海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)控制系統(tǒng)

程曉婷

（首鋼京唐公司能環(huán)部，河北唐山063200）

海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)控制系統(tǒng)

程曉婷

（首鋼京唐公司能環(huán)部，河北唐山063200）

熱電聯(lián)產(chǎn)是一種卓有成效的系統(tǒng)節(jié)能手段，能大幅度提高能源綜合利用率。與其他電廠不同，熱電聯(lián)產(chǎn)裝置直接將海水淡化與汽輪機(jī)排汽口相連接，兩者高度相關(guān)。海水淡化利用低品質(zhì)汽輪機(jī)負(fù)壓排汽，極大的降低了海水淡化生產(chǎn)成本。海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行，使企業(yè)能耗降低、效益提高。

海水淡化；熱電聯(lián)產(chǎn);控制

1 前言

在 20世紀(jì)80年代以前，水電聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)淡化水多數(shù)選用多級(jí)閃蒸裝置（MSF）作為海水談化裝置。80年代中期出現(xiàn)了大型低溫多效海水淡化裝置（MED）。該淡化裝置生產(chǎn)淡水的總電耗低于多級(jí)閃蒸裝置，且易實(shí)現(xiàn)大型化、運(yùn)行維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)海水水質(zhì)要求寬松，已成為當(dāng)今國(guó)外大型海水淡化工程建設(shè)的主要模式。

低溫多效海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)即利用發(fā)電廠產(chǎn)生的可利用低品位蒸汽為海水淡化裝置提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)能源高效利用和降低海水淡化成本，因此該技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)后便在世界范圍內(nèi)迅速得到了廣泛的應(yīng)用，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，已經(jīng)成為海水淡化最具發(fā)展前景的技術(shù)之一。國(guó)外大部分海水淡化廠，都是和發(fā)電廠建在一起的，這是當(dāng)前大型海水淡化工程的主要建設(shè)模式，目前，低溫多效海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在科威特、沙特、埃及、美國(guó)、日本、以色列等國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。

我國(guó)是一個(gè)電力資源需求的不斷提高和水資源的相對(duì)貧乏的國(guó)家，根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家海洋局、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布的《海水利用專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》，在未來(lái)2～10年里，我國(guó)將有日產(chǎn)約400萬(wàn)t的海水淡化裝備需求的市場(chǎng)。因此低溫多效海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)作為極具前途海水淡化技術(shù)，在國(guó)外迅猛發(fā)展的同時(shí)在國(guó)內(nèi)也得到了快速發(fā)展。

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司位于河北省唐山市南部渤海灣的曹妃甸工業(yè)區(qū)內(nèi)，廠區(qū)臨海而建，公司配套有2×300 MW自備電廠。面對(duì)沿海相對(duì)匱乏的淡水資源和低參數(shù)蒸汽無(wú)法回收利用的窘境，公司從以色列引進(jìn)低溫多效熱電聯(lián)產(chǎn)海水淡化技術(shù)，建設(shè)一期海水淡化廠規(guī)模為4×12500 t/d，共計(jì)50000 t/d滿足鋼鐵廠的用水需要。第一套低溫多效蒸發(fā)器（MED）于2009年3月22日投產(chǎn)，第二套于2009年5月22日滿負(fù)荷產(chǎn)出合格水。首鋼京唐公司創(chuàng)造性的在其中兩套海水淡化主體裝置蒸汽進(jìn)口前分別配置了中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組，充分利用鋼鐵廠富余燃?xì)鉄仩t產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽在汽輪機(jī)組中發(fā)電做功，進(jìn)而將汽輪機(jī)末端負(fù)壓排汽供給海水淡化裝置制備除鹽水。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量的梯級(jí)利用，不僅大幅度降低了海水淡化的運(yùn)行成本，還產(chǎn)生了額外的發(fā)電效益，更好地實(shí)現(xiàn)了熱、電、水的聯(lián)產(chǎn)。

2 海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

首鋼京唐鋼鐵公司海水淡化裝置日產(chǎn)12500 t淡水，考慮設(shè)備的年運(yùn)行時(shí)間及充分利用低品位蒸汽的需求，具備三種運(yùn)行工況：

（1）純TVC模式：僅使用0.4 MPa，250℃低壓蒸汽。

（2）部分TVC模式：使用0.4 MPa，250℃蒸汽及0.035 MPa，73℃蒸汽。

（3）純MED模式：僅使用0.035 MPa，73℃蒸汽（負(fù)壓蒸汽）。

上述三種運(yùn)行工況利用的蒸汽都屬于低品質(zhì)蒸汽，但從熱力學(xué)的角度考慮，負(fù)壓蒸汽（0.035 MPa，73℃）做功能力最低，價(jià)格也最低。

2010年10月，為解決投產(chǎn)初期廠區(qū)供熱不足問(wèn)題，首鋼京唐鋼鐵公司建成兩臺(tái)中溫中壓（3.82 MPa，450℃）燃?xì)忮仩t，其中壓蒸汽經(jīng)減溫減壓后送入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)供采暖及海水淡化使用，由于減溫減壓過(guò)程存在能量損失，需進(jìn)一步尋求優(yōu)化利用措施。

目前，大型汽輪發(fā)電機(jī)組為追求節(jié)能、高效，凝汽器真空要求很高，一般都維持在－94 kPa以上，由于汽輪機(jī)負(fù)壓排汽的做功能力全部被電能帶走，其價(jià)格為零，但其攜帶了整個(gè)發(fā)電機(jī)組輸入熱量的60%以上。雖然國(guó)內(nèi)外都一致認(rèn)為低品質(zhì)蒸汽可以大幅降低海水淡化成本，但其所指及實(shí)際應(yīng)用的“低品位蒸汽”只是停留在0.3～0.4 MPa，250℃左右這個(gè)參數(shù)等級(jí)，還沒(méi)有出現(xiàn)將海水淡化和熱電聯(lián)合生產(chǎn)，汽輪機(jī)負(fù)壓排汽直供海水淡化的實(shí)際運(yùn)行實(shí)例。

結(jié)合首鋼京唐公司海水淡化現(xiàn)有三種工況，對(duì)蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行了全面優(yōu)化，如果能夠?qū)崿F(xiàn)將中壓蒸汽直接用于汽輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)完電的負(fù)壓排汽再供入海水淡化裝置生產(chǎn)除鹽水這一條最優(yōu)路徑，經(jīng)初步測(cè)算全系統(tǒng)的熱量利用效率可達(dá)82.23%。

因此，研究海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，將汽輪機(jī)負(fù)壓排汽直接用于海水淡化裝置，必然能大幅度降低海水淡化成本，同時(shí)提高全系統(tǒng)的熱量利用效率。

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)組成

海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由蒸汽系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)，海水淡化三個(gè)系統(tǒng)組成，見(jiàn)圖1。首鋼京唐鋼鐵公司共建設(shè)四套海水淡化裝置（U1、U2、U3、U4），單套裝置產(chǎn)水規(guī)模每天12500 t，兩臺(tái)中溫中壓蒸汽(3.82 MPa，450℃)鍋爐，額定蒸發(fā)量130 t/h，兩臺(tái)進(jìn)汽參數(shù)為3.43 MPa，435℃，額定功率為21.1 MW的汽輪發(fā)電機(jī)及相配套的輔助設(shè)備。兩臺(tái)鍋爐、兩臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組、兩臺(tái)低溫多效蒸餾海水淡化裝置(U1、U2)組成海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

其基本流程是：中壓鍋爐利用鋼鐵廠的富裕煤氣爐產(chǎn)生的蒸汽一部分經(jīng)過(guò)鍋爐的減溫減壓器把壓力降2～2.5 MPa，送給煉鋼使用。另外一部分富裕中壓蒸汽，壓力為3.82 MPa送給新建兩套25 MW發(fā)電機(jī)組，作為發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)的動(dòng)力汽源，汽輪機(jī)乏汽直接連接海水淡化的入口，一套汽輪機(jī)對(duì)應(yīng)一套海水淡化主體，乏汽壓力為0.035 MPa；由海水淡化裝置取代汽輪機(jī)的真空泵，同時(shí)汽輪機(jī)乏汽作為熱法海水淡化MED模式下的低低壓汽源，海水淡化產(chǎn)出淡水后送往除鹽水管道，供給公司各個(gè)用戶。汽輪機(jī)的低壓抽汽為0.6 MPa，送入低壓蒸汽管網(wǎng)，可以給另外兩套海水淡化裝置在TVC模式下作為低壓蒸汽使用。發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電經(jīng)10 kV變電站與電網(wǎng)并網(wǎng)后送入電網(wǎng)。

3 海水淡化與熱電聯(lián)產(chǎn)控制系統(tǒng)研究

汽輪發(fā)電機(jī)組采用分布式控制系統(tǒng)（DCS）對(duì)整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控并調(diào)節(jié)，同時(shí)保持與數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）、汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)（ETS）、汽輪機(jī)儀表監(jiān)控系統(tǒng)（TSI）三者的通信，使DCS系統(tǒng)的顯示畫(huà)面時(shí)刻反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。四者的邏輯控制模型見(jiàn)圖2。

圖2 汽輪機(jī)組控制系統(tǒng)模型圖

DEH系統(tǒng)的主要功能包括汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制，自動(dòng)同期控制，負(fù)荷控制，快速減負(fù)荷控制以及機(jī)組甩負(fù)荷及失磁控制等。TSI系統(tǒng)主要用于測(cè)量汽輪機(jī)軸振、瓦振、偏心、轉(zhuǎn)速、位移和差脹等信號(hào)，且位移、振動(dòng)、差脹等信號(hào)均參與汽輪機(jī)跳閘保護(hù)。ETS系統(tǒng)是指汽輪機(jī)跳閘保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行異常，汽輪發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)無(wú)法控制汽輪機(jī)系統(tǒng)在正常范圍內(nèi)時(shí)，為防止損害汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，ETS系統(tǒng)使汽輪發(fā)電機(jī)組跳閘，關(guān)閉所有的汽輪機(jī)進(jìn)汽閥，TSI系統(tǒng)的跳閘保護(hù)信號(hào)需傳入ETS系統(tǒng)后再由ETS發(fā)出跳閘命令。

圖1 熱電機(jī)組聯(lián)產(chǎn)工藝流程

通過(guò)上述的分析，不難看出，汽輪機(jī)危及狀態(tài)下的保護(hù)是由ETS系統(tǒng)執(zhí)行的，而正常狀態(tài)下運(yùn)行調(diào)整則由DEH系統(tǒng)控制，所以，汽輪發(fā)電機(jī)組與海水淡化聯(lián)合控制后，海水淡化的關(guān)鍵信號(hào)必須進(jìn)入DEH系統(tǒng)和ETS系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)組與低溫多效海水淡化裝置的正?？刂萍笆鹿时Ｗo(hù)。根據(jù)整套系統(tǒng)在生產(chǎn)上的先后順序，首先確定了系統(tǒng)正常運(yùn)行及事故狀態(tài)下的邏輯關(guān)系，分見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 正常啟動(dòng)邏輯順序

圖4 事故狀態(tài)邏輯關(guān)系

海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)階段控制系統(tǒng)將海水淡化啟動(dòng)必須具體的一些重要條件如：海水淡化已選擇MED模式；海水淡化補(bǔ)給水流量大于1200 t/h；海水淡化末效真空大于70 kPa；海水淡化第一效濃鹽水溫度低于64℃作為系統(tǒng)啟動(dòng)的先決條件，通過(guò)硬線連接到上位機(jī)，這些信息再與汽輪機(jī)各種控制條件相與，條件全部符合后，才達(dá)到系統(tǒng)聯(lián)合啟動(dòng)條件。

其轉(zhuǎn)速保持階段主要考慮因素為以下四點(diǎn)：

（1）暖機(jī)點(diǎn)轉(zhuǎn)速自動(dòng)保持；

（2）臨界轉(zhuǎn)速區(qū)禁止保持；

（3）沖轉(zhuǎn)過(guò)程中排汽溫度＞74℃；

（4）排汽壓力＞35 kPa。

一旦達(dá)到上述任一條件，汽輪機(jī)將進(jìn)入轉(zhuǎn)速保持階段，一是達(dá)到暖機(jī)的目的，另一個(gè)目的就是防止汽輪機(jī)排汽溫度或排汽壓力繼續(xù)升高。

連鎖停機(jī)控制中將海水淡化側(cè)的任一導(dǎo)致海水淡化停機(jī)的故障（以U1停機(jī)代替）直接接線至汽輪機(jī)ETS跳閘系統(tǒng)，保證汽輪機(jī) 跳閘與海水淡化停機(jī)同步，起到保護(hù)汽輪機(jī)與海水淡化的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外海水淡化裝置用汽全部來(lái)自汽輪發(fā)電機(jī)組抽汽，關(guān)斷抽汽管道閥門(mén)，汽輪發(fā)電機(jī)組和海水淡化裝置都可以單獨(dú)運(yùn)行（如天津北疆電廠），而本套裝置直接將海水淡化與汽輪機(jī)排汽口相連接，兩者高度相關(guān)，海水淡化裝置不僅承擔(dān)除鹽水生產(chǎn)任務(wù)，還肩負(fù)了汽輪機(jī)凝汽器的功能。此外，低溫多效海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)開(kāi)創(chuàng)了海水淡化利用低品質(zhì)汽輪機(jī)負(fù)壓排汽（0.035 MPa，73℃）的先河，該技術(shù)在大幅降低海水淡化生產(chǎn)成本的同時(shí)，形成了熱—電—水三聯(lián)產(chǎn)模式，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，為沿海地區(qū)鋼鐵企業(yè)能源的生產(chǎn)起到示范作用。

海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，汽源采用汽輪機(jī)直接排汽，蒸汽的焓降在汽輪機(jī)中得到充分利用后，直接排入低溫多效蒸餾海水淡化裝置，大大降低了蒸汽的能量品位，從而大幅度降低海水淡化的運(yùn)行成本。海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)成功的應(yīng)用了低品質(zhì)的汽輪機(jī)負(fù)壓排汽，極大的降低了海水淡化生產(chǎn)成本，可為公司創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

[1]首鋼設(shè)計(jì)院.首鋼京唐公司海水淡化工程初步設(shè)計(jì)[Z]，2007，12-59.

[2]周少祥，馬燕南.熱電聯(lián)產(chǎn)低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的節(jié)能分析[J].熱能動(dòng)力工程，1997，12(3)：164-166.

The Control System of Heat and Electricity Cogeneration with Seawater Desalination

Cheng Xiaoting
(Shougang Jingtang United Iron&Steel Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063200,China)

Heat and electricity power cogeneration is an effective systematic means to save energy and can greatly increase the comprehensive utilization rate of energy.Different from other power plants,the cogeneration device directly connects sea water desalination apparatus with the steam turbine exhaust port,to closely correlate the two systems.The sea water desalination system utilizes the low quality steam turbine negative pressure exhaust, highly reducing desalination cost.Operation of desalination cogeneration significantly reduces energy consumption and improves economic performance of enterprises.

seawater desalination;heat and power cogeneration;control

TM612

B

1006－6764（2015）06－0055－04

2015-03-03

程曉婷（1985-），女，2013年畢業(yè)于東北大學(xué)控制工程專(zhuān)業(yè)，電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制工程師，研究生，現(xiàn)從事自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理工作。