四象限变频器4，在控制器5处于输出功率控制方式时，输出功率作为要调节的过程变量，控制器5将根据异步发电机3的输出功率设定值及异步发电机3的输出功率反馈值计算出的四象限变频器4的电机给定频率输出给四象限变频器4。

在本实施例中，控制器5将排气压力设定值与排气压力反馈值的差值进行PID调节后得到电机给定频率，或者是将异步发电机3的输出功率设定值与异步发电机3的输出功率反馈值的差值进行PID调节后得到电机给定频率。控制器5设有控制模式切换单元51，控制模式切换单元51根据外部指令在排气压力控制方式与输出功率控制方式之间进行切换，在控制器5处于排气压力控制方式时，控制模式切换单元51将根据排气压力设定值及排气压力反馈值计算出的电机给定频率输出给四象限变频器4，在控制器5处于输出功率控制方式时，控制模式切换单元51将根据异步发电机3的输出功率设定值及异步发电机3的输出功率反馈值计算出的电机给定频率输出给四象限变频器4。需要说明的是，在本实施例中虽然采用了PID调节的方式，但不限于此，例如也可采用PI调节的方式。

图2示出了本发明一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统的第二实施例的原理示意图。该第二实施例与第一实施例的区别在于，第二实施例的螺杆膨胀机变速恒频发电系统未设置输出功率反馈装置7，控制器5仅采用排气压力控制方式控制螺杆膨胀机的气体流量，即控制器5根据排气压力设定值及排气压力反馈值计算出四象限变频器4的电机给定频率，并将电机给定频率输出给四象限变频器4，以控制异步发电机3的转子转速。

图3示出了本发明一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统的第三实施例的原理示意图。该第三实施例与第一实施例的区别在于，第三实施例的螺杆膨胀机变速恒频发电系统未设置压力反馈装置6，控制器5仅采用输出功率控制方式控制螺杆膨胀机的气体流量，即控制器5根据异步发电机3的输出功率设定值及异步发电机3的输出功率反馈值计算出四象限变频器4的电机给定频率，并将电机给定频率率输出给四象限变频器4，以控制异步发电机3的转子转速。

图4示出了本发明一种螺杆膨胀机变速恒频发电系统的第四实施例的原理示意图。该第四实施例与第一实施例的区别在于，第四实施例的螺杆膨胀机变速恒频发电系统未设置输出功率反馈装置7，控制器5仅采用进气压力控制方式控制螺杆膨胀机的气体流量，即，压力反馈装置6只检测螺杆膨胀机的进气压力，压力反馈装置6用于将实时检测到的螺杆膨胀机1的进气压力反馈给控制器5，控制器5根据进气压力设定值及进气压力反馈值计算出四象限变频器4的电机给定频率，并将电机给定频率输出给四象限变频器4，以控制异步发电机3的转子转速。

以上实施例仅仅为示例，在其它的实施例中，也可以将只检测螺杆膨胀机的进气压力的压力反馈装置与输出功率反馈装置进行组合，而控制器可根据外部指令在进气压力控制方式与输出功率控制方式之间进行切换；又或者是，压力反馈装置能够同时检测螺杆膨胀机的进气压力和排气压力，而控制器可根据外部指令在进气压力控制方式、排气压力控制方式和输出功率控制方式之间进行切换。

以螺杆式蒸汽减压发电机组为例。假设中压蒸汽参数为2.5MPaG、400℃，低压蒸汽参数为1.0MPaG。为了实现节能，采用螺杆膨胀机回收减压过程中产生的能量。将采用根据本发明实施例1至实施例4的螺杆膨胀机变速恒频发电系统与现有采用入口节流方式的节流发电系统的发电量进行比较，其结果如图5所示。根据图5中的曲线可以清楚地看出，采用现有的节流发电系统，蒸汽流量需要达到11000kg/h左右才有电能输出。而采用根据本发明实施例1至实施例3的变速恒频发电系统，蒸汽流量只需5000kg/h左右即可产生电能，并且在达到满负荷的工况以下，变速恒频发电系统的发电量远高于常规节流发电系统的发电量。

本发明还提供了一种螺杆膨胀机变速恒频发电方法，包括以下步骤：

气态发电介质进入螺杆膨胀机后膨胀做功并推动螺杆膨胀机运转，从而带动异步发电机运行发电；上述的气态发电介质可以是工作介质蒸汽，也可以是天然气；

异步发电机所输出的电能通过四象限变频器并入电网；四象限变频器实时检查电网电压、频率及相位，并据此控制变频器的逆变单元工作，保证所输出的电能与电网电压、频率及相位一致；

压力反馈装置将实时检测到的螺杆膨胀机的排气压力和/或进气压力反馈给控制器，和/或输出功率反馈装置将实时检测到的异步发电机的输出功率反馈给控制器；

控制器根据排气压力设定值及排气压力反馈值、进气压力设定值及进气压力反馈值或者是异步发电机的输出功率设定值及异步发电机的输出功率反馈值计算出四象限变频器的电机给定频率，并将电机给定频率输出给四象限变频器，四象限变频器根据该电机给定频率控制异步发电机的转子转速，使螺杆膨胀机的排气压力稳定在排气压力设定值，或使螺杆膨胀机的进气压力稳定在所述进气压力设定值，或使异步发电机的输出功率稳定在输出功率设定值。螺杆膨胀机的排气压力设定值、进气压力设定值以及异步发电机的输出功率设定值均由用户根据螺杆膨胀机变速恒频发电系统的使用环境预先设定。

本发明通过改变螺杆膨胀机的转速而非进气压力使得螺杆膨胀机的排气压力、进气压力或与螺杆膨胀机相连的发电机的输出功率稳定在设定值，确保螺杆膨胀机的气体流量与外部管网的气体流量达到平衡，不仅具有较强的适应气体流量波动的能力，而且在变流量工况下能维持螺杆膨胀机的外压比设计值，从而使螺杆膨胀机始终运行在较高效率点，在螺杆膨胀机的气体流量偏离设计时，也仍然能够保证较高的发电量。