高壓余能回收液力透平試驗(yàn)臺開發(fā)

蔣小平，劉思晗，葉劍斌，吳家輝，李 偉，朱嘉煒

1 前言

我國一次能源利用率嚴(yán)重偏低，大力發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)，充分利用二次能源并挖掘能夠回收利用的一切能量資源是我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措［1,2］。目前，余壓能回收在反滲透海水淡化等領(lǐng)域已得到較好的應(yīng)用［4,5］，國內(nèi)外研究人員在這些流域相繼開發(fā)了效果良好的壓力能交換器［6,7］。但是對于石化、電力、冶金、環(huán)保、合成氨等過程工業(yè)領(lǐng)域中存在的大量中高壓余能［3］，目前大部分還是通過減壓閥等降壓設(shè)備將介質(zhì)中富含的多余能量釋放后再重新進(jìn)入工藝流程（或直接排空）；在減壓和排放過程中，大量的高壓余能轉(zhuǎn)化為熱能等耗散到環(huán)境中，在產(chǎn)生振動與噪聲的同時(shí)，也造成了很大的環(huán)境污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果僅對30萬t以上合成氨裝置的余壓能進(jìn)行回收每年就能節(jié)電50億 kW·h［8］。

余壓能回收的研究主要集中在液力透平理論、回收方法與回收效率等方面。試驗(yàn)臺作為驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)與數(shù)值計(jì)算的重要手段，國內(nèi)外研究相對很少；德黑蘭大學(xué)的Shahram Derakhshan 和Ahmad Nourbakhsh搭建了小型水電試驗(yàn)臺［9,10］，Bozorg等搭建了軸流泵透平試驗(yàn)臺［11］；國內(nèi)研究集中在江蘇大學(xué)和甘肅工業(yè)大學(xué)，而且主要是圍繞單級離心泵反轉(zhuǎn)做中低壓液力透平來展開［12～19］；在高壓領(lǐng)域，蔣小平等在高壓余能回收液力透平的理論研究、裝置設(shè)計(jì)以及數(shù)值模擬等方面已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，迫切需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本文通過自動化集成及優(yōu)化設(shè)計(jì)，自主研發(fā)一個(gè)以SIMENS系統(tǒng)為工控核心的高壓余能回收液力透平試驗(yàn)臺，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，安全性能好，可靠性高，基本能滿足高壓余能回收研究的需要。

2 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，高壓余能回收液力透平試驗(yàn)臺主要由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括高壓泵與恒壓變頻控制模塊、能量轉(zhuǎn)換及扭矩生成模塊、由發(fā)電機(jī)與負(fù)載組成的軸功率耗散模塊、傳感與控制模塊等；軟件部分包括運(yùn)行在變頻控制柜恒壓控制模塊內(nèi)的嵌入式軟件、運(yùn)行在PLC下位機(jī)上的本地調(diào)控軟件、通過網(wǎng)線與下位機(jī)進(jìn)行通信并運(yùn)行在上位機(jī)電腦上的SIMENS組態(tài)軟件等［20］。另外，試驗(yàn)臺還包含相應(yīng)的304不銹鋼水箱（4.5 m3）、高低壓系統(tǒng)管路、泵進(jìn)出口調(diào)節(jié)閘閥、旁路調(diào)節(jié)等輔助系統(tǒng)。低壓介質(zhì)從水箱被高壓泵進(jìn)口管吸入后加壓，進(jìn)入液力透平完成能量形式轉(zhuǎn)換并泄壓后由管路重新返回水箱，形成整個(gè)開式系統(tǒng)的介質(zhì)循環(huán)。

圖1 高壓余能回收液力透平試驗(yàn)臺系統(tǒng)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 高壓泵與恒壓變頻控制模塊

（1）高壓泵

一期建設(shè)的高壓余能液力透平試驗(yàn)臺計(jì)劃提供流量Q=30 m3/h、水頭H=300 m的高壓水介質(zhì)，經(jīng)初步計(jì)算及綜合考慮，定制了一臺設(shè)計(jì)流量Q=30 m3/h、設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=315 m、額定轉(zhuǎn)速n=2950 r/min、配套電機(jī)功率P=75 kW的變頻控制高壓多級離心泵?？紤]到試驗(yàn)過程中開停機(jī)相對頻繁，整泵與機(jī)組運(yùn)行工況往往比較惡劣，為了提高系統(tǒng)可靠性，在出廠前對該泵的軸承和密封做了特別處理。

（2）恒壓變頻控制

為了實(shí)現(xiàn)多級泵出口壓力的基本穩(wěn)定，在多級泵出口處安裝了一只量程為4 MPa的壓力傳感器，并將壓力信號接入負(fù)反饋式恒壓供水控制器，如果泵出口壓力比設(shè)定值偏低（偏高），變頻器控制電機(jī)自動增速（降速），通過改變壓力設(shè)定值可以實(shí)現(xiàn)不同壓力與不同流量條件下的液力透平系列化、系統(tǒng)性試驗(yàn)。

3.2 能量轉(zhuǎn)換及扭矩生成模塊

高壓多級泵與恒壓變頻控制模塊的耦合驅(qū)動為整個(gè)試驗(yàn)臺提供了可靠穩(wěn)定的高壓流體介質(zhì)源。高壓流體介質(zhì)（一般為水或氣液兩相流）首先要完成的就是能量轉(zhuǎn)換，即模擬石油、化工、冶金等流域的真實(shí)工況，將需要回收的壓力能在液力透平裝置中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，通過水動力做功生成軸功率，并輸出扭矩。

試驗(yàn)臺采用雙螺桿泵來回收高壓介質(zhì)的壓力能。系統(tǒng)可以處理的高壓介質(zhì)為純高壓水或氣液兩相流；其中采用雙螺桿泵作為能量轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備的主要原因就是利用雙螺桿泵能適應(yīng)氣液混輸?shù)奶匦裕ê瑲饴士梢赃_(dá)到80%以上）。

3.3 軸功率耗散模塊

若不考慮摩擦等各種形式的阻力與能量損失，液力透平的理論工作轉(zhuǎn)速將達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速。所以，試驗(yàn)時(shí)為了平衡掉透平輸出軸的扭矩及水動力功率，需要利用負(fù)載將其進(jìn)行消耗。一般可直接用測功機(jī)來約束透平轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率的測量。本試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)時(shí)為了降低成本與直接觀測，設(shè)計(jì)了可以連續(xù)調(diào)節(jié)的電阻式負(fù)載系統(tǒng)，即先利用水力扭矩形成的透平軸功率帶動直流電機(jī)發(fā)電，直流電機(jī)配用專門的電流電壓調(diào)節(jié)器作為勵(lì)磁，發(fā)出的電使用可以連續(xù)調(diào)節(jié)的燈泡式電阻性負(fù)載來平衡，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)負(fù)載多工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)。

3.4 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)模塊

數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)硬件及原理示意

系統(tǒng)以SIMEMS SIMATIC S7-1200 PLC為核心。主要傳感器包括：負(fù)責(zé)感應(yīng)并測定透平軸轉(zhuǎn)速與扭矩的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、高壓多級離心泵進(jìn)出口壓力及液力透平出口壓力變送器、布置在總回流管上的電磁流量計(jì)。流量計(jì)的安裝位置滿足“前十后七”的標(biāo)準(zhǔn)要求，完全可以避免彎管漩渦或回流等對流量測量產(chǎn)生的不利影響。各傳感器的模擬量信號均為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號；PLC的輸入信號包括變頻器運(yùn)行參數(shù)（頻率、轉(zhuǎn)速等）、增壓泵出口壓力值、透平出口壓力值、流量大小、發(fā)電機(jī)負(fù)載電壓、負(fù)載電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速大小以及介質(zhì)溫度值。由于各傳感器輸出信號都是模擬量，須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能讓PLC識別，系統(tǒng)選用SIEMENS SM 1231模塊為A/D轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)模塊具有8路轉(zhuǎn)換通道；開關(guān)電源為輸入120 / 230 VAC，輸出24 V/5 ADC；觸摸屏選用威綸通MT 8000人機(jī)界面，觸摸屏與PLC之間采用Profinet進(jìn)行通訊。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)控制軟件在Step7-Micro/WIN平臺上開發(fā)完成。軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）信號采集：對變頻器運(yùn)行參數(shù)、增壓泵出口壓力值、透平出口壓力值、試驗(yàn)系統(tǒng)流量、發(fā)電機(jī)負(fù)載電壓、負(fù)載電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速大小以及介質(zhì)溫度等模擬信號進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換；（2）自動控制方面：對增壓泵進(jìn)行啟?？刂?，對變頻器進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，對增壓泵進(jìn)口處的閥門進(jìn)行開關(guān)控制，對增壓泵出口旁路以及透平出口回路的閥門進(jìn)行比例控制［21］；通過對變頻器的頻率調(diào)節(jié)，在閥門一定開度下比較壓力反饋值與給定值的差異，利用PID控制原理形成恒壓的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，圖3為以恒壓控制為例的下位機(jī)控制軟件控制系統(tǒng)流程。

圖3 下位機(jī)控制系統(tǒng)流程

在Easybuilder上開發(fā)人機(jī)界面，主要包括首頁、透平參數(shù)、變頻參數(shù)、發(fā)電參數(shù)以及報(bào)警設(shè)置等子菜單按鈕。

通過首頁菜單可設(shè)置試驗(yàn)中采集的各參數(shù)的上限值，并包括變頻器的啟?？刂啤⒆詣?手動狀態(tài)切換以及自動狀態(tài)下變頻器運(yùn)行目標(biāo)頻率的設(shè)置；透平參數(shù)菜單主要是顯示當(dāng)前工況下透平的相關(guān)基本參數(shù)和計(jì)算參數(shù)，并可對高壓泵進(jìn)口閥門進(jìn)行控制，對旁路閥門、液力透平出口回流閥進(jìn)行比例控制；變頻參數(shù)菜單主要顯示變頻器的運(yùn)行參數(shù)（運(yùn)行頻率、電壓、電流、功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等），并可以通過設(shè)置泵出口目標(biāo)壓力進(jìn)行恒壓控制；發(fā)電參數(shù)菜單主要顯示發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流、和負(fù)載端所耗功率的大小，并可對接入負(fù)載進(jìn)行大小調(diào)節(jié)；報(bào)警設(shè)置菜單可設(shè)置管道所允許的最大壓力，當(dāng)透平故障進(jìn)口管路壓力驟升，透平泄壓不足導(dǎo)致出口壓力過大時(shí)可自動對變頻器進(jìn)行急停操作并報(bào)警。

4. 2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件除了能夠在電腦顯示屏對液力透平的各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，還具有數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、曲線生成、通訊以及用戶管理等功能。軟件系統(tǒng)能生成恒壓條件下的流量-揚(yáng)程關(guān)系曲線、流量-透平轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線、流量-扭矩關(guān)系曲線、流量-水力效率關(guān)系曲線等，以及恒流量條件下壓力-透平轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線、壓力-扭矩關(guān)系曲線、壓力-水力效率關(guān)系曲線等。

上位機(jī)軟件還具有無線通訊及有線通訊功能，依托該功能，系統(tǒng)與試驗(yàn)現(xiàn)場各傳感器（壓力、流量、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等）協(xié)調(diào)一起完成PLC與上位機(jī)之間的以太網(wǎng)或無線網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)各試驗(yàn)參數(shù)采集及控制的遠(yuǎn)程化、自動化及網(wǎng)絡(luò)化，確保高壓余能回收液力透平的數(shù)據(jù)可靠性與實(shí)驗(yàn)安全。

5 透平計(jì)算參數(shù)及實(shí)例驗(yàn)證

5.1 計(jì)算參數(shù)

透平效率η是衡量液力透平性能的最重要指標(biāo)，可通過軸功率p與水功率ph的比值求得：

其中 ph=ρgQH/1000

式中 p——軸功率，kW

ph——水功率，kW

ρ——液體的密度，kg/m3

g ——重力加速度，m/s2

Q ——泵（透平）的流量，m3/s

H ——透平水頭，m

透平水頭與能量轉(zhuǎn)換裝置的進(jìn)出口壓差相關(guān)，忽略進(jìn)出口流速差有：

式中 pin，pout——透平進(jìn)、出口壓力，Pa

軸功率與透平輸出軸的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩相關(guān)，采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器對轉(zhuǎn)速和扭矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行采集。軸功率按下式計(jì)算：

其中 p——軸功率，kW

M——扭矩，N·m

n——轉(zhuǎn)速，r/min

5.2 實(shí)例驗(yàn)證

在搭建的高壓余能回收液力透平試驗(yàn)臺上完成了某雙螺桿泵液力透平試驗(yàn)，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流使得轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在900 r/min左右，利用變頻器控制透平進(jìn)口壓力在0.2～0.6 MPa之間，區(qū)間間隔0.1 MPa，采集及計(jì)算得到的試驗(yàn)參數(shù)見表1。在透平軸輸出有效軸功率條件下得到的透平效率η最高為62.5%。這一方面驗(yàn)證了所建試驗(yàn)臺能完成基本的余壓能回收液力透平的試驗(yàn)驗(yàn)證功能；另一方面也證明了經(jīng)過改造設(shè)計(jì)的雙螺桿泵可以用作液力透平回收高壓余能，與多級離心泵用作小流量高水頭的液力透平相比，前者效率明顯要高于后者，而振動和噪聲明顯要小于后者。

表1 雙螺桿泵液力透平試驗(yàn)參數(shù)

6 結(jié)語

本文基于數(shù)據(jù)采集、自動變頻調(diào)速、組態(tài)及數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，開發(fā)出了一套高壓余能回收液力透平試驗(yàn)臺。試驗(yàn)臺主要包含了高壓多級泵與變頻器匹配的恒壓變流量調(diào)節(jié)仿高壓余能介質(zhì)提供模塊、液力透平壓能動能轉(zhuǎn)換及扭矩生成模塊、交流勵(lì)磁直流發(fā)電機(jī)與疊加式負(fù)載匹配的軸功率耗散模塊，測試系統(tǒng)硬件、軟件方面主要為多參數(shù)傳感與SIMEMS PLC匹配的數(shù)據(jù)采集處理及控制系統(tǒng)，包含高壓介質(zhì)壓力反饋式恒壓變流量控制模塊、高壓介質(zhì)與液力透平參數(shù)采集處理模塊以及上位機(jī)組態(tài)模塊等組成的多屏集散監(jiān)控軟件系統(tǒng)。

試驗(yàn)臺的實(shí)際應(yīng)用證明，高壓介質(zhì)壓力反饋及響應(yīng)快速平穩(wěn)，能為能量轉(zhuǎn)換及扭矩生成模塊提供高質(zhì)量的高壓仿真介質(zhì)與穩(wěn)定的水功率；以SIMEMS SIMATIC S7-1200 PLC為核心的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)可靠性高，參數(shù)信號失真小，抗干擾能力強(qiáng)。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)符合相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，能為液力透平、壓力交換器等多種形式的能量回收裝置提供全面的性能測試及數(shù)據(jù)分析。

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