太古長輸供熱管線緊急停車控制策略優(yōu)化

原 峰 申鵬飛

(太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西 太原 030001)

0 引言

古交興能電廠至太原市長距離輸送供熱管線，因熱源興能電廠與太原市區(qū)高差達(dá)240 m，若采用電廠至熱力站的直接供熱方式，下游管網(wǎng)承壓太高。因此采用建設(shè)中繼能源站(也稱隔壓換熱站)的間接供熱方式運(yùn)行。電廠至中繼能源站的高溫網(wǎng)系統(tǒng)全長37.8 km，高差180 m，為閉式環(huán)路且無旁路分支。在電廠內(nèi)通過前置凝汽器和尖峰加熱器將乏汽及抽汽熱量輸出至長輸管線，高溫水由電廠輸送至中繼能源站，在中繼能源站經(jīng)換熱器實(shí)現(xiàn)高

溫網(wǎng)與一級網(wǎng)換熱后，低溫水循環(huán)回興能電廠。包含兩個系統(tǒng)，因兩系統(tǒng)參數(shù)相同且相互獨(dú)立，故只對單個系統(tǒng)進(jìn)行討論(見圖1)。

系統(tǒng)設(shè)置有熱源興能電廠、三座中繼泵站、一座中繼能源站，實(shí)現(xiàn)六級泵組串聯(lián)，每級泵組包含四臺中繼泵，采用變頻調(diào)速。在二號、三號中繼泵站之間有15.2 km的供熱專用隧道。

1 當(dāng)前緊急停車控制策略存在的問題

1.1 供熱回水管道隧道段許用最高溫度

系統(tǒng)設(shè)計供/回水最高溫度為130 ℃/50 ℃，運(yùn)行溫度為130 ℃/30 ℃。供熱隧道內(nèi)管道架空敷設(shè)，根據(jù)工藝要求，隧道內(nèi)架空回水管不允許50 ℃以上的水通過。隧道市區(qū)側(cè)出口至中繼能源站之間管線采用直埋敷設(shè)，供回水施工均為預(yù)熱安裝，回水設(shè)計溫度同供水，因此允許高溫水通過。

1.2 高溫水循環(huán)至回水管的工況及緊急停車策略

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，中繼能源站換熱器兩側(cè)，即高溫網(wǎng)側(cè)和一級網(wǎng)側(cè)流量關(guān)系為1∶1，通過該流量匹配關(guān)系，可保證正常換熱后高溫網(wǎng)回水溫度不高于50 ℃。

但以下三種故障工況，會造成中繼能源站換熱器兩側(cè)流量不匹配，或高溫網(wǎng)側(cè)供水不經(jīng)過換熱器直接從旁路循環(huán)，進(jìn)而間接或直接導(dǎo)致超過50 ℃的高溫水循環(huán)至回水管。

1)中繼能源站一級網(wǎng)側(cè)循環(huán)泵組故障停車。

2)一級網(wǎng)爆管導(dǎo)致管網(wǎng)迅速失壓，為避免一級網(wǎng)側(cè)循環(huán)泵汽蝕，對泵緊急執(zhí)行降頻或停車。

3)中繼能源站高溫網(wǎng)側(cè)循環(huán)泵組故障停車。為避免系統(tǒng)急停工況下水擊對供熱設(shè)備造成破壞，中繼能源站設(shè)置有整體旁通管及止回閥，此時高溫供水會通過整體旁通直接循環(huán)到回水管道。

前兩種工況共同點(diǎn)是，一級網(wǎng)流量瞬間降至很低。此時高溫網(wǎng)仍在大流量循環(huán)，因換熱器兩側(cè)流量不匹配，導(dǎo)致高溫網(wǎng)側(cè)的高溫供水在進(jìn)入換熱器時只能輸出少量熱能，因此在經(jīng)過換熱器后溫度降低很少甚至不明顯降低，溫度較高的水便會進(jìn)入回水管道。

根據(jù)原先的控制策略，在以上三種故障工況下，為避免高溫水循環(huán)至供熱隧道，對高溫網(wǎng)系統(tǒng)執(zhí)行3 min緊急停車，即泵組由50 Hz在3 min內(nèi)勻速降頻并停車。

1.3 避免高溫水循環(huán)至回水管隧道段的工藝措施

為避免上述三種工況下已進(jìn)入回水管道的高溫水循環(huán)至隧道段，在三號泵站設(shè)置有DN350供回水聯(lián)通管及閥門，系統(tǒng)正常運(yùn)行時閥門關(guān)閉。上文所述故障工況下，按照控制策略系統(tǒng)緊急停車，待所有泵組處于停機(jī)狀態(tài)后，關(guān)閉供熱隧道最靠近三號泵站側(cè)的6號回水閥門，待故障排查恢復(fù)后，開啟設(shè)置于三號泵站的DN350供回水聯(lián)通閥門，啟動一級網(wǎng)側(cè)及高溫網(wǎng)側(cè)循環(huán)泵各一臺，通過控制兩側(cè)流量關(guān)系，將中繼能源站與三號泵站之間的回水管道中的高溫水沿DN350供回水聯(lián)通管→三號泵站與中繼能源站之間供水管→能源站板式換熱器進(jìn)行循環(huán)，經(jīng)換熱器換熱后使水溫下降至50 ℃以下，直到三號泵站至中繼能源站所有回水置換完成(見圖2)。

1.4 當(dāng)前控制策略存在的問題

當(dāng)前緊急停車時間為3 min，停車過程中流速和加速度見圖3。停車時電廠需緊急退汽側(cè)，電廠退汽側(cè)的閥門全開時間為3 min 40 s，此外需考慮工作人員反應(yīng)、操作等附加時間。若流量下降太快，而電廠未能及時退汽側(cè)，則有可能造成發(fā)電機(jī)組跳機(jī)，導(dǎo)致事件擴(kuò)大。因此有必要控制流量下降速度。上述控制策略所暴露問題如下：

1)系統(tǒng)停車過程中，水流加速度存在突變，存在對系統(tǒng)設(shè)備造成沖擊的可能。

2)系統(tǒng)緊急降頻停車時間過短，有可能導(dǎo)致電廠機(jī)組跳機(jī)，同時水擊波也可能對系統(tǒng)設(shè)備造成沖擊[1,2]。

2 緊急停車控制策略優(yōu)化

針對當(dāng)前控制策略存在的問題，分別對系統(tǒng)停車速度曲線和系統(tǒng)停車時間周期進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 系統(tǒng)緊急停車流速曲線優(yōu)化

為減小系統(tǒng)停車過程中對系統(tǒng)設(shè)備的沖擊，需對系統(tǒng)停車流速曲線優(yōu)化。

一般來說，若速度函數(shù)的n階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，n越大，則速度變化越平穩(wěn)。常用的啟動及停車曲線如下[3]。

1)矩形加速度曲線，其速度和加速度表達(dá)式為：

v(t)=at,(0≤t≤T)

(1)

a(t)=a

(2)

如圖3所示，在0和T兩個時間點(diǎn)，其加速度曲線不連續(xù)，存在突變。即系統(tǒng)停車開始執(zhí)行時，加速度由0突變至a0，系統(tǒng)停車結(jié)束時，其加速度由a0突變至0，該突變可能產(chǎn)生水擊波。

2)梯形加速度曲線，其加速度表達(dá)式為：

(3)

其中，t1=T-t2。

如圖4所示，在0～t1的時間段內(nèi)，加速度由0逐漸變化至am，在t1～t2范圍內(nèi)加速度為恒值，t2～T時間段，加速度由am逐漸變化至0，在t1和t2的兩個時間點(diǎn)加速度均存在折點(diǎn)，加速度曲線雖然連續(xù)，但其導(dǎo)數(shù)不連續(xù)。

考慮以上兩種停車速度曲線存在的問題，在此引入正弦加速度曲線，即Harrison速度曲線，其速度和加速度表達(dá)式為：

(4)

(5)

其中，T為系統(tǒng)停車周期，s；v0為初始流速，m/s。

曲線見圖5，其特點(diǎn)為整個過程加速度始終沒有突變，且其二階導(dǎo)數(shù)連續(xù)，系統(tǒng)停車流速變化更平穩(wěn)，可有效減小水擊波。

2.2 系統(tǒng)緊急停車許用時間優(yōu)化

在系統(tǒng)緊急停車時，為避免流量下降太快導(dǎo)致電廠發(fā)電機(jī)組跳機(jī)，同時減小水擊波，在保證已進(jìn)入回水管道中的高溫水不能循環(huán)至隧道段的前提下，應(yīng)盡量延長停車時間。考慮到已循環(huán)至回水管中的高溫水最終可通過前文所述工藝措施置換處理，因此應(yīng)急處理過程中保證高溫水未循環(huán)至供回水聯(lián)通所在位置即可。因此有必要計算系統(tǒng)停車時間允許最長時間。在前文所述故障工況下，考慮值班人員確認(rèn)及操作時間需2 min。

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中繼能源站與上述DN350供回水聯(lián)通管之間回水管線距離L=1 336 m?；厮鞴芙孛婷娣e為1.495 m2。

應(yīng)急降頻停車過程，需保證高溫回水循環(huán)距離不能超過1 336 m，流速遵循正弦加速度曲線(見圖6)。

有：

(6)

(7)

將式(7)代入式(6)，有：

(8)

(9)

經(jīng)計算得出系統(tǒng)流量與許用應(yīng)急停車時間的關(guān)系，見表1。

由表1可見，當(dāng)系統(tǒng)流量為設(shè)計最大流量即15 000 m3/h時，可將緊急停車時間設(shè)定為12 min，加上運(yùn)行值班人員確認(rèn)及操作時間2 min，共14 min，遠(yuǎn)大于電廠切換空冷島時間，基本可保證系統(tǒng)安全停運(yùn)。

表1 系統(tǒng)應(yīng)急停車許用時間與流量

當(dāng)系統(tǒng)流量小于10 000 m3/h時，允許的緊急勻速停車時間大于20 min，給電廠以更加充足的時間退汽側(cè)。

自控系統(tǒng)中應(yīng)急降頻時間可按函數(shù)(9)設(shè)定。

3 結(jié)語

1)依據(jù)系統(tǒng)參數(shù)及運(yùn)行經(jīng)驗，針對三種特定故障工況，為防止高溫水循環(huán)至回水管供熱隧道段造成重大物理性破壞，同時避免電廠發(fā)電機(jī)組跳機(jī)及較大水擊波，對高溫網(wǎng)許用應(yīng)急停車時間分析計算，得出允許最長停車時間具體數(shù)據(jù)，為自控數(shù)據(jù)設(shè)置提供了依據(jù)。在通訊正常的前提下，基本可保證系統(tǒng)安全停運(yùn)，既避免損壞隧道設(shè)備，又可避免電廠發(fā)電機(jī)組跳機(jī)，且減小了水擊波。2)對于間接供熱系統(tǒng)，在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮運(yùn)行最不利工況，以及系統(tǒng)快速恢復(fù)應(yīng)急措施。3)系統(tǒng)緊急停車過程管網(wǎng)流速與時間關(guān)系采用Harrison正弦加速度曲線對設(shè)備影響較小。4)對于 系統(tǒng)緊急停車時間應(yīng)充分進(jìn)行研究，以最大程度減小水擊。