姜清塵，有志偉，楊建明

(1.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司 汽輪機(jī)廠，上海 200240)

“十三五”規(guī)劃以來(lái)，熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，大容量、高參數(shù)、雙級(jí)抽汽供熱機(jī)組大量投運(yùn)。但受制于熱、電負(fù)荷間復(fù)雜的耦合關(guān)系，目前行業(yè)內(nèi)抽汽供熱機(jī)組的自整調(diào)節(jié)策略尚不完善[1]。部分熱電廠的調(diào)節(jié)過(guò)程主要依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，在保證熱功率穩(wěn)定的前提下緩慢改變各個(gè)閥門的開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的調(diào)節(jié)。這種控制方式調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，熱電過(guò)程的調(diào)整緩慢并且不準(zhǔn)確，難以達(dá)到電網(wǎng)要求的一次調(diào)頻考核標(biāo)準(zhǔn)。

早期的機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)多基于線性機(jī)理模型，通過(guò)優(yōu)化調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使調(diào)節(jié)閥傳遞矩陣和調(diào)節(jié)對(duì)象傳遞矩陣相乘得到對(duì)角矩陣來(lái)消除熱電負(fù)荷的耦合關(guān)系[2]。隨著數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的出現(xiàn)，控制回路中加入了關(guān)于電功率及供熱蒸汽抽汽壓力PI調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)節(jié)[3]。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式對(duì)非再熱單級(jí)抽汽供熱機(jī)組這一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的供熱機(jī)組具有良好的適用性，但對(duì)于結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的供熱機(jī)組，控制效果不佳，易導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于波動(dòng)中，出現(xiàn)漏油磨損等情況。究其原因，在于控制算法中對(duì)抽汽供熱機(jī)組這一被控對(duì)象的運(yùn)行特性仍缺乏深入的研究。

筆者提出了一種以熱工況圖為核心，基于抽汽供熱機(jī)組熱力特性及調(diào)節(jié)閥特性的自整調(diào)節(jié)控制策略，并以CC100-8.83/4.12/1.47型100 MW雙級(jí)抽汽供熱凝汽式汽輪機(jī)為研究對(duì)象，在基于LabVIEW軟件平臺(tái)建立的動(dòng)態(tài)仿真模型上，進(jìn)行單級(jí)、雙級(jí)抽汽供熱變工況試驗(yàn)，驗(yàn)證了該自整調(diào)節(jié)策略的可行性。

1 熱力系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)述

抽汽凝汽式供熱機(jī)組熱力系統(tǒng)由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、凝汽器、高壓加熱器、低壓加熱器、除氧器、給水泵、凝水泵等設(shè)備組成。以某單級(jí)抽汽供熱機(jī)組為例，其原則性熱力系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 抽汽供熱機(jī)組熱力系統(tǒng)圖

1.2 熱電耦合關(guān)系

供熱機(jī)組對(duì)外輸出熱、電兩類負(fù)荷。以圖1的抽汽供熱機(jī)組為例，若忽略小流量的非調(diào)整抽汽，則電功率及抽汽質(zhì)量流量可用式(1)表示：

(1)

式中：N為電功率，kW；qm0為主蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；h0為主蒸汽比焓，kJ/kg；qmex為抽汽質(zhì)量流量，kg/s；hex為抽汽比焓，kJ/kg；qmp為排汽質(zhì)量流量，kg/s；hp為排汽比焓，kJ/kg。

經(jīng)簡(jiǎn)單推導(dǎo)，該機(jī)組熱電關(guān)系見(jiàn)式(2)，qmex的改變會(huì)使N隨之變化。在供熱機(jī)組調(diào)節(jié)過(guò)程中，主蒸汽調(diào)節(jié)閥開(kāi)度XC0或供熱調(diào)節(jié)閥開(kāi)度XCi(i=1或2)中任意一者的單獨(dú)變化都會(huì)同時(shí)影響N和qmex，這一特性稱為熱電耦合。耦合關(guān)系也可用矩陣形式表示，單級(jí)抽汽供熱機(jī)組熱電耦合關(guān)系見(jiàn)式(3)，雙級(jí)抽汽供熱機(jī)組見(jiàn)式(4)。

N=qm0×(h0-hp)-qmex×(hex-hp)

(2)

(3)

(4)

式中：耦合矩陣A由機(jī)組自身熱力特性、調(diào)節(jié)閥流量特性決定。結(jié)構(gòu)越為復(fù)雜的機(jī)組，其耦合矩陣越復(fù)雜，但對(duì)于每一臺(tái)確定的機(jī)組，耦合矩陣是唯一確定的。

2 自整調(diào)節(jié)控制策略

2.1 策略簡(jiǎn)述

根據(jù)第1.2節(jié)所述，抽汽供熱機(jī)組自整調(diào)節(jié)的本質(zhì)即求解熱電耦合矩陣A的逆矩陣A-1。A和A-1的求解可以根據(jù)機(jī)組熱力特性和調(diào)節(jié)閥流量特性分別構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，將解耦過(guò)程拆分為兩步：先以電網(wǎng)和熱用戶所需的熱電負(fù)荷N、qmex為輸入值，根據(jù)機(jī)組熱力特性計(jì)算出所需的主蒸汽及供熱蒸汽調(diào)節(jié)閥的通流質(zhì)量流量qmC0、qmCi，以矩陣形式表示[見(jiàn)式(5)]，矩陣B即熱蒸汽調(diào)節(jié)閥通流質(zhì)量流量與熱電負(fù)荷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；再以調(diào)節(jié)閥通流質(zhì)量流量為輸入值，根據(jù)調(diào)節(jié)閥流量特性計(jì)算出通過(guò)相應(yīng)流量所需的開(kāi)度指令XC0、XCi(i=1或2)，以矩陣形式表示[見(jiàn)式(6)]，矩陣C即調(diào)節(jié)閥開(kāi)度與調(diào)節(jié)閥通流量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

上述過(guò)程相當(dāng)于將熱電耦合矩陣的逆矩陣A-1分解成了兩個(gè)子矩陣的乘積并分別求解，從本質(zhì)上完成了熱電解耦。

(5)

(6)

聯(lián)立得：

(7)

則解耦矩陣：

(8)

根據(jù)以上分析，得到了基于機(jī)組運(yùn)行特性的自整調(diào)節(jié)控制策略中的前饋部分。該部分由兩步驟組成，分別對(duì)應(yīng)控制算法中的熱工況圖計(jì)算程序和調(diào)節(jié)閥開(kāi)度計(jì)算程序。

2.2 熱工況圖計(jì)算程序

熱工況圖反映了抽汽供熱機(jī)組qm0、qmex與N三者之間的關(guān)系，是供熱機(jī)組熱力特性的直接體現(xiàn)。關(guān)于熱工況圖的繪制方法，行業(yè)內(nèi)已有明確的規(guī)定[4]。熱工況圖同時(shí)還包含以下邊界條件：最大供熱量邊界線、最大電功率邊界線、最大主蒸汽量邊界線、最小排汽量邊界線及最小供熱量邊界線。

單級(jí)抽汽供熱機(jī)組熱工況圖見(jiàn)圖2，雙級(jí)抽汽供熱機(jī)組熱工況圖見(jiàn)圖3。

圖2 單級(jí)抽汽供熱機(jī)組熱工況圖

圖3 雙級(jí)抽汽供熱機(jī)組熱工況圖

依據(jù)熱工況圖，即可編制相應(yīng)的計(jì)算程序，以N和qmex為輸出值，計(jì)算qm0。近似認(rèn)為等供熱量線為一組平行的直線，則單級(jí)抽汽供熱機(jī)組qm0計(jì)算式為：

(9)

式中：k為一次項(xiàng)系數(shù)；b為常數(shù)項(xiàng)，是關(guān)于qmex的函數(shù)F(qmex)，可根據(jù)實(shí)際機(jī)組熱工況圖擬合確定。

對(duì)于雙級(jí)抽汽供熱機(jī)組，可近似認(rèn)為當(dāng)qm0、高壓供熱量qmex1一定時(shí)，隨著低壓供熱量增大，單位低壓供熱量qmex2所導(dǎo)致的電功率減少量為定值。則qm0計(jì)算式為：

(10)

式中：N′可理解為某供熱工況下，若低壓供熱的蒸汽全部返回汽輪機(jī)中做功時(shí)汽輪機(jī)的電功率；k2為一次項(xiàng)系數(shù)；k1為單位低壓供熱蒸汽若用于汽輪機(jī)做功能夠增加的發(fā)電量。

根據(jù)qm0和qmex，即可得到各調(diào)節(jié)閥的qmCi。

2.3 調(diào)節(jié)閥開(kāi)度計(jì)算程序

調(diào)節(jié)閥開(kāi)度計(jì)算程序的作用為：以調(diào)節(jié)閥前的設(shè)計(jì)壓力pV0和第2.2節(jié)計(jì)算出的調(diào)節(jié)閥通流質(zhì)量流量qmV為輸入值，計(jì)算相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指令XV。

火電機(jī)組汽輪機(jī)配汽主要有節(jié)流配汽和噴嘴配汽兩種方式。節(jié)流配汽機(jī)組采用全周進(jìn)汽，將蒸汽通過(guò)一個(gè)或一組同時(shí)啟閉的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)[見(jiàn)圖4(a)]；噴嘴配汽機(jī)組通過(guò)調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)級(jí)由3個(gè)以上順序開(kāi)啟的調(diào)節(jié)閥及對(duì)應(yīng)噴嘴組組成[見(jiàn)圖4(b)]。

圖4 火電機(jī)組汽輪機(jī)配汽方式

無(wú)論機(jī)組采用何種配汽方式，qmV均可視為關(guān)于pV0、XV和調(diào)節(jié)閥后壓力pV1三者的函數(shù)。工程計(jì)算中，通常忽略pV1變化的影響，認(rèn)為qmV僅由pV0和XV決定，表達(dá)式為：

qmV=F(pV0,XV)

(11)

根據(jù)調(diào)節(jié)閥或調(diào)節(jié)級(jí)流量特性曲線(見(jiàn)圖5)，可以編制當(dāng)pV0恒為設(shè)計(jì)值pV0R時(shí)，調(diào)節(jié)閥質(zhì)量流量qmVR關(guān)于XV的關(guān)系式(12)。當(dāng)變工況下pV0偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，可根據(jù)pV0與設(shè)計(jì)壓力的比值對(duì)調(diào)節(jié)閥流量進(jìn)行修正，見(jiàn)式(13)。

圖5 主調(diào)節(jié)級(jí)流量特性曲線

(12)

(13)

式中：qmV為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通流質(zhì)量流量，kg/s；XV為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，%；pV0為調(diào)節(jié)閥前壓力，kPa；qmVR為當(dāng)調(diào)節(jié)閥前壓力為設(shè)計(jì)壓力時(shí)的調(diào)節(jié)閥通流質(zhì)量流量，kg/s；pV0R為調(diào)節(jié)閥前壓力的設(shè)計(jì)值，kPa，對(duì)于確定的機(jī)組，pV0R為確定值(主蒸汽調(diào)節(jié)級(jí)前壓力即新蒸汽壓力；供熱調(diào)節(jié)級(jí)前設(shè)計(jì)壓力即供熱壓力)。

對(duì)式(12)取逆運(yùn)算，并與式(13)聯(lián)立，即可得到根據(jù)qmV、pV0逆算XV的表達(dá)式(14)。式(11)～式(14)即為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度計(jì)算程序的編制依據(jù)。

(14)

3 對(duì)調(diào)節(jié)偏差的反饋補(bǔ)償

3.1 反饋補(bǔ)償原因分析

第2章所述的自整調(diào)節(jié)屬于開(kāi)環(huán)控制，其控制精度與機(jī)組運(yùn)行方式、熱工況圖的準(zhǔn)確性、調(diào)節(jié)閥流量特性曲線的準(zhǔn)確性、熱平衡圖的準(zhǔn)確性等諸多因素有關(guān)。此外，實(shí)際機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，又存在調(diào)節(jié)閥磨損、通流級(jí)組效率變化、結(jié)構(gòu)改造等情況。因此，以上過(guò)程所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差和偶然誤差都將導(dǎo)致計(jì)算得到的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指令與實(shí)際需求值存在偏差。

為補(bǔ)償這一偏差，自整調(diào)節(jié)系統(tǒng)引入負(fù)反饋控制。以供熱蒸汽抽汽壓力和機(jī)組實(shí)際發(fā)電功率為被控量，通過(guò)串聯(lián)PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率和供熱蒸汽抽汽壓力的無(wú)差調(diào)節(jié)。

3.2 帶偏差死區(qū)的PI控制

單級(jí)抽汽供熱機(jī)組控制方框圖見(jiàn)圖6，雙級(jí)抽汽供熱機(jī)組控制方框圖見(jiàn)圖7。

圖6 單級(jí)抽汽供熱機(jī)組控制方框圖

圖7 雙級(jí)抽汽供熱機(jī)組控制方框圖

壓力變送器和流量變送器分別測(cè)量pex和qmex。控制程序根據(jù)機(jī)組實(shí)際電功率與電網(wǎng)指令偏差ΔN及供熱蒸汽抽汽壓力與設(shè)計(jì)壓力偏差Δpex，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器，對(duì)機(jī)組qmex和目標(biāo)電功率N0進(jìn)行修正。修正后的qmex′和N0′作為輸入值，送入熱工況圖計(jì)算程序和調(diào)節(jié)閥開(kāi)度計(jì)算程序，即可計(jì)算所需的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度X。

所述負(fù)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶有偏差死區(qū)功能，當(dāng)pex、N與目標(biāo)值的偏差在允許范圍以內(nèi)時(shí)，偏差輸出為0，此時(shí)調(diào)節(jié)閥不再動(dòng)作，有利于減小油動(dòng)機(jī)的磨損，并提升調(diào)節(jié)過(guò)程的穩(wěn)定性。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 研究對(duì)象簡(jiǎn)述

以CC100-8.83/4.12/1.47型100 MW雙級(jí)抽汽供熱凝汽式汽輪機(jī)為研究對(duì)象，其原則性熱力系統(tǒng)圖見(jiàn)圖8。該機(jī)組采用定壓運(yùn)行，通過(guò)控制主蒸汽調(diào)節(jié)級(jí)C0開(kāi)度調(diào)整主蒸汽流量。供熱工況下，高、低壓熱用戶分別通過(guò)改變高、低壓供熱閥開(kāi)度X1、X2調(diào)節(jié)供熱蒸汽流量。機(jī)組自整調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)控制高壓供熱調(diào)節(jié)級(jí)C1開(kāi)度以維持高壓供熱蒸汽抽汽點(diǎn)A壓力為4.12 MPa，通過(guò)控制低壓供熱調(diào)節(jié)級(jí)C2開(kāi)度以維持低壓供熱蒸汽抽汽點(diǎn)B壓力為1.47 MPa。

圖8 CC100-8.83/4.12/1.47機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖

基于LabVIEW軟件平臺(tái)建立汽輪機(jī)側(cè)動(dòng)態(tài)仿真數(shù)學(xué)模型。在仿真模型基礎(chǔ)上，按第2、第3章所述的解耦策略建立自整調(diào)節(jié)控制程序，并進(jìn)行單級(jí)、雙級(jí)抽汽變工況試驗(yàn)。

4.2 單級(jí)抽汽供熱變工況試驗(yàn)

以高壓?jiǎn)渭?jí)抽汽供熱試驗(yàn)為例，手動(dòng)改變供熱閥開(kāi)度X1以模擬高壓熱用戶用汽量變化，手動(dòng)改變N0以模擬電網(wǎng)負(fù)荷指令變化。自整調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)C0及C1開(kāi)度以響應(yīng)電負(fù)荷需求，并維持高壓供熱蒸汽抽汽點(diǎn)A壓力4.12 MPa。X1開(kāi)度擾動(dòng)、N0擾動(dòng)試驗(yàn)見(jiàn)表1，電功率及高壓供熱蒸汽壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖9。

表1 高壓?jiǎn)渭?jí)抽汽供熱變工況試驗(yàn)

圖9 高壓?jiǎn)渭?jí)抽汽供熱變工況試驗(yàn)1、2動(dòng)態(tài)曲線

由表1可以看出：在所設(shè)計(jì)的自整調(diào)節(jié)控制算法下，機(jī)組電功率靜態(tài)偏差在1%以內(nèi)，供熱壓力靜態(tài)偏差在0.5%以內(nèi)，且調(diào)節(jié)過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。

4.3 雙級(jí)抽汽供熱變工況試驗(yàn)

雙級(jí)抽汽供熱工況下，手動(dòng)改變供熱閥開(kāi)度X1、X2以模擬高、低壓熱用戶用汽量變化，手動(dòng)改變N0以模擬電網(wǎng)負(fù)荷指令變化。自整調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)C0、C1、C2開(kāi)度以響應(yīng)電負(fù)荷需求，并維持高壓供熱蒸汽抽汽點(diǎn)A壓力4.12 MPa，低壓供熱蒸汽抽汽點(diǎn)B壓力1.47 MPa。X1、X2開(kāi)度擾動(dòng)和N0擾動(dòng)試驗(yàn)見(jiàn)表2，電功率及高、低壓供熱蒸汽壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖10。

表2 雙級(jí)抽汽供熱變工況試驗(yàn)

表2(續(xù))

圖10 雙級(jí)抽汽供熱變工況試驗(yàn)5、6、7動(dòng)態(tài)曲線

由表2可以看出：在所設(shè)計(jì)的自整調(diào)節(jié)控制算法下，機(jī)組電功率靜態(tài)偏差在1.5%以內(nèi)，供熱壓力靜態(tài)偏差在1%以內(nèi)，且調(diào)節(jié)過(guò)程動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)筆者提出了一種以熱工況圖為核心，基于抽汽供熱機(jī)組運(yùn)行特性的自整調(diào)節(jié)控制策略。通過(guò)建立抽汽供熱機(jī)組動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行電功率目標(biāo)值擾動(dòng)及供熱量擾動(dòng)等變工況試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種自整調(diào)節(jié)策略的可行性。

(2)相比于傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)方案，該調(diào)節(jié)策略的優(yōu)勢(shì)為：將具體機(jī)組的熱力特性(熱工況圖)及調(diào)節(jié)閥特性(調(diào)節(jié)閥流量曲線)納入自整調(diào)節(jié)算法中作為前饋調(diào)節(jié)，可以有效提升一次調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，減少后續(xù)負(fù)反饋調(diào)節(jié)的時(shí)間，從而在保證調(diào)節(jié)精確性的同時(shí)能有效減少油動(dòng)機(jī)的磨損。

(3)該調(diào)節(jié)策略尚存在一些問(wèn)題：工程實(shí)際中通常只監(jiān)測(cè)供熱蒸汽抽汽的壓力，而不直接監(jiān)測(cè)供熱質(zhì)量流量，因此如果要應(yīng)用這種控制策略,則應(yīng)增加流量變送器；且熱工況圖和調(diào)節(jié)閥流量曲線的錄入會(huì)使控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。但是隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升與傳感器工藝的發(fā)展，這種自整調(diào)節(jié)控制策略作為一種新的、可行的控制思路，具有進(jìn)一步研究的意義和價(jià)值。