2×300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組靈活性供熱控制策略研發(fā)

劉 鑄，宋建成，馬素霞，劉嘉樂，趙 明，任 彪

(1.太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024；2.山西國錦煤電有限公司，山西交城 030500)

在我國北方地區(qū)，保障供熱一直是重大的民生工程[1]。隨著人們生活水平的不斷提高，冬季供熱負(fù)荷需求量也在持續(xù)增長，這對熱電廠的供熱能力提出了更高的要求。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是冬季供熱期的主要熱源，其采用抽汽供熱方式工作，存在熱電出力剛性耦合現(xiàn)象[2-4]。在大力發(fā)展新能源的背景下，為促進(jìn)新能源消納，熱電廠電負(fù)荷減小，導(dǎo)致熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱出力不足，尤其在冬季深度調(diào)峰期，更難以保障機(jī)組供熱質(zhì)量[5-6]。通過對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行熱電解耦技術(shù)改造[7]，可削弱新能源消納對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱的影響。

目前，常規(guī)的熱電解耦方式包括安裝儲熱罐儲熱、配置電鍋爐、高中壓缸旁路供熱、低壓缸零出力供熱等[8]。儲熱罐儲熱可以有效削弱供熱機(jī)組熱電耦合程度，對原有系統(tǒng)的影響較小，但安裝儲熱罐投資成本高，占地面積大[9-10]。電鍋爐供熱技術(shù)的熱電解耦程度最高，但將高品質(zhì)的能源轉(zhuǎn)換為低品質(zhì)的熱能，一次能源利用率低，經(jīng)濟(jì)性差[11-12]。高中壓缸旁路供熱和低壓缸零出力供熱均在原有供熱工況的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，投資成本低，能夠在一定程度上提升機(jī)組熱電比，實(shí)現(xiàn)熱電解耦，但對設(shè)備運(yùn)行可靠性提出了較高的要求[13-14]。

盡管上述方式均是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱電解耦的有效方法，但單一解耦方式仍存在供熱出力不足、調(diào)節(jié)靈活性低和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差的問題。筆者以滿足供熱負(fù)荷需求并獲得最高發(fā)電效率為目標(biāo)，基于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組冬季全供熱工況，研究了其靈活性供熱技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在滿足熱負(fù)荷條件下的發(fā)電量最大化。

1 機(jī)組配置及供熱模式設(shè)計

該熱電廠配置了2×300 MW亞臨界直接空冷抽汽凝汽式供熱機(jī)組。其中，單臺機(jī)組熱力系統(tǒng)基本流程見圖1?；?zé)岢槠到y(tǒng)為“三高三低一除氧”型，高、低壓加熱器正常疏水均采用逐級自流方式。

1-主蒸汽調(diào)節(jié)閥；2-高旁減壓閥；3-中壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥；4-采暖抽汽快關(guān)調(diào)節(jié)閥；5-熱網(wǎng)凝汽器進(jìn)汽電動閥；6-低旁減壓閥。圖1 單臺機(jī)組熱力系統(tǒng)基本流程圖Fig.1 Basic flow chart of the thermal system for single unit

雙機(jī)聯(lián)合供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。2臺機(jī)組均可在高背壓、抽汽和低壓缸空載3種模式下實(shí)現(xiàn)供熱，考慮到未來供熱增容的需求，2號機(jī)組還可通過改造實(shí)現(xiàn)高低旁路聯(lián)合供熱(見模塊21)。除此之外，2號機(jī)組還配置了電鍋爐，以加熱部分循環(huán)水來實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，但其僅在低壓缸空載供熱或高低旁路聯(lián)合供熱時配套使用。

圖2 雙機(jī)聯(lián)合供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the heating system for dual cogeneration units

為了提升雙機(jī)聯(lián)合供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈活性，基于2臺機(jī)組的不同配置，并考慮各供熱模式供熱特性的不同，依據(jù)機(jī)組在全供熱周期內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行習(xí)慣，設(shè)計了6種靈活性供熱模式，見表1。

表1 靈活性供熱模式Tab.1 Flexible heating modes

供熱模式A中，1號和2號機(jī)組均采用高背壓模式供熱，即利用低壓缸排汽供熱。該模式適用于供熱負(fù)荷需求較低的供熱期。在該模式下，1號和2號機(jī)組對應(yīng)閥門狀態(tài)相同，即閥1、閥3和閥5開啟，閥2、閥4和閥6關(guān)閉。

供熱模式B中，1號和2號機(jī)組均采用抽汽高背壓模式供熱，在供熱模式A的基礎(chǔ)上1號和2號機(jī)組增加了抽汽供熱，通過調(diào)節(jié)閥4開度來調(diào)整抽汽供熱量，以滿足不斷增加的供熱負(fù)荷需求。

供熱模式C和D中，1臺機(jī)組采用空載供熱，另1臺機(jī)組采用抽汽高背壓供熱。低壓缸空載供熱是通過降低機(jī)組運(yùn)行背壓，以減小低壓缸進(jìn)汽量的下限，使采暖抽汽量最大化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組供熱能力的提升。相比于供熱模式B，空載供熱時機(jī)組關(guān)閉閥5并增大閥4開度，僅保留少部分蒸汽進(jìn)入低壓缸，用于冷卻低壓缸轉(zhuǎn)子，其余中壓缸排汽全部用于供熱。相比于供熱模式C，供熱模式D還開啟了2號機(jī)組上的電鍋爐，用于部分一次網(wǎng)回水加熱，進(jìn)一步增加機(jī)組的電調(diào)峰深度。

供熱模式E中，1號和2號機(jī)組空載供熱。相較于供熱模式D，其增大1號機(jī)組閥4開度并關(guān)閉閥5，使1號機(jī)組低壓缸空載運(yùn)行，雙機(jī)熱網(wǎng)凝汽器均被安全切除，進(jìn)一步擴(kuò)大了供熱能力。

供熱模式F中，1號機(jī)組空載供熱+2號機(jī)組高低旁路供熱，在供熱模式E的基礎(chǔ)上，其增加鍋爐出力，開啟2號機(jī)組閥2和閥6，部分主蒸汽流經(jīng)2號機(jī)組高低壓旁路直接用于供熱，最大限度發(fā)揮了機(jī)組的供熱潛力，可滿足擴(kuò)容后嚴(yán)寒期機(jī)組高峰供熱負(fù)荷需求。

2 供熱參數(shù)計算

2.1 蒸汽質(zhì)量流量

蒸汽質(zhì)量流量是體現(xiàn)供熱蒸汽屬性的重要參數(shù)之一，因其特殊的物理屬性，直接傳感器測量誤差較大，無法滿足后續(xù)靈活控制的需要。為此，采用在線計算的方法間接獲得蒸汽質(zhì)量流量。利用精確的蒸汽溫度和壓力數(shù)據(jù)，基于加熱器熱平衡原理逐級計算出各級回?zé)岢槠|(zhì)量流量，再根據(jù)質(zhì)量平衡原理可實(shí)時獲得供熱系統(tǒng)內(nèi)各處的蒸汽質(zhì)量流量。回?zé)岢槠|(zhì)量流量qm為：

(1)

式中：qm,re為實(shí)時循環(huán)水質(zhì)量流量；h()為物質(zhì)的焓；p0和T0分別為加熱器進(jìn)汽口壓力和溫度；p2和T2分別為加熱器疏水進(jìn)口壓力和溫度；T1為回?zé)岢槠杷疁囟?；T3為加熱器疏水出口溫度；η為加熱器效率。

2.2 實(shí)時最大供熱量

基于熱力平衡圖，采用熱力系統(tǒng)變工況計算方法，將當(dāng)前鍋爐負(fù)荷和不同供熱模式下的運(yùn)行背壓作為邊界條件，以保證低壓缸的安全進(jìn)汽量為前提，離線計算出不同鍋爐負(fù)荷下各供熱模式的最大采暖蒸汽量[15]，即離線最大供熱量。以供熱模式B為例，不同主蒸汽質(zhì)量流量下的離線最大供熱量計算結(jié)果見表2。

表2 采用供熱模式B時不同主蒸汽質(zhì)量流量下的離線最大供熱量Tab.2 Off-line maximum heat supply at different main steam mass flow rates under heating mode B

將1號和2號機(jī)組主蒸汽質(zhì)量流量代入式(2)，可實(shí)時計算出全廠不同供熱模式下的實(shí)時最大供熱量Qmax，其中下標(biāo)A～F表示對應(yīng)的供熱模式。此外，供熱模式A利用乏汽余熱供熱，影響其實(shí)時最大供熱量的主要因素是熱網(wǎng)回水質(zhì)量流量、溫度以及采暖乏汽冷凝溫度TS。

(2)

式中：qm,c為熱網(wǎng)回水質(zhì)量流量；Tc為熱網(wǎng)回水溫度；qm,1為1號機(jī)組主蒸汽質(zhì)量流量；qm,2為2號機(jī)組主蒸汽質(zhì)量流量。

2.3 供熱負(fù)荷

準(zhǔn)確計算供熱負(fù)荷是全廠實(shí)現(xiàn)靈活性供熱控制的基礎(chǔ)。一方面，要計算熱網(wǎng)調(diào)度所需的供熱負(fù)荷需求Qset；另一方面，還要計算電廠實(shí)時供熱負(fù)荷Qreal。

供熱負(fù)荷需求是根據(jù)熱力公司調(diào)度熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度Tset和質(zhì)量流量qm,set計算得到的，具體公式如下：

(3)

式中：psup為熱網(wǎng)循環(huán)水供水壓力；pret為熱網(wǎng)循環(huán)水回水壓力；Tret為熱網(wǎng)循環(huán)水回水溫度。

實(shí)時供熱負(fù)荷是根據(jù)實(shí)時循環(huán)水質(zhì)量流量qm,re和供水溫度Tsup計算得到的，具體公式如下：

(4)

3 靈活性供熱控制策略

3.1 靈活性供熱控制流程

靈活性供熱控制流程見圖3。首先，在線計算出2臺機(jī)組的供熱蒸汽質(zhì)量流量，然后預(yù)測出6種供熱模式下的實(shí)時最大供熱量，將實(shí)時最大供熱量與供熱負(fù)荷需求進(jìn)行比較。如果供熱模式不滿足供熱負(fù)荷需求，則將該供熱模式排除；如果供熱模式滿足供熱負(fù)荷需求，則按照發(fā)電能力最高為原則，確定出最優(yōu)供熱模式。根據(jù)閥門狀態(tài)確定當(dāng)前供熱系統(tǒng)所處供熱模式，并將當(dāng)前供熱模式和最優(yōu)供熱模式進(jìn)行比較，如果兩者是同一供熱模式，則進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化操作；如果不同，則進(jìn)行模式切換操作。

圖3 靈活性供熱控制流程Fig.3 Flexible heating control process

3.2 模式切換控制策略

模式切換控制策略可保證供熱系統(tǒng)一直處于最優(yōu)供熱模式。當(dāng)熱電廠當(dāng)前所處供熱模式不是最優(yōu)供熱模式時，則需要對供熱模式進(jìn)行調(diào)整，由當(dāng)前供熱模式切換至最優(yōu)供熱模式。筆者基于國電智深EDPF-NT+分散控制系統(tǒng)設(shè)計了順序控制模式切換控制策略，具體順序控制邏輯見圖4。當(dāng)順序控制啟動條件滿足時，操作員下發(fā)PK命令啟動步序主控算法SM(SEQMASTER)，步序設(shè)備算法SD(SEQDEVICE)接收到SM步啟動指令后，給設(shè)備下發(fā)啟動指令。設(shè)備完成反饋信號延時發(fā)送給SD，表示該步序執(zhí)行完成。按順序依次執(zhí)行剩余步序，直至所有步序執(zhí)行完成。按下復(fù)位按鈕，可隨時終止順序控制步序操作并恢復(fù)初始狀態(tài)。順序控制可根據(jù)操作員下發(fā)的PK命令，實(shí)現(xiàn)手動控制與自動控制的切換。

圖4 順序控制邏輯Fig.4 Sequence control logic

3.3 參數(shù)優(yōu)化控制策略

參數(shù)優(yōu)化控制策略可保證最優(yōu)供熱模式下運(yùn)行參數(shù)處于最佳狀態(tài)。當(dāng)最優(yōu)供熱模式與當(dāng)前供熱模式一致時，則根據(jù)實(shí)時循環(huán)供水溫度與熱力公司調(diào)度溫度的關(guān)系進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。由于供熱特性不同，各供熱模式選取的優(yōu)化參數(shù)也不同。供熱模式A～供熱模式D通過調(diào)節(jié)閥5的開度和空冷風(fēng)機(jī)的頻率可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)背壓最優(yōu)化。設(shè)汽輪機(jī)背壓的優(yōu)化量為Δpc，其為正值時需增加對應(yīng)背壓量，為負(fù)值時需減小相應(yīng)背壓量。

h(pc+Δpc)=qm,D,re×

(5)

式中：qm,D,re為熱網(wǎng)回水質(zhì)量流量；pc為當(dāng)前機(jī)組背壓；qm,D,Lin為低壓缸進(jìn)汽質(zhì)量流量。

供熱模式B～供熱模式F是通過調(diào)節(jié)閥4的開度實(shí)現(xiàn)抽汽質(zhì)量流量最優(yōu)化，設(shè)Δqm,D,ext為抽汽質(zhì)量流量的優(yōu)化量，其計算公式如下：

(6)

式中：pmain為供熱母管蒸汽壓力；Tmain為供熱母管蒸汽溫度；ph為熱網(wǎng)疏水泵出口母管壓力；Th為熱網(wǎng)疏水泵出口母管溫度。

參數(shù)優(yōu)化控制策略流程見圖5。首先，判斷當(dāng)前供熱模式是否為最優(yōu)供熱模式，如果當(dāng)前供熱模式是最優(yōu)供熱模式，則進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，否則不優(yōu)化。然后，根據(jù)當(dāng)前所處供熱模式計算優(yōu)化參數(shù)。當(dāng)熱力公司調(diào)度熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度Tset與實(shí)時循環(huán)供水溫度Tsup差值的絕對值大于2 K時，則優(yōu)化標(biāo)志位置1，啟動參數(shù)優(yōu)化，調(diào)節(jié)對應(yīng)閥門開度，直至上述絕對值小于0.5 K且優(yōu)化標(biāo)志位置1時，將優(yōu)化標(biāo)志值清零，停止參數(shù)優(yōu)化。

圖5 參數(shù)優(yōu)化控制流程Fig.5 Parameter optimization control process

4 控制策略工程試驗(yàn)及效果分析

為了驗(yàn)證靈活性供熱控制策略是否能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在山西某亞臨界2×300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組上進(jìn)行工程試驗(yàn)，并檢驗(yàn)控制策略的有效性。

4.1 工程試驗(yàn)

試驗(yàn)時假設(shè)鍋爐負(fù)荷一定，并以1號機(jī)組主蒸汽質(zhì)量流量為720 t/h、2號機(jī)組主蒸汽質(zhì)量流量為765 t/h為例進(jìn)行模式切換控制策略的工程試驗(yàn)，結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，隨著環(huán)境溫度的不斷降低，全廠供熱負(fù)荷需求不斷增加，靈活性供熱控制系統(tǒng)根據(jù)各供熱模式實(shí)時最大供熱量的不同，將當(dāng)前供熱模式依次自動從供熱模式A切換至F，保證全廠可以適應(yīng)不同環(huán)境溫度下供熱負(fù)荷需求的變化。在此基礎(chǔ)上，機(jī)組一直在發(fā)電量最優(yōu)的供熱模式下運(yùn)行。此外，在2號機(jī)組未開啟電鍋爐時，供熱模式C與供熱模式D的實(shí)時最大供熱量相同。

圖6 供熱負(fù)荷的變化曲線Fig.6 Variation of the heating load

表3給出了供熱模式C下機(jī)組參數(shù)優(yōu)化前后的發(fā)電量結(jié)果。從表3可以看出，參數(shù)優(yōu)化后1號機(jī)組發(fā)電量由184.2 MW降至180.2 MW，2號機(jī)組發(fā)電量由210.5 MW升至220.1 MW。通過參數(shù)優(yōu)化，雖然2臺機(jī)組發(fā)電量一升一降，但全廠總發(fā)電量提升了5.5 MW。

表3 供熱模式C下參數(shù)優(yōu)化前后的發(fā)電量Tab.3 Power generation results before and after parameter optimization under heating mode C MW

4.2 效果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于鍋爐負(fù)荷和環(huán)境溫度，靈活性供熱控制策略能夠準(zhǔn)確可靠地判斷出最優(yōu)供熱模式，并根據(jù)當(dāng)前所處供熱模式與最優(yōu)供熱模式的關(guān)系，利用自動順控切換或參數(shù)優(yōu)化的方式，使全廠始終在最優(yōu)供熱模式和供熱參數(shù)下運(yùn)行，在保障供熱的基礎(chǔ)上發(fā)電量提升明顯。

試驗(yàn)結(jié)果中發(fā)電量的提升首先得益于各供熱模式之間彼此互補(bǔ)，能有效彌補(bǔ)單一供熱模式存在的缺陷，解決深度調(diào)峰期機(jī)組供熱出力不足的問題。其次，能夠根據(jù)實(shí)際供熱負(fù)荷需求實(shí)時切換供熱模式，有效提升機(jī)組供熱的靈活性，且在最優(yōu)供熱模式下，可通過參數(shù)優(yōu)化來保證全廠經(jīng)濟(jì)收益最大化。

5 結(jié) 論

(1)靈活性供熱控制策略保證了全廠能夠適應(yīng)不同環(huán)境溫度下供熱負(fù)荷需求的變化，并確保了機(jī)組始終在發(fā)電量最優(yōu)的供熱模式下運(yùn)行。利用各供熱模式的優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)了冬季熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱電解耦，有效提升了機(jī)組運(yùn)行的靈活性。

(2)供熱模式切換控制策略采用模式自動順序切換的方式，實(shí)現(xiàn)了由當(dāng)前供熱模式向最優(yōu)供熱模式安全可靠地過渡，保障了雙機(jī)聯(lián)合供熱系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(3)在供熱模式C下，通過參數(shù)優(yōu)化全廠發(fā)電量提升了5.5 MW，經(jīng)濟(jì)收益明顯提升。