本實用新型涉及螺桿膨脹機發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

螺桿膨脹機是一種具有內(nèi)膨脹的原動機，廣泛應(yīng)用在帶壓氣體的能量回收，可作為機械驅(qū)動或發(fā)電機組的原動機。螺桿膨脹機作為回轉(zhuǎn)容積式膨脹機，入口的體積流量主要取決于轉(zhuǎn)子直徑、內(nèi)容積比、轉(zhuǎn)速和內(nèi)部間隙。常規(guī)的螺桿膨脹機無論配套同步發(fā)電機或異步發(fā)電機，由于受電網(wǎng)頻率的制約，轉(zhuǎn)速基本保持恒定，因此入口的體積流量也相對恒定。同時，在設(shè)計孔口時，膨脹機的內(nèi)容積比主要根據(jù)外壓比設(shè)計，這樣在運行時可避免產(chǎn)生過膨脹和欠膨脹機的情況，從而實現(xiàn)最高效率。

但實際運行中，由于與螺桿膨脹機的出口相連的低壓管網(wǎng)或與螺桿膨脹機的入口相連的高壓管網(wǎng)的氣體流量總是變化的，導(dǎo)致螺桿膨脹機的氣體流量也會隨之發(fā)生變化。為使螺桿膨脹機的氣體流量與外部管網(wǎng)的氣體流量達到平衡，確保螺桿膨脹機的排氣壓力、進氣壓力或與螺桿膨脹機相連的發(fā)電機的輸出功率與設(shè)定值一致，目前市面上的螺桿膨脹機幾乎都采用入口節(jié)流方式對螺桿膨脹機的氣體流量進行調(diào)節(jié)，即通過控制器調(diào)節(jié)膨脹機入口調(diào)節(jié)閥的開度改變螺桿膨脹機的進氣壓力實現(xiàn)對螺桿膨脹機的氣體流量進行調(diào)節(jié)。這種節(jié)流調(diào)節(jié)方式會使得螺桿膨脹機的進氣壓力下降，改變了外壓比，原有的內(nèi)容積比將不再適合當前運行工況，螺桿膨脹機將產(chǎn)生較大的過膨脹，使得螺桿膨脹機發(fā)電機組的效率急劇下降。更嚴重的是，當螺桿膨脹機發(fā)電機組處于較低的效率下，為了達到并網(wǎng)的同步轉(zhuǎn)速，氣體流量不得不維持在較高水平。若氣體流量不足時，發(fā)電機或無法并入電網(wǎng)，或逆功率解列。

此外，當螺桿膨脹機配套同步發(fā)電機時，為了實現(xiàn)并網(wǎng)，要求螺桿膨脹機發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速控制較為精確，使得螺桿膨脹機發(fā)電機組的發(fā)電頻率與電網(wǎng)頻率一致才能達到并網(wǎng)條件。因此，螺桿膨脹機入口需要配套精度較高的自動控制閥門，價格昂貴，操作不便。當螺桿膨脹機配套異步發(fā)電機時，雖然無需較高精度的轉(zhuǎn)速控制,但異步發(fā)電機組將消耗電網(wǎng)的無功功率，使電網(wǎng)功率因數(shù)下降，且并網(wǎng)瞬間有較大的沖擊電流。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題在于提供一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，其能夠在不改變螺桿膨脹機的內(nèi)外壓比的情況下使螺桿膨脹機發(fā)電系統(tǒng)適應(yīng)氣體流量的變化，工作效率高，并且在氣體流量很小時也能實現(xiàn)高效率的發(fā)電。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，包括螺桿膨脹機、傳動機構(gòu)、異步發(fā)電機、四象限變頻器、控制器、以及壓力反饋裝置和/或輸出功率反饋裝置；螺桿膨脹機的輸出軸通過傳動機構(gòu)與異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子連接；四象限變頻器的電源側(cè)連接電網(wǎng)，四象限變頻器的電機側(cè)連接異步發(fā)電機；壓力反饋裝置的輸出端和/或所述輸出功率反饋裝置的輸出端與控制器的輸入端連接；壓力反饋裝置用于將實時檢測到的螺桿膨脹機的排氣壓力和/或進氣壓力反饋給控制器，輸出功率反饋裝置用于將實時檢測到的異步發(fā)電機的輸出功率反饋給控制器；控制器的輸出端與四象限變頻器的信號輸入端連接，控制器用于根據(jù)排氣壓力設(shè)定值與排氣壓力反饋值的差值、進氣壓力設(shè)定值與進氣壓力反饋值的差值或者是異步發(fā)電機的輸出功率設(shè)定值與異步發(fā)電機的輸出功率反饋值的差值進行PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)，以獲得四象限變頻器的電機給定頻率，并將電機給定頻率輸出給四象限變頻器。

采用上述技術(shù)方案后，本實用新型至少具有以下優(yōu)點：

1、本實用新型通過改變螺桿膨脹機的轉(zhuǎn)速而非進氣壓力使得螺桿膨脹機的排氣壓力、進氣壓力或與螺桿膨脹機相連的發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定值，確保螺桿膨脹機的氣體流量與外部管網(wǎng)的氣體流量達到平衡，不僅具有較強的適應(yīng)氣體流量波動的能力，而且在變流量工況下能維持螺桿膨脹機的外壓比設(shè)計值，從而使螺桿膨脹機始終運行在較高效率點，在螺桿膨脹機的氣體流量偏離設(shè)計時，也仍然能夠保證較高的發(fā)電量，同時可降低并網(wǎng)發(fā)電所需的最小螺桿膨脹機氣體流量，并網(wǎng)工況要求低；

2、本實用新型通過對四象限變頻器的電機給定頻率設(shè)定，可方便地控制螺桿膨脹機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對氣體流量或與氣體流量相關(guān)的工藝參數(shù)如輸出功率、排氣壓力、進氣壓力等的控制。由于采用了四象限變頻器，無需精確地控制螺桿膨脹機轉(zhuǎn)速，而只需通過變頻器的參數(shù)設(shè)計即可實現(xiàn)并網(wǎng)解列, 可方便地實現(xiàn)一鍵啟停和并網(wǎng)解列，并網(wǎng)解列容易，控制簡單。由于并網(wǎng)時的最大沖擊電流小于發(fā)電機額定電流，對電網(wǎng)不會造成沖擊；

3、異步發(fā)電機從四象限變頻器獲得無功功率，整個系統(tǒng)不消耗電網(wǎng)的無功功率；

4、四象限變頻器將異步發(fā)電機和電網(wǎng)隔離為彼此獨立的系統(tǒng)，使得異步發(fā)電機和電網(wǎng)不會相互干擾；利用四象限變頻器的保護功能還可方便地實現(xiàn)對異步發(fā)電機的各種保護。

附圖說明

圖1示出了本實用新型一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的第一實施例的原理示意圖。

圖2示出了本實用新型一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的第二實施例的原理示意圖。

圖3示出了本實用新型一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的第三實施例的原理示意圖。

圖4示出了本實用新型一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的第四實施例的原理示意圖。

圖5示出了本實用新型一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)與現(xiàn)有節(jié)流發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量比較示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。

請參閱圖1。根據(jù)本實用新型第一實施例的一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，包括螺桿膨脹機1、傳動機構(gòu)2、異步發(fā)電機3、四象限變頻器4、控制器5、壓力反饋裝置6和輸出功率反饋裝置7。

螺桿膨脹機1的輸出軸通過傳動機構(gòu)2與異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子連接。在一種具體的實施方式中，傳動機構(gòu)2為聯(lián)軸器。在另一種具體的實施方式中，傳動機構(gòu)2包括第一聯(lián)軸器、第二聯(lián)軸器和齒輪箱。螺桿膨脹機1的輸出軸通過第一聯(lián)軸器與齒輪箱的輸入軸連接，齒輪箱的輸出軸通過第二聯(lián)軸器與異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子連接。齒輪箱具有匹配螺桿膨脹機1與異步發(fā)電機3轉(zhuǎn)速的功能。

四象限變頻器4的電機側(cè)連接異步發(fā)電機3，四象限變頻器4的電源側(cè)通過電氣開關(guān)裝置8與電網(wǎng)9連接。異步發(fā)電機3輸出的有功功率經(jīng)四象限變頻器4的逆變單元逆變后，通過電氣開關(guān)裝置8回饋至外部電網(wǎng)9。而異步發(fā)電機3所需的無功功率由四象限變頻器4的內(nèi)部電容器提供，無需消耗電網(wǎng)9的無功功率。電氣開關(guān)裝置8例如可采用斷路器，但不限于此。

壓力反饋裝置6的輸出端和輸出功率反饋裝置7的輸出端與控制器5的輸入端連接。在本實施例中，壓力反饋裝置6只檢測螺桿膨脹機的排氣壓力，壓力反饋裝置6用于將實時檢測到的螺桿膨脹機1的排氣壓力反饋給控制器5，輸出功率反饋裝置7用于將實時檢測到的異步發(fā)電機3的輸出功率反饋給控制器5。在一種具體的實施方式中，壓力反饋裝置6為壓力傳感器；輸出功率反饋裝置7為電能表，該電能表可以是集成在四象限變頻器4中，也可以是獨立于四象限變頻器4的電能表。

控制器5的輸出端與四象限變頻器4的信號輸入端連接，控制器5用于根據(jù)排氣壓力設(shè)定值與排氣壓力反饋值的差值、或者是異步發(fā)電機的輸出功率設(shè)定值與異步發(fā)電機的輸出功率反饋值的差值進行PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)，以獲得四象限變頻器的電機給定頻率，并將電機給定頻率輸出給四象限變頻器4，四象限變頻器4根據(jù)該電機給定頻率控制異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。由于異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子與螺桿膨脹機1相連，異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與螺桿膨脹機1的轉(zhuǎn)速相等，控制異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也即控制了螺桿膨脹機1的轉(zhuǎn)速。由于螺桿膨脹機1的進、排氣壓力保持不變，轉(zhuǎn)速的變化將導(dǎo)致通過螺桿膨脹機組氣量的變化，從而匹配蒸汽用量的變化，保證螺桿膨脹機1的排氣壓力或輸出功率穩(wěn)定在設(shè)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系統(tǒng)的控制器。

控制器5是采用排氣壓力方式還是輸出功率方式控制螺桿膨脹機的氣體流量，由用戶根據(jù)螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的使用環(huán)境來確定。控制器5可根據(jù)外部指令在排氣壓力控制方式與輸出功率控制方式之間進行切換，在控制器5處于排氣壓力控制方式時，排氣壓力作為要調(diào)節(jié)的過程變量，控制器5將根據(jù)排氣壓力設(shè)定值與排氣壓力反饋值的差值通過PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)獲得的四象限變頻器4的電機給定頻率輸出給四象限變頻器4，在控制器5處于輸出功率控制方式時，輸出功率作為要調(diào)節(jié)的過程變量，控制器5將根據(jù)異步發(fā)電機3的輸出功率設(shè)定值與異步發(fā)電機3的輸出功率反饋值的差值通過PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)獲得的四象限變頻器4的電機給定頻率輸出給四象限變頻器4。上述的排氣壓力設(shè)定值與排氣壓力反饋值的差值以及輸出功率設(shè)定值與異步發(fā)電機3的輸出功率反饋值的差值可通過減法器計算獲得，而PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)可分別由PID調(diào)節(jié)器或PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。

在本實施例中，控制器5設(shè)有控制模式切換單元51，控制模式切換單元51根據(jù)外部指令在排氣壓力控制方式與輸出功率控制方式之間進行切換，在控制器5處于排氣壓力控制方式時，控制模式切換單元51將根據(jù)排氣壓力設(shè)定值及排氣壓力反饋值獲得的電機給定頻率輸出給四象限變頻器4，在控制器5處于輸出功率控制方式時，控制模式切換單元51將根據(jù)異步發(fā)電機3的輸出功率設(shè)定值及異步發(fā)電機3的輸出功率反饋值獲得的電機給定頻率輸出給四象限變頻器4。

圖2示出了本實用新型一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的第二實施例的原理示意圖。該第二實施例與第一實施例的區(qū)別在于，第二實施例的螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)未設(shè)置輸出功率反饋裝置7，控制器5僅采用排氣壓力控制方式控制螺桿膨脹機的氣體流量，即控制器5根據(jù)排氣壓力設(shè)定值與排氣壓力反饋值的差值進行PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)，獲得四象限變頻器4的電機給定頻率，并將電機給定頻率輸出給四象限變頻器4，以控制異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖3示出了本實用新型一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的第三實施例的原理示意圖。該第三實施例與第一實施例的區(qū)別在于，第三實施例的螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)未設(shè)置壓力反饋裝置6，控制器5僅采用輸出功率控制方式控制螺桿膨脹機的氣體流量，即控制器5根據(jù)異步發(fā)電機3的輸出功率設(shè)定值與異步發(fā)電機3的輸出功率反饋值的差值進行PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)，獲得四象限變頻器4的電機給定頻率，并將電機給定頻率率輸出給四象限變頻器4，以控制異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖4示出了本實用新型一種螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的第四實施例的原理示意圖。該第四實施例與第一實施例的區(qū)別在于，第四實施例的螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)未設(shè)置輸出功率反饋裝置7，控制器5僅采用進氣壓力控制方式控制螺桿膨脹機的氣體流量，即，壓力反饋裝置6只檢測螺桿膨脹機的進氣壓力，壓力反饋裝置6用于將實時檢測到的螺桿膨脹機1的進氣壓力反饋給控制器5，控制器5根據(jù)進氣壓力設(shè)定值與進氣壓力反饋值的差值進行PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)，獲得四象限變頻器4的電機給定頻率，并將電機給定頻率輸出給四象限變頻器4，以控制異步發(fā)電機3的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

以上實施例僅僅為示例，在其它的實施例中，也可以將只檢測螺桿膨脹機的進氣壓力的壓力反饋裝置與輸出功率反饋裝置進行組合，而控制器可根據(jù)外部指令在進氣壓力控制方式與輸出功率控制方式之間進行切換；又或者是，壓力反饋裝置能夠同時檢測螺桿膨脹機的進氣壓力和排氣壓力，而控制器可根據(jù)外部指令在進氣壓力控制方式、排氣壓力控制方式和輸出功率控制方式之間進行切換。

以螺桿式蒸汽減壓發(fā)電機組為例。假設(shè)中壓蒸汽參數(shù)為2.5MPaG、400℃，低壓蒸汽參數(shù)為1.0MPaG。為了實現(xiàn)節(jié)能，采用螺桿膨脹機回收減壓過程中產(chǎn)生的能量。將采用根據(jù)本實用新型實施例1至實施例4的螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)與現(xiàn)有采用入口節(jié)流方式的節(jié)流發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量進行比較，其結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5中的曲線可以清楚地看出，采用現(xiàn)有的節(jié)流發(fā)電系統(tǒng)，蒸汽流量需要達到11000kg/h左右才有電能輸出。而采用根據(jù)本實用新型實施例1至實施例3的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，蒸汽流量只需5000kg/h左右即可產(chǎn)生電能，并且在達到滿負荷的工況以下，變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量遠高于常規(guī)節(jié)流發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。

根據(jù)本實用新型一實施例的螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的工作過程如下：

氣態(tài)發(fā)電介質(zhì)進入螺桿膨脹機后膨脹做功并推動螺桿膨脹機運轉(zhuǎn)，從而帶動異步發(fā)電機運行發(fā)電；上述的氣態(tài)發(fā)電介質(zhì)可以是工作介質(zhì)蒸汽，也可以是天然氣；

異步發(fā)電機所輸出的電能通過四象限變頻器并入電網(wǎng)；四象限變頻器實時檢查電網(wǎng)電壓、頻率及相位，并據(jù)此控制變頻器的逆變單元工作，保證所輸出的電能與電網(wǎng)電壓、頻率及相位一致；

壓力反饋裝置將實時檢測到的螺桿膨脹機的排氣壓力和/或進氣壓力反饋給控制器，和/或輸出功率反饋裝置將實時檢測到的異步發(fā)電機的輸出功率反饋給控制器；

控制器根據(jù)排氣壓力設(shè)定值與排氣壓力反饋值的差值、進氣壓力設(shè)定值與進氣壓力反饋值的差值或者是異步發(fā)電機的輸出功率設(shè)定值與異步發(fā)電機的輸出功率反饋值的差值進行PID調(diào)節(jié)或PI調(diào)節(jié)，進而獲得四象限變頻器的電機給定頻率，并將電機給定頻率輸出給四象限變頻器，四象限變頻器根據(jù)該電機給定頻率控制異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使螺桿膨脹機的排氣壓力穩(wěn)定在排氣壓力設(shè)定值，或使螺桿膨脹機的進氣壓力穩(wěn)定在所述進氣壓力設(shè)定值，或使異步發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定在輸出功率設(shè)定值。螺桿膨脹機的排氣壓力設(shè)定值、進氣壓力設(shè)定值以及異步發(fā)電機的輸出功率設(shè)定值均由用戶根據(jù)螺桿膨脹機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的使用環(huán)境預(yù)先設(shè)定。

本實用新型通過改變螺桿膨脹機的轉(zhuǎn)速而非進氣壓力使得螺桿膨脹機的排氣壓力、進氣壓力或與螺桿膨脹機相連的發(fā)電機的輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定值，確保螺桿膨脹機的氣體流量與外部管網(wǎng)的氣體流量達到平衡，不僅具有較強的適應(yīng)氣體流量波動的能力，而且在變流量工況下能維持螺桿膨脹機的外壓比設(shè)計值，從而使螺桿膨脹機始終運行在較高效率點，在螺桿膨脹機的氣體流量偏離設(shè)計時，也仍然能夠保證較高的發(fā)電量。