一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機(jī)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(jī)組運(yùn)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(jī)組運(yùn)行特性的自整調(diào)節(jié)策略。以國(guó)內(nèi)某抽汽凝汽式100MW供熱機(jī)組為研究對(duì)象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺(tái)開發(fā)仿真機(jī)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(dòng)試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)表明：所提出的自整調(diào)節(jié)策略能使供熱機(jī)組及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷指令及熱用戶的供熱需求，且動(dòng)、靜態(tài)調(diào)節(jié)效果良好，具有進(jìn)一步研究的意義和價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：供熱機(jī)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(jī)組運(yùn)行中存在復(fù)雜的熱電耦合關(guān)系，給自整調(diào)節(jié)帶來(lái)困難[1]。隨著近年來(lái)供熱機(jī)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(jī)構(gòu)油動(dòng)機(jī)頻繁動(dòng)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(jī)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(jī)組的自整調(diào)節(jié)策略。以國(guó)內(nèi)某抽汽凝汽式100MW供熱機(jī)組為研究對(duì)象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺(tái)開發(fā)仿真機(jī)組，編制自整調(diào)節(jié)程序并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。通過電網(wǎng)負(fù)荷指令擾動(dòng)、熱用戶側(cè)閥門開度擾動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)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(jī)組簡(jiǎn)述

　　一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機(jī)組又稱單抽汽式供熱機(jī)組。熱力系統(tǒng)由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、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(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括主蒸汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和供熱蒸汽調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)組通過一個(gè)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(diǎn)B壓力恒定為熱用戶需求的供熱設(shè)計(jì)壓力。噴嘴配汽機(jī)組則通過調(diào)節(jié)級(jí)(由3個(gè)以上順序啟閉的閥門及對(duì)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(jí)調(diào)節(jié)主汽流量，由供熱調(diào)節(jié)級(jí)和輔助節(jié)流閥維持供熱蒸汽出口點(diǎn)B壓力恒定為熱用戶需求的供熱設(shè)計(jì)壓力[6]。

　　由于輔助節(jié)流閥的節(jié)流壓損意味著汽輪機(jī)內(nèi)高品質(zhì)蒸汽的可用能浪費(fèi)，因此從經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)盡可能保持輔助節(jié)流閥常開，僅通過汽輪機(jī)本體調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用。只有當(dāng)供熱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(中壓調(diào)門或供熱調(diào)節(jié)級(jí))已經(jīng)全開，而抽汽點(diǎn)A壓力仍高于設(shè)計(jì)壓力時(shí)，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(diǎn)B壓力維持設(shè)計(jì)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(jī)控制系統(tǒng)僅通過主汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與供熱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)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(shí)，機(jī)組可視為純凝發(fā)電機(jī)組。忽略小流量的非調(diào)整回?zé)岢槠�，則機(jī)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(jī)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(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子做功發(fā)電，因此機(jī)組電功率隨之減少。減少的電功率△N及此時(shí)機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)或供熱蒸汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中任意一者的單獨(dú)變化都將同時(shí)改變熱電負(fù)荷，這一特性即供熱機(jī)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(jī)構(gòu)、供熱蒸汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的開度，實(shí)現(xiàn)熱電負(fù)荷獨(dú)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(jī)的“自整調(diào)節(jié)”，在自動(dòng)控制領(lǐng)域也稱為“熱電解耦”。由于對(duì)確定的供熱機(jī)組而言，其熱、電負(fù)荷僅由主蒸汽、供熱蒸汽調(diào)節(jié)機(jī)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(yùn)算出機(jī)組調(diào)節(jié)機(jī)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(jī)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(jì)算所需的主蒸汽流量G0和供熱調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通流量G1。步驟二：根據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)流量曲線，以調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通流量GV、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)前壓力PV0為輸入量，計(jì)算主汽和供熱蒸汽調(diào)節(jié)機(jī)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(diǎn)壓力Pex的負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，根據(jù)機(jī)組實(shí)時(shí)電功率N與電網(wǎng)負(fù)荷指令N0的偏差、供熱蒸汽抽汽點(diǎn)壓力Pex與設(shè)計(jì)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(shí)刻的調(diào)節(jié)機(jī)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(duì)應(yīng)的熱工況圖計(jì)算程序、調(diào)門開度計(jì)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(duì)這三個(gè)子程序的編制依據(jù)及計(jì)算方法加以闡述。

　　3.2熱工況圖計(jì)算程序

　　熱工況圖由汽輪機(jī)制造廠提供，是供熱機(jī)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(jī)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(shí)踐表明，節(jié)流配汽凝汽式汽輪機(jī)的蒸汽流量在設(shè)計(jì)值的30%～100%范圍內(nèi)變化時(shí)，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(jī)，由于調(diào)節(jié)級(jí)中含有多個(gè)按順序開啟的閥門，當(dāng)閥門全開(即處于閥點(diǎn)位狀態(tài))時(shí)節(jié)流損失較小，當(dāng)閥門部分開啟(即介于閥點(diǎn)位之間的狀態(tài))時(shí)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(dòng)。

　　但30%電功率以上時(shí)這種波動(dòng)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(shí)，機(jī)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(jī)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(jì)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�?jì)算供熱蒸汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通流量G1：(6)3.3調(diào)門開度計(jì)算程序調(diào)門開度計(jì)算程序作用為：根據(jù)計(jì)算得到的主汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)流量G0和供熱蒸汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)流量G1，結(jié)合制造廠提供的調(diào)門流量特性曲線，計(jì)算這兩個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所需要的開度。

　　3.4負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制

　　通過熱工況圖計(jì)算程序和調(diào)門開度計(jì)算程序，即可根據(jù)電網(wǎng)和熱用戶的負(fù)荷需求計(jì)算調(diào)節(jié)機(jī)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(jiǎn)化程度、供熱機(jī)組運(yùn)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(jì)算出的調(diào)門開度指令值與實(shí)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(duì)象簡(jiǎn)述

　　本文以國(guó)內(nèi)某100MW抽汽凝汽式供熱機(jī)組為研究對(duì)象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺(tái)建立該機(jī)組動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)。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(jī)控制系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制主蒸汽調(diào)節(jié)級(jí)C0、供熱調(diào)節(jié)級(jí)C1的開度，在滿足電網(wǎng)負(fù)荷指令的同時(shí)，維持供熱蒸汽抽汽點(diǎn)A的壓力恒為4.12MPa。

　　4.2熱負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)

　　電網(wǎng)負(fù)荷指令值維持100MW不變，手動(dòng)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(shí)時(shí)變化。監(jiān)測(cè)并觀察供熱蒸汽流量、供熱蒸汽抽汽點(diǎn)壓力及機(jī)組電功率的動(dòng)、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(jī)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(jī)組的熱力特性和調(diào)節(jié)機(jī)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(shí)間。

　　2)仿真試驗(yàn)表明，當(dāng)一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱機(jī)組熱負(fù)荷或電網(wǎng)負(fù)荷指令改變時(shí)，本文提出的自整調(diào)節(jié)策略能及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)與熱用戶側(cè)的需求，并且有良好的動(dòng)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(wú)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(jià)值。

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