太古長輸供熱管線緊急停車控制策略優化

原 峰 申鵬飛

(太原市熱力集團有限責任公司,山西 太原 030001)

0 引言

古交興能電廠至太原市長距離輸送供熱管線，因熱源興能電廠與太原市區高差達240 m，若采用電廠至熱力站的直接供熱方式，下游管網承壓太高。因此采用建設中繼能源站(也稱隔壓換熱站)的間接供熱方式運行。電廠至中繼能源站的高溫網系統全長37.8 km，高差180 m，為閉式環路且無旁路分支。在電廠內通過前置凝汽器和尖峰加熱器將乏汽及抽汽熱量輸出至長輸管線，高溫水由電廠輸送至中繼能源站，在中繼能源站經換熱器實現高

溫網與一級網換熱后，低溫水循環回興能電廠。包含兩個系統，因兩系統參數相同且相互獨立，故只對單個系統進行討論(見圖1)。

系統設置有熱源興能電廠、三座中繼泵站、一座中繼能源站，實現六級泵組串聯，每級泵組包含四臺中繼泵，采用變頻調速。在二號、三號中繼泵站之間有15.2 km的供熱專用隧道。

1 當前緊急停車控制策略存在的問題

1.1 供熱回水管道隧道段許用最高溫度

系統設計供/回水最高溫度為130 ℃/50 ℃，運行溫度為130 ℃/30 ℃。供熱隧道內管道架空敷設，根據工藝要求，隧道內架空回水管不允許50 ℃以上的水通過。隧道市區側出口至中繼能源站之間管線采用直埋敷設，供回水施工均為預熱安裝，回水設計溫度同供水，因此允許高溫水通過。

1.2 高溫水循環至回水管的工況及緊急停車策略

系統正常運行時，中繼能源站換熱器兩側，即高溫網側和一級網側流量關系為1∶1，通過該流量匹配關系，可保證正常換熱后高溫網回水溫度不高于50 ℃。

但以下三種故障工況，會造成中繼能源站換熱器兩側流量不匹配，或高溫網側供水不經過換熱器直接從旁路循環，進而間接或直接導致超過50 ℃的高溫水循環至回水管。

1)中繼能源站一級網側循環泵組故障停車。

2)一級網爆管導致管網迅速失壓，為避免一級網側循環泵汽蝕，對泵緊急執行降頻或停車。

3)中繼能源站高溫網側循環泵組故障停車。為避免系統急停工況下水擊對供熱設備造成破壞，中繼能源站設置有整體旁通管及止回閥，此時高溫供水會通過整體旁通直接循環到回水管道。

前兩種工況共同點是，一級網流量瞬間降至很低。此時高溫網仍在大流量循環，因換熱器兩側流量不匹配，導致高溫網側的高溫供水在進入換熱器時只能輸出少量熱能，因此在經過換熱器后溫度降低很少甚至不明顯降低，溫度較高的水便會進入回水管道。

根據原先的控制策略，在以上三種故障工況下，為避免高溫水循環至供熱隧道，對高溫網系統執行3 min緊急停車，即泵組由50 Hz在3 min內勻速降頻并停車。

1.3 避免高溫水循環至回水管隧道段的工藝措施

為避免上述三種工況下已進入回水管道的高溫水循環至隧道段，在三號泵站設置有DN350供回水聯通管及閥門，系統正常運行時閥門關閉。上文所述故障工況下，按照控制策略系統緊急停車，待所有泵組處于停機狀態后，關閉供熱隧道最靠近三號泵站側的6號回水閥門，待故障排查恢復后，開啟設置于三號泵站的DN350供回水聯通閥門，啟動一級網側及高溫網側循環泵各一臺，通過控制兩側流量關系，將中繼能源站與三號泵站之間的回水管道中的高溫水沿DN350供回水聯通管→三號泵站與中繼能源站之間供水管→能源站板式換熱器進行循環，經換熱器換熱后使水溫下降至50 ℃以下，直到三號泵站至中繼能源站所有回水置換完成(見圖2)。

1.4 當前控制策略存在的問題

當前緊急停車時間為3 min，停車過程中流速和加速度見圖3。停車時電廠需緊急退汽側，電廠退汽側的閥門全開時間為3 min 40 s，此外需考慮工作人員反應、操作等附加時間。若流量下降太快，而電廠未能及時退汽側，則有可能造成發電機組跳機，導致事件擴大。因此有必要控制流量下降速度。上述控制策略所暴露問題如下：

1)系統停車過程中，水流加速度存在突變，存在對系統設備造成沖擊的可能。

2)系統緊急降頻停車時間過短，有可能導致電廠機組跳機，同時水擊波也可能對系統設備造成沖擊[1,2]。

2 緊急停車控制策略優化

針對當前控制策略存在的問題，分別對系統停車速度曲線和系統停車時間周期進行優化。

2.1 系統緊急停車流速曲線優化

為減小系統停車過程中對系統設備的沖擊，需對系統停車流速曲線優化。

一般來說，若速度函數的n階導數連續，n越大，則速度變化越平穩。常用的啟動及停車曲線如下[3]。

1)矩形加速度曲線，其速度和加速度表達式為：

v(t)=at,(0≤t≤T)

(1)

a(t)=a

(2)

如圖3所示，在0和T兩個時間點，其加速度曲線不連續，存在突變。即系統停車開始執行時，加速度由0突變至a0，系統停車結束時，其加速度由a0突變至0，該突變可能產生水擊波。

2)梯形加速度曲線，其加速度表達式為：

(3)

其中，t1=T-t2。

如圖4所示，在0～t1的時間段內，加速度由0逐漸變化至am，在t1～t2范圍內加速度為恒值，t2～T時間段，加速度由am逐漸變化至0，在t1和t2的兩個時間點加速度均存在折點，加速度曲線雖然連續，但其導數不連續。

考慮以上兩種停車速度曲線存在的問題，在此引入正弦加速度曲線，即Harrison速度曲線，其速度和加速度表達式為：

(4)

(5)

其中，T為系統停車周期，s；v0為初始流速，m/s。

曲線見圖5，其特點為整個過程加速度始終沒有突變，且其二階導數連續，系統停車流速變化更平穩，可有效減小水擊波。

2.2 系統緊急停車許用時間優化

在系統緊急停車時，為避免流量下降太快導致電廠發電機組跳機，同時減小水擊波，在保證已進入回水管道中的高溫水不能循環至隧道段的前提下，應盡量延長停車時間。考慮到已循環至回水管中的高溫水最終可通過前文所述工藝措施置換處理，因此應急處理過程中保證高溫水未循環至供回水聯通所在位置即可。因此有必要計算系統停車時間允許最長時間。在前文所述故障工況下，考慮值班人員確認及操作時間需2 min。

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中繼能源站與上述DN350供回水聯通管之間回水管線距離L=1 336 m。回水主管截面面積為1.495 m2。

應急降頻停車過程，需保證高溫回水循環距離不能超過1 336 m，流速遵循正弦加速度曲線(見圖6)。

有：

(6)

(7)

將式(7)代入式(6)，有：

(8)

(9)

經計算得出系統流量與許用應急停車時間的關系，見表1。

由表1可見，當系統流量為設計最大流量即15 000 m3/h時，可將緊急停車時間設定為12 min，加上運行值班人員確認及操作時間2 min，共14 min，遠大于電廠切換空冷島時間，基本可保證系統安全停運。

表1 系統應急停車許用時間與流量

當系統流量小于10 000 m3/h時，允許的緊急勻速停車時間大于20 min，給電廠以更加充足的時間退汽側。

自控系統中應急降頻時間可按函數(9)設定。

3 結語

1)依據系統參數及運行經驗，針對三種特定故障工況，為防止高溫水循環至回水管供熱隧道段造成重大物理性破壞，同時避免電廠發電機組跳機及較大水擊波，對高溫網許用應急停車時間分析計算，得出允許最長停車時間具體數據，為自控數據設置提供了依據。在通訊正常的前提下，基本可保證系統安全停運，既避免損壞隧道設備，又可避免電廠發電機組跳機，且減小了水擊波。2)對于間接供熱系統，在設計階段應充分考慮運行最不利工況，以及系統快速恢復應急措施。3)系統緊急停車過程管網流速與時間關系采用Harrison正弦加速度曲線對設備影響較小。4)對于 系統緊急停車時間應充分進行研究，以最大程度減小水擊。