一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組的自整調(diào)節(jié)策略

　　摘要：為了解決一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組運行過程中熱電耦合、自整調(diào)節(jié)困難的問題，提出了以熱工況圖為核心、基于供熱機組運行特性的自整調(diào)節(jié)策略。以國內(nèi)某抽汽凝汽式100MW供熱機組為研究對象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺開發(fā)仿真機組模型，建立自整調(diào)節(jié)算法，并進(jìn)行熱、電負(fù)荷需求側(cè)擾動試驗。仿真試驗表明：所提出的自整調(diào)節(jié)策略能使供熱機組及時響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷指令及熱用戶的供熱需求，且動、靜態(tài)調(diào)節(jié)效果良好，具有進(jìn)一步研究的意義和價值。

　　關(guān)鍵詞：供熱機組熱電耦合自整調(diào)節(jié)

　　0引言

　　一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組運行中存在復(fù)雜的熱電耦合關(guān)系，給自整調(diào)節(jié)帶來困難[1]。隨著近年來供熱機組向大容量、高參數(shù)、中間再熱等方向發(fā)展，傳統(tǒng)解耦方式已難以滿足熱、電負(fù)荷的響應(yīng)需求。不良的控制算法使得調(diào)門執(zhí)行機構(gòu)油動機頻繁動作，磨損漏油，進(jìn)一步惡化調(diào)節(jié)效果[2]。在此背景下，研究并優(yōu)化抽汽凝汽式供熱機組的自整調(diào)節(jié)策略有著重要意義。本文提出了一種適用于一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組的自整調(diào)節(jié)策略。以國內(nèi)某抽汽凝汽式100MW供熱機組為研究對象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺開發(fā)仿真機組，編制自整調(diào)節(jié)程序并進(jìn)行仿真試驗。通過電網(wǎng)負(fù)荷指令擾動、熱用戶側(cè)閥門開度擾動試驗，驗證了該自整調(diào)節(jié)策略的可行性。

　　1一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組簡述

　　一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組又稱單抽汽式供熱機組。熱力系統(tǒng)由鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、凝汽器、給水泵、凝水泵等設(shè)備組成[4]。一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機調(diào)節(jié)機構(gòu)包括主蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)和供熱蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)。調(diào)節(jié)方式一般有節(jié)流配汽或噴嘴配汽調(diào)兩種。節(jié)流配汽機組通過一個或一組同步啟閉的調(diào)門調(diào)節(jié)蒸汽流量或壓力，通過高壓調(diào)門調(diào)節(jié)主蒸汽流量，通過中壓調(diào)門和輔助節(jié)流閥維持供熱蒸汽出口點B壓力恒定為熱用戶需求的供熱設(shè)計壓力。噴嘴配汽機組則通過調(diào)節(jié)級(由3個以上順序啟閉的閥門及對應(yīng)噴嘴組組成)調(diào)節(jié)蒸汽流量或壓力，由主汽調(diào)節(jié)級調(diào)節(jié)主汽流量，由供熱調(diào)節(jié)級和輔助節(jié)流閥維持供熱蒸汽出口點B壓力恒定為熱用戶需求的供熱設(shè)計壓力[6]。

　　由于輔助節(jié)流閥的節(jié)流壓損意味著汽輪機內(nèi)高品質(zhì)蒸汽的可用能浪費，因此從經(jīng)濟性考慮，應(yīng)盡可能保持輔助節(jié)流閥常開，僅通過汽輪機本體調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)節(jié)作用。只有當(dāng)供熱調(diào)節(jié)機構(gòu)(中壓調(diào)門或供熱調(diào)節(jié)級)已經(jīng)全開，而抽汽點A壓力仍高于設(shè)計壓力時，再通過輔助節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流降壓，使供熱蒸汽出口點B壓力維持設(shè)計壓力。因此，下文分析過程中，將默認(rèn)輔助節(jié)流閥全開，汽輪機控制系統(tǒng)僅通過主汽調(diào)節(jié)機構(gòu)與供熱調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)熱電負(fù)荷的自整調(diào)節(jié)[7]。

　　2熱電耦合關(guān)系分析

　　分析其熱負(fù)荷Gex和電負(fù)荷N之間的耦合關(guān)系。當(dāng)供熱蒸汽流量Gex為0時，機組可視為純凝發(fā)電機組。忽略小流量的非調(diào)整回?zé)岢槠�，則機組電功率N’與主蒸汽流量G0關(guān)系式為：(1)式中：H0為主蒸汽焓;Hp為汽輪機排汽焓。隨著供熱蒸汽量Gex增大，這部分供熱抽汽將不再驅(qū)動汽輪機轉(zhuǎn)子做功發(fā)電，因此機組電功率隨之減少。減少的電功率△N及此時機組電功率N則可以表示為：(2)(3)式中：Hex為供熱蒸汽焓。將式(1)、(2)代入式(3)即可得到一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組的熱電關(guān)系：(4)由式(4)可知，電功率N與供熱量Gex之間互相影響，存在耦合關(guān)聯(lián)。因此，主蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)或供熱蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)中任意一者的單獨變化都將同時改變熱電負(fù)荷，這一特性即供熱機組的熱電耦合。

　　3自整調(diào)節(jié)策略

　　3.1自整調(diào)節(jié)策略概述

　　通過協(xié)調(diào)控制主蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)、供熱蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)的開度，實現(xiàn)熱電負(fù)荷獨立調(diào)節(jié)、互不影響，這一過程即一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機的“自整調(diào)節(jié)”，在自動控制領(lǐng)域也稱為“熱電解耦”。由于對確定的供熱機組而言，其熱、電負(fù)荷僅由主蒸汽、供熱蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)的開度決定，因此自整調(diào)節(jié)過程的本質(zhì)，即根據(jù)電網(wǎng)和熱用戶的負(fù)荷需求，逆運算出機組調(diào)節(jié)機構(gòu)所需要的開度。本文提出的自整調(diào)節(jié)策略將該過程劃分為以下三步：步驟一：根據(jù)供熱機組熱工況圖，以電功率指令N0和當(dāng)前供熱量Gex為輸入量，計算所需的主蒸汽流量G0和供熱調(diào)節(jié)機構(gòu)通流量G1。步驟二：根據(jù)調(diào)節(jié)機構(gòu)流量曲線，以調(diào)節(jié)機構(gòu)通流量GV、調(diào)節(jié)機構(gòu)前壓力PV0為輸入量，計算主汽和供熱蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)的調(diào)門開度XV。步驟三：建立關(guān)于電功率N和供熱蒸汽抽汽點壓力Pex的負(fù)反饋調(diào)節(jié)機制，根據(jù)機組實時電功率N與電網(wǎng)負(fù)荷指令N0的偏差、供熱蒸汽抽汽點壓力Pex與設(shè)計壓力Pex0的偏差修正電功率指令值N0和供熱量Gex。

　　重復(fù)步驟一、二，得到下一時刻的調(diào)節(jié)機構(gòu)開度X，直至電功率N和供熱蒸汽壓力Pex與目標(biāo)值的偏差在允許范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)過程結(jié)束。根據(jù)以上分析，分別編制與步驟一至步驟三相對應(yīng)的熱工況圖計算程序、調(diào)門開度計算程序、負(fù)反饋調(diào)節(jié)程序，即可構(gòu)建完整的自整調(diào)節(jié)算法。以下將分別對這三個子程序的編制依據(jù)及計算方法加以闡述。

　　3.2熱工況圖計算程序

　　熱工況圖由汽輪機制造廠提供，是供熱機組主汽流量G0，供熱蒸汽流量Gex與電功率N三者關(guān)系的直接體現(xiàn)[2]。一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機熱工況圖，由一組近似平行的等供熱量線和等凝汽量線組成，并包含最大主汽量線、最大電功率線、最大供熱量線、最小供熱量線、最小凝汽量線共5條邊界條件線。工程實踐表明，節(jié)流配汽凝汽式汽輪機的蒸汽流量在設(shè)計值的30%～100%范圍內(nèi)變化時，汽耗量G0與電功率N之間的關(guān)系若用一根直線表示，誤差不超過1%。而噴嘴配汽式汽輪機，由于調(diào)節(jié)級中含有多個按順序開啟的閥門，當(dāng)閥門全開(即處于閥點位狀態(tài))時節(jié)流損失較小，當(dāng)閥門部分開啟(即介于閥點位之間的狀態(tài))時節(jié)流損失較大，因此主汽流量關(guān)于電功率的曲線存在一定的峰谷波動。

　　但30%電功率以上時這種波動較小，同樣可近似為直線處理[2]。根據(jù)以上分析，可近似認(rèn)為：當(dāng)供熱量Gex一定時，機組主汽流量G0與電功率N成線性關(guān)系。且不同供熱量Gex下，主汽流量G0關(guān)于電功率N的曲線有相同的斜率k。則一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組主汽量G0關(guān)于電功率N、供熱量Gex的關(guān)系可用線性函數(shù)表示為：由式(5)計算出主蒸汽流量G0后，根據(jù)G0及供熱蒸汽量Gex，忽略小流量的非調(diào)整回?zé)岢槠�，即可計算供熱蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)通流量G1：(6)3.3調(diào)門開度計算程序調(diào)門開度計算程序作用為：根據(jù)計算得到的主汽調(diào)節(jié)機構(gòu)流量G0和供熱蒸汽調(diào)節(jié)機構(gòu)流量G1，結(jié)合制造廠提供的調(diào)門流量特性曲線，計算這兩個調(diào)節(jié)機構(gòu)所需要的開度。

　　3.4負(fù)反饋調(diào)節(jié)機制

　　通過熱工況圖計算程序和調(diào)門開度計算程序，即可根據(jù)電網(wǎng)和熱用戶的負(fù)荷需求計算調(diào)節(jié)機構(gòu)所需開度。但受熱工況圖準(zhǔn)確性、調(diào)門流量曲線準(zhǔn)確性、編程過程簡化程度、供熱機組運行改造等因素影響，上述過程中存在著一定的系統(tǒng)誤差和偶然誤差，將導(dǎo)致由熱電負(fù)荷計算出的調(diào)門開度指令值與實際所需的調(diào)門開度之間存在偏差。

　　4仿真結(jié)果及分析

　　4.1研究對象簡述

　　本文以國內(nèi)某100MW抽汽凝汽式供熱機組為研究對象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺建立該機組動態(tài)仿真模型及自整調(diào)節(jié)程序，并進(jìn)行熱、電負(fù)荷需求側(cè)擾動試驗。供熱工況下，熱用戶側(cè)通過調(diào)節(jié)供熱閥門X的開度調(diào)節(jié)供熱蒸汽流量。汽輪機控制系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制主蒸汽調(diào)節(jié)級C0、供熱調(diào)節(jié)級C1的開度，在滿足電網(wǎng)負(fù)荷指令的同時，維持供熱蒸汽抽汽點A的壓力恒為4.12MPa。

　　4.2熱負(fù)荷擾動試驗

　　電網(wǎng)負(fù)荷指令值維持100MW不變，手動調(diào)節(jié)熱用戶側(cè)供熱閥門X的開度以模擬熱用戶用汽量的實時變化。監(jiān)測并觀察供熱蒸汽流量、供熱蒸汽抽汽點壓力及機組電功率的動、靜態(tài)響應(yīng)，以考察自整調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果。

　　5結(jié)論

　　1)本文提出了一種適用于一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組的自整調(diào)節(jié)策略。較之于傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方案，該調(diào)節(jié)策略深入體現(xiàn)了具體供熱機組的熱力特性和調(diào)節(jié)機構(gòu)流量特性，因此能夠有效提升調(diào)節(jié)過程準(zhǔn)確性，并縮短調(diào)節(jié)時間。

　　2)仿真試驗表明，當(dāng)一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機組熱負(fù)荷或電網(wǎng)負(fù)荷指令改變時，本文提出的自整調(diào)節(jié)策略能及時響應(yīng)電網(wǎng)與熱用戶側(cè)的需求，并且有良好的動態(tài)、靜態(tài)調(diào)節(jié)效果。

　　3)從工程應(yīng)用角度看，本文提出的自整調(diào)節(jié)策略結(jié)構(gòu)清晰，應(yīng)用成本較低。除供熱蒸汽流量變送器、供熱蒸汽壓力變送器外，無復(fù)雜硬件需求。因此該自整調(diào)節(jié)策略易于在熱電廠推廣應(yīng)用，有進(jìn)一步研究的意義和價值。

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