工業(yè)企業(yè)蒸汽參數(shù)控制策略及效果

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摘要:工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排是實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵所在。突破傳統(tǒng)單體節(jié)能策略，通過區(qū)域供能系統(tǒng)滿足工業(yè)園區(qū)多類型工業(yè)企業(yè)用能需求是推進(jìn)工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排的重要抓手之一。以上海某工業(yè)園區(qū)為立足點(diǎn)，基于燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)的區(qū)域供熱系統(tǒng)，針對(duì)某大型工業(yè)企業(yè)的供熱改造方案，設(shè)計(jì)了蒸汽參數(shù)控制策略，提出了優(yōu)化調(diào)節(jié)方案。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該控制策略可有效實(shí)現(xiàn)供熱參數(shù)的自動(dòng)控制，使系統(tǒng)在提高供熱參數(shù)穩(wěn)定性的同時(shí)，有效降低發(fā)電氣耗并增加系統(tǒng)總收益。

關(guān)鍵詞:區(qū)域供熱;工業(yè)企業(yè);蒸汽參數(shù);控制策略

自主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)、氣候雄心峰會(huì)、中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議上宣布碳中和目標(biāo)，部署碳達(dá)峰、碳中和相關(guān)工作任務(wù)以來，各級(jí)政府、各大企業(yè)、各類研究機(jī)構(gòu)均在積極部署，緊密謀劃，并作出針對(duì)性安排［1］。就終端碳排放領(lǐng)域而言，我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域由于其在終端能耗中占比較大，因此也是推進(jìn)碳減排的重點(diǎn)所在［2-4］。為全面推進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳，應(yīng)以高載能行業(yè)為重點(diǎn)，主要通過實(shí)施結(jié)構(gòu)節(jié)能、強(qiáng)化技術(shù)節(jié)能、提升管理節(jié)能等幾個(gè)方面推進(jìn);同時(shí)，堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)建立有利于節(jié)能降耗的科技研發(fā)、推廣和應(yīng)用體系，為工業(yè)節(jié)能與綜合利用提供基礎(chǔ)和支撐［5-7］。在推進(jìn)單個(gè)工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排的同時(shí)，對(duì)于一些多類型工業(yè)企業(yè)集中而成的工業(yè)園區(qū)，可以通過構(gòu)建區(qū)域能源系統(tǒng)，形成園區(qū)內(nèi)能源、資源的互補(bǔ)協(xié)同，從而從區(qū)域整體降低能源消費(fèi)和碳排放［8-］。就工業(yè)企業(yè)的終端用能需求而言，除電力需求外，以蒸汽供應(yīng)為主體的熱力需求也占比較大。然而，不同類型工業(yè)用戶由于其生產(chǎn)工藝差異，所需要的蒸汽品質(zhì)也不一致。為此，針對(duì)區(qū)域能源站提供的統(tǒng)一蒸汽品質(zhì)，如何通過有效的控制策略以滿足終端用戶個(gè)性化蒸汽參數(shù)需求，是工業(yè)園區(qū)區(qū)域供熱系統(tǒng)亟需解決的關(guān)鍵問題［-12］。本文以上海某大型工業(yè)園區(qū)為立足點(diǎn)，基于其所導(dǎo)入的區(qū)域供熱系統(tǒng)，針對(duì)某特定用戶的蒸汽需求，設(shè)計(jì)有效參數(shù)控制策略，并驗(yàn)證實(shí)施效果。

1區(qū)域供熱系統(tǒng)簡(jiǎn)介

上海某大型工業(yè)園區(qū)以能源站為核心供能，能源站負(fù)責(zé)工業(yè)園區(qū)的集中供冷、供熱任務(wù)，內(nèi)有燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)4套，包括燃?xì)廨啓C(jī)4臺(tái)、蒸汽型溴化鋰機(jī)組2臺(tái)，另有電制冷機(jī)組1臺(tái)等。該供能網(wǎng)絡(luò)通過集中式電力母線和公共電網(wǎng)交換電力，能源站電力全部上網(wǎng)。同時(shí)，該能源站的全部燃?xì)馑杈赏獠抠?gòu)買獲得。燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)三聯(lián)供系統(tǒng)由燃機(jī)系統(tǒng)、蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、溴化鋰制冷系統(tǒng)等子系統(tǒng)構(gòu)成，具體如圖1所示。該系統(tǒng)首先利用天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)庠谌細(xì)廨啓C(jī)中做功，產(chǎn)生電能，另外燃?xì)廨啓C(jī)的排氣送入余熱鍋爐中，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)進(jìn)一步做功發(fā)電，同時(shí)全年采用抽汽供熱(蒸汽)，夏季時(shí)使用溴化鋰制冷機(jī)制冷供冷，冬季時(shí)使用板式換熱器制熱供熱。具體工藝流程為燃?xì)廨啓C(jī)的排氣送入余熱鍋爐產(chǎn)生水蒸氣，余熱鍋爐的次高壓蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)(抽凝式、背壓式)中做功，汽輪機(jī)抽汽(或排汽)再用于供熱。余熱鍋爐的低壓蒸汽通過溴化鋰機(jī)組滿足空調(diào)冷負(fù)荷，進(jìn)一步提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力和效率。燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)多軸布置，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能由線路輸送給電網(wǎng)。目前，能源站覆蓋的園區(qū)供冷、供熱用戶共計(jì)5家，其中包括15家空調(diào)冷負(fù)荷用戶，44家蒸汽負(fù)荷用戶。上述用戶涉及各個(gè)領(lǐng)域，包括設(shè)備生產(chǎn)、高新科技、食品加工、醫(yī)療器械生產(chǎn)、工業(yè)用品生產(chǎn)、藥品生產(chǎn)以及化學(xué)品生產(chǎn)等。本文以某大型工業(yè)用品生產(chǎn)企業(yè)為例，針對(duì)其蒸汽參數(shù)控制策略進(jìn)行分析。

2蒸汽參數(shù)控制方案設(shè)計(jì)

2．1用戶供熱參數(shù)要求

某大型工業(yè)用品生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)工藝所需蒸汽的具體參數(shù)要求為2．0±0．05MPa，溫度要求為具有過熱度2℃以上，即該用戶用熱參數(shù)壓力變化范圍為1．5～2．05MPa，溫度為℃以上。為滿足上述企業(yè)的生產(chǎn)需求，區(qū)域供能企業(yè)需要控制供熱蒸汽數(shù)據(jù)并完成實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)控，這需要滿足以下2個(gè)條件:(1)必須保證遠(yuǎn)方控制參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)侥茉凑痉稚⒖刂葡到y(tǒng)(DCS)，在DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視，控制好高壓管網(wǎng)供汽壓力;(2)就地供蒸汽管道上增加就地壓力調(diào)節(jié)閥，將蒸汽入口壓力控制在2．～2．35MPa，出口壓力控制在2．0±0．05MPa，滿足用戶要求。

2．2數(shù)據(jù)采集傳輸方案

由于該用戶蒸汽用量很大，與另一大型乳品企業(yè)流量變化相互之間影響較大，要完成實(shí)時(shí)參數(shù)控制，必須保證遠(yuǎn)方控制參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)，參數(shù)更新速率、準(zhǔn)確度都應(yīng)滿足要求，才能在DCS系統(tǒng)實(shí)施控制，確保高壓熱網(wǎng)供熱參數(shù)穩(wěn)定。為此，首先考慮將這兩家大用戶的蒸汽參數(shù)實(shí)時(shí)傳送到DCS系統(tǒng)，結(jié)合區(qū)域供能企業(yè)高中壓熱網(wǎng)的運(yùn)行方式，調(diào)整高壓熱網(wǎng)的供汽參數(shù);其次，充分利用終端用戶原有鍋爐作為調(diào)節(jié)裝置，在出口母管上加裝穩(wěn)壓調(diào)節(jié)閥，自動(dòng)控制蒸汽壓力。在該傳輸方案中，信號(hào)源采用該用戶熱網(wǎng)關(guān)口計(jì)量表及控制閥前參數(shù)表，各擴(kuò)展一路串口5信號(hào)，作為2路蒸汽信號(hào)源;壓力調(diào)節(jié)閥控制器輸出一路5串口信號(hào)，作為閥門控制參數(shù)信號(hào)源，傳輸信號(hào)統(tǒng)一采用Modbus通訊協(xié)議。數(shù)據(jù)采集圖如圖2所示。為了更好地對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸，其傳輸過程分以下3個(gè)步驟進(jìn)行:(1)在用戶側(cè)IT中心，將串口設(shè)備用Modbus網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口(Modbus/TCP協(xié)議)，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為光纖接口;(2)基于聯(lián)通公司光纜，采用多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)(Multi-ServiceTransportPlatform，MSTP)技術(shù)(信號(hào)為數(shù)據(jù)專線，帶寬為2Mbps)，符合網(wǎng)絡(luò)安全等保測(cè)評(píng)要求，將數(shù)據(jù)接入?yún)^(qū)域供能企業(yè)IT機(jī)房;(3)通過光纜把數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻CS熱網(wǎng)站控制室，在DCS控制室轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口(Modbus/TCP)協(xié)議，可以直接接入DCS網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，更新速率約1s/次。信號(hào)傳輸過程中用到的自動(dòng)調(diào)節(jié)硬件設(shè)備如圖3所示。

3蒸汽參數(shù)控制策略設(shè)計(jì)

3．1用戶蒸汽壓力參數(shù)控制策略

用戶側(cè)蒸汽壓力參數(shù)控制策略采用兩級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，區(qū)域供能企業(yè)出口高壓管網(wǎng)壓力控制在2．2MPa，用戶蒸汽采用電動(dòng)基地式壓力調(diào)節(jié)閥，出口壓力設(shè)定在2．0MPa。調(diào)試的方式為將供用戶側(cè)高壓管網(wǎng)蒸汽壓力控制在2．05～2．3MPa，減壓閥控制壓力設(shè)定值SV設(shè)為2．0MPa，逐步優(yōu)化高壓熱網(wǎng)減溫減壓調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)蒸汽壓力自動(dòng)控制。

3．2用戶側(cè)減溫減壓閥投用及供熱調(diào)試策略

在確定蒸汽參數(shù)控制策略后進(jìn)行供熱調(diào)試，調(diào)試過程分為冷態(tài)調(diào)試和熱態(tài)調(diào)試。冷態(tài)調(diào)試的步驟如下:(1)確認(rèn)用戶側(cè)新增壓力調(diào)節(jié)閥及輔助設(shè)備已安裝，壓力變送器校驗(yàn)合格，調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)器及壓力變送器安裝結(jié)束;(2)電動(dòng)調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上電，手動(dòng)整定執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度，使指令和閥位一一對(duì)應(yīng);(3)進(jìn)行閥門控制器調(diào)節(jié)器上電及參數(shù)設(shè)置，上電正常后與執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)調(diào)，確認(rèn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作正確性，初步設(shè)定PID參數(shù)，確定調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作上下限分別為%和5%。熱態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)試的關(guān)鍵步驟如下。(1)在調(diào)節(jié)器上手動(dòng)關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，打開調(diào)節(jié)閥前手動(dòng)閥和調(diào)節(jié)閥后手動(dòng)閥，逐漸設(shè)定調(diào)節(jié)器上壓力給定值，首先設(shè)定壓力為1．0MPa，觀察調(diào)節(jié)情況，發(fā)現(xiàn)閥門跟蹤較慢，調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間大于s，不滿足要求，則優(yōu)化PID參數(shù)，觀察調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間小于5s，調(diào)節(jié)閥后壓力可以滿足蒸汽品質(zhì)要求;逐漸增加壓力設(shè)定值為1．5MPa，調(diào)節(jié)正常后，壓力設(shè)定值增加到1．MPa，做壓力給定值和調(diào)節(jié)閥開度擾動(dòng)試驗(yàn)。(2)逐步升高管網(wǎng)壓力，將調(diào)節(jié)閥前壓力控制在2．05～2．30MPa，調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定值增加到2．0MPa，閥門調(diào)節(jié)過程數(shù)據(jù)記錄見表1.(3)最后，將高壓蒸汽管網(wǎng)壓力控制在2．20MPa，用戶側(cè)供汽壓力穩(wěn)定在2．00MPa，閥門開度為．6%，觀察30min，控制無異常，調(diào)試結(jié)束。

4控制效果分析

在用戶側(cè)蒸汽壓力控制正常投運(yùn)后，觀察到某典型日14:20～14:區(qū)間，米其林工廠(以下簡(jiǎn)稱“米其林”)蒸汽流量變化范圍為．1～12．2t/h，入口蒸汽壓力變化范圍為2．1～2．2MPa，閥門開度在44．3%～．%，出口壓力穩(wěn)定在1．～2．01MPa。由此可見，調(diào)節(jié)品質(zhì)(穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。在用戶實(shí)現(xiàn)直供前，其蒸汽參數(shù)歷史曲線如圖4所示。本次用戶蒸汽壓力控制正常投運(yùn)后，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，得到的歷史曲線如圖5所示。通過圖4和圖5的對(duì)比分析可知，用戶實(shí)現(xiàn)直供前，其供熱溫度、壓力受高壓供熱母管流量影響，波動(dòng)較大，當(dāng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)后，供熱溫度受高壓母管流量影響較小，可維持穩(wěn)定，從而驗(yàn)證了前述策略的可行性和有效性。

5結(jié)論

本文以上海某區(qū)域供能企業(yè)對(duì)工業(yè)園區(qū)內(nèi)某大型工業(yè)企業(yè)的供熱改造項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對(duì)工業(yè)企業(yè)蒸汽參數(shù)控制策略進(jìn)行了針對(duì)性研究。通過對(duì)控制方案、控制策略以及控制效果的分析，可以得到以下結(jié)論。(1)通過本文所提出的控制策略，實(shí)現(xiàn)了用戶供熱參數(shù)的自動(dòng)控制，為用戶實(shí)現(xiàn)直供汽建立了基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。提高供熱參數(shù)穩(wěn)定性的同時(shí)，減少了人工干預(yù)，運(yùn)行方式更加安全。(2)通過蒸汽參數(shù)自動(dòng)控制用戶實(shí)現(xiàn)直供，關(guān)停了用戶側(cè)的燃?xì)忮仩t，提高了供能側(cè)冷熱電三聯(lián)背壓供機(jī)組發(fā)電量，有效降低了發(fā)電氣耗;每年可增加發(fā)電量近00萬(wàn)kWh，全年增利約7萬(wàn)元。

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作者：陳建偉 單位：上海華電閔行能源有限公司