太古长输供热管线紧急停车控制策略优化

原 峰 申鹏飞

(太原市热力集团有限责任公司,山西 太原 030001)

0 引言

古交兴能电厂至太原市长距离输送供热管线，因热源兴能电厂与太原市区高差达240 m，若采用电厂至热力站的直接供热方式，下游管网承压太高。因此采用建设中继能源站(也称隔压换热站)的间接供热方式运行。电厂至中继能源站的高温网系统全长37.8 km，高差180 m，为闭式环路且无旁路分支。在电厂内通过前置凝汽器和尖峰加热器将乏汽及抽汽热量输出至长输管线，高温水由电厂输送至中继能源站，在中继能源站经换热器实现高

温网与一级网换热后，低温水循环回兴能电厂。包含两个系统，因两系统参数相同且相互独立，故只对单个系统进行讨论(见图1)。

系统设置有热源兴能电厂、三座中继泵站、一座中继能源站，实现六级泵组串联，每级泵组包含四台中继泵，采用变频调速。在二号、三号中继泵站之间有15.2 km的供热专用隧道。

1 当前紧急停车控制策略存在的问题

1.1 供热回水管道隧道段许用最高温度

系统设计供/回水最高温度为130 ℃/50 ℃，运行温度为130 ℃/30 ℃。供热隧道内管道架空敷设，根据工艺要求，隧道内架空回水管不允许50 ℃以上的水通过。隧道市区侧出口至中继能源站之间管线采用直埋敷设，供回水施工均为预热安装，回水设计温度同供水，因此允许高温水通过。

1.2 高温水循环至回水管的工况及紧急停车策略

系统正常运行时，中继能源站换热器两侧，即高温网侧和一级网侧流量关系为1∶1，通过该流量匹配关系，可保证正常换热后高温网回水温度不高于50 ℃。

但以下三种故障工况，会造成中继能源站换热器两侧流量不匹配，或高温网侧供水不经过换热器直接从旁路循环，进而间接或直接导致超过50 ℃的高温水循环至回水管。

1)中继能源站一级网侧循环泵组故障停车。

2)一级网爆管导致管网迅速失压，为避免一级网侧循环泵汽蚀，对泵紧急执行降频或停车。

3)中继能源站高温网侧循环泵组故障停车。为避免系统急停工况下水击对供热设备造成破坏，中继能源站设置有整体旁通管及止回阀，此时高温供水会通过整体旁通直接循环到回水管道。

前两种工况共同点是，一级网流量瞬间降至很低。此时高温网仍在大流量循环，因换热器两侧流量不匹配，导致高温网侧的高温供水在进入换热器时只能输出少量热能，因此在经过换热器后温度降低很少甚至不明显降低，温度较高的水便会进入回水管道。

根据原先的控制策略，在以上三种故障工况下，为避免高温水循环至供热隧道，对高温网系统执行3 min紧急停车，即泵组由50 Hz在3 min内匀速降频并停车。

1.3 避免高温水循环至回水管隧道段的工艺措施

为避免上述三种工况下已进入回水管道的高温水循环至隧道段，在三号泵站设置有DN350供回水联通管及阀门，系统正常运行时阀门关闭。上文所述故障工况下，按照控制策略系统紧急停车，待所有泵组处于停机状态后，关闭供热隧道最靠近三号泵站侧的6号回水阀门，待故障排查恢复后，开启设置于三号泵站的DN350供回水联通阀门，启动一级网侧及高温网侧循环泵各一台，通过控制两侧流量关系，将中继能源站与三号泵站之间的回水管道中的高温水沿DN350供回水联通管→三号泵站与中继能源站之间供水管→能源站板式换热器进行循环，经换热器换热后使水温下降至50 ℃以下，直到三号泵站至中继能源站所有回水置换完成(见图2)。

1.4 当前控制策略存在的问题

当前紧急停车时间为3 min，停车过程中流速和加速度见图3。停车时电厂需紧急退汽侧，电厂退汽侧的阀门全开时间为3 min 40 s，此外需考虑工作人员反应、操作等附加时间。若流量下降太快，而电厂未能及时退汽侧，则有可能造成发电机组跳机，导致事件扩大。因此有必要控制流量下降速度。上述控制策略所暴露问题如下：

1)系统停车过程中，水流加速度存在突变，存在对系统设备造成冲击的可能。

2)系统紧急降频停车时间过短，有可能导致电厂机组跳机，同时水击波也可能对系统设备造成冲击[1,2]。

2 紧急停车控制策略优化

针对当前控制策略存在的问题，分别对系统停车速度曲线和系统停车时间周期进行优化。

2.1 系统紧急停车流速曲线优化

为减小系统停车过程中对系统设备的冲击，需对系统停车流速曲线优化。

一般来说，若速度函数的n阶导数连续，n越大，则速度变化越平稳。常用的启动及停车曲线如下[3]。

1)矩形加速度曲线，其速度和加速度表达式为：

v(t)=at,(0≤t≤T)

(1)

a(t)=a

(2)

如图3所示，在0和T两个时间点，其加速度曲线不连续，存在突变。即系统停车开始执行时，加速度由0突变至a0，系统停车结束时，其加速度由a0突变至0，该突变可能产生水击波。

2)梯形加速度曲线，其加速度表达式为：

(3)

其中，t1=T-t2。

如图4所示，在0～t1的时间段内，加速度由0逐渐变化至am，在t1～t2范围内加速度为恒值，t2～T时间段，加速度由am逐渐变化至0，在t1和t2的两个时间点加速度均存在折点，加速度曲线虽然连续，但其导数不连续。

考虑以上两种停车速度曲线存在的问题，在此引入正弦加速度曲线，即Harrison速度曲线，其速度和加速度表达式为：

(4)

(5)

其中，T为系统停车周期，s；v0为初始流速，m/s。

曲线见图5，其特点为整个过程加速度始终没有突变，且其二阶导数连续，系统停车流速变化更平稳，可有效减小水击波。

2.2 系统紧急停车许用时间优化

在系统紧急停车时，为避免流量下降太快导致电厂发电机组跳机，同时减小水击波，在保证已进入回水管道中的高温水不能循环至隧道段的前提下，应尽量延长停车时间。考虑到已循环至回水管中的高温水最终可通过前文所述工艺措施置换处理，因此应急处理过程中保证高温水未循环至供回水联通所在位置即可。因此有必要计算系统停车时间允许最长时间。在前文所述故障工况下，考虑值班人员确认及操作时间需2 min。

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中继能源站与上述DN350供回水联通管之间回水管线距离L=1 336 m。回水主管截面面积为1.495 m2。

应急降频停车过程，需保证高温回水循环距离不能超过1 336 m，流速遵循正弦加速度曲线(见图6)。

有：

(6)

(7)

将式(7)代入式(6)，有：

(8)

(9)

经计算得出系统流量与许用应急停车时间的关系，见表1。

由表1可见，当系统流量为设计最大流量即15 000 m3/h时，可将紧急停车时间设定为12 min，加上运行值班人员确认及操作时间2 min，共14 min，远大于电厂切换空冷岛时间，基本可保证系统安全停运。

表1 系统应急停车许用时间与流量

当系统流量小于10 000 m3/h时，允许的紧急匀速停车时间大于20 min，给电厂以更加充足的时间退汽侧。

自控系统中应急降频时间可按函数(9)设定。

3 结语

1)依据系统参数及运行经验，针对三种特定故障工况，为防止高温水循环至回水管供热隧道段造成重大物理性破坏，同时避免电厂发电机组跳机及较大水击波，对高温网许用应急停车时间分析计算，得出允许最长停车时间具体数据，为自控数据设置提供了依据。在通讯正常的前提下，基本可保证系统安全停运，既避免损坏隧道设备，又可避免电厂发电机组跳机，且减小了水击波。2)对于间接供热系统，在设计阶段应充分考虑运行最不利工况，以及系统快速恢复应急措施。3)系统紧急停车过程管网流速与时间关系采用Harrison正弦加速度曲线对设备影响较小。4)对于 系统紧急停车时间应充分进行研究，以最大程度减小水击。