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摘要:本文介绍了华能白山煤矸石发电有限公司两台330MW空冷机组抽汽供热改造过程中，热工控制部分需改造内容，该改造实践对今后同类机组的供热改造工作的开展具有一定的参考价值。
關键词：快开调节阀；抽汽自动；热网首站；流量；补偿；直管段
中图分类号：TB857文献标识码： A
一．前言
华能白山煤矸石发电有限公司现有两台1180t/h亚临界、单炉膛、双布风板、平衡通风、一次中间再热、自然循环流化床汽包炉配2台330MW亚临界直接空冷纯凝发电机组，相继于2012年投产运营。在地方政府的建议下，公司于2012年下半年对两台机组进行了抽汽供热改造，供热抽汽为中压缸排汽，抽汽参数0.25~0.5MPa、237℃，平均抽汽量为300t/h，最大供热抽汽量为350t/h。供热改造工程的实施，将取消区内大量的采暖小锅炉房，淘汰落后产能，有效地减少粉尘、SO2和NOx的排放，改善冬季雾霾天气多发状况，促进本地区生态环境改善，创造可观的经济效益和社会效益。
二．供热改造控制部分介绍
机组的供热改造项目共分为单元机组抽汽改造施工、热网公用部分施工和供热计量部分施工三个分项。供热热网加热器工作汽源采用汽轮机中压缸至低压缸联通管的抽汽，热网循环水源采用化学软化装置处理后硬度≤0.03mmol/l软化水。
现就本工程的热工控制方案按这三个分项进行讨论：
1.单元机组抽汽改造
单元机组通流部分改造的方式是将原有的中低压缸联通管取消，更换成波纹膨胀节式联通管，在其上采用打孔方式引出一根抽汽管道作为采暖供热汽源。单元机组供热改造中热工控制主要任务是实现对中低压缸联通管快开调节阀、抽汽管道逆止阀、抽汽快关调节阀和抽汽快关蝶阀的控制，并加装相应流量、温度、压力等测点，以满足对机组供热抽汽关键参数的监视和控制需要。1.1.DCS部分增加的控制硬件
公司单元机组控制系统采用的是上海新华公司的XDPS400e+OC6000e软硬件组合系统。通过对机组DCS系统硬件状况的调查，按照设计院提供给图纸并核对单元机组改造所需增加DCS通道数量，公司决定供热改造新增控制功能所需DCS卡件，不新加DPU和控制柜，而是在DEH系统控制柜的空余卡槽上安装。这样在充分利用原有资源的基础上，不但便于施工，而且节约了成本。
本次改造新增DCS硬件主要包括模拟量输入卡AI及其端子板，模拟量输出卡AO及其端子板，开关量输入卡DI及其端子板，开关量输出卡DO及其端子板，还有37芯通讯电缆及24V电源线等。详细清单如图1。
图1
1.2组态中增加的控制逻辑
供热改造所涉及的控制、调节、保护联锁逻辑均在DEH 中实现。机组投入供热的条件是负荷大于165MW（机组额定负荷的一半），切除条件是负荷低于150MW。机组抽汽投入后，可通过控制联通管快开调节阀的开度控制抽汽量。如果需要投入自动，可以通过在抽汽自动操作面板上设定抽汽压力定值及其速率，进入抽汽自动调整模式，由自动回路对联通管快开调节阀进行自动控制。该自动回路的被调量信号取的是位于联通管与抽汽管道连接处的三个抽汽压力信号的平均值。虽然该阀门设计时机械部分已考虑进去管道内蒸汽的最小流量要求，但实际运行中仍要在DCS控制逻辑中对该阀的输出开度进行最低限制，即阀门开度不得低于30%，以保证中压缸至低压缸的蒸汽流量满足机组安全稳定运行的需要。
值得一提的是，空冷机组的背压控制对抽汽供热效率和低压缸汽流做功效率会造成一定的影响。尽管机组背压升高汽轮机的相对内效率有所降低，但因回收乏汽能力增加，降低了热力循环中的冷源损失，系统总的热效率仍会提高。因此在相同供热量情况下，机组背压在保证安全的范围内适当升高，其经济性会更好。单元机组供热逻辑的主要联锁保护关系如表1：
1 抽汽投入条件
1.1 机组负荷＞165MW
2 1号机抽汽退出条件
2.1 手动退出
2.2 发动机解列
2.3 汽机跳闸
2.4 机组负荷＜150MW
2.5 连通管压力＞0.65MPa
2.6 运行机组负荷＞100MW且任一热网加热器水位高高高（＞1400mm）
3 抽汽退出后，联动以下设备
3.1 1号机热网抽汽快开调节阀全开
3.2 1号机热网抽汽逆止阀全关
3.3 1号机热网抽汽快关调节阀全关
3.4 1号机热网抽汽快关蝶阀全关
表1
1.3就地增加的控制设备
供热改造所采用阀门均由江南阀门有限公司制造，阀门在工艺系统中的位置如图2所示。其中，联通管快开调节阀、抽汽快关调节阀和抽汽快关蝶阀为液控阀门，并配有就地控制箱，可实现就地操作，阀门动力源经过哈汽论证可采用原主机EH油箱EH油源；而抽汽管道逆止阀为气动阀门，动力源为厂用压缩空气。此外，快开和快关两个调节阀的就地控制箱内装有PLC控制装置，PLC型号为AB1500。通过该控制装置可实现对阀门的模拟量控制方式和开关量控制方式。模拟量控制就是该PLC接受来自于DCS系统的标准4~20mA模拟量输出信号，通过阀门上的伺服阀对阀门进行开关控制，并将LVDT传感器的反馈阀门开度以标准4~20mA信号形式反馈给DCS系统。开关量控制就是该PLC接受来自DCS系统的开关量DO信号，比如慢开、慢关和快开、快关信号，对阀门进行开关控制。该PLC还会将本系统的其他一些关键状态量也反馈给DCS系统，比如传感器故障、输入信号故障、24V失电等等，以满足运行人员监视需要。需要说明的是，联通管快开调节阀的开关量控制方式除了慢开、慢关，就是快开方式。而快开的使用是在紧急情况下为使抽汽挡板快速回到不供热状态（即该调节阀开度为100%）而设置的，一般情况下不建议使用。这个阀门与调节系统的关系有些特殊，不抽汽时阀门全开，若阀门往关方向动作，则抽汽量增大。当阀门控制电源失去时，阀门会在弹簧蓄能装置作用下0.5秒之内快速全开，进入安全状态。抽汽快关调节阀的开关量控制方式有慢开、慢关和快关。该阀门为失电快关型，其电控快关功能是为了在紧急情况下能快速关闭该阀门隔断抽汽而设置的，一般也不建议使用。
图2
1.4就地增加仪表
根据单元机组抽汽改造厂家设计方案，新引进的测点并不多，有中低压缸进汽温度、联通管调节阀前后压力、抽汽压力。其中抽汽压力测点一共三点，是为投抽汽自动所设计的三点压力，取样点位于联通管与抽汽管道连接处，抽汽管道的膨胀节前。
2.热网公用系统施工
热网公用部分主要设备有两台热网加热器、4台热网循环水泵和3台热网疏水泵。而热工控制的主要任务是通过DCS控制系统和就地各种电动阀门，完成对热网加热过程、循环水循环及加热器疏水的控制，并实现对热网系统中各关键参数的监视。
2.1 DCS部分增加的控制硬件
热网系统DCS控制部分施工方案是新增一个新华XDPS400e的DPU控制站，为节约电缆使用量，将这个独立控制柜置于热网首站，与热网加热器处于同一平台。为安全起见，还在热网加热器与控制站间加设了一道隔离墙。
这个控制站在新华DCS网络结构上隶属于DCS公用系统，DPU号码为06，DPU通过站内百兆光端机以光缆连接形式进入DCS公用系统，并通过DCS的网桥bridge与单元机组的各控制站实现实时通讯。控制站内装置主要有eDPU控制卡，5V、48V电源模块，模拟量输入卡AI及其端子板，模拟量输出卡AO及其端子板，开关量输入卡DI及其端子板，开关量输出卡DO及其端子板，还有一台百兆光端机。控制柜内详细设备配置情况如下表2：
表2
2.2组态控制逻辑
热网公用部分热网加热器、热网循环泵和热网疏水泵的控制、调节与联锁保护逻辑均在DPU06控制器中实现。供热时运行人员可选择两台热网加热器中任一台运行，也可以选择两台加热器并列运行。加热器水位过高时，水位高保护动作加热器解列，联锁加热器汽侧阀门和壳程紧急放水阀门，并同时发信号给单元机组DEH控制部分，联锁关闭抽汽快关阀。热网循环水泵采用并联系统母管方式工频运行，用来控制循环水供水流量和压力，热网疏水泵则通过变频控制方式控制热网加热器水位及热网疏水至除氧器母管的压力。热网补水则通过变频泵调节使热网循环水回水压力恒定。
2.3就地增加的控制设备及仪表
热网系统就地热工设备包括热网加热器及其附属管道上的各流量、温度、液位和压力测点，热网循环泵本体及附属管道上的流量、温度和压力测点，热网疏水泵本体及附属管道上的流量、温度和压力测点，各管道上的电动阀门35个，气动疏水门一个。
3.热网计量系统施工
3.1新增计量系统软硬件概述
热网计量系统是电厂与热力公司进行供热结算的主要依据，其准确性将直接影响电厂的经济效益。本公司采用的是吉林电力技术开发公司的供热能量监测计量系统，主要功能为采集热网各项实时数据，并通过实时计算对流量进行全修正补偿计算、热量计算、流量累計、热量累计、数据保存、基本数据实时显示、工况参数组态及供热数据统计及形成报表功能。计量系统主要由安装组态程序的主机和数据采集器、适配器、打印机及就地测量仪表组成，数据采集器、适配器采用南京工程兵学院的EF-1102型采集装置。经过吉林电科院供热强制检定认证，系统精度优于±0.4%，可作为电厂对外供热计量收费的合法依据。系统中所采集的供回水流量、压力、温度、补水流量信号仪表及其附件均为独立于DCS系统之外的另一套仪表，并经过吉林电科院强制检定合格。
3.2供热数据处理关键技术
计量系统中的热量计算涉及很多热力学知识，需要根据供热流量、温度、压力，在焓熵图中计算介质的焓值，最后计算出热量。其中所用流量，必须根据供水的温度、压力，在线计算介质的密度，最后计算供回水流量，即通常所说的温度、压力补偿，只有经过密度修正的流量，才能满足供热计量的要求。
3.3施工注意事项
3.3.1仪表管路施工
计量系统所用流量、压力仪表被置于供回水管道旁的热网仪表计量室内，其仪表取样管路因大部分位于室外，故需要采取保温防冻措施。我公司采用220VAC高级伴热带对仪表管路伴热，并配有温控仪表及感温元件，可根据冬季室外仪表管路表面温度高低情况来自动控制仪表管路的伴热投切。仪表伴热施工结束后，还要用硅酸铝保温材料将管路保温，最后用铁皮将保温材料严密包裹好，既美观、又防冻。
3.3.2流量孔板施工
供回水流量所用标准节流孔板安装时，前后直管段长度一定要掌握好。孔板直管段长度很可能受施工场地环境因素限制不会太长，但至少要符合国标要求，否则影响计量的准确性。直管段长度与阻流件类型及β值有关。依据我公司供回水管路实际位置及管道走向，阻流件处于互成垂直平面上的两个90°弯头之间（30D≥S≥5D）。其中，D为管道直径，S为前后弯头之间距离。β值是孔板的开孔直径比，我公司采用的供回水流量孔板β值均为0.6。这样依据《GB/T 2624.2-2006》国标中对节流孔板的安装要求，考虑管道内壁与孔板入口边缘粗糙程度等因素所引起的附加不确定度因素，执行前18D（D为管路直径）后3.5D标准。
三．结语
机组供热改造后，经过两个冬季的供热情况来看，机组运行稳定，供热效果良好，不但为本地区冬季供热提供了稳定可靠的热源，改善了本地生态环境，还提高了资源利用率，为公司赚取了更多的利润，可谓经济效益与社会效益双丰收，使企业走上了一条资源节约型、环境友好型的新路。
参考文献
[1]《热电联产规划设计手册》杨旭中,郭晓克,康惠 中国电力出版社,2010.
[2]《300 MW 纯凝机组供热改造技术可行性分析》林闽城 浙江电力.2010,3:40-43
作者简介
刘刚（1982-），男，吉林白山人，工程师，东北电力学院信息工程系毕业，现就职于华能白山煤矸石发电有限公司检修部，研究方向热工过程控制及仪表。
關键词：快开调节阀；抽汽自动；热网首站；流量；补偿；直管段
中图分类号：TB857文献标识码： A
一．前言
华能白山煤矸石发电有限公司现有两台1180t/h亚临界、单炉膛、双布风板、平衡通风、一次中间再热、自然循环流化床汽包炉配2台330MW亚临界直接空冷纯凝发电机组，相继于2012年投产运营。在地方政府的建议下，公司于2012年下半年对两台机组进行了抽汽供热改造，供热抽汽为中压缸排汽，抽汽参数0.25~0.5MPa、237℃，平均抽汽量为300t/h，最大供热抽汽量为350t/h。供热改造工程的实施，将取消区内大量的采暖小锅炉房，淘汰落后产能，有效地减少粉尘、SO2和NOx的排放，改善冬季雾霾天气多发状况，促进本地区生态环境改善，创造可观的经济效益和社会效益。
二．供热改造控制部分介绍
机组的供热改造项目共分为单元机组抽汽改造施工、热网公用部分施工和供热计量部分施工三个分项。供热热网加热器工作汽源采用汽轮机中压缸至低压缸联通管的抽汽，热网循环水源采用化学软化装置处理后硬度≤0.03mmol/l软化水。
现就本工程的热工控制方案按这三个分项进行讨论：
1.单元机组抽汽改造
单元机组通流部分改造的方式是将原有的中低压缸联通管取消，更换成波纹膨胀节式联通管，在其上采用打孔方式引出一根抽汽管道作为采暖供热汽源。单元机组供热改造中热工控制主要任务是实现对中低压缸联通管快开调节阀、抽汽管道逆止阀、抽汽快关调节阀和抽汽快关蝶阀的控制，并加装相应流量、温度、压力等测点，以满足对机组供热抽汽关键参数的监视和控制需要。1.1.DCS部分增加的控制硬件
公司单元机组控制系统采用的是上海新华公司的XDPS400e+OC6000e软硬件组合系统。通过对机组DCS系统硬件状况的调查，按照设计院提供给图纸并核对单元机组改造所需增加DCS通道数量，公司决定供热改造新增控制功能所需DCS卡件，不新加DPU和控制柜，而是在DEH系统控制柜的空余卡槽上安装。这样在充分利用原有资源的基础上，不但便于施工，而且节约了成本。
本次改造新增DCS硬件主要包括模拟量输入卡AI及其端子板，模拟量输出卡AO及其端子板，开关量输入卡DI及其端子板，开关量输出卡DO及其端子板，还有37芯通讯电缆及24V电源线等。详细清单如图1。
图1
1.2组态中增加的控制逻辑
供热改造所涉及的控制、调节、保护联锁逻辑均在DEH 中实现。机组投入供热的条件是负荷大于165MW（机组额定负荷的一半），切除条件是负荷低于150MW。机组抽汽投入后，可通过控制联通管快开调节阀的开度控制抽汽量。如果需要投入自动，可以通过在抽汽自动操作面板上设定抽汽压力定值及其速率，进入抽汽自动调整模式，由自动回路对联通管快开调节阀进行自动控制。该自动回路的被调量信号取的是位于联通管与抽汽管道连接处的三个抽汽压力信号的平均值。虽然该阀门设计时机械部分已考虑进去管道内蒸汽的最小流量要求，但实际运行中仍要在DCS控制逻辑中对该阀的输出开度进行最低限制，即阀门开度不得低于30%，以保证中压缸至低压缸的蒸汽流量满足机组安全稳定运行的需要。
值得一提的是，空冷机组的背压控制对抽汽供热效率和低压缸汽流做功效率会造成一定的影响。尽管机组背压升高汽轮机的相对内效率有所降低，但因回收乏汽能力增加，降低了热力循环中的冷源损失，系统总的热效率仍会提高。因此在相同供热量情况下，机组背压在保证安全的范围内适当升高，其经济性会更好。单元机组供热逻辑的主要联锁保护关系如表1：
1 抽汽投入条件
1.1 机组负荷＞165MW
2 1号机抽汽退出条件
2.1 手动退出
2.2 发动机解列
2.3 汽机跳闸
2.4 机组负荷＜150MW
2.5 连通管压力＞0.65MPa
2.6 运行机组负荷＞100MW且任一热网加热器水位高高高（＞1400mm）
3 抽汽退出后，联动以下设备
3.1 1号机热网抽汽快开调节阀全开
3.2 1号机热网抽汽逆止阀全关
3.3 1号机热网抽汽快关调节阀全关
3.4 1号机热网抽汽快关蝶阀全关
表1
1.3就地增加的控制设备
供热改造所采用阀门均由江南阀门有限公司制造，阀门在工艺系统中的位置如图2所示。其中，联通管快开调节阀、抽汽快关调节阀和抽汽快关蝶阀为液控阀门，并配有就地控制箱，可实现就地操作，阀门动力源经过哈汽论证可采用原主机EH油箱EH油源；而抽汽管道逆止阀为气动阀门，动力源为厂用压缩空气。此外，快开和快关两个调节阀的就地控制箱内装有PLC控制装置，PLC型号为AB1500。通过该控制装置可实现对阀门的模拟量控制方式和开关量控制方式。模拟量控制就是该PLC接受来自于DCS系统的标准4~20mA模拟量输出信号，通过阀门上的伺服阀对阀门进行开关控制，并将LVDT传感器的反馈阀门开度以标准4~20mA信号形式反馈给DCS系统。开关量控制就是该PLC接受来自DCS系统的开关量DO信号，比如慢开、慢关和快开、快关信号，对阀门进行开关控制。该PLC还会将本系统的其他一些关键状态量也反馈给DCS系统，比如传感器故障、输入信号故障、24V失电等等，以满足运行人员监视需要。需要说明的是，联通管快开调节阀的开关量控制方式除了慢开、慢关，就是快开方式。而快开的使用是在紧急情况下为使抽汽挡板快速回到不供热状态（即该调节阀开度为100%）而设置的，一般情况下不建议使用。这个阀门与调节系统的关系有些特殊，不抽汽时阀门全开，若阀门往关方向动作，则抽汽量增大。当阀门控制电源失去时，阀门会在弹簧蓄能装置作用下0.5秒之内快速全开，进入安全状态。抽汽快关调节阀的开关量控制方式有慢开、慢关和快关。该阀门为失电快关型，其电控快关功能是为了在紧急情况下能快速关闭该阀门隔断抽汽而设置的，一般也不建议使用。
图2
1.4就地增加仪表
根据单元机组抽汽改造厂家设计方案，新引进的测点并不多，有中低压缸进汽温度、联通管调节阀前后压力、抽汽压力。其中抽汽压力测点一共三点，是为投抽汽自动所设计的三点压力，取样点位于联通管与抽汽管道连接处，抽汽管道的膨胀节前。
2.热网公用系统施工
热网公用部分主要设备有两台热网加热器、4台热网循环水泵和3台热网疏水泵。而热工控制的主要任务是通过DCS控制系统和就地各种电动阀门，完成对热网加热过程、循环水循环及加热器疏水的控制，并实现对热网系统中各关键参数的监视。
2.1 DCS部分增加的控制硬件
热网系统DCS控制部分施工方案是新增一个新华XDPS400e的DPU控制站，为节约电缆使用量，将这个独立控制柜置于热网首站，与热网加热器处于同一平台。为安全起见，还在热网加热器与控制站间加设了一道隔离墙。
这个控制站在新华DCS网络结构上隶属于DCS公用系统，DPU号码为06，DPU通过站内百兆光端机以光缆连接形式进入DCS公用系统，并通过DCS的网桥bridge与单元机组的各控制站实现实时通讯。控制站内装置主要有eDPU控制卡，5V、48V电源模块，模拟量输入卡AI及其端子板，模拟量输出卡AO及其端子板，开关量输入卡DI及其端子板，开关量输出卡DO及其端子板，还有一台百兆光端机。控制柜内详细设备配置情况如下表2：
表2
2.2组态控制逻辑
热网公用部分热网加热器、热网循环泵和热网疏水泵的控制、调节与联锁保护逻辑均在DPU06控制器中实现。供热时运行人员可选择两台热网加热器中任一台运行，也可以选择两台加热器并列运行。加热器水位过高时，水位高保护动作加热器解列，联锁加热器汽侧阀门和壳程紧急放水阀门，并同时发信号给单元机组DEH控制部分，联锁关闭抽汽快关阀。热网循环水泵采用并联系统母管方式工频运行，用来控制循环水供水流量和压力，热网疏水泵则通过变频控制方式控制热网加热器水位及热网疏水至除氧器母管的压力。热网补水则通过变频泵调节使热网循环水回水压力恒定。
2.3就地增加的控制设备及仪表
热网系统就地热工设备包括热网加热器及其附属管道上的各流量、温度、液位和压力测点，热网循环泵本体及附属管道上的流量、温度和压力测点，热网疏水泵本体及附属管道上的流量、温度和压力测点，各管道上的电动阀门35个，气动疏水门一个。
3.热网计量系统施工
3.1新增计量系统软硬件概述
热网计量系统是电厂与热力公司进行供热结算的主要依据，其准确性将直接影响电厂的经济效益。本公司采用的是吉林电力技术开发公司的供热能量监测计量系统，主要功能为采集热网各项实时数据，并通过实时计算对流量进行全修正补偿计算、热量计算、流量累計、热量累计、数据保存、基本数据实时显示、工况参数组态及供热数据统计及形成报表功能。计量系统主要由安装组态程序的主机和数据采集器、适配器、打印机及就地测量仪表组成，数据采集器、适配器采用南京工程兵学院的EF-1102型采集装置。经过吉林电科院供热强制检定认证，系统精度优于±0.4%，可作为电厂对外供热计量收费的合法依据。系统中所采集的供回水流量、压力、温度、补水流量信号仪表及其附件均为独立于DCS系统之外的另一套仪表，并经过吉林电科院强制检定合格。
3.2供热数据处理关键技术
计量系统中的热量计算涉及很多热力学知识，需要根据供热流量、温度、压力，在焓熵图中计算介质的焓值，最后计算出热量。其中所用流量，必须根据供水的温度、压力，在线计算介质的密度，最后计算供回水流量，即通常所说的温度、压力补偿，只有经过密度修正的流量，才能满足供热计量的要求。
3.3施工注意事项
3.3.1仪表管路施工
计量系统所用流量、压力仪表被置于供回水管道旁的热网仪表计量室内，其仪表取样管路因大部分位于室外，故需要采取保温防冻措施。我公司采用220VAC高级伴热带对仪表管路伴热，并配有温控仪表及感温元件，可根据冬季室外仪表管路表面温度高低情况来自动控制仪表管路的伴热投切。仪表伴热施工结束后，还要用硅酸铝保温材料将管路保温，最后用铁皮将保温材料严密包裹好，既美观、又防冻。
3.3.2流量孔板施工
供回水流量所用标准节流孔板安装时，前后直管段长度一定要掌握好。孔板直管段长度很可能受施工场地环境因素限制不会太长，但至少要符合国标要求，否则影响计量的准确性。直管段长度与阻流件类型及β值有关。依据我公司供回水管路实际位置及管道走向，阻流件处于互成垂直平面上的两个90°弯头之间（30D≥S≥5D）。其中，D为管道直径，S为前后弯头之间距离。β值是孔板的开孔直径比，我公司采用的供回水流量孔板β值均为0.6。这样依据《GB/T 2624.2-2006》国标中对节流孔板的安装要求，考虑管道内壁与孔板入口边缘粗糙程度等因素所引起的附加不确定度因素，执行前18D（D为管路直径）后3.5D标准。
三．结语
机组供热改造后，经过两个冬季的供热情况来看，机组运行稳定，供热效果良好，不但为本地区冬季供热提供了稳定可靠的热源，改善了本地生态环境，还提高了资源利用率，为公司赚取了更多的利润，可谓经济效益与社会效益双丰收，使企业走上了一条资源节约型、环境友好型的新路。
参考文献
[1]《热电联产规划设计手册》杨旭中,郭晓克,康惠 中国电力出版社,2010.
[2]《300 MW 纯凝机组供热改造技术可行性分析》林闽城 浙江电力.2010,3:40-43
作者简介
刘刚（1982-），男，吉林白山人，工程师，东北电力学院信息工程系毕业，现就职于华能白山煤矸石发电有限公司检修部，研究方向热工过程控制及仪表。