基于工業(yè)供熱機組汽源切換的優(yōu)化研究

洪成磊

上海申能電力科技有限公司，上海，200131

0 引言

“十三五”以來,我國低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，取得了前所未有的成績[1]，隨著國家節(jié)能減排政策的推行，各熱力行業(yè)逐步加強了對熱能的梯級利用[2]。采用大型的供熱發(fā)電機組，已成為實現(xiàn)集中供熱的主要解決方案[3]。近年來，我國區(qū)域性工業(yè)熱負(fù)荷的需求不斷增加[4]。某工業(yè)園區(qū)內(nèi)2*350MW超臨界機組參與對外工業(yè)供熱，單機供熱汽源有冷再蒸汽和A3抽汽兩路，其中：當(dāng)機組負(fù)荷升高后，冷再、A3抽汽壓力升高，在相同的供熱參數(shù)下，冷再汽源供熱經(jīng)濟(jì)性降低，A3抽汽壓力達(dá)到供熱需求時，及時切換至A3抽汽供汽，可提高機組供熱經(jīng)濟(jì)性；機組負(fù)荷降低后，A3抽汽壓力降低，無法滿足供熱需求，及時切換至冷再汽源，確保供熱穩(wěn)定性。然而，目前上述兩路供熱汽源無法實現(xiàn)自動切換，如此，一方面增加了運行人員的操作量；另一方面隨著負(fù)荷波動，供熱汽源每天進(jìn)行頻繁切換，增加了運行人員誤操作風(fēng)險[5]。因此，隨著機組負(fù)荷變動，實現(xiàn)冷再蒸汽和A3抽汽對外供熱時的在線自動程控?zé)o擾切換，既可保證工業(yè)負(fù)荷連續(xù)供熱，同時提升機組供熱的安全性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性[6]。

1 工業(yè)供熱基本原則

單臺機組對外供熱汽源有A3抽汽、冷再蒸汽，供熱系統(tǒng)如下圖所示：

圖1中：（1）對于冷再蒸汽供熱管路：Pzr0為冷再蒸汽抽頭后蒸汽壓力，Pzr1為減溫減壓器入口蒸汽壓力，Pzr2為減溫減壓器出口蒸汽壓力。（2）對于A3抽汽供熱管路：P30為主機A3抽汽口后蒸汽壓力，P31為減溫減壓器入口蒸汽壓力，P32為減溫減壓器出口蒸汽壓力。（3）對于供熱蒸汽聯(lián)箱前匯總管路：PAim為供熱蒸汽聯(lián)箱入口蒸汽壓力。

其中：（1）A3抽汽壓力是否能夠滿足對外提供供熱蒸汽的判據(jù)可為：

1）A3抽汽退出供熱：當(dāng)P30小于或等于（PAim+0.01MPa），并延時10s，關(guān)閉A3抽汽液動快關(guān)閥，同時連鎖關(guān)閉A3抽汽電動調(diào)節(jié)閥（即退出自動）、A3抽汽氣動逆止閥；

2）A 3 抽汽可以供熱：當(dāng)P 3 0 大于（PAim+0.1MPa），并延時30s，連鎖開啟A3抽汽液動快關(guān)閥、氣動逆止閥，A3抽汽電動調(diào)節(jié)閥重新投入自動控制。

（2）冷再蒸汽壓力是否能夠滿足對外提供供熱蒸汽的判據(jù)可為：

1）冷再蒸汽退出供熱：當(dāng)Pzr0小于或等于（PAim+0.01MPa），并延時10s，關(guān)閉冷再蒸汽液動快關(guān)閥，同時連鎖關(guān)閉冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥（即退出自動）、冷再蒸汽氣動逆止閥；

2）冷再蒸汽可以供熱：當(dāng)P z r 0 大于（PAim+0.1MPa），并延時30s，連鎖開啟冷再蒸汽液動快關(guān)閥、氣動逆止閥，冷再蒸汽電動調(diào)節(jié)閥重新投入自動控制。

2 兩臺機組供熱切換原則

基于供熱可靠性和經(jīng)濟(jì)性，對于兩臺機組，制定供熱切換原則如下：

通過合理設(shè)置不同機組A3抽汽、冷再蒸汽投入供熱運行的先后順序，實現(xiàn)盡可能利用A3抽汽優(yōu)先供熱，以提高機組供熱的經(jīng)濟(jì)性；

1）指定一臺機組，A3抽汽優(yōu)先供熱；

2）在1)的基礎(chǔ)上，另一臺機組A3抽汽作為補充；

3）在2）的基礎(chǔ)上，1）中指定機組的冷再蒸汽作為補充；

4）在3）的基礎(chǔ)上，另一臺機組的冷再蒸汽作為補充。

注：根據(jù)上述供熱汽源的投用次序，將不同機組的不同汽源用于供熱時蒸汽壓力的目標(biāo)值按照略微差異進(jìn)行設(shè)定且目標(biāo)值各不相同，該目標(biāo)值的差異為基于壓力測點的測量精度范圍內(nèi)的微小值，且各壓力目標(biāo)值間的差異對實際供熱蒸汽聯(lián)箱入口蒸汽壓力PAim的影響完全可以忽略。

例如，指定供熱汽源優(yōu)先次序依次進(jìn)行：1號機組A3抽汽、2號機組A3抽汽、1號機組冷再蒸汽、2號機組冷再蒸汽。具體地，可將兩臺機組的不同供熱汽源的供熱壓力目標(biāo)值（按優(yōu)先次序的相鄰目標(biāo)值之間差值為△）設(shè)定如下：

1）1號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值PAim MPa；

2）2號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值PAim-1*△ MPa；

3）1號機組冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值PAim-2*△ MPa；

4）2號機組冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值PAim-3*△ MPa。

當(dāng)單臺機組遭遇異常情況，導(dǎo)致其汽輪機需要緊急停機時，該機組跳閘后將關(guān)閉A3抽汽液動快關(guān)閥和冷再蒸汽液動快關(guān)閥，同時連鎖關(guān)閉A3抽汽電動調(diào)節(jié)閥（即退出自動）、A3抽汽氣動逆止閥和冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥（即退出自動）、冷再蒸汽氣動逆止閥；隨后，運行機組自動接管部分直至全部供熱蒸汽需求，最終確保工業(yè)供熱穩(wěn)定。

3 優(yōu)化過程

3.1 閥門開關(guān)時間測試

2020年11月，對機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥、冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥25%、50%、75%、100%開度開關(guān)時間進(jìn)行試驗，初步確定了兩路汽源無擾切換的可能性。

表1 閥門全行程開關(guān)試驗數(shù)據(jù)

從上述表格中不難看出，冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥、A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥全開、全關(guān)時間基本為40秒，75%開度時間為30秒，50%開度時間為20秒，25%開度時間為10秒，線性較好，且開關(guān)耗時較短，為后續(xù)進(jìn)行兩路汽源的無擾切換提供了可能性。

3.2 單臺機組兩路汽源無擾切換優(yōu)化

3.2.1 單臺機組由冷再汽源切至A3抽汽汽源供熱

（1）檢查機組在冷再汽源供熱方式下運行正常，供熱參數(shù)滿足要求，冷再供熱電動調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定值1.15MPa（根據(jù)當(dāng)時供熱情況），供熱聯(lián)箱壓力穩(wěn)定；

（2）檢查機組A3抽汽供熱電動隔絕閥全開；

（3）由于機組負(fù)荷滿足A3抽汽供熱條件，檢查A3抽汽供熱液動快關(guān)閥、A3抽汽供熱氣動逆止閥全開；

（4）檢查A3抽汽供熱管道疏水暢通，備用正常；

（5）檢查機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥全關(guān)，將電動調(diào)節(jié)閥投自動，被調(diào)量是供熱母管壓力，壓力設(shè)定1.25MPa；

（6）由于A 3 抽汽電動調(diào)節(jié)閥設(shè)置值為1.25MPa，高于供熱母管壓力（1.15MPa），故A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥自動開大，就地檢查供熱管道無振動現(xiàn)象，隨著供熱母管壓力升高，冷再供熱電動調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定值（1.15MPa）低于供熱母管壓力，冷再供熱電動調(diào)節(jié)閥自動關(guān)小直至關(guān)閉；

（7）最終完全切換為由A3抽汽供工業(yè)用汽，或A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥較大開度供熱；

（8）對切換過程進(jìn)行記錄，并通過分析，進(jìn)一步優(yōu)化切換時間；

（9）檢查機組A3抽汽供工業(yè)用汽正常，供熱母管溫度、壓力、流量滿足要求，機組各參數(shù)均正常。

3.2.2 單臺機組由A3抽汽汽源切至冷再汽源供熱

（1）檢查機組在A3抽汽汽源供熱方式下運行正常，供熱參數(shù)滿足要求，A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定值1.25MPa（根據(jù)當(dāng)時供熱情況）；

（2）檢查機組冷再供熱電動隔絕閥、液動快關(guān)閥、氣動逆止閥全開，冷再供熱電動調(diào)節(jié)閥全關(guān)；

（3）檢查冷再供熱管道疏水暢通，備用正常；

（4）將冷再供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值臨時調(diào)高至1.28MPa，高于供熱母管壓力（1.25MPa），故冷再供熱電動調(diào)節(jié)閥自動開大，就地檢查供熱管道無振動現(xiàn)象，隨著供熱母管壓力升高，A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定值（1.25MPa）低于供熱母管壓力，A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥自動關(guān)小直至關(guān)閉；

（5）機組降負(fù)荷過程中，A3抽汽壓力降低，當(dāng)A3抽汽壓力－供熱母管壓力≤0.01MPa時，延時10s，關(guān)閉A3抽汽液動快關(guān)閥，同時連鎖關(guān)閉A3抽汽電動調(diào)節(jié)閥、A3抽汽氣動逆止閥；

（6）最終完全切換為由冷再供工業(yè)用汽；

（7）對切換過程進(jìn)行記錄，并通過分析，進(jìn)一步優(yōu)化切換時間；

（8）檢查機組冷再供工業(yè)用汽正常，供熱母管溫度、壓力、流量滿足要求，機組各參數(shù)均正常。

3.2.2 現(xiàn)場試驗調(diào)試情況

2021年4月，對2號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥、冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)節(jié)閥門開、關(guān)時間，同時對A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥、冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值進(jìn)行偏差設(shè)置，冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值為1.15MPa，A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值為1.25MPa。將A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥上限設(shè)定為80%，使得A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥與冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥具有一定的重疊度，可提前開啟冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥。解除機組AGC，負(fù)荷在220MW～290MW之間，按機組最大升、降負(fù)荷速率8.5MW/min快速升、降機組負(fù)荷，以驗證兩路汽源切換的穩(wěn)定性。

經(jīng)過變負(fù)荷優(yōu)化，模擬機組可接受的最極端工況考驗：A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥、冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)情況較好，能夠滿足機組快速升、降負(fù)荷過程中兩路汽源自動無擾切換功能。2021年7月，按上述方法對1號機組進(jìn)行汽源在線無擾切換優(yōu)化，同樣取得了較好的優(yōu)化效果。

3.3 兩臺機組供熱汽源無擾切換優(yōu)化

2021年7月，機組負(fù)荷235MW～320MW，1號機組A3抽汽對外供熱，A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值1.21MPa，1號機組冷再蒸汽作為備用，冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值1.18MPa，2號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥、冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥手動關(guān)閉，供熱聯(lián)箱壓力1.18MPa。

將2號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥投入自動，設(shè)定值1.21MPa，1號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值由1.21MPa修改為1.15MPa。

當(dāng)2號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥投入自動后，由于其設(shè)定值為1.21MPa，故默認(rèn)此時對外供熱由2號機組A3抽汽提供，2號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥逐漸自動開啟，而1號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥由于設(shè)定值修改為1.15MPa，故調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)小，此時1號機組冷再蒸汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值仍為1.18MPa，作為對外工業(yè)供熱的備用汽源。整個自動切換過程中，1號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥緩慢關(guān)閉，2號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥緩慢開啟，閥后壓力緩慢升高，直至對外工業(yè)供熱由1號機組A3抽汽切換到2號機組A3抽汽。在此期間，供熱聯(lián)箱壓力、工業(yè)供熱流量均滿足供熱需求。

4 總結(jié)

通過單臺機組汽源在線無擾切換優(yōu)化，在運行人員未進(jìn)行干預(yù)的前提下，隨著機組負(fù)荷變動，實現(xiàn)冷再蒸汽和A3抽汽對外供熱時的在線自動程控?zé)o擾切換，供熱聯(lián)箱壓力可滿足機組供熱需求，既保證工業(yè)負(fù)荷連續(xù)供熱，同時提升機組供熱的安全性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性。兩臺機組汽源切換過程中，通過對1號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥、2號機組A3抽汽供熱電動調(diào)節(jié)閥設(shè)定值進(jìn)行偏差設(shè)置，可以實現(xiàn)對外工業(yè)供熱由1號機組切換到2號機組的目的，壓力波動范圍可滿足對外供熱需求，更為主要的是為后續(xù)供熱量增加，兩臺機組A3抽汽同時對外供熱積累經(jīng)驗。