基于能量守衡的汽汽換熱器系統(tǒng)控制策略研究

胡宇航， 羅廷坤， 朱 策， 易秉恒， 柯一鴻

(1. 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福州 350007；2. 國能(泉州)熱電有限公司，福建泉州 362804)

目前，國內(nèi)許多火力發(fā)電機(jī)組都擔(dān)負(fù)著工業(yè)蒸汽熱負(fù)荷的生產(chǎn)任務(wù)，根據(jù)工業(yè)用戶對(duì)工業(yè)蒸汽熱負(fù)荷參數(shù)要求的不同，供工業(yè)蒸汽的方案也不盡相同。純凝發(fā)電機(jī)組供熱改造的技術(shù)方案主要有3種[1]：(1)將汽輪機(jī)進(jìn)行通流改造，按供熱機(jī)組的結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)[2-3]；(2)保持汽輪機(jī)的通流結(jié)構(gòu)，利用富余的回?zé)嵴羝M(jìn)行供熱[4-5]；(3)在主蒸汽管道、再熱冷段、再熱熱段或中壓排汽管道上開孔抽汽[6-7]。對(duì)于壓力高于4.0 MPa，且溫度高于400 ℃的高參數(shù)蒸汽供熱方案，由于溫度和壓力都比較高，所以無法直接從常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組中找到合適的抽汽點(diǎn)，一般只能采用更高參數(shù)的蒸汽(如主蒸汽)進(jìn)行減溫減壓供熱，往往造成了“高能低用”，降低了能源的利用效率。

為解決上述問題，某熱電廠1號(hào)機(jī)組創(chuàng)新性地采用汽汽換熱器系統(tǒng)，利用中壓供熱蒸汽加熱高壓供熱蒸汽，重新分配能量，使兩者均能滿足供熱需求，實(shí)現(xiàn)了供熱蒸汽能量的梯級(jí)利用。而在采用了汽汽換熱器系統(tǒng)后，高壓供熱蒸汽和中壓供熱蒸汽的參數(shù)自動(dòng)控制是一個(gè)重要技術(shù)問題。

筆者基于能量守衡，設(shè)計(jì)了1種汽汽換熱器系統(tǒng)自動(dòng)控制策略，以實(shí)現(xiàn)供熱蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定控制。

1 機(jī)組概況

該熱電廠1號(hào)機(jī)組采用亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛、四角切圓燃燒的燃煤汽包爐。汽輪機(jī)為300 MW亞臨界、中間再熱式、高中壓合缸、雙缸雙排汽、單軸、凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)為N300-16.67/538/538。原高壓供熱由主蒸汽減溫減壓后與一抽蒸汽在混溫聯(lián)箱中混合，以滿足熱用戶供熱壓力和溫度的需求，然后由聯(lián)箱供出；同時(shí)，機(jī)組可從再熱熱段抽取蒸汽經(jīng)減壓減溫器后供往中壓供熱聯(lián)箱。

由于采用了主蒸汽減溫減壓的供熱方法，供熱蒸汽品位較高，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性較差，其供電煤耗仍然偏高，有必要進(jìn)行優(yōu)化改造，進(jìn)一步降低機(jī)組供電煤耗。

2 改造方案

汽汽換熱器是汽汽換熱技術(shù)的新型設(shè)備，它利用中壓供熱汽源(熱源)加熱高壓供熱汽源(冷源)，以提高冷源溫度，降低汽輪機(jī)熱耗。汽汽換熱器為管殼式換熱器，以管子作為傳熱面，熱源進(jìn)入換熱器殼內(nèi)，在管子外面，冷源在管內(nèi)。殼側(cè)熱源冷卻放熱，熱量通過傳熱面金屬管壁傳遞給管內(nèi)冷源，從而提高管內(nèi)的冷源溫度。

改造后的供熱方案見圖1。

圖1 改造后供熱示意圖

改造后機(jī)組從一抽處抽出滿足熱用戶流量和壓力的蒸汽，經(jīng)過再熱熱段抽汽加熱后，供高壓熱用戶，再熱熱段抽汽冷卻后供給中壓熱用戶。高壓供熱蒸汽額定參數(shù)為4.0 MPa、430 ℃，設(shè)計(jì)最大供熱質(zhì)量流量為165 t/h；中壓供熱蒸汽額定參數(shù)為2.5 MPa、320 ℃，設(shè)計(jì)最大供熱質(zhì)量流量為100 t/h。

3 主要控制設(shè)備

3.1 高壓蒸汽速關(guān)閥

高壓蒸汽速關(guān)閥位于汽汽換熱器冷側(cè)進(jìn)口管道上，具有快關(guān)功能，正常運(yùn)行時(shí)保持全開。當(dāng)汽輪機(jī)跳閘或者發(fā)電機(jī)解列時(shí)，觸發(fā)切除供熱信號(hào)，高壓蒸汽速關(guān)閥會(huì)迅速關(guān)閉，切斷蒸汽通道，防止蒸汽倒流引起汽輪機(jī)超速。

3.2 高壓蒸汽減壓閥

高壓蒸汽減壓閥位于高壓蒸汽速關(guān)閥后，汽汽換熱器冷側(cè)進(jìn)口管道上，具有減壓作用，同時(shí)具備調(diào)節(jié)流量的功能。供熱系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由高壓蒸汽減壓閥控制高壓供熱蒸汽流量。該熱電廠一、二期4臺(tái)機(jī)組均具備供熱能力，建立供熱首站系統(tǒng)，一、二期供熱系統(tǒng)連通。在新供熱系統(tǒng)投運(yùn)過程中最大供熱量和最小供熱量2種工況下，汽汽換熱器出口高壓蒸汽壓力波動(dòng)在±0.2 MPa。故在供熱系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，可以由高壓蒸汽減壓閥控制高壓供熱蒸汽流量。

3.3 中壓蒸汽減壓閥

中壓蒸汽減壓閥位于汽汽換熱器熱側(cè)進(jìn)口管道上，其功能與高壓蒸汽減壓閥類似，正常運(yùn)行時(shí)由中壓蒸汽減壓閥控制中壓供熱蒸汽流量。

3.4 中壓蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥

中壓蒸汽減溫水調(diào)節(jié)閥位于汽汽換熱器熱側(cè)出口管道上，控制中壓供熱蒸汽溫度，使其與中壓供熱聯(lián)箱蒸汽溫度接近。

4 控制策略

4.1 協(xié)同控制

通過汽汽換熱器對(duì)外同時(shí)進(jìn)行高壓供熱和中壓供熱需要調(diào)節(jié)匹配的因素較多，其中高壓供熱蒸汽管道無減溫器，故改造后對(duì)外供熱時(shí)，應(yīng)保障高壓供熱蒸汽與中壓供熱蒸汽的流量匹配關(guān)系，控制汽汽換熱器后高壓供熱蒸汽溫度在額定溫度(430 ℃)以下，最高不得高于450 ℃。經(jīng)調(diào)試確定流量匹配關(guān)系后，以穩(wěn)定的流量匹配進(jìn)行協(xié)同操作。汽汽換熱器熱側(cè)不可單側(cè)投運(yùn)。汽汽換熱器冷側(cè)單側(cè)投運(yùn)，高壓供熱蒸汽進(jìn)汽溫度為360 ℃，無法滿足高壓供熱溫度要求。汽汽換熱器熱側(cè)單側(cè)投運(yùn)，則中壓供熱蒸汽未經(jīng)減溫，不能滿足中壓供熱溫度要求。

故汽汽換熱器設(shè)計(jì)2種供熱模式：(1)中壓供熱蒸汽流量跟隨高壓供熱蒸汽流量(簡稱模式1)；(2)高壓供熱蒸汽流量跟隨中壓供熱蒸汽流量(簡稱模式2)。

當(dāng)運(yùn)行人員選擇模式1時(shí)，高壓蒸汽減壓閥控制高壓供熱蒸汽流量，采用單回路比例積分控制器(PI)控制。中壓蒸汽減壓閥控制高壓供熱蒸汽溫度(汽汽換熱器后)，采用串級(jí)PI控制。主調(diào)設(shè)定值為高壓供熱蒸汽溫度(汽汽換熱器后)。主調(diào)輸出值與中壓供熱蒸汽理論需求量疊加生成副調(diào)設(shè)定值，副調(diào)過程值為中壓供熱蒸汽流量。

當(dāng)運(yùn)行人員選擇模式2時(shí)，中壓蒸汽減壓閥控制中壓供熱蒸汽流量，采用單回路PI控制。高壓蒸汽減壓閥控制高壓供熱蒸汽溫度(汽汽換熱器后)，采用串級(jí)PI控制。主調(diào)設(shè)定值為高壓供熱蒸汽溫度(汽汽換熱器后)。主調(diào)輸出值與高壓供熱蒸汽理論需求量疊加生成副調(diào)設(shè)定值，副調(diào)過程值為高壓供熱蒸汽流量。

模式1中的中壓供熱蒸汽理論需求量及模式2中的高壓供熱蒸汽理論需求量根據(jù)能量守恒原理求得。

4.2 能量守衡

在理想情況下，管殼式換熱器中向周圍空間散發(fā)的熱量很少，可以忽略不計(jì)，根據(jù)熱量守恒原理，熱流體(中壓供熱蒸汽)通過金屬管壁將熱量傳遞給冷流體(高壓供熱蒸汽)，部分能量成為管壁的金屬蓄熱。當(dāng)供熱蒸汽流量穩(wěn)定時(shí)，兩股蒸汽焓值的變化過程可表示為：

qm,z(hz,in-hz,out)K=qm,g(hg,out-hg,in)

(1)

式中：qm,z為中壓供熱蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；hz,in、hz,out分別為汽汽換熱器進(jìn)、出口中壓供熱蒸汽比焓, kJ/kg；qm,g為高壓供熱蒸汽質(zhì)量流量，kg/h；hg,in、hg,out分別為汽汽換熱器進(jìn)、出口高壓供熱蒸汽比焓，kJ/kg；K為傳熱效率。

根據(jù)汽汽換熱器廠家提供的技術(shù)說明，基于高壓供熱蒸汽進(jìn)口壓力 5.203 MPa、溫度365 ℃，以及中壓供熱蒸汽進(jìn)口壓力2.392 MPa、溫度 538 ℃不變的情況，高壓供熱蒸汽出口溫度為 450 ℃、中壓供熱蒸汽出口溫度為 375 ℃。蒸汽流量匹配數(shù)據(jù)見表1。

表1 汽汽換熱器蒸汽流量匹配數(shù)據(jù)

根據(jù)表1，結(jié)合水和水蒸氣性質(zhì)表可求得傳熱效率K=0.963。

由于機(jī)組功率根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度要求頻繁地改變，汽汽換熱器進(jìn)口高、中壓供熱蒸汽參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生較大改變，這就要求所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不僅在設(shè)計(jì)工況下能保持良好的性能，而且在其他工況下也能滿足供熱系統(tǒng)的性能要求，保證供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

將基于能量守衡原理求得的中壓供熱蒸汽理論需求量和高壓供熱蒸汽理論需求量引入串級(jí)PI的副調(diào)設(shè)定值回路，可適應(yīng)不同負(fù)荷的變化，并起到超前調(diào)節(jié)的作用，增強(qiáng)系統(tǒng)的快速響應(yīng)性。

中壓供熱蒸汽理論需求量計(jì)算公式為：

(2)

式中：qm,zsp為中壓供熱蒸汽理論需求質(zhì)量流量，kg/h；hg,outsp為汽汽換熱器出口高壓供熱蒸汽比焓設(shè)定值，kJ/kg。

高壓供熱蒸汽理論需求量計(jì)算公式為：

(3)

式中：qm,gsp為高壓供熱蒸汽理論需求質(zhì)量流量，kg/h。

其中，hz,in、hz,out、hg,in由分散控制系統(tǒng)(DCS)中比焓計(jì)算功能塊HSPT根據(jù)汽汽換熱器前后供熱蒸汽壓力和溫度求得，hg,outsp由DCS中比焓計(jì)算功能塊HSPT根據(jù)汽汽換熱器后高壓供熱蒸汽壓力和溫度設(shè)定值求得。

基于能量守恒的高壓蒸汽減壓閥及中壓蒸汽減壓閥控制回路見圖2和圖3。

圖2 高壓蒸汽減壓閥控制回路示意圖

圖3 中壓蒸汽減壓閥控制回路示意圖

4.3 閉鎖條件

高壓供熱蒸汽設(shè)計(jì)最大質(zhì)量流量為165 t/h，當(dāng)高壓供熱蒸汽流量達(dá)到最大流量時(shí)，閉鎖高壓蒸汽減壓閥增指令，若處于模式2，同時(shí)閉鎖中壓供熱蒸汽流量設(shè)定值增指令。同理，中壓供熱蒸汽設(shè)計(jì)最大質(zhì)量流量為100 t/h，當(dāng)中壓供熱蒸汽流量達(dá)到最大流量時(shí)，閉鎖中壓蒸汽減壓閥增指令，若處于模式1，同時(shí)閉鎖高壓供熱蒸汽流量設(shè)定值增指令。

當(dāng)高壓供熱聯(lián)箱壓力超出高限值或低限值時(shí)，閉鎖增或閉鎖減高壓蒸汽減壓閥。當(dāng)中壓供熱聯(lián)箱壓力超出高限值或低限值時(shí)，閉鎖增或閉鎖減中壓蒸汽減壓閥。

5 控制效果

2020年1月21日供熱系統(tǒng)自動(dòng)控制投入使用，并進(jìn)行了擾動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)前機(jī)組功率為240 MW,試驗(yàn)結(jié)果見圖4～圖7。

由圖4、圖5可以看出：在模式1下高壓供熱質(zhì)量流量設(shè)定值以每分鐘10 t/h的速率變化從97 t/h上升至127 t/h，穩(wěn)定一段時(shí)間后高壓供熱質(zhì)量流量設(shè)定值以每分鐘10 t/h的變化速率下降至87 t/h；其間，高壓供熱蒸汽溫度(汽汽換熱器后)與設(shè)定值最大偏差為3.5 K，中壓供熱蒸汽溫度(汽汽換熱器后)波動(dòng)范圍為-1.1～+2.2 K。

圖4 模式1下高壓供熱控制效果

圖5 模式1下中壓供熱控制效果

由圖6、圖7可以看出：在模式2下中壓供熱蒸汽質(zhì)量流量設(shè)定值以每分鐘10 t/h的變化速率從27 t/h上升至47 t/h，穩(wěn)定一段時(shí)間后以同樣的變化速率從47 t/h下降至27 t/h；其間，高壓供熱蒸汽溫度(汽汽換熱器后)與設(shè)定值最大偏差為2.98 K。

圖6 模式2下中壓供熱控制效果

圖7 模式2下高壓供熱控制效果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，供熱系統(tǒng)投入自動(dòng)后，供熱負(fù)荷在升降過程中，高壓供熱蒸汽流量與中壓供熱蒸汽流量協(xié)同控制良好。無論是在模式1或者模式2下，汽汽換熱器出口的高壓供熱蒸汽溫度及中壓供熱蒸汽溫度均能控制在較小的波動(dòng)范圍內(nèi)，供熱蒸汽參數(shù)穩(wěn)定。

6 結(jié)語

通過對(duì)采用汽汽換熱器的供熱系統(tǒng)的擾動(dòng)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，提出的基于能量守衡的協(xié)同控制方法能夠較好地控制高、中壓供熱蒸汽參數(shù)，供熱系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，對(duì)采用同類型的供熱改造方案的機(jī)組具有良好的參考價(jià)值和推廣意義。

該熱電廠計(jì)劃對(duì)供熱首站進(jìn)行控制升級(jí)，通過智能控制算法對(duì)全廠熱電負(fù)荷進(jìn)行最優(yōu)分配，提高全廠的經(jīng)濟(jì)性，各臺(tái)機(jī)組接收供熱首站的供熱負(fù)荷指令，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度。