雙抽背壓熱電聯產機組協調控制策略研究

摘要：某超臨界雙抽再熱背壓機組有兩級供熱，且熱用戶的供熱需求較高。該機組目前采用常規的協調控制方式，鍋爐控制主蒸汽壓力，汽機以控制實際電負荷為主；供熱方式下，汽機控制兩級供熱蒸汽壓力，此種控制方式無法滿足高質量的自動控制要求，控制效果較差?，F提出一種改進的控制方式，即對熱負荷定量計算后，作為一種能量輸出參與機組的協調控制，并對兩級供熱蒸汽進行了控制方式改進，改進后的控制方式能夠提高機組的自動控制能力，提高機組的運行水平。

關鍵詞：超臨界；雙抽再熱；供熱控制；協調控制；供熱電負荷計算

中圖分類號：TK323 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1671-0797（2023）02-0018-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.02.006

0 " "引言

某熱電工程采用世界首臺（套）超臨界雙抽再熱背壓機組，在能源優化配置、節能減排、環境保護、科技創新等方面具有明顯優勢。作為某工業區重點配套工程和唯一熱源點，項目對園區能源供應起著重要的支撐作用，對此地區長遠健康發展具有重要戰略意義。

國內熱電聯產的超臨界機組大部分容量為350 MW，其中大部分用于冬季采暖供熱，少部分用于工業供熱[1]。供熱機組存在熱電耦合現象[2-3]，這給電負荷調度、穩定熱負荷帶來了挑戰，國內也鮮有文獻專門討論供熱機組的熱電解耦問題。本文以中低壓供熱機組的實際控制為例，分析機組熱負荷和電負荷的動態特性以及兩級供熱的相互影響，提出一種優化的控制方案。

1 " "機組概況

某熱電工程采用的汽輪機為國內首臺自行研發設計的大型超臨界、一次再熱、單軸、雙缸、兩級調節抽汽、下排汽、背壓式汽輪機，高壓缸按全容量、中壓缸按額定進汽量時高壓缸排汽量扣除第1級回熱抽汽量及熱段對外額定供熱抽汽量設計。鍋爐為超臨界參數直流循環流化床鍋爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼構架。機組熱力系統結構簡圖如圖1所示。

此機組以供熱為主，同時提供低壓和中壓供熱蒸汽，為工業園區內的企業提供熱源。中壓缸三段抽汽經減溫和熱再熱蒸汽減溫減壓后作為低壓供熱蒸汽，熱再熱蒸汽直接作為中壓供熱蒸汽。正常運行時，低壓供熱蒸汽只需中壓缸三段抽汽提供，當供熱需求增大時，一部分熱再熱蒸汽經減溫減壓后與中壓缸三段抽汽合并作為低壓供熱蒸汽。此電廠的供熱蒸汽為工業用蒸汽，對供熱品質要求較高。

2 " "控制方式

2.1 " "協調控制方式

目前，此電廠兩臺機組采用的協調控制框圖如圖2所示。

此電廠采用常規協調控制方式，鍋爐控制主蒸汽壓力，汽機以控制實際電負荷為主，同時兼顧維持主蒸汽壓力的穩定。圖中f1（x）為煤量指令的基本函數，考慮到供熱負荷的影響，此處的函數實際為鍋爐廠根據設計的熱電配比給出的電負荷對應的全部負荷（電負荷+熱負荷）時的煤量指令函數。汽機以控制電負荷為主，并兼顧主蒸汽壓力的穩定，f2（x）為主蒸汽壓力偏差對應的函數，為減少主蒸汽壓力偏差對電負荷控制精度的影響，此函數的作用較弱，設置了死區和上下限。

2.2 " "供熱控制方式

此電廠兩臺機組采用的供熱控制框圖如圖3所示。

此電廠的供熱調閥為蝶閥，調節精度較差，供熱調閥動作對供熱蒸汽壓力影響很小，為此此電廠的供熱均由汽機側控制，其中汽輪機高壓調閥維持中壓供熱蒸汽壓力，中壓調閥維持低壓供熱蒸汽壓力。供熱方式下電負荷處于隨動模式，鍋爐控制主蒸汽壓力，甚至是手動控制。

3 " "運行效果

此電廠目前的控制方式主要存在以下幾個問題：

（1）電負荷和熱負荷控制無法共存：當投入AGC時，汽機高調門控制電負荷，中調門控制低壓供熱蒸汽壓力，中壓供熱蒸汽壓力由另一臺機組控制。當機組負荷大幅變化時，供熱壓力也會有大幅波動，影響熱用戶使用。當投入供熱時，電負荷完全處于隨動模式，無法及時響應電網的負荷要求。

（2）供熱蒸汽壓力控制效果差：中壓供熱蒸汽和低壓供熱蒸汽相互影響，具體分析如圖4所示。

高壓調閥調節中壓供熱蒸汽壓力時，會對低壓供熱蒸汽壓力造成擾動。中壓調閥動作時，又會對中壓供熱蒸汽壓力造成擾動，且由于中壓調閥的節流作用，中壓供熱蒸汽壓力往往響應會很快，對中壓供熱蒸汽的穩定造成很大擾動。

（3）能量輸入與輸出不匹配：實際運行的熱負荷與電負荷的配比與設計工況不一致，造成根據電負荷計算出的理論燃料量與實際燃料量偏差較大，主蒸汽壓力控制不平穩，壓力偏差大，整個機組的運行不平穩。

4 " "改進建議

（1）根據供熱蒸汽流量計算出對應的電負荷，計算方法如下式所示：

式中：E為供熱折算負荷（MW）；Ki為中壓供熱抽汽折算負荷的線性修正系數；hi為中壓供熱蒸汽焓值（kJ/kg）；hp為排汽焓值（kJ/kg）；Di為中壓供熱蒸汽流量（t/h）；Kl為低壓供熱抽汽折算負荷的線性修正系數；hl為低壓供熱蒸汽焓值（kJ/kg）；Dl為低壓供熱蒸汽流量（t/h）。

此計算方法已經應用于DCS控制邏輯，并考慮了壞點保持最后一個有效值，以防熱負荷劇烈波動。實際應用表明，電負荷加上供熱折算的電負荷作為機組總的負荷指令，在此基礎上得出的燃料量指令與實際燃料量基本一致。采用此種計算方法可有效避免鍋爐側的能量失衡，保證機組整體運行的穩定性。

（2）供熱控制方式修改：此電廠以供熱為主，常規運行方式為以熱定電。為保證供熱的穩定性，可采用的改進后控制框圖如圖5所示。

協調方式運行時，鍋爐側保證發電和供熱所需的能量。汽機高調門維持主蒸汽壓力在設定值附近，主蒸汽壓力設定值為總負荷（供熱負荷+電負荷）對應的滑壓曲線，主蒸汽壓力穩定在設定值即可認為主蒸汽流量可以滿足供熱和發電。汽機中調門通過節流作用，可以較快地響應中壓供熱蒸汽的變化，汽輪機旋轉隔板通過節流作用，也可以較快地響應低壓供熱蒸汽的變化，這種控制方式可以維持供熱蒸汽的穩定，滿足工業用蒸汽的高品質要求，并能維持整個機組的穩定運行。

5 " "結語

通過計算供熱負荷折算的電負荷量，使得機組的總負荷計算更為準確，將總負荷作為基本機組控制的基本前饋和動態前饋，能夠使鍋爐快速準確地響應總負荷的變化，能夠滿足熱用戶對供熱蒸汽的高品質要求，又能保證汽輪機和鍋爐真正達到能量平衡，提高機組的運行穩定性，有效減少運行人員的工作量。

[參考文獻]

[1] 趙志丹，高奎，陳志剛，等.超（超）臨界機組模擬量控制系統的調試及優化[M].北京：中國電力出版社，2017.

[2] 王漪，薛永鋒，張敏，等.基于能量平衡法的供熱機組電量分析數學模型[J].電力系統自動化，2014，38（8）：108-112.

[3] 吳龍，袁奇，劉昕.供熱機組熱電負荷最佳分配方法分析[J].中國電機工程學報，2012，32（35）：6-12.

收稿日期：2022-12-15

作者簡介：郁強（1984—），男，江蘇南京人，工程師，主要從事火電廠自動控制系統研究工作。