一次調節抽汽式供熱機組的自整調節策略

　　摘要：為了解決一次調節抽汽式供熱機組運行過程中熱電耦合、自整調節困難的問題，提出了以熱工況圖為核心、基于供熱機組運行特性的自整調節策略。以國內某抽汽凝汽式100MW供熱機組為研究對象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺開發仿真機組模型，建立自整調節算法，并進行熱、電負荷需求側擾動試驗。仿真試驗表明：所提出的自整調節策略能使供熱機組及時響應電網負荷指令及熱用戶的供熱需求，且動、靜態調節效果良好，具有進一步研究的意義和價值。

　　關鍵詞：供熱機組熱電耦合自整調節

　　0引言

　　一次調節抽汽式供熱機組運行中存在復雜的熱電耦合關系，給自整調節帶來困難[1]。隨著近年來供熱機組向大容量、高參數、中間再熱等方向發展，傳統解耦方式已難以滿足熱、電負荷的響應需求。不良的控制算法使得調門執行機構油動機頻繁動作，磨損漏油，進一步惡化調節效果[2]。在此背景下，研究并優化抽汽凝汽式供熱機組的自整調節策略有著重要意義。本文提出了一種適用于一次調節抽汽式供熱機組的自整調節策略。以國內某抽汽凝汽式100MW供熱機組為研究對象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺開發仿真機組，編制自整調節程序并進行仿真試驗。通過電網負荷指令擾動、熱用戶側閥門開度擾動試驗，驗證了該自整調節策略的可行性。

　　1一次調節抽汽式供熱機組簡述

　　一次調節抽汽式供熱機組又稱單抽汽式供熱機組。熱力系統由鍋爐、汽輪機、發電機、高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、凝汽器、給水泵、凝水泵等設備組成[4]。一次調節抽汽式汽輪機調節機構包括主蒸汽調節機構和供熱蒸汽調節機構。調節方式一般有節流配汽或噴嘴配汽調兩種。節流配汽機組通過一個或一組同步啟閉的調門調節蒸汽流量或壓力，通過高壓調門調節主蒸汽流量，通過中壓調門和輔助節流閥維持供熱蒸汽出口點B壓力恒定為熱用戶需求的供熱設計壓力。噴嘴配汽機組則通過調節級(由3個以上順序啟閉的閥門及對應噴嘴組組成)調節蒸汽流量或壓力，由主汽調節級調節主汽流量，由供熱調節級和輔助節流閥維持供熱蒸汽出口點B壓力恒定為熱用戶需求的供熱設計壓力[6]。

　　由于輔助節流閥的節流壓損意味著汽輪機內高品質蒸汽的可用能浪費，因此從經濟性考慮，應盡可能保持輔助節流閥常開，僅通過汽輪機本體調節機構的調節作用。只有當供熱調節機構(中壓調門或供熱調節級)已經全開，而抽汽點A壓力仍高于設計壓力時，再通過輔助節流閥進行節流降壓，使供熱蒸汽出口點B壓力維持設計壓力。因此，下文分析過程中，將默認輔助節流閥全開，汽輪機控制系統僅通過主汽調節機構與供熱調節機構實現熱電負荷的自整調節[7]。

　　2熱電耦合關系分析

　　分析其熱負荷Gex和電負荷N之間的耦合關系。當供熱蒸汽流量Gex為0時，機組可視為純凝發電機組。忽略小流量的非調整回熱抽汽，則機組電功率N’與主蒸汽流量G0關系式為：(1)式中：H0為主蒸汽焓;Hp為汽輪機排汽焓。隨著供熱蒸汽量Gex增大，這部分供熱抽汽將不再驅動汽輪機轉子做功發電，因此機組電功率隨之減少。減少的電功率△N及此時機組電功率N則可以表示為：(2)(3)式中：Hex為供熱蒸汽焓。將式(1)、(2)代入式(3)即可得到一次調節抽汽式供熱機組的熱電關系：(4)由式(4)可知，電功率N與供熱量Gex之間互相影響，存在耦合關聯。因此，主蒸汽調節機構或供熱蒸汽調節機構中任意一者的單獨變化都將同時改變熱電負荷，這一特性即供熱機組的熱電耦合。

　　3自整調節策略

　　3.1自整調節策略概述

　　通過協調控制主蒸汽調節機構、供熱蒸汽調節機構的開度，實現熱電負荷獨立調節、互不影響，這一過程即一次調節抽汽式汽輪機的“自整調節”，在自動控制領域也稱為“熱電解耦”。由于對確定的供熱機組而言，其熱、電負荷僅由主蒸汽、供熱蒸汽調節機構的開度決定，因此自整調節過程的本質，即根據電網和熱用戶的負荷需求，逆運算出機組調節機構所需要的開度。本文提出的自整調節策略將該過程劃分為以下三步：步驟一：根據供熱機組熱工況圖，以電功率指令N0和當前供熱量Gex為輸入量，計算所需的主蒸汽流量G0和供熱調節機構通流量G1。步驟二：根據調節機構流量曲線，以調節機構通流量GV、調節機構前壓力PV0為輸入量，計算主汽和供熱蒸汽調節機構的調門開度XV。步驟三：建立關于電功率N和供熱蒸汽抽汽點壓力Pex的負反饋調節機制，根據機組實時電功率N與電網負荷指令N0的偏差、供熱蒸汽抽汽點壓力Pex與設計壓力Pex0的偏差修正電功率指令值N0和供熱量Gex。

　　重復步驟一、二，得到下一時刻的調節機構開度X，直至電功率N和供熱蒸汽壓力Pex與目標值的偏差在允許范圍內，調節過程結束。根據以上分析，分別編制與步驟一至步驟三相對應的熱工況圖計算程序、調門開度計算程序、負反饋調節程序，即可構建完整的自整調節算法。以下將分別對這三個子程序的編制依據及計算方法加以闡述。

　　3.2熱工況圖計算程序

　　熱工況圖由汽輪機制造廠提供，是供熱機組主汽流量G0，供熱蒸汽流量Gex與電功率N三者關系的直接體現[2]。一次調節抽汽式汽輪機熱工況圖，由一組近似平行的等供熱量線和等凝汽量線組成，并包含最大主汽量線、最大電功率線、最大供熱量線、最小供熱量線、最小凝汽量線共5條邊界條件線。工程實踐表明，節流配汽凝汽式汽輪機的蒸汽流量在設計值的30%～100%范圍內變化時，汽耗量G0與電功率N之間的關系若用一根直線表示，誤差不超過1%。而噴嘴配汽式汽輪機，由于調節級中含有多個按順序開啟的閥門，當閥門全開(即處于閥點位狀態)時節流損失較小，當閥門部分開啟(即介于閥點位之間的狀態)時節流損失較大，因此主汽流量關于電功率的曲線存在一定的峰谷波動。

　　但30%電功率以上時這種波動較小，同樣可近似為直線處理[2]。根據以上分析，可近似認為：當供熱量Gex一定時，機組主汽流量G0與電功率N成線性關系。且不同供熱量Gex下，主汽流量G0關于電功率N的曲線有相同的斜率k。則一次調節抽汽式供熱機組主汽量G0關于電功率N、供熱量Gex的關系可用線性函數表示為：由式(5)計算出主蒸汽流量G0后，根據G0及供熱蒸汽量Gex，忽略小流量的非調整回熱抽汽，即可計算供熱蒸汽調節機構通流量G1：(6)3.3調門開度計算程序調門開度計算程序作用為：根據計算得到的主汽調節機構流量G0和供熱蒸汽調節機構流量G1，結合制造廠提供的調門流量特性曲線，計算這兩個調節機構所需要的開度。

　　3.4負反饋調節機制

　　通過熱工況圖計算程序和調門開度計算程序，即可根據電網和熱用戶的負荷需求計算調節機構所需開度。但受熱工況圖準確性、調門流量曲線準確性、編程過程簡化程度、供熱機組運行改造等因素影響，上述過程中存在著一定的系統誤差和偶然誤差，將導致由熱電負荷計算出的調門開度指令值與實際所需的調門開度之間存在偏差。

　　4仿真結果及分析

　　4.1研究對象簡述

　　本文以國內某100MW抽汽凝汽式供熱機組為研究對象，基于LabVIEW圖形化軟件平臺建立該機組動態仿真模型及自整調節程序，并進行熱、電負荷需求側擾動試驗。供熱工況下，熱用戶側通過調節供熱閥門X的開度調節供熱蒸汽流量。汽輪機控制系統通過協調控制主蒸汽調節級C0、供熱調節級C1的開度，在滿足電網負荷指令的同時，維持供熱蒸汽抽汽點A的壓力恒為4.12MPa。

　　4.2熱負荷擾動試驗

　　電網負荷指令值維持100MW不變，手動調節熱用戶側供熱閥門X的開度以模擬熱用戶用汽量的實時變化。監測并觀察供熱蒸汽流量、供熱蒸汽抽汽點壓力及機組電功率的動、靜態響應，以考察自整調節系統的調節效果。

　　5結論

　　1)本文提出了一種適用于一次調節抽汽式供熱機組的自整調節策略。較之于傳統調節方案，該調節策略深入體現了具體供熱機組的熱力特性和調節機構流量特性，因此能夠有效提升調節過程準確性，并縮短調節時間。

　　2)仿真試驗表明，當一次調節抽汽式供熱機組熱負荷或電網負荷指令改變時，本文提出的自整調節策略能及時響應電網與熱用戶側的需求，并且有良好的動態、靜態調節效果。

　　3)從工程應用角度看，本文提出的自整調節策略結構清晰，應用成本較低。除供熱蒸汽流量變送器、供熱蒸汽壓力變送器外，無復雜硬件需求。因此該自整調節策略易于在熱電廠推廣應用，有進一步研究的意義和價值。

　　參考文獻

　　[1]康艷兵,張建國,張揚.我國熱電聯產集中供熱的發展現狀、問題與建議[J].中國能源,2008,(10):8­13.

　　[2]康松,楊建明,胥建群.汽輪機原理[M].北京:中國電力出版社,2008.

　　[3]李寧,李崇祥,戴義平.一次調節抽汽透平數字電液控制系統的設計及特性研究[J].汽輪機技術,1997,(4):23­28.

　　[4]冷偉,房德山,徐治皋.火電機組仿真技術的應用與發展[J].電力系統自動化,1999,(23):7­10+14.

　　相關論文投稿刊物：《汽輪機技術》為專業技術性刊物。內容涉及汽輪機的實驗研究、加工工藝、材料應用、安裝調試、維護運行、設備改造等方面。讀者對象為發電設備科研及工程技術人員、相關專業大專院校師生等，也可供力學、材料、能源等專業科研人員參考。

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