一次调节抽汽式供热机组的自整调节策略

　　摘要：为了解决一次调节抽汽式供热机组运行过程中热电耦合、自整调节困难的问题，提出了以热工况图为核心、基于供热机组运行特性的自整调节策略。以国内某抽汽凝汽式100MW供热机组为研究对象，基于LabVIEW图形化软件平台开发仿真机组模型，建立自整调节算法，并进行热、电负荷需求侧扰动试验。仿真试验表明：所提出的自整调节策略能使供热机组及时响应电网负荷指令及热用户的供热需求，且动、静态调节效果良好，具有进一步研究的意义和价值。

　　关键词：供热机组热电耦合自整调节

　　0引言

　　一次调节抽汽式供热机组运行中存在复杂的热电耦合关系，给自整调节带来困难[1]。随着近年来供热机组向大容量、高参数、中间再热等方向发展，传统解耦方式已难以满足热、电负荷的响应需求。不良的控制算法使得调门执行机构油动机频繁动作，磨损漏油，进一步恶化调节效果[2]。在此背景下，研究并优化抽汽凝汽式供热机组的自整调节策略有着重要意义。本文提出了一种适用于一次调节抽汽式供热机组的自整调节策略。以国内某抽汽凝汽式100MW供热机组为研究对象，基于LabVIEW图形化软件平台开发仿真机组，编制自整调节程序并进行仿真试验。通过电网负荷指令扰动、热用户侧阀门开度扰动试验，验证了该自整调节策略的可行性。

　　1一次调节抽汽式供热机组简述

　　一次调节抽汽式供热机组又称单抽汽式供热机组。热力系统由锅炉、汽轮机、发电机、高压加热器、低压加热器、除氧器、凝汽器、给水泵、凝水泵等设备组成[4]。一次调节抽汽式汽轮机调节机构包括主蒸汽调节机构和供热蒸汽调节机构。调节方式一般有节流配汽或喷嘴配汽调两种。节流配汽机组通过一个或一组同步启闭的调门调节蒸汽流量或压力，通过高压调门调节主蒸汽流量，通过中压调门和辅助节流阀维持供热蒸汽出口点B压力恒定为热用户需求的供热设计压力。喷嘴配汽机组则通过调节级(由3个以上顺序启闭的阀门及对应喷嘴组组成)调节蒸汽流量或压力，由主汽调节级调节主汽流量，由供热调节级和辅助节流阀维持供热蒸汽出口点B压力恒定为热用户需求的供热设计压力[6]。

　　由于辅助节流阀的节流压损意味着汽轮机内高品质蒸汽的可用能浪费，因此从经济性考虑，应尽可能保持辅助节流阀常开，仅通过汽轮机本体调节机构的调节作用。只有当供热调节机构(中压调门或供热调节级)已经全开，而抽汽点A压力仍高于设计压力时，再通过辅助节流阀进行节流降压，使供热蒸汽出口点B压力维持设计压力。因此，下文分析过程中，将默认辅助节流阀全开，汽轮机控制系统仅通过主汽调节机构与供热调节机构实现热电负荷的自整调节[7]。

　　2热电耦合关系分析

　　分析其热负荷Gex和电负荷N之间的耦合关系。当供热蒸汽流量Gex为0时，机组可视为纯凝发电机组。忽略小流量的非调整回热抽汽，则机组电功率N’与主蒸汽流量G0关系式为：(1)式中：H0为主蒸汽焓;Hp为汽轮机排汽焓。随着供热蒸汽量Gex增大，这部分供热抽汽将不再驱动汽轮机转子做功发电，因此机组电功率随之减少。减少的电功率△N及此时机组电功率N则可以表示为：(2)(3)式中：Hex为供热蒸汽焓。将式(1)、(2)代入式(3)即可得到一次调节抽汽式供热机组的热电关系：(4)由式(4)可知，电功率N与供热量Gex之间互相影响，存在耦合关联。因此，主蒸汽调节机构或供热蒸汽调节机构中任意一者的单独变化都将同时改变热电负荷，这一特性即供热机组的热电耦合。

　　3自整调节策略

　　3.1自整调节策略概述

　　通过协调控制主蒸汽调节机构、供热蒸汽调节机构的开度，实现热电负荷独立调节、互不影响，这一过程即一次调节抽汽式汽轮机的“自整调节”，在自动控制领域也称为“热电解耦”。由于对确定的供热机组而言，其热、电负荷仅由主蒸汽、供热蒸汽调节机构的开度决定，因此自整调节过程的本质，即根据电网和热用户的负荷需求，逆运算出机组调节机构所需要的开度。本文提出的自整调节策略将该过程划分为以下三步：步骤一：根据供热机组热工况图，以电功率指令N0和当前供热量Gex为输入量，计算所需的主蒸汽流量G0和供热调节机构通流量G1。步骤二：根据调节机构流量曲线，以调节机构通流量GV、调节机构前压力PV0为输入量，计算主汽和供热蒸汽调节机构的调门开度XV。步骤三：建立关于电功率N和供热蒸汽抽汽点压力Pex的负反馈调节机制，根据机组实时电功率N与电网负荷指令N0的偏差、供热蒸汽抽汽点压力Pex与设计压力Pex0的偏差修正电功率指令值N0和供热量Gex。

　　重复步骤一、二，得到下一时刻的调节机构开度X，直至电功率N和供热蒸汽压力Pex与目标值的偏差在允许范围内，调节过程结束。根据以上分析，分别编制与步骤一至步骤三相对应的热工况图计算程序、调门开度计算程序、负反馈调节程序，即可构建完整的自整调节算法。以下将分别对这三个子程序的编制依据及计算方法加以阐述。

　　3.2热工况图计算程序

　　热工况图由汽轮机制造厂提供，是供热机组主汽流量G0，供热蒸汽流量Gex与电功率N三者关系的直接体现[2]。一次调节抽汽式汽轮机热工况图，由一组近似平行的等供热量线和等凝汽量线组成，并包含最大主汽量线、最大电功率线、最大供热量线、最小供热量线、最小凝汽量线共5条边界条件线。工程实践表明，节流配汽凝汽式汽轮机的蒸汽流量在设计值的30%～100%范围内变化时，汽耗量G0与电功率N之间的关系若用一根直线表示，误差不超过1%。而喷嘴配汽式汽轮机，由于调节级中含有多个按顺序开启的阀门，当阀门全开(即处于阀点位状态)时节流损失较小，当阀门部分开启(即介于阀点位之间的状态)时节流损失较大，因此主汽流量关于电功率的曲线存在一定的峰谷波动。

　　但30%电功率以上时这种波动较小，同样可近似为直线处理[2]。根据以上分析，可近似认为：当供热量Gex一定时，机组主汽流量G0与电功率N成线性关系。且不同供热量Gex下，主汽流量G0关于电功率N的曲线有相同的斜率k。则一次调节抽汽式供热机组主汽量G0关于电功率N、供热量Gex的关系可用线性函数表示为：由式(5)计算出主蒸汽流量G0后，根据G0及供热蒸汽量Gex，忽略小流量的非调整回热抽汽，即可计算供热蒸汽调节机构通流量G1：(6)3.3调门开度计算程序调门开度计算程序作用为：根据计算得到的主汽调节机构流量G0和供热蒸汽调节机构流量G1，结合制造厂提供的调门流量特性曲线，计算这两个调节机构所需要的开度。

　　3.4负反馈调节机制

　　通过热工况图计算程序和调门开度计算程序，即可根据电网和热用户的负荷需求计算调节机构所需开度。但受热工况图准确性、调门流量曲线准确性、编程过程简化程度、供热机组运行改造等因素影响，上述过程中存在着一定的系统误差和偶然误差，将导致由热电负荷计算出的调门开度指令值与实际所需的调门开度之间存在偏差。

　　4仿真结果及分析

　　4.1研究对象简述

　　本文以国内某100MW抽汽凝汽式供热机组为研究对象，基于LabVIEW图形化软件平台建立该机组动态仿真模型及自整调节程序，并进行热、电负荷需求侧扰动试验。供热工况下，热用户侧通过调节供热阀门X的开度调节供热蒸汽流量。汽轮机控制系统通过协调控制主蒸汽调节级C0、供热调节级C1的开度，在满足电网负荷指令的同时，维持供热蒸汽抽汽点A的压力恒为4.12MPa。

　　4.2热负荷扰动试验

　　电网负荷指令值维持100MW不变，手动调节热用户侧供热阀门X的开度以模拟热用户用汽量的实时变化。监测并观察供热蒸汽流量、供热蒸汽抽汽点压力及机组电功率的动、静态响应，以考察自整调节系统的调节效果。

　　5结论

　　1)本文提出了一种适用于一次调节抽汽式供热机组的自整调节策略。较之于传统调节方案，该调节策略深入体现了具体供热机组的热力特性和调节机构流量特性，因此能够有效提升调节过程准确性，并缩短调节时间。

　　2)仿真试验表明，当一次调节抽汽式供热机组热负荷或电网负荷指令改变时，本文提出的自整调节策略能及时响应电网与热用户侧的需求，并且有良好的动态、静态调节效果。

　　3)从工程应用角度看，本文提出的自整调节策略结构清晰，应用成本较低。除供热蒸汽流量变送器、供热蒸汽压力变送器外，无复杂硬件需求。因此该自整调节策略易于在热电厂推广应用，有进一步研究的意义和价值。

　　参考文献

　　[1]康艳兵,张建国,张扬.我国热电联产集中供热的发展现状、问题与建议[J].中国能源,2008,(10):8­13.

　　[2]康松,杨建明,胥建群.汽轮机原理[M].北京:中国电力出版社,2008.

　　[3]李宁,李崇祥,戴义平.一次调节抽汽透平数字电液控制系统的设计及特性研究[J].汽轮机技术,1997,(4):23­28.

　　[4]冷伟,房德山,徐治皋.火电机组仿真技术的应用与发展[J].电力系统自动化,1999,(23):7­10+14.

　　相关论文投稿刊物：《汽轮机技术》为专业技术性刊物。内容涉及汽轮机的实验研究、加工工艺、材料应用、安装调试、维护运行、设备改造等方面。读者对象为发电设备科研及工程技术人员、相关专业大专院校师生等，也可供力学、材料、能源等专业科研人员参考。

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