一种灵活性切除低压缸的抽汽供热系统及控制方法与流程

本发明涉及一种抽汽供热机组灵活性切除低压缸技术及运行控制系统，特别涉及抽汽机组供热量大，调峰能力要求较高的抽汽供热机组灵活性切除低压缸的运行系统改造及运行控制技术。

背景技术：

目前，抽汽汽轮机为保证低压缸安全运行，通常设计单个低压缸120-150t/h的最小进汽冷却流量。实际运行过程中由于低压缸进汽蝶阀设计最小通流能力大，同时低压缸进汽蝶阀的口径大，设备可控性差，蝶阀一般处于手动控制，加之部分电厂运行调整偏于保守，使供热机组进入低压缸的最小冷却流量一般控制在200-250t/h的范围内。低压缸进汽流量的增加，导致相同发电量下，机组供热能力明显下降。若要保持相同的供热量，低压缸进汽流量每增加100t/h，需增加机组出力约50mw，过大的低压缸冷却流量，限制了机组的供热能力，也降低了机组的下限调峰能力，直接影响到机组运行的灵活性。

为提高供热机组的供热及调峰能力，部分电厂对单台机组进行了低压缸光轴改造或高背压供热改造，这两种改造方式，一般适用于供热面积增加或热网循环水量增大的情况，且改造后的机组供热一般采用“以热定电”或“以电定热”的方式，实际调峰范围明显下降，并不能全面提高供热机组的运行灵活性。还有一些个别机组采用全部切除低压缸的运行方式，近似于低压缸光轴运行，在操作不当或运行方式不合理的情况下，会直接影响低压缸的安全运行，运行方式也存在一定的技术风险。

机组运行背压下降，低压缸需要的最小冷却流量将成正比下降，在实现低压缸超低背压运行的基础上，采用“灵活性切除低压缸”运行技术，可自动实现最小冷却工况(切缸状态)到不同供热运行工况及凝汽工况的连续灵活切换运行。对于大部分供热机组而言，实际运行供热工况的最小冷却流量可下降100-150t/h以上，机组单机供热面积可增加150-220万平方米，或相同供热量下机组下限运行电负荷增加50-75mw，机组的供热能力和运行灵活性都可得到显著提高。

技术实现要素：

本发明提供的切除低压缸的抽汽供热系统灵活性及控制方法，可解决目前抽汽供热机组供热能力偏低，运行调节灵活性差的技术问题。

为解决上述问题，实现低压缸进汽参数与排汽参数同步匹配控制的灵活性运行控制方式，首先对低压缸进汽管道蝶阀进行改造或更换，使其可在供热期间关闭运行，同时保证关闭时满足1-2％额定低压缸进汽流量的通流量，满足蝶阀及管路系统处于热备用状态，并在原有热网加热系统抽汽管道隔离阀前取汽通过增设低压缸进汽旁路管路系统，保证不同运行工况下的低压缸通流量，并在一定范围满足机组热电负荷的匹配。

低压缸进汽旁路管路系统，由低压缸进汽冷却器、最小冷却蒸气直通管路、冷却蒸汽小流量调节管路、冷却蒸汽大流量调节管路组成。

低压缸进汽冷却器，采用翅片式管束结构，其汽侧采用双流程，水侧采用单流程，翅片管束宜采用低密度型式，在有效增加蒸汽侧的换热面积同时，控制系统压损，减小设备体积。

低压缸进汽冷却器的冷却水源热网循环水回收其热量，冷却来水可取自热网循环水泵出口热网水，冷却回水回收至热网加热器出水管路或热网循环水泵入口管路。

低压缸最小冷却蒸气直通管路按额定供热压力及超低背压下，保证低压缸最小冷却流量进行设计，设计通流流量为2％-5％低压缸额定进汽流量，管道上设计节流组件，组件的形式可采用节流孔或渐缩喷嘴型式，本方案推荐采用渐缩喷嘴型式，此组件也可根据喷嘴前后压力和温度，方便计算出低压缸进汽流量，特别是在小流量下喷嘴流量为临界流量，其流量与喷嘴前压力成正比，流量计算较为直接。

冷却蒸汽小流量调节管路可在机组抽汽参数、低压缸背压参数变化时，及时调整低压缸进汽流量，此管路设计电动调节阀、节流组件。节流组件的作用时通过一定的节流作用，提高调门的调节精度和线性范围，型式宜采用节流孔。低压缸蒸汽冷却调节管路的通流流量为设计(或根据实际)供热压力下，最小冷却蒸气直通管路、冷却蒸汽小流量调节管路总流量为15％-20％的额定低压缸进汽流量设计。

低压缸进汽冷却蒸汽大流量调节管路可保证当供热量较大幅度变化时，满足低压缸较大流量的进汽通流能力，此管路设计一个旁路电动调节阀。上述三路低压缸进汽管路的总容量，应保证机组在额定抽汽压力下，管道正常流速下满足30-40％左右的低压缸进汽流量的通流能力。为了方便运行期间对低压缸进汽参数进行监测和实现自动控制，在冷却器前后、调节阀前、低压缸进汽管路以及排汽管路分别加装压力和温度测点，在冷却器前加装流量孔板，实时对进汽流量进行监测。其中供热抽汽压力、低压缸进汽管路及排汽管路压力设计为三取二绝对压力测点，温度均采用铂电阻型式。

供热运行的控制方式可根据不同供热量及机组负荷情况，分为低压缸进、排汽最小压比运行控制方式即“切除低压缸运行基本控制方式”；最小冷却蒸汽量控制方式即“切除低压缸运行自动控制方式”和最小冷却蒸汽量限制下的抽汽参数手动调节方式即“冷却流量限制供热运行方式”及自动切缸供热方式“灵活性切缸运行自动控制方式”四种运行控制方式。

(1)切除低压缸运行基本控制方式

低压缸最小冷却管道上的节流组件的临界流量(最大流量)是按照，设计供热抽汽压力下，最低背压运行调节下低压缸的进、排汽压比pb/pc值与设计最大供热工况的压比相同的原则设计的。实际运行中，背压变化、供热抽汽压力变化，出现低压缸进汽量与背压不匹配的现象。因此，在实际运行过程中，需要采用自动调节系统及时对低压缸最小冷却流量进行控制，使pb/pc的实际值接近给定值。基本控制原则为：保证低压缸进排汽压比维持一定比值，来控制低压缸冷却流量调节阀开度。

实际运行过程中，当抽汽压力或低压缸排汽温度偏离规定范围时，可通过手动调整低压缸进排汽压比的给定值来控制低压缸进汽量，来间接控制。

(2)切除低压缸运行自动控制方式

在控制低压缸进、排汽压比的基础上，同时控制低压缸排气温度。

当供热抽汽压力及低压缸排汽压力发生变化时，在低压缸进、排汽的实际压比一定的情况下，低压缸排汽过热度也会发生变化，当实际排汽温度的过热度与给定的温度范围存在偏差时，可通过温差变化适当修正低压缸进、排汽的压比值，修正方式可采用对原给定比值乘以修正系数的方式来进一步微调pb/pc，其修正系数范围较小一般在(0.9-1.2)之间变化。

(3)冷却流量限制供热运行调节方式

当机组抽汽压力高，可手动开大低压缸冷却蒸汽大、小调节阀，满足热、电匹配的要求，当大、小调节阀开度较大时，可开启原抽汽供热蝶阀进行进一步的调整。当抽汽压力低，各阀需关小阀门时，阀门的开度受低压缸进、排汽压比及排汽过热度的限制，使低压缸进汽流量不小于最小冷却流量。

(4)灵活性切缸运行自动控制方式

灵活性切缸方式为自动切缸供热方式,在这种方式下，当供热压力小于等于给定压力时，机组处于切缸运行状态，抽汽压变化对低压缸进排汽压比的修正系数维持1不变。此时控制方式相当于自动切除低压缸运行控制方式。

当抽汽压力高于给定压力时，说明抽汽量偏小，低压缸需增加进汽量，此时通过计算实际抽汽压力与给定压力的比值对低压缸进、排汽压比的给定值进行修正，在实际抽汽压力与给定抽汽压力的比值在1-1.2的范围时，修正系数也为1-1.2，当实际抽汽压力与给定抽汽压力的比值进一步增加时，修正系数比例关系逐步增强，如压力比值达到2，低压缸进、排汽压比的给定值应达到5左右，以保证抽汽压力快速大幅度升高时，较快增加低压缸的进汽量，保持抽汽压力在可控范围变化。

本发明采用同步匹配机组抽汽压力，控制低压缸进汽及排汽参数的方式，可实现抽汽供热机组的灵活性切除低压缸运行，大幅提高供热能力和调峰能力和机组负荷适应性，为供热机组的灵活性改造及供热系统的增容改造，供热机组运行优化提供一种安全可靠、经济的改造技术。

附图说明

图1是本发明第一种具体实施方式中灵活性切除低压缸的抽汽供热系统的框图(湿/间冷机组)；

图2是本发明第二种具体实施方式中灵活性切除低压缸的抽汽供热系统的框图(直接空冷机组)；

图3是本发明的供热抽汽冷却器结构图；

图4是本发明的低压缸进汽旁路布置图；

图5是本发明的灵活性切缸运行自动控制系统图；

图6是本发明的灵活性切除低压缸的抽汽供热系统的控制原理示意图；

图7为本发明灵活性切除低压缸的抽汽供热系统的框图。

具体实施方式

现有技术抽汽供热机组的抽汽供热系统由供热抽汽直接向热网加热器供汽，供热抽汽压力通过低压缸进汽蝶阀调整，保证低压缸的安全运行，冬季供热期间，湿冷机组运行背压维持在4-6kpa，空冷机组运行背压维持在8-10kpa，单个低压缸保证120-150t/h的最小进汽冷却流量。此时低压缸末级叶片已处于一定的鼓风运行状态，低压缸末级叶片的实际效率低于30％，个别机组末级也可能出现负功现象。在这种背压条件下，如进一步直接大幅度降低低压缸进汽流量，末级、次末叶片的鼓风状态会进一步加剧，使两级叶片出口温度大幅增加，动应力增大，直接影响末级、次末级的安全运行。而采用对低压缸喷水减温的措施，仅起到降低低压外缸温度的目的，不能有效解决通流部分的安全性问题。

低压缸冷却流量的下降可显著提高供热能力及调峰能力。当低压缸进汽流量与背压呈正比下降时，其低压缸排汽容积流量可基本维持不变，低压缸末级叶片的动应力水平近似相等，但静应力水平呈正比下降，低压缸整体运行的安全可靠性较低压缸在设计条件下最小冷却流量的运行方式趋于安全可靠。因此降低运行背压，维持低压缸进汽压力与排汽压力的压比与其设计最大供热流量下的压比一致，是实现降低低压缸最小冷却流量的有效途径。

抽汽供热机组在冬季运行，循环水温度在低压缸最小冷却流量情况下可下降到10℃以下，冷却水温为实现运行背压的下降提供了必要的条件。但目前水环真空泵的极限背压一般为3.3kpa，可实现的最低运行背压在4-5kpa，因此安全有效地降低低压缸冷却流量的空间较小。

如要达到实现降低运行背压的目的，需解决目前真空泵抽真空能力不足的问题。研究表明，通过增设一套辅助抽真空系统，可有效改善原真空泵的抽真空能力，使机组实现超低背压安全稳定运行。

在超低背压运行条件下，湿冷机组单个低压缸最小冷却流量可降低为45t/h左右，空冷机组单个低压缸最小冷却流量可降低到20t/h左右，而一般光轴运行的机组低压缸需20-30t/h的冷却流量，机组超低背压运行，可近似达到与低压缸光轴改造运行方式基本一致的供热能力。

目前大部分供热机组低压缸实际运行的最小冷却连流量不小于150-200t/h，如实际运行供热工况的最小冷却流量可下降100-150t/h，机组单机供热面积可增加150-220万平方米，或相同供热量下机组下限运行负荷增加50-75mw。

目前大型供热机组供热工况的设计供热抽汽压力一般在0.3mpa到0.4mpa，tmcr工况进汽量下，对应的供热抽汽温度220-250℃；而75％tha工况进汽量下，对应的供热抽汽温度可达到250-280℃；一般低压缸在设计最大供热工况下，低压缸排汽会出现一定的过热现象，当超低背压运行时，在进排汽压比相同的情况下，虽然其排汽温度变化不大，但过热度会明显增加。

欲使排汽过热度整体控制在合理范围，通过适当降低进汽温度是一个有效的措施。实际运行中，低负荷运行，低压缸更需在切缸状态运行，此时抽汽压力较低，抽汽温度应在为230-260℃之间，通过增设低压缸进汽冷却器使其进汽温度有所下降，可有效减小低压缸排汽的过热度。其冷却方式包括喷水减温及表面式冷却，考虑到实际管路系统与低压缸的入口距离较短，雾化效果较差可能产生低压缸叶片水冲击现象。本发明推荐采用表面式低密度翅片形式冷却器，以适当冷却低压缸进汽温度，控制低压末级进热干度接近于饱和温度，以不会对末级产生水蚀。由于冷却水温与蒸汽温差较大，增减循环水量与蒸汽量，总换热量的变化幅度较小，在进出水温度一定范围内，调节冷却水量，对调节汽温的调节作用较小，当过度减小水量时，会引起冷却水汽化，影响系统正常运行，故进汽冷却水流量不宜作为进汽温度的自动调整手段；且系统运行过程中冷却器具有一定的自适应能力，可不进行水量的频繁调节。

抽汽供热机组供热运行期间，低压缸进汽蝶阀根据热网加热系统的需求进行开度调整，保证供热的同时，也要控制低压缸进汽量满足最小冷却流量要求。在实际运行过程中，由于低压缸进汽蝶阀的通流量大，进行开度调整时过于保守，运行实际开度大，同时考虑阀门的可控性差，容易出现卡涩或其他故障，往往导致低压缸实际进汽流量明显偏大，进而影响到机组的供热能力和调峰能力。

要有效降低低压缸的冷却流量，首先要降低机组运行背压。如要达到实现降低运行背压的目的，需解决目前真空泵抽真空能力低的问题，本文提供了一种灵活性切除低压缸的抽汽供热系统，包括一套辅助抽真空系统32’、一套低压缸进汽冷却器系统和一套低压缸进汽旁路管路系统34。其中，图7中还示出了机组冷端系统33的安装位置，其结构与作用同现有技术相同，请参考现有技术。

辅助抽真空系统32’与的抽真空系统配合，以实现抽汽供热机组超低背压安全稳定。即辅助抽真空系统32’串联与原有真空泵(抽真空系统)之前。辅助抽真空系统主要由大流量辅助真空泵24、冷却装置27、水环真空泵26组成。辅助真空泵极限背压可达0.5kpa左右，为实现机组超低背压运行创造了基本的条件，大流量辅助真空泵24对机组抽真空，在机组冷却条件满足要求的条件下循环冷却水温度10-15℃，直接空冷机组环境温度5℃以下，机组运行背压可控制在1.5-2kpa以内，此时辅助真空泵24出口压力可达到4-5kpa，辅助真空泵24的排气汽混合物，经冷却装置27冷却后，大部分蒸汽被冷却后，疏水经阀门29回收至凝汽器23或排汽装置32，这样减小了进入水环真空泵26进气汽量，相对提高了水环真空泵26的出力，使系统能实现更低背压运行，同时减小了工质损失。

抽汽供热机组原供热方式为抽汽经中压缸1排出，一部分抽汽供热网加热器31加热热网循环水对外供热；少量蒸汽加热回热系统，另一部分经过供热蝶阀2进入低压缸5继续做功，最终低压缸排汽进入凝汽器23或排汽装置32。

为减小进入低压缸的冷却蒸汽流量，需对低压缸进汽管道蝶阀2进行改造或更换，保证关闭时有1-2％额定低压缸进汽流量的通流量，满足蝶阀及管路系统处于热备用状态。考虑到蝶阀口径过大，小流量调节精度差，需增设低压缸进汽旁路管路系统34。其取汽来自原有热网加热系统抽汽管道隔离阀30前。通过增设低压缸进汽旁路管路系统，满足不同运行条件下的低压缸冷却流量，并在一定范围满足机组热电负荷的匹配的流量调节。

低压缸进汽旁路管路系统，设置在抽汽供热机组的中低压连通管上，用于实现抽汽供热机组的灵活性运行调整改造。低压缸进汽旁路管路系统包括低压缸进汽冷却器、最小冷却蒸气直通管路、冷却蒸汽小流量调节管路和冷却蒸汽大流量调节管路。即低压缸进汽旁路管路系统包括低压缸进汽冷却器11及三个支路组成。低压缸冷却蒸汽经过阀门8进入低压缸进汽冷却器11，冷却后，经过最小冷却蒸气直通管路、冷却蒸汽小流量调节管路、冷却蒸汽大流量调节管路后最终连接至供热蝶阀2后管道上。

低压缸进汽冷却器11为低密度翅片式换热结构，冷却水源为热网循环水，低压缸进汽冷却器11来水为热网循环水泵出口热网水经阀门36进入低压缸进汽冷却器11，回水根据实际回水管路长度确定回收位置可经阀门37回收至热网加热器出水或者经阀门34循环水泵入口。低压缸进汽冷却器11内疏水经阀门35回收至凝汽器23或排汽装置32。低压缸进汽冷却器11的设计容量为额定抽汽压力下，冷却蒸气直通管路单独运行时，蒸汽温度下降30-40℃。

抽汽换热器11前后增加蒸汽压力及温度测点6、7、9、10、12、13，方便运行期间数据实时监测及分析。换热后的抽汽，可经过三路低压缸进汽管路进行调整。第一路为最小冷却蒸气直通管路，按额定供热压力及超低背压下，保证低压缸最小冷却流量进行设计，设计通流流量为2％-5％低压缸额定进汽流量空冷机组取小值、湿冷机组取大值，此管路上加装节流组件16，组件的可采用节流孔或渐缩喷嘴型式，本方案推荐采用渐缩喷嘴型式如图4，此组件也可根据喷嘴前后压力和温度，方便计算出低压缸进汽流量，特别是在小流量下喷嘴流量为临界流量，与其流量与喷嘴前压力成正比，流量计算较为直接。节流组件前设计手动门15，方便必要时的运行调整。

第二路为冷却蒸汽小流量调节管路，按额定抽汽压力下15％左右的额定低压缸进汽流量设计，可在机组抽汽参数、低压缸背压参数变化时，及时调整低压缸进汽流量。此管路设计电动调节阀17、节流件18，当低压缸进汽压力3与低压缸排汽压力21的压比发生变化，低压缸排汽温度7超出设定范围，供热抽汽压力偏高6时，可通过电动调节阀17调整低压缸进汽流量。

低压缸进汽冷却器系统具有一定的自适应能力，通过适当降低进汽温度，以确保低压缸排汽过热度整体控制在合理范围之内。具体地，在进入第一、第二路的母管上装有节流孔板14用于测量较小流量时的通流量。两路管在节流件16、18前、后管路的直径根据管路蒸汽压力、温度及流量，控制一定的流速范围，加以确定，因此节流前可选较细的管径，节流后选择与进汽旁路总管接近的管径。

第三路为冷却蒸汽大流量调节管路具有较大的通流能力较大，按额定抽汽压力下40％左右的额定低压缸进汽流量设计。当抽汽压力6发生变化或在热网加热系统退出运行即纯凝工况时机组安全稳定运行，电动调节阀19打开。在额定抽汽压力下，此三路通流量可满足50％左右的低压缸进汽流量的通流能力，保证机组在热网加热系统退出运行即纯凝工况时，保证低压缸正常进汽流量。

供热抽汽灵活性运行调整系统投入运行时，原供热蝶阀2可关闭运行，也可在必要时情况下进行调节。

供热运行的控制方式可根据不同供热量及机组负荷情况，分为低压缸进、排汽最小压比运行控制方式(即“切除低压缸运行基本控制方式”)；最小冷却蒸汽量运行控制方式(即“切除低压缸运行自动控制方式”)和最小冷却蒸汽量限制下的抽汽参数手动调节控制方式(即“冷却流量限制供热运行方式”)及自动切缸供热方式(即“灵活性切缸运行自动控制方式”)四种运行控制方式。

(1)切除低压缸运行基本控制方式

切除低压缸运行控制方式的控制原则为：保证低压缸进排汽压比维持一定比值，来控制低压缸冷却流量调节阀开度。此时抽汽压力控制手动自动切换53的切换选手动，其输出k2＝1，过热度控制pid48的输出几经过切换模块49选手动输出k1＝1，乘法器50的输出为1，供热抽汽压力6及低压缸排汽温度22参数不参与直接控制。

低压缸进汽压力pb3、低压缸排汽压力pc21通过除法器38计算出压比pb/c与压比给定值pb/cs比较后，经死区41、pid调节器43输出f4x、f5x控制小、大电动控制阀17、19的开度，来实现控制目标。f4x、f5x中，开度与pid调节器43的关系按流量非线性函数组态，大、小调门有一定的重叠范围，以保证系统调节平稳。

实际运行过程中，当抽汽压力或低压缸排汽温度偏离规定范围时，可通过手动调整低压缸进排汽压比的给定值来控制低压缸进汽量，间接控制被控参数。

(2)切除低压缸运行自动控制方式

该控制抽汽压力控制手动自动切换53的切换选手动，其输出k2＝1。

该控制方式，切除低压缸运行基本控制方式基础上，同时控制低压缸排汽温度。汽轮机排汽压力pc21经f1x44可计算出其饱和温度值，经加法器45与给定饱和温度值t0相加后进入减法器与tc比较，并经过f2x47处理后送入pid调节器48，形成排汽温度对给定压比的修正系数，控制pid调节器48范围在(0.9-1.2)之间变化，仅满足微调要求。

(3)冷却流量限制供热运行调节方式

该控制抽汽压力控制手动自动切换53的切换选手动，其输出k2＝1。

在切除低压缸运行自动控制方式的基础上，为方便调节抽汽参数，可增加两旁路阀的手动操作功能。

当机组抽汽压力和供热量需进行调整时，可通过取大回路43手动给定开低压缸冷却蒸汽大、小调节阀的总指令直接进行控制，当大、小调节阀开度较大时，可开启原抽汽供热蝶阀进行进一步的调整。当抽汽压力低，各阀需关小阀门时，阀门的开度受低压缸进、排汽压比及排汽过热度的限制，由pid42控制低压缸进汽流量不小于最小冷却流量。

(4)灵活性切缸运行自动控制方式

灵活性切缸方式为自动切缸供热方式,在这种方式下，手动/自动切换块49、53选择自动。

当供热压力小于等于给定压力时，机组处于切缸运行状态，抽汽压变化对低压缸进排汽压比的修正系数维持1不变。此时控制方式相当于切除低压缸运行自动控制方式。

当抽汽压力pa6高于给定压力pas时，除法器51的输出压力比例pa/pas大于1，该比值通过f2x对低压缸进、排汽压比的给定值进行修正，在实际抽汽压力与给定抽汽压力的比值在1-1.2的范围时，修正系数＝pa/pas，此时可基本保持旁路门开度不变。当实际抽汽压力与给定抽汽压力的比值进一步增加时，修正系数逐步增强，如压力比值达到2时，低压缸进、排汽压比的给定值应达到5左右，以保证抽汽压力快速大幅度升高时，较快增加低压缸的进汽量，保持抽汽压力在可控范围变化。速率限制模块54可限制f2x输出值的变化速率，保证系统调节平稳。

实际运行中当抽汽压力明显偏高时，也可及时调整供热蝶阀2维持抽汽参数正常。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。