660MW機組供熱蒸汽壓力自動控制策略研究

孟娜

（馬鞍山當涂發電有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

保護環境是我國的基本國策，改善環境更是當務之急，熱電聯產集中供熱比分散供熱可以減少燃煤對環境的污染，具有明顯的環境效益。同時，熱電項目具有節約能源，改善環境，提高供熱質量等綜合效益，是城市治理大氣污染和提高能源綜合利用效率的重要手段之一，是提高人民生活質量的公益性基礎設施，符合國家建設資源節約型、環境友好型社會和可持續發展戰略。熱電聯產技術能源利用效率比單純發電效率提高約一倍[1]。因此，對大機組供熱改造符合國家節能減排相關政策。

馬鞍山當涂發電有限公司一期工程2×660MW超臨界燃煤機組，鍋爐采用上海鍋爐廠單爐膛，一次中間再熱、采用四角切向燃燒方式、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構Π型鍋爐。汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產的超臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、單軸、雙背壓、凝汽式、八級回熱抽汽汽輪機。控制系統采用國電南自美卓MAXDNA分散控制系統。

臨近馬鞍山當涂發電有限公司某生物化學公司有8臺小鍋爐，總容量160t/h。這些小鍋爐效率低，而且缺乏必要的高效除塵設施，無脫硫、脫硝手段。 而馬鞍山當涂發電有限公司的鍋爐配置了高效電除塵器，并進行煙氣脫硫、脫硝，因此對2×660MW機組進行供熱改造，替代分散供熱的小鍋爐，將會大大改善周邊地區的環境，為構建環境友好型社會做出貢獻。

1 供熱工藝原理

出于機組自身特性以及電網調峰需要，馬鞍山當涂發電有限公司供熱系統采用壓力匹配器方案，利用壓力匹配器匹配出滿足要求的蒸汽。

采用壓力匹配器能夠提供與汽輪機抽汽口壓力參數不匹配的供熱蒸汽，與采用高壓蒸汽節流相比，避免了大量的能量損失，經濟性顯著提高。而且根據鍋爐廠和汽輪機廠復核，本次供熱工程無需對原有汽輪機和鍋爐改造，能在較低負荷下保證供汽量，經濟效益最好。

壓力匹配器的基本構造及原理見圖1。

圖1 壓力匹配器基本構造及原理圖Fig.1 Schematic diagram of pressure matching device structure and

壓力匹配器是利用高壓蒸汽的能量來提高低壓蒸汽的壓力的設備[2]：利用高壓（驅動）蒸汽通過噴咀超音速噴射，在喉部形成低壓，將低壓蒸汽吸入，再經混合擴壓，將低壓蒸汽升壓達到要求參數的目的。壓力匹配器出口采用減溫器，使蒸汽溫度達到要求。

本工程的高壓蒸汽為高排抽汽，低壓蒸汽為四級抽汽。減溫水抽自凝泵出口的凝結水母管，經升壓泵升壓，達到減溫器要求的壓力參數。另外，本工程供熱對象相比較為單一，供熱流量穩定，所以選用的壓力匹配器類型為單噴嘴壓力匹配器，出口壓力靠控制閥來調整。

供熱系統的投、切與汽輪機的安全運行密切相關[3]，為保證供熱負荷的安全，并結合電廠運行模式，本工程供熱采用母管制，如果兩臺機組在較低負荷的情況下運行，可以把熱負荷分擔到兩臺機組上。

2 控制策略及效果

根據用戶需求以及當前機組供熱能力，設計供熱單機最大流量為120T/h，壓力設計值為1.5MPa，溫度230℃。在供熱系統投入運行后，經過一段時間運行發現，由于參與供熱的機組作為調峰機組，機組負荷波動十分頻繁，從而供熱系統的實際流量及壓力等參數波動范圍也超出設計預期。另一方面，由于熱用戶生產上的需要，對蒸汽流量、壓力和溫度等參數要求很高，導致供熱品質差或者蒸汽管道安全門經常動作，整體效果不是很好。

壓力匹配器的控制閥作為唯一可以干預的手段，手動調整相當困難。通過對相關參數的分析發現，本工程供熱管道長，加上用戶對象在生產過程中對蒸汽流量的調整不能及時獲取，供熱對象在控制系統中是純開環回路。由于對象特性不明確，原本計劃利用經典PID偏差控制，但是在擾動實驗過程中發現，壓力匹配器出口壓力對于控制閥開度擾動響應速度很慢，相反在快速調整控制閥開度時會造成供熱流量大幅波動。

結合設備原理，壓力匹配器是利用高排蒸汽通過噴咀超音速噴射，在喉部形成低壓，將四抽低壓蒸汽吸入，再經混合擴壓。經過分析發現壓力匹配器出口蒸汽壓力受四抽壓力影響大，且延時短。

本工程供熱機組負荷波動頻繁且波動范圍較大，造成四抽蒸汽壓力也相當不穩定，為了保證供熱蒸汽壓力的穩定性，確定壓力匹配器出口壓力在實現自動控制時將四抽壓力作為前饋信號，合理利用供熱壓力對四抽蒸汽壓力響應速度快這一特性，將前饋作為粗調。同時，出口壓力控制偏差利用PID控制作為細調手段，保證在負荷穩態時的控制精度。

根據運行數據分析，在不同負荷段供熱系統壓力匹配器出口壓力對于四抽蒸汽壓力的響應速度和變化大小不同。所以通過試驗的方法在不同負荷下調整前饋作用的強弱，達到供熱出口壓力的快速調整。出口壓力實際值和設定值之間的偏差通過PID控制，提高控制精度。

圖2 手動方式下供熱壓力調整趨勢圖Fig.2 Manually heating pressure trend diagram

圖2為供熱系統在手動方式下的運行趨勢圖，壓力匹配器控制閥保持13.5%開度不變，四抽蒸汽壓力隨著機組負荷變化而波動，從而導致壓力匹配器出口壓力變化幅度超過用戶要求范圍。用戶要求壓力保持在1.2MPa～1.4MPa之間，壓力低對用戶生產造成影響，壓力高容易導致安全門動作，具有安全隱患。圖中反應出供熱蒸汽壓力最低值至1.09MPa，最高至1.32MPa，波動幅度較大，蒸汽品質低于用戶需求。

圖3 自動方式下供熱壓力調整趨勢圖Fig.3 Automatic heating pressure trend diagram

圖3反應的是本工程供熱系統經過參數整定后的運行趨勢，圖中可以看出機組負荷波動幅度要遠大于圖2中的負荷波動范圍，供熱壓力匹配器出口壓力控制投入自動后，趨勢反應出壓力控制效果相比手動方式下得到明顯改善，供熱壓力匹配器出口壓力設定值為1.346MPa，實際壓力值最大1.364MPa，最小值為1.334MPa，偏差不超過0.02MPa，控制品質良好。

3 結束語

馬鞍山當涂發電有限公司作為供熱機組，負荷波動頻繁且波動范圍較大，提供的供熱汽源壓力不穩定，將四抽壓力作為前饋信號進行粗調，結合實際運行情況和試驗手段，確定合適的前饋系數同時，出口壓力控制偏差利用PID控制作為細調手段，保證在負荷穩態時的控制精度。將系統投入自動運行后，具有較好效果。

[1]胡玉清,馬先才.我國熱電聯產領域現狀及發展方向[J].黑龍江電力,2008,30(1)：79-80.

[2]王汝武.大型凝汽機組利用壓力匹配器改造為供熱機組的方法[J].熱電技術,2006(4)：l-2.

[3]馬呈霞,張麗娟,張世才,等.300 MW純凝機組改造為供熱機組的控制研究及應用[J].中國電力,2009,42(2)：64-66.