摘要：以廣州旺隆熱電廠110MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組為例，分析了熱電聯(lián)產(chǎn)機組電負荷與熱負荷的藕合關(guān)系。在該機組協(xié)調(diào)控制策略中，增加了前饋回路，使機組既能很好地適應(yīng)熱負荷和電負荷的變化，達到在最大經(jīng)濟效益下的安全運行，并改善了機組重要參數(shù)的動態(tài)性能。
作為熱電聯(lián)產(chǎn)的抽汽供熱機組除了控制機組電負荷參數(shù)外，還應(yīng)保證工業(yè)或民用抽汽的熱負荷穩(wěn)定。然而，基于普通協(xié)調(diào)控制策略的機組控制方法并未考慮到抽汽機組電負荷與熱負荷之間存在的藕合關(guān)系，因此難以避免機組電負荷受熱負荷變化的影響，而電負荷變化又影響供熱參數(shù)，進而導(dǎo)致機組運行狀況的惡化[1.2]。鑒于抽汽機組控制參數(shù)的特殊性，有必要對抽汽機組協(xié)調(diào)控制策略進行完善以減弱電負荷與熱負荷之間的耦合關(guān)系，從而改善機組的動態(tài)性能，保障機組的安全運行。
本文以廣州旺隆熱電廠110MW抽汽供熱機組為例，介紹了熱電聯(lián)產(chǎn)機組協(xié)調(diào)控制策略的設(shè)計和應(yīng)用，以及如何改善熱電聯(lián)產(chǎn)機組電負荷與熱負荷存在的藕合關(guān)系。
一、熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)節(jié)原理
根據(jù)能量平衡式：
Qr=Dex+Pgen (1)
式中：Qr為鍋爐釋放的總熱量；Dex為熱負荷(即抽汽量)；Pgen為電負荷(即發(fā)電有功功率) [3,4]。
由式(l)可見，當(dāng)鍋爐提供的熱能一定時，Pgen隨著Dex的增加而減?。环粗?，若改變機組目標(biāo)負荷值，主蒸汽調(diào)節(jié)閥將根據(jù)目標(biāo)值進行自動調(diào)節(jié)，從而引起Dex的變化。
(l) 熱電分離調(diào)節(jié)方式下，機組既要滿足協(xié)調(diào)控制中的電負荷目標(biāo)值，同時也要通過抽汽回路自動閉環(huán)’調(diào)節(jié)以保證抽汽壓力的恒定。該調(diào)節(jié)方式的前提條件是鍋爐側(cè)出力一定能夠滿足汽輪機側(cè)的能量需求，即Qr未達到其能量輸出的最大值Qr,max這樣整個機組才能具有調(diào)節(jié)余量來保證機組在可控工況下的運行。
(2) 以熱定電調(diào)節(jié)方式下，機組首先要確保抽汽的熱負荷，鍋爐出力維持在Qr,max狀態(tài)后，此時無法實時保證汽輪機側(cè)的能量需求，這樣電負荷與熱負荷之間表現(xiàn)為一種互易關(guān)系。當(dāng)抽汽熱負荷變化時，電負荷轉(zhuǎn)隨著熱負荷的變化而反向變化。在該調(diào)節(jié)方式下，雖然以犧牲機組的電負荷來保證抽汽熱負荷，但是由于鍋爐側(cè)出力保持在Qr,max狀態(tài)下運行，使機組經(jīng)濟效益達到最大化運行方式，因此大多數(shù)電廠都采用以熱定電的調(diào)節(jié)方式。
二、機組協(xié)調(diào)控制存在問題和解決方法
由于熱電聯(lián)產(chǎn)機組電負荷與熱負荷存在著耦合關(guān)系，具體表現(xiàn)為當(dāng)機組功率改變時會引起抽汽壓力的波動進而影響到抽汽量。反之，當(dāng)抽汽量變化時又會影響電功率的穩(wěn)定。因此，僅僅通過主蒸汽調(diào)節(jié)閥控制跳負荷，再熱調(diào)節(jié)閥控制抽汽壓力的隔離調(diào)節(jié)，難以避免參數(shù)間的相互干擾，機組功率不穩(wěn)定和抽汽壓力頻繁，嚴(yán)重影響機組的安全經(jīng)濟運行。對此，可采用協(xié)調(diào)控制策略來減弱電功率參數(shù)和抽汽參數(shù)之間的耦合關(guān)系，以改善機組的動態(tài)特性。
熱電聯(lián)產(chǎn)機組以直接能量平衡構(gòu)建協(xié)調(diào)控制框架，其中鍋爐主控的熱量信號以及熱量指令的關(guān)鍵參數(shù)仍與普通機組整定方法類似，汽輪機側(cè)的汽輪機主控需要控制負荷功率和抽汽壓力2個主要參數(shù)(比)普通機組多了熱負荷參數(shù)）。由于熱電聯(lián)產(chǎn)機組要保證用汽熱負荷，大多數(shù)電廠均采用以熱定電的運行方式，因此需要區(qū)分2種情況進行處理。
(1)當(dāng)鍋爐側(cè)出力未達到最大(Qr
改進后的協(xié)調(diào)控制策略如圖1所示，主要通過前饋回路的作用使熱負荷和電負荷2個參數(shù)同時聯(lián)動，以減弱2個參數(shù)之間的耦合關(guān)系，改善機組的動態(tài)性能。當(dāng)鍋爐出力達到最大時通過閉鎖增信號限制電負荷的調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)犧牲電負荷確保熱負荷的目標(biāo)，具體調(diào)節(jié)過程為：當(dāng)熱負荷需求量增加時會引起抽汽壓力的變化，抽汽閉環(huán)調(diào)節(jié)回路將通過開啟低壓調(diào)節(jié)閥來自動穩(wěn)定抽汽壓力，此時隨著抽汽量的增加汽輪機的做功能量減少，導(dǎo)致電負荷的減少，但由于有前饋f(x)函數(shù)的作用預(yù)先增大汽輪機調(diào)節(jié)閥開度，以補充損失的蒸汽流量，而汽輪機調(diào)節(jié)閥能否繼續(xù)增大開度則取決于鍋爐出力狀況。
綜上所述，通過前饋回路的預(yù)先動作和PID的無差調(diào)節(jié)使機組在出力允許的條件下同時保證電負荷和熱負荷的穩(wěn)定。當(dāng)機組出力不允許時，以熱定電使機組既能確保熱負荷又能以最大經(jīng)濟效益方式運行。其中，需要從蒸汽流量與電功率之間的歷史趨勢曲線中找出f(x)函數(shù)映射關(guān)系和匹配好汽輪機主控 PID與抽汽壓力PID的參數(shù)。
三、應(yīng)用實例
在廣州旺隆熱電廠2×ll0MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組進行的自動發(fā)電控制(AGC)變負荷試驗結(jié)果表明，改進后的協(xié)調(diào)控制策略不僅能使機組達到普通機組的快速響應(yīng) AGC 變負荷試驗的指標(biāo)要求，而且還能夠兼顧汽輪機側(cè)熱負荷和電負荷2個重要參數(shù)的不同要求，機組各主要參數(shù)波動范圍都優(yōu)于普通機組，大大改善了機組運行狀況。圖2為機組分別在1.65 MW/min和2.2MW/min速率下的AGC變負荷試驗。
由圖2可見，機組在變負荷過程中響應(yīng)迅速，實際負荷變化率幾乎等同于給定速率，而且變負荷過程中機組功率和主蒸汽壓力動態(tài)偏差均很小(主蒸汽壓力最大偏差為0.2MPa，功率最大偏差為1MW)。
圖3為鍋爐出力達到最大時抽汽量擾動曲線。
由圖3可見，當(dāng)機組正常穩(wěn)定運行(目標(biāo)負荷定值保持不變)且鍋爐出力達到最大時，若用汽量發(fā)生變化，則閉鎖汽輪機主控輸出，機組實際功率將隨著抽汽量的變化而反向變化(曲線3和曲線1)。圖4為鍋爐出力未達到最大時抽汽量擾動曲線。
由圖 4 可見，當(dāng)機組正常運行且鍋爐出力未達到編大時，若用汽量發(fā)生變化（40 t/h ，曲線8）將使汽輪機主控迅速響應(yīng)并穩(wěn)定負荷，由于前饋回路的作用使得機組動態(tài)過程更加穩(wěn)定，負荷波動很小。圖 5 為機組穩(wěn)定工況曲線。
由圖5可見，當(dāng)熱負荷穩(wěn)定時機組的主蒸汽壓力和負荷都很平穩(wěn)。
4 結(jié)論
在廣州旺隆熱電廠2×ll0MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組的協(xié)調(diào)控制中采用了前饋回路，從而減弱了熱負荷與電負荷的藕合關(guān)系，使得機組電負荷和熱負荷相互影響導(dǎo)致的波動頻繁、調(diào)節(jié)頻繁的現(xiàn)象有了很大改善，在保證熱負荷需求的前提下最大限度地提高了發(fā)電負荷，使機組的經(jīng)濟效益達到了最大化。
【參考文獻】
[1] 石兆玉．供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)與控制[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1994.
[2] 武素學(xué)．熱電聯(lián)產(chǎn)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，1988.
[3] 王咖瑛．熱力發(fā)電廠系統(tǒng)設(shè)計和運行[M]．北京：中國電力出版社，1997.
[4] Erwin G.Hansen. Heating System Design and Operation[M]．New York: McGrawHill,2007.
