基于工業供熱機組汽源切換的優化研究

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,我國低碳產業發展迅速，取得了前所未有的成績[1]，隨著國家節能減排政策的推行，各熱力行業逐步加強了對熱能的梯級利用[2]。采用大型的供熱發電機組，已成為實現集中供熱的主要解決方案[3]。近年來，我國區域性工業熱負荷的需求不斷增加[4]。某工業園區內2*350MW超臨界機組參與對外工業供熱，單機供熱汽源有冷再蒸汽和A3抽汽兩路，其中：當機組負荷升高后，冷再、A3抽汽壓力升高，在相同的供熱參數下，冷再汽源供熱經濟性降低，A3抽汽壓力達到供熱需求時，及時切換至A3抽汽供汽，可提高機組供熱經濟性；機組負荷降低后，A3抽汽壓力降低，無法滿足供熱需求，及時切換至冷再汽源，確保供熱穩定性。然而，目前上述兩路供熱汽源無法實現自動切換，如此，一方面增加了運行人員的操作量；另一方面隨著負荷波動，供熱汽源每天進行頻繁切換，增加了運行人員誤操作風險[5]。因此，隨著機組負荷變動，實現冷再蒸汽和A3抽汽對外供熱時的在線自動程控無擾切換，既可保證工業負荷連續供熱，同時提升機組供熱的安全性、靈活性和經濟性[6]。

1 工業供熱基本原則

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）對于供熱蒸汽聯箱前匯總管路：PAim為供熱蒸汽聯箱入口蒸汽壓力。

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可為：

1）A3抽汽退出供熱：當P30小于或等于（PAim+0.01MPa），并延時10s，關閉A3抽汽液動快關閥，同時連鎖關閉A3抽汽電動調節閥（即退出自動）、A3抽汽氣動逆止閥；

2）A 3 抽汽可以供熱：當P 3 0 大于（PAim+0.1MPa），并延時30s，連鎖開啟A3抽汽液動快關閥、氣動逆止閥，A3抽汽電動調節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可為：

1）冷再蒸汽退出供熱：當Pzr0小于或等于（PAim+0.01MPa），并延時10s，關閉冷再蒸汽液動快關閥，同時連鎖關閉冷再蒸汽供熱電動調節閥（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閥、氣動逆止閥，冷再蒸汽電動調節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濟性，對于兩臺機組，制定供熱切換原則如下：

通過合理設置不同機組A3抽汽、冷再蒸汽投入供熱運行的先后順序，實現盡可能利用A3抽汽優先供熱，以提高機組供熱的經濟性；

1）指定一臺機組，A3抽汽優先供熱；

2）在1)的基礎上，另一臺機組A3抽汽作為補充；

3）在2）的基礎上，1）中指定機組的冷再蒸汽作為補充；

4）在3）的基礎上，另一臺機組的冷再蒸汽作為補充。

注：根據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值按照略微差異進行設定且目標值各不相同，該目標值的差異為基于壓力測點的測量精度范圍內的微小值，且各壓力目標值間的差異對實際供熱蒸汽聯箱入口蒸汽壓力PAim的影響完全可以忽略。

例如，指定供熱汽源優先次序依次進行：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值（按優先次序的相鄰目標值之間差值為△）設定如下：

1）1號機組A3抽汽供熱電動調節閥設定值PAim MPa；

2）2號機組A3抽汽供熱電動調節閥設定值PAim-1*△ MPa；

3）1號機組冷再蒸汽供熱電動調節閥設定值PAim-2*△ MPa；

4）2號機組冷再蒸汽供熱電動調節閥設定值PAim-3*△ MPa。

當單臺機組遭遇異常情況，導致其汽輪機需要緊急停機時，該機組跳閘后將關閉A3抽汽液動快關閥和冷再蒸汽液動快關閥，同時連鎖關閉A3抽汽電動調節閥（即退出自動）、A3抽汽氣動逆止閥和冷再蒸汽供熱電動調節閥（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，最終確保工業供熱穩定。

3 優化過程

3.1 閥門開關時間測試

2020年11月，對機組A3抽汽供熱電動調節閥、冷再蒸汽供熱電動調節閥25%、50%、75%、100%開度開關時間進行試驗，初步確定了兩路汽源無擾切換的可能性。

表1 閥門全行程開關試驗數據

從上述表格中不難看出，冷再蒸汽供熱電動調節閥、A3抽汽供熱電動調節閥全開、全關時間基本為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，且開關耗時較短，為后續進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，供熱參數滿足要求，冷再供熱電動調節閥壓力設定值1.15MPa（根據當時供熱情況），供熱聯箱壓力穩定；

（2）檢查機組A3抽汽供熱電動隔絕閥全開；

（3）由于機組負荷滿足A3抽汽供熱條件，檢查A3抽汽供熱液動快關閥、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抽汽供熱電動調節閥全關，將電動調節閥投自動，被調量是供熱母管壓力，壓力設定1.25MPa；

（6）由于A 3 抽汽電動調節閥設置值為1.25MPa，高于供熱母管壓力（1.15MPa），故A3抽汽供熱電動調節閥自動開大，就地檢查供熱管道無振動現象，隨著供熱母管壓力升高，冷再供熱電動調節閥壓力設定值（1.15MPa）低于供熱母管壓力，冷再供熱電動調節閥自動關小直至關閉；

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

（8）對切換過程進行記錄，并通過分析，進一步優化切換時間；

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

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，供熱參數滿足要求，A3抽汽供熱電動調節閥壓力設定值1.25MPa（根據當時供熱情況）；

（2）檢查機組冷再供熱電動隔絕閥、液動快關閥、氣動逆止閥全開，冷再供熱電動調節閥全關；

（3）檢查冷再供熱管道疏水暢通，備用正常；

（4）將冷再供熱電動調節閥設定值臨時調高至1.28MPa，高于供熱母管壓力（1.25MPa），故冷再供熱電動調節閥自動開大，就地檢查供熱管道無振動現象，隨著供熱母管壓力升高，A3抽汽供熱電動調節閥壓力設定值（1.25MPa）低于供熱母管壓力，A3抽汽供熱電動調節閥自動關小直至關閉；

（5）機組降負荷過程中，A3抽汽壓力降低，當A3抽汽壓力－供熱母管壓力≤0.01MPa時，延時10s，關閉A3抽汽液動快關閥，同時連鎖關閉A3抽汽電動調節閥、A3抽汽氣動逆止閥；

（6）最終完全切換為由冷再供工業用汽；

（7）對切換過程進行記錄，并通過分析，進一步優化切換時間；

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

3.2.2 現場試驗調試情況

2021年4月，對2號機組A3抽汽供熱電動調節閥、冷再蒸汽供熱電動調節閥PID參數進行優化，調節閥門開、關時間，同時對A3抽汽供熱電動調節閥、冷再蒸汽供熱電動調節閥設定值進行偏差設置，冷再蒸汽供熱電動調節閥設定值為1.15MPa，A3抽汽供熱電動調節閥設定值為1.25MPa。將A3抽汽供熱電動調節閥上限設定為80%，使得A3抽汽供熱電動調節閥與冷再蒸汽供熱電動調節閥具有一定的重疊度，可提前開啟冷再蒸汽供熱電動調節閥。解除機組AGC，負荷在220MW～290MW之間，按機組最大升、降負荷速率8.5MW/min快速升、降機組負荷，以驗證兩路汽源切換的穩定性。

經過變負荷優化，模擬機組可接受的最極端工況考驗：A3抽汽供熱電動調節閥、冷再蒸汽供熱電動調節閥自動調節情況較好，能夠滿足機組快速升、降負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號機組進行汽源在線無擾切換優化，同樣取得了較好的優化效果。

3.3 兩臺機組供熱汽源無擾切換優化

2021年7月，機組負荷235MW～320MW，1號機組A3抽汽對外供熱，A3抽汽供熱電動調節閥設定值1.21MPa，1號機組冷再蒸汽作為備用，冷再蒸汽供熱電動調節閥設定值1.18MPa，2號機組A3抽汽供熱電動調節閥、冷再蒸汽供熱電動調節閥手動關閉，供熱聯箱壓力1.18MPa。

將2號機組A3抽汽供熱電動調節閥投入自動，設定值1.21MPa，1號機組A3抽汽供熱電動調節閥設定值由1.21MPa修改為1.15MPa。

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

4 總結

通過單臺機組汽源在線無擾切換優化，在運行人員未進行干預的前提下，隨著機組負荷變動，實現冷再蒸汽和A3抽汽對外供熱時的在線自動程控無擾切換，供熱聯箱壓力可滿足機組供熱需求，既保證工業負荷連續供熱，同時提升機組供熱的安全性、靈活性和經濟性。兩臺機組汽源切換過程中，通過對1號機組A3抽汽供熱電動調節閥、2號機組A3抽汽供熱電動調節閥設定值進行偏差設置，可以實現對外工業供熱由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供熱量增加，兩臺機組A3抽汽同時對外供熱積累經驗。