供热抽汽旁路实验分析与控制策略设计

邵戊辰 谢国峰 吴秀峰 任杰 赵俊杰

【摘 要】蒙西某电厂#1、#2汽轮机为哈尔滨汽轮机生产的ZKC287/N330-16.7/538/538型亚临界蒸汽参数、一次中间再热、直接空冷、双缸双排气、单轴、供热凝汽式机组，在额定采暖抽汽工况下，汽轮机保证能抽出550t/h蒸汽。供热抽汽母管内径1600mm，热网供热压力通过中压缸至低压缸连通管上供热抽汽蝶阀控制。供热抽汽蝶阀采用液压油进行开关动作，要保证正常工况下供热及非供热两个工况下的供热蝶阀的动作合理以及异常情况下的热网供热安全及机组安全。热泵驱动蒸汽母管内径800mm，驱动蒸汽压力采用带中停的电动蝶阀进行控制，保证热泵驱动蒸汽压力的稳定。

【关键词】供热抽汽旁路;实验;控制策略

0前言

蒙西某电厂供热抽汽管道和驱动蒸汽管道均无旁路系统，当抽汽蝶阀和电动蝶阀出现故障时，会造成热网供水温度无法正常调节，进而影响城市热网供热安全。供热抽汽蝶阀采用液压油進行，阀门惯性较大，阀门动作迅速，经常出现过开和过关现象，无法进行自动运行，热网供水温度调节困难。目前热网供热抽汽和热泵驱动蒸汽均采用蝶阀进行调节，操作过于频繁会造成阀门严密性变差以及阀门卡涩等问题。供热抽汽蝶阀控制精度和流量特性均无法满足供热抽汽调负荷方案的要求。

1.机组供热抽汽系统现状

蒙西某电厂1号机组热网供热系统采用质调节方式，即保持循环水流量不变，通过调节热网供水母管水温改变供热负荷。优化改造前供热情况为供热公司向机组下发热网供水温度设定值指令，由运行人员手动调节供热抽汽蝶阀开度，通过改变供热抽汽流量实现热网供水温度的手动控制。原供热抽汽蝶阀存在调节精度差、阀位反馈不准确等缺点。2017年对机组加装供热抽汽旁路，利用旁路可实现供热抽汽流量的快速精确控制，但尚未实现供热负荷自动控制。

2.供热抽汽节流原理

1号机组在正常工况下具有良好的AGC响应性能，响应速率6MW/min，但在调节过程中存在机组参数尤其是主蒸汽压力波动大，导致机组负荷控制系统出现闭锁保护情况。供热抽汽节流的本质是调用储存于热网系统中的蓄能，以主蒸汽压力偏低为例，供热抽汽系统通过关小抽汽阀门减少供热抽汽流量，被节流的水蒸汽进入汽轮机低压缸继续做功，汽轮机出力能量增加，机组负荷上升;同时汽机主控为保持机组负荷稳定关小汽轮机高调门，导致主蒸汽压力回升。供热抽汽节流量与主蒸汽压力之间呈积分关系，具体分析如下：

机组锅炉系统中存在以下能量平衡：

式中，Cb为主汽压力标幺下的锅炉蓄热系数，单位MJ/MPa;pt为主蒸汽压力，单位MPa;Qin为锅炉有效吸热量，单位MW;Qout为汽轮机能量输出，单位MW。

供热工况下，汽轮机能量输出分为两部分，包括发电负荷Qe和供热负荷Qh，即：

当机组其它参数不变，调节供热抽汽流量使供热负荷改变△Qh时，主汽压力速率变化量为：

供热负荷与供热抽汽流量之间近似呈一阶惯性关系，表示为：

结合式3和式4可得主汽压力速率变化量与供热抽汽节流量之间的增益关系为：

通过式5可见，动态过程中调节供热抽汽流量虽然无法直接获得主蒸汽压力的变化量，但其可以通过改变主蒸汽压力变化速率辅助实现主蒸汽压力控制品质提升。

3.供热抽汽旁路阀扰动实验

实验1：供热抽汽旁路阀门开度扰动对供热抽汽流量的影响

当主路蝶阀开度8%、抽汽压力0.09MPa下旁路阀开度阶跃变化10%扰动实验，对应供热抽汽流量变化13t/h;主路蝶阀开度10%、抽汽压力0.09MPa下旁路阀开度阶跃变化10%扰动实验，对应供热抽汽流量变化3t/h。

实验分析：单位供热抽汽旁路阀开度变化量与供热抽汽流量变化量之间的增益关系受主路蝶阀开度及供热抽汽压力影响，主路蝶阀开度越小，抽汽压力越高，单位旁路阀开度变化量对应的供热抽汽流量变化量越大。

实验2：供热抽汽流量扰动对热网供水温度影响

当供热抽汽流量阶跃变化20 t/h扰动实验，对应热网供水温度由86 ℃上升至88 ℃进入稳态。

实验分析：热网加热器为表面式换热器，为自平衡对象，因此供热抽汽流量与热网供水温度之间近似呈含纯迟延的一阶惯性环节。对实验数据进行辨识，得到的热网抽汽流量与热网供水温度之间的传递函数为：

实验3：供热抽汽节流对主蒸汽压力变化速率的影响

由于实验机组全程跟随频繁变化的AGC指令，无法在稳态下进行供热抽汽节流实验观察其对主汽压力的影响，因此只能通过相似动态工况下的是否节流条件下主蒸汽压力变化情况进行对比分析。两次连续升负荷过程中未节流条件下主蒸汽压力的变化情况，主蒸汽压力在160s内下降0.61MPa，降压力速率0.0039MPa/s;连续升负荷过程中节流条件下主蒸汽压力变化情况，主蒸汽压力在150s内下降0.4MPa，降压力速率0.0027MPa/s。

实验分析：供热抽汽节流能够有效影响主蒸汽压力变化速率，同时较小幅度的供热抽汽节流量对热网供水温度影响不大。通过实验可辨识获得式5所示的节流增益Kc=0.414MPa/t。

4.供热抽汽自动控制系统方案

本方案采用“热网供水温度+主汽压力拉回”联合控制方案，其过程控制组态如图所示。供热抽汽系统在稳态工况下参与热网供水温度自动控制调节，设定值为运行人员给定的热网供水温度设定值，反馈值为热网加热器出口供水母管温度测量值。当主汽压力偏差过大或变化速率过快时，供热抽汽系统进入节流工况，通过在原供热抽汽旁路阀自动控制回路中施加节流量前馈，实现供热抽汽流量的快速节流调节。

供热抽汽节流触发逻辑作用为判断供热抽汽系统参与调节主蒸汽压力的投切时机，其中安全因素考虑：

1.机组处于正常运行工况下;

2.热网供水温度与设定值偏差处于考核范围内，保证供热负荷;

3.中排压力处于安全范围内，保证低压缸最低进汽量;

4.供热抽汽流量处于安全范围内，保证供热疏水泵最小通流量;

5.热网换热器疏水水位处于安全范围内，防止疏水溢流阀保护开启。

由于供热抽汽旁路阀调节流量有限，当供热抽汽流量大范围工况迁移时，需要供热抽汽主路的供热抽汽蝶阀参与调节，因此设计供热抽汽蝶阀基线自动控制回路，用来保证稳态下满足供热需要的抽汽流量的同时使抽汽旁路阀处于中间位置，方便节流时双向调节。

（作者单位：国电内蒙古东胜热电有限公司）