（热能工程专业论文）武汉热电冷联产供暖期系统分析与自控研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 热电冷联产系统作为一种能源综合利用技术，在能源转换效率方面具有 突出优势，是节约能源、提高能效、减少环境污染的有效措施。随着计算机 技术与自控技术的发展，供热系统的自动控制也不断发展。国外一些供热系 统的自动控制技术较成熟，我国供热系统的自控技术仍然处于发展阶段，仍 有许多问题值得探讨。本论文就以武汉热电冷三联供系统为研究对象，具体 分析该系统的首站、热网、中继泵站与热力站的设计原则、冬季运行策略， 以确定最佳的运行控制方案和自动控制系统。 本文通过双热源联网运行讨论在各个时期如何分配热负荷，讨论两热源 在运行时的配合情况。对热网进行水力计算，确定中继泵站的最佳位置。研 究了首站、中继泵站的主要控制对象，冬季经济运行策略，控制系统选型及 主要监测数据；对热力站进行分类并研究每种热力站的水泵选择原则，冬季 运行控制方案及主要监测数据等：同时讨论了热网事故情况的运行控制方法。 全文通过对武汉热电冷三联产供热系统的设计、运行控制的研究，给供 热系统的自动控制提供了工艺条件，对我国热电冷三联供系统的经济运行具 有一定的指导意义。 关键词：热电冷联产；运行方案；工艺条件；自动控制 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a bs t r a c t a sai n t e g r a t i v ee n e r g ys a v i n gt e c h n o l o g y , c c h ps h o w ss p e c i a la d v a n t a g e s i nt h ea s p e c to fe n e r g yt r a n s f o r m a t i o n , a n di ti sa ne f f e c t i v ew a yf o re n e r g y - s a v i n g a n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , m e a n w h i l e ，t h ea u t oc o n t r o lo ft h eh e a t i n gs u p p l y n e t w o r kh a sb e e ni nae x p r e s s w a yt o g e t h e rw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n da u t oc o n t r o l ，a n do u rc o u n t r yt r a i l si nt h i sf i e l d ，a n d l o t so fi s s u e s a r ew o r t h yt os t u d y i nt h i sp a p e r , t h ec c p hi nw uh a r tw a st a k e n a st h es t u d yt a r g e t ，a n dt h ed e s i g np r i n c i p a lo ft h em a i ns t a t i o n ，t h en e t w o r k , t h e b o o s tp u m p ss t a t i o na n dt h es u b s t a t i o n s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rw i n t e ro p e r a t i o n w a sl e a r n e d ，t h eg l o b a lc o n t r o ls y s t e ma n dp l a nw a s o p t i m i z e d f o rt h i st w oh e a t i n gr e s o u r c e ss y s t e m ，t h e c o o p e r a t i o ns i t u a t i o na n dt h e d i s t r i b u t i o no ft h eh e a t i n gl o a di nd i f f e r e n tp e r i o d sw a sd i s c u s s e da n dl e a r n e di n t h i sp a p e r h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n so ft h en e t w o r kw e r ed o n e ，a n dt h el o c a t i o no f t h eb o o s t e rp u m ps t a t i o nw a so p t i m i z e d t h em a i nc o n t r o lt a r g e t sb o t hi nt h em a i n s t a t i o na n db o o s tp u m ps t a t i o n ，w i n t e ro p e r a t i o np l a nw a sw o r k e do u t ，a n dt h e t y p eo ft h ec o n t r o ls y s t e mw a sc h o s e n ，t h em a i np a r a m e t e r sw a sc h e c k e da n d r e c o r d e d t h et h e r m a ls t a t i o n sw a sc l a s s i f i e da n dp r i n c i p a lf o rc h o o s i n gp u m pi n e a c hk i n d so fs u b s t a t i o n sw a ss e t w h a t sm o r e ，t h ec o n t r o l p l a ni n a c c i d e n t c o n d i t i o n sw a ss t u d i e dm e a n w h i l e i nt h i sp a p e r , t h et e c h n i c a lc o n d i t i o n so ft h ea u t oc o n t r o ls y s t e mw a sg i v e n t h o u g ht h es t u d yt ot h ed e s i g na n do p e r a t i o nc o n t r o lo ft h ec c h ps y s t e mi nw u h a n t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e rc a nb et a k e na sar e f e r e n c ef o rt h ee c o n o m i c o p e r a t i o no fc c h p i no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：c c h p ；o p e r a t i o np l a n ；t e c h n i c a lp r e c o n d i t i o n s ；a u t o c o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明弓 用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者c 艄：叫域 日期：知明年g 月伊 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景与意义 随着人们对环境污染、能源供应安全、能源效率的日益关注，热电冷联 产受到了各界的高度重视。实现能源、环境和经济的协调发展己成为人们共 同追求的目标。集中供热在我国普遍采用的形式主要有：热电联产集中供热 和区域锅炉房集中供热。最近几年热电冷联产也在热电联产的基础上发展起 来了，热电冷联产工作原理是根据能源的梯级利用原理，燃料通过热电联产 装置发电后，变为低品味的热能用于采暖、生活热水等用途的供热，这一热 量也可驱动吸收式制冷机，用于夏季的空调，从而形成热电冷三联供系统【l 】。 热电冷联产系统作为一种能源综合利用技术，在能源转换效率方面具有 突出的优势，因此在世界各国的能源领域具有显著地位。在我国，中国2 1 世纪议程、中华人民共和国节约能源法、中华人民共和国大气污染 防治法等文件与法规中，都明确表示鼓励发展热电联产与集中供热，将其 作为可持续发展战略的重要组成部分，并在税收等方面给予优惠政策。 热电冷联产是在热电联产的基础上发展起来的，具有很多优点。总的说 来，热电冷联产具有以下几点重要意义。 ( 1 ) 缓解夏季电力供需矛盾。随着人民生活水平的提高，人们对居住舒 适要求越来越高，制冷与供热需求也越来越大。夏季，空调器大多数是以电 力为动力。在一些大城市，如上海，北京，武汉，南京等地，夏季负荷中， 空调负荷几乎占总用电负荷的1 4 。因此，降低空调用电负荷对于缓解夏季供 需矛盾很重要。据上海电力工业统计分析，从1 9 8 6 2 0 0 1 年，用电最高负荷出 现在7 8 月，这使得电力峰谷差增大。热电冷联产是通过汽轮机的抽汽或背压 排汽供给溴化锂机组进行制冷。利用已建成的热电厂发展溴化锂吸收式制冷 机组，一方面替代电力空调，节约大量电力：另一方面提高了燃料的利用率。 ( 2 ) 提高热电厂的设备利用率及经济效益。根据我国电力系统热电厂 ( 6 m w 以上机组为主) 经验，其供热节能约为3 0 ，供热成本比单供热低 哈尔滨工程大学硕十学位论文 3 0 4 0 。但是热电联产生活供热受季节影响太大，使热电机组不能达到预 定的负荷而使效率降低。一般来说，冬季工业生产维持正常工艺参数需求的 热量大，居民采暖需求量大，热电厂自身供热损耗也较大，所以冬季热电厂 的热负荷较大。而夏季，采暖和通风热负荷为零，只有工业生产和生活热水 负荷，夏季出现热负荷低谷。机组在低负荷下运行，设备利用效率低。采用 热电冷联产，即用溴化锂吸收式制冷对于增加供热机组夏季供热量，提高机 组热效率和全厂经济效益是显而易见的。在“三北地区，冬季采暖时间约 为4 5 个月，夏季制冷时间长2 3 个月，全年在较高负荷运行时间约为6 8 个月； 在长江中下游地区，冬季采暖期约为3 个月，夏季制冷时间约为5 6 个月，这 样全年在较高负荷下运行时间也可达8 9 个月。可见，热电冷联产可增加热电 厂的夏季热负荷，平衡冬季和夏季热负荷的峰谷差，这样就提高了热电厂的 设备利用率，相应地提高了热电厂的经济效益。 ( 3 ) 节省能源。传统的动力系统的技术开发主要着眼于单独的设备，例 如集中供热、直燃式中央空调及发电设备。这些设备的共同问题在于单一目 标下的能耗高，尚未达到有限能源资源的高效和综合利用。热电冷联产系统 与远程送电比较，可大大提高能源利用率。大型发电厂的发电效率一般为 3 5 4 0 ，扣除厂用电和线损率，终端利用率只能达到2 8 3 5 ，而热电冷 联产系统的能源利用率可达到7 0 以上。 ( 4 ) 有利于环境保护。以氟利昂( c f c ) 作为制冷剂的空调机组，会引起臭 氧层破坏而导致温室效应；而现在采用的氢氧氟烃( h c f c ) 虽然对环境影响小 些，但是仍对臭氧层有破坏能力。而热电冷联产( c c h p ) 在降低碳和污染空气 的排放物方面具有很大的潜力。因采用溴化锂吸收式机组，溴化锂作为吸收 剂无毒无害，对环境保护很有利。据有关专家估算，如果从2 0 0 5 年起，每年 2 5 的新建筑及从2 0 1 0 年起5 0 的新建筑均采用c c h p 的话，至1 1 2 0 2 0 年的c 0 2 的排放量将减少1 9 。 ( 5 ) 小型天然气热电冷联产系统能增强能源供给可靠性。近年以来，美 国和加拿大、英国、澳大利亚等国相继发生的大停电事故，深刻说明传统能 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 源供应形式存在着严重的技术缺陷。而以天然气热电冷联产系统( 分布式能 源系统) 为核心的新型能源体系具有效率高、灵活性强、分散度高、安全可 靠的特点，可作为传统大电厂、大电网的有益补充，能增强整个国家和地区 的能源供给的可靠性【2 1 。 1 2 国内外研究状态 1 2 1 国外热电冷三联供系统发展 美国学者早在2 0 世纪4 0 年代就正式提出了区域供冷的概念。2 0 世纪6 0 年 代，世界第一个冷热联供系统在h a r f o r dc i t y 建成并投入运行。由于当时采用 的是单效吸收式制冷机，其热力系数很低，因此发展受到限制。近年由于双 效吸收式制冷机的研制与改进，同时伴随着两次能源危机，又使得几种供热 供冷系统再次受到重视。现有超过6 0 0 0 个区域采暖冷冻系统，提供3 6 万兆瓦 时的能量。 欧洲方面，目前法国和瑞典是欧洲区域供冷发展最成熟也是技术最先进 的两个国家。1 9 8 9 年，第一个北欧区域供冷工程诞生于挪威，紧接着瑞典斯 德哥尔摩的市内大型区域供冷项目经过两年的精密筹划后于1 9 9 5 年正式投入 使用，经过几次不断的扩充系统供冷能力，到目前为止该系统成为了世界上 最大的区域供冷工程之一。在法国的l ad e f e n s e 的区域供冷系统现在发展为 全世界最大的区域供冷系统之- - 0 9 9 7 年的供冷能力达到了2 2 万k w ) 。 英国伦敦1 9 9 0 年开始联产工程，1 9 9 4 年初首次实现商用大厦等重要建筑 的集中供冷。曼彻斯特机场1 9 8 9 年决定建设电功率为9 4 m w 的热电冷联产装 置。向候机楼供电和热水，冬天取暖，夏季则将余热用于吸收式制冷。德国、 荷兰的热网较发达，适合优先发展小型热电冷联产系统。英国、西班牙、德 国已决定发展工业用和小规模的热电冷联产。德国n 2 0 0 5 年在各类建筑物中 采用热电冷联产的潜在市场为1 0 0 0 万k w 。总的说来，国外热电冷联产在最近 几十年得到了较快的发展。 在亚洲方面，日本在区域供冷方面取得了比较大的成就。1 9 7 0 年的大阪 3 哈尔滨工程大学硕七学位论文 世博会，促成了亚洲第一个大型区域供冷项目的实现。东京新宿新都地区的 区域供冷供热工程，供冷容量达2 l 万k w ，是目前世界上最大的集中供冷系统 之一。2 0 0 5 年的爱知世博会，总供冷能力达到4 0 2 5 8 k w 。1 9 9 1 年，日本东京 煤气公司投运了一座新的供热和制冷厂作为高效率、高性能的供热制冷中心， 其总容量达到1 8 2 8 m w ，到1 9 9 3 年，其总容量扩充到2 0 7 4 m w ，成为世界最 大的区域供热制冷站之一。北海道扎晃市地铁车站设置了制冷和供热设施的 能源中心。1 9 8 2 年，开始进行利用地铁废热的基础研究，两年后开始研究热 电冷联产系统，于1 9 8 6 年开始建设，于1 9 8 9 年4 月投运。日本和歌山马利拿地 区建成大批豪华的宾馆、饭店和中高层公寓建筑物。为了满足这些建筑采暖、 空调、生活热水的需求，开发了以海南发展电厂抽汽作为蒸汽吸收式制冷机 热源的三联产系统，建成了热源分厂和冷暖站，向用户集中供热、供冷和供 生活热水。 韩国为了解决汉城市中心地区密集的人口居住问题，韩国政府为二百万 居民建造了现代化居住区，该居住区还包括一些重要政府机关和私人企业。 汉城的区域供冷系统最初只供应韩国区域供热公司( k d h c ) 办公楼的空调用 冷，通过不断发展已形成大规模的区域供冷系统。汉城供热系统冬季最高供 水温度为1 1 5 ，夏季为9 5 ，k d h c 利用供热管网输配热水至用户建筑，用 以驱动分散式吸收式制冷设备。驱动热水温度为9 5 8 0 ，生产7 1 2 的冷冻 水作为空调冷源，制冷系统设计c o p 值为0 7 2 。此工程包括五个1 0 0 0 m w 的区 域供热系统呻j 。 1 2 2 国内研究状况 我国热电联产集中供热始于5 0 年代，由前苏联和东欧国家援助过的一批 热电厂是热力工业的基础，对新中国电力事业的发展和经济建设起到了重要 作用。8 0 年代以来，由于世界能源危机的教训及我国能源工业落后，能效低、 污染严重的现实，国家提出“节约与开发并重，节约优先 的能源方针，其 中热电联产集中供热是节约能源、提高能效、减少环境污染的有效措施，可 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以作为重大节能实施项目优先安排。在国家能源方针、政策指导下，热电联 产集中供热工程如雨后春笋在我国得到了迅速发展，并取得明显的节约能源、 改善环境综合效益，成为城市治理污染和提高能源综合利用率的必要手段之 一，是提高人民生活质量的公益性基础设施，符合国家可持续发展战略。 自改革开放以来，我国热电联产集中供热事业得到了迅速发展，为国民 经济和社会发展起到了重要作用。为实施可持续发展战略，实现两个根本转 变，推动热电联产集中供热事业的迅速发展势在必行。近年来，我国热电联 产集中供热事业不但发展速度快、数量多，而且在设计、施工、运行管理等 方面积累了丰富经验，同时在设备、仪器仪表、材料等方面也有了较大的进 步。特别出现了直埋供热管道敷设、微机控制和数字化管理等方面的新技术。 这些都将对热电联产集中供热事业的发展起着重要的推动作用。从作功能力 的分析法的角度上来看，热电联产是一种能量梯级利用的方法，可以大大的 减少能量和转换过程中的不可逆损失，将做完功的蒸汽用来对用户供热，提 高了对燃料的利用率。故热电联产具有节约能源、改善环境、提高供热质量、 增加电力供应等综合效益，是城市治理大气污染和提高能源利用率的重要措 施。 北京市第一热电厂每年向热力公司提供的蒸汽量夏季为4 5 0 t h 冬季为 7 0 0 t h ，华能热电厂有8 0 0 t h 蒸汽进京，两家热电厂都有供热潜力。为了更好 地推广热制冷技术，热力公司在公司大院的办公楼群实施了三联供。三联供 方案，制冷：热电厂蒸汽+ 吸收式制冷；采暖：热电厂热水+ 板式换热器；室 内：风机盘管机组。供冷面积，5 6 0 0 m 2 ，办公楼为砖混结构。制冷站主要设 备：制冷机：t s a - n c c 1 4 型，冷水流量1 0 9 m 3 h ，冷却水1 8 0 t h ，制冷量 1 8 0 u s i u ，泵功率3 1 k w ，蒸汽耗量0 7 9 2 t h ；冷却水泵：g 1 2 5 3 2 2 2 n y 型， 二台；冷冻水泵：g s 0 3 2 1 3 n y 型，二台；冷却塔：d b n l 3 1 5 0 t 型。制冷总 投资( 含室内系统) 2 4 9 7 万元。两年实际运行说明：吸收式制冷的耗电量为压 缩式的1 4 ，运行费比压缩式节约l 5 ，一次性投资比压缩式节约1 1 0 。从能源 利用方面看，吸收式利用了热电厂的低压蒸汽，增加热电厂夏季负荷，降低 5 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 电厂发电煤耗，同时，还可缓解北京夏季电力供应紧张的问题。 根据中国电力企业联合会统计信息部出版的( 2 0 0 5 年全国电力工业发电 统计年报，2 0 0 5 年底全国单机6 0 0 0 k w 及以上的供热机组共6 9 8 1 万k w ，全 国热电厂供热量1 9 亿g j 。 根据( 2 0 1 0 年热电联产发展规划及2 0 2 0 年远景发展目标，至u 2 0 1 0 年，全 国热电联产机组总容量将达1 2 亿k w 。预计至u 2 0 1 0 年全国发电装机容量将达8 亿k w 左右，届时热电联产将占全国发电总装机容量的1 5 。对供给工业生 产用热的热电厂，主要提倡安装背压机组，即使安装抽汽式机组也因系全年 都供工业生产的热负荷，故年节煤量较大。按保守估计，2 0 1 0 年，1 2 亿k w 热电联产年节约标煤量为1 2 0 0 0 万t 。 根据中国电力企业联合会的统计，目前中国电力工业中尚有单机3 0 万k w 以下火电机组2 2 4 4 9 6 万k w 。预计其中的2 0 有改造成热电联产机组的可能。 那么，改造的供热机组有4 4 9 0 万k w 。预计节约标煤4 4 9 0 万忱。目前全国工业 锅炉保有量5 2 7 4 万台，共1 2 5 4 万m w 。全国热水锅炉保有量1 6 9 3 8 万台，共 4 9 7 5 4 万m w 。按工业锅炉的4 0 容量被改造为由热电联产供热可节省4 7 2 7 万v a ：热水锅炉按3 0 容量被改造为由热电联产供热可节省4 6 9 万t a 。以上3 项由热电分产改造为热电联产可节省标煤共计9 6 8 6 万讹。因此，至u 2 0 1 0 年为 止，热电联产和凝汽火电机组改造为热电机组与小锅炉改造为热电联产供热 共可实现节约标煤量为2 1 6 8 6 万讹。据有关专家预计，至u 2 0 1 0 年我国能源总消 费量将达2 6 亿t ，按上述推算热电联产将实现节能2 1 6 8 6 亿t ，贡献率为8 3 4 。 通过以上分析，我们认为发展热电联产是节约能源的有效措施，只要国家制 订合理的政策、优惠条件，落实大幅度节能降耗是可能的。 1 3 课题来源 武汉市作为长江中下游的特大城市，冬季潮湿寒冷，夏季炎热。随着人 民生活水平的提高，对居住环境的要求也越来越高。国家鼓励发展热电冷联 产，热电冷联产作为节约能源、改善环境的一项重大措施一直受到国家的重 视。武汉市武昌热电厂与青山热电厂的改造工程也给武汉市热电冷三联产工 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 程创造了条件，在这样的形势下，武汉市某热力公司筹集各方资金建设武汉 市热电冷三联产供冷供热系统。 热电冷联产是要在保证一定的发电量的前提下，给热网输送一定的热量， 从而保证整个热用户的夏天制冷、冬天采暖和全年生活热水的用热的需求， 这些热用户包括居住小区、商业区和厂房等。由此可见热用户是一个很复杂 的群体，要使系统在安全经济的前提下运行，这就使得整个热电冷联产供热 系统的设计与运行变得很复杂。有些文章专门研究了热网优化，编制了软件， 对热网进行控制；有些对中继泵站和换热站的设计做出了介绍，从理论上提 出了先进的控制方法，但是其往往忽略了系统的设备选型是否是合理的，或 者所控制的参数是否是最好的工艺条件。有些都停留在宏观和经验上的描述， 或者是建立在假设的前提下，没有形成一个完整的体系，不具备指导实践工 程的作用。因而，较深入地研究三联产供热系统各部分设计原则和运行控制 方法，可以为三联产供热系统设计和优化提供参考，这对于提高能源利用效 率，促进热电冷联产事业的快速发展有很大意义【4 】。 1 4 本文所做的工作及创新 为了贯彻国家有关节约能源的法律、法规和政策，配合热电冷联产系统 的顺利建设和建成后的安全经济运行。本文主要结合武汉热电冷联产项目的 设计与实施，研究了首站、热网、中继泵站和热力站的优化设计、运行方案 和控制策略，为自动控制系统提供了工艺条件，并简要选择了一套适合其特 点的控制系统。本文的主要工作有： ( 1 ) 对所研究的对象进行了调查、整理与计算，包括热电冷联产系统的 热源的供热量、热网的走向与长度、热用户负荷统计分类与计算，具体分析 了该系统的特点。 ( 2 ) 对首站的热负荷分配、设计原则进行讨论，绘制热力工艺图。研究 首站的冬季运行方案和控制策略。并对首站的蒸汽计量系统进行了讨论。 ( 3 ) 进行三个时期各阶段的热网水力计算并绘制水压图，选择中继泵站 的最佳位置，研究热网与中继泵站的冬季运行控制。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 按用热性质的不同对热力站进行分类，通过计算确定三种类型热力 站循环水泵的最佳配置方法。研究冬季运行方案与控制策略。 ( 5 ) 针对该热电冷联产系统选择合理的自动控制系统，简要说明自控系 统的平台与调度中心。 本文所研究的热电冷联产系统位于长江中下游地区，有其特殊性。文中 着重研究了三联供系统的主要设备的优化设计与运行方案，为自动控制系统 的优化设置提供了良好的工艺条件。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章研究对象概述 2 1 研究内容的基础资料 热电冷联产工作原理是根据能源的梯级利用原理，蒸汽通过汽轮机发电 后，变为低品味的热能用于采暖、生活供热等用途的供热，这一热量也可驱 动吸收式制冷机，用于夏季的空调，从而形成热电冷三联供系统。 本研究对象位于武汉市武昌区与青山区，利用武昌热电厂与青山热电厂 提供的蒸汽热量，对该区域的部分居住区进行集中供热。集中供热的用处主 要是建筑采暖，生活热水，溴化锂制冷。本系统需要在青山电厂与武昌电厂 两个电厂内各设置一套换热系统，将电厂蒸汽的热量转换成热水并通过室外 热网输送到各用户。 2 1 1 气象参数 武汉市位于北纬3 0 。3 7 东经1 1 4 。0 8 ，城区有关气象资料【5 1 ： 最热月份平均温度( 七月) ：2 8 8 最冷月份平均温度( 一月) ：3 0 年平均气温：1 6 3 极端最高气温：3 9 4 c 极端最低气温：1 8 1 夏季空气调节室外计算湿球温度：2 8 2 c 夏季空气调节室外计算干球温度：3 5 2 采暖室外计算干球温度：2 采暖期天数：6 7 天 采暖期平均温度：3 7 年平均降雨量：1 2 8 4 m m 日最大降雨量：3 1 7 4 m m 年平均风速：2 8 m s 最大风速：1 5 7 m s 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 冻土深度：1 0 0 1 5 0 m m 有霜期日：5 0 天 年平均相对湿度：7 8 2 1 2 热源 该热电冷三联产供热系统是双热源联网供热系统，热源有青山热电厂与 武昌热电厂。 ( 1 ) 武昌热电厂 武昌热电厂位于武昌三角路，在和平大道与沿江大道之间，西临长江， 北靠武汉车辆厂，处于武昌区的繁华地段。武昌热电厂厂区占地6 公顷，现装 机容量4 9 m w ，包括三台立式旋风煤粉炉、一套c c l 2 3 5 1 0 5 抽汽式汽轮发电 机组( 1 9 8 5 年建设) 、一套b 1 2 3 5 1 0 背压式供热机组( 1 9 9 0 年建设) 和一套 c 2 5 3 5 1 0 单抽凝气式供热机组( 1 9 9 5 年建设) 。全厂供热能力约为2 8 0 t h 。 上述机组具体情况如下：w g z 7 5 3 2 1 型7 5 t h 立式旋风煤粉炉一台， w g z 1 3 0 3 8 2 型1 3 0 t h 立式旋风煤粉炉两台，c c l 2 3 5 1 0 5 型1 2 m w 抽汽式凝 汽机一台( 额定进汽流量1 2 8 t h ，压力3 4 3 m p a ，4 3 5 。c ；额定供汽参数：一段 抽汽流量4 0 t l l ，压力1 m p a ，温度3 0 0 ；二段抽汽流量5 0 t h ，压力0 5 m p a ， 温度2 5 0 c ) 、b 1 2 3 5 1 0 型1 2 m w 背压式汽轮机一台( 额定进汽流量1 7 8 t h ，压 力3 4 3 m p a ，4 3 5 ；额定供汽参数：背压机组排汽流量1 5 0 t h ，压力1 m p a ， 温度3 0 0 c ) 、c 2 5 3 5 1 0 型2 5 m w 抽汽式凝汽机一台( 额定进汽流量1 4 3 t h ，压 力3 4 3 m p a ，4 3 5 。c ；额定供汽参数：抽汽流量4 0 t h ，压力1 m p a ，温度3 0 0 。c ) 。 根据建设单位与电厂签定的协议，额定供应蒸汽量：1 m p a ：1 4 0 t j h 。武 昌热电厂扩建工程将在拆除现有的三台旋风煤粉炉的基础上，安装2 台 1 2 0 m w 级燃气轮机组及其配套的余热锅炉两台和两套抽汽凝汽式汽轮机组。 此方案中两台余热锅炉和汽轮机组均采用次高压的初参数相匹配。本期工程 建设两套燃气联合循环供热机组，对外最大供热能力为6 7 1 5 g j a ，为了提高 电厂的经济性，可根据供热量，调整汽轮机进汽量来调整发电量。 ( 2 ) 青山热电厂 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 青山热电厂位于武汉市青山区，系前苏联援助”一五”期间建成，为武汉 钢铁公司配套工程。青山热电厂1 9 9 7 年经过以大代小改造，建成3 0 万千瓦凝 汽式发电机组，现装机容量达9 6 2 万千瓦，除凝汽式发电机组外，有供热机 组b t 2 5 8 3 - - 台，为l 群、2 拌机组，压力等级( 排汽) o 7 8m p a - 1 1 2 7 m p a ，向外 供汽量：2 x s 0 t h 左右。背压式汽轮机1 台，型号b p 1 2 3 1 为3 撑机组，向外供汽 量：1 9 0 t h 左右，压力等级3 0 4m p a 。其余尚有多台机组，总供汽能力为4 0 0 t h 左右。 青山热电厂经过改造后的最终热源为2 x 3 0 0 m w 热电联产机组，参数为 0 4 m p a ，2 9 1 2 c 。根据光谷热力与武昌热电厂签定的协议，额定供应蒸汽量： 1 m p a ；2 5 0 t h 。过渡阶段利用现有电厂机组提供热源：1 撑、2 撑机组二段抽汽 参数为：o 7 8m p a - i1 2 7 m p a ，2 2 8 ，1 2 0 t i l ；8 撑1 0 # 机组抽汽参数为0 3 5 m p a 0 4 m p a ，1 7 0 1 8 8 ，5 0t h - 1 2 0 t m 。 根据工程建设单位与两热电厂最后的商定，两个首站可提供的蒸汽量分 别为：青山热源一期总供热能力2 5 0 t h 蒸汽，压力0 9 m p a ，二期总供热能力 3 0 0 t h 蒸汽；武昌热源一期总供热能力为1 4 0 t h 蒸汽，二期总供热能力2 8 0t h 蒸汽。首站的设计应充分考虑两电厂的供热能力。 2 1 3 热网 热网由青山电厂与武昌电厂内各自向外引出，青山热网的大致走向是沿 着电厂的高压走廊和排水明渠，直至武青三干道至工业大道，然后经过工业 大道，中北路，武重三路，东湖路，全长约1 3 3 0 7 m 。武昌热网的大致走向是 由武昌电厂沿和平大道敷设至积玉桥，然后经过中山路，中山北路，中北路， 东湖路，全长约7 9 8 6 m 。两条热网主干线在东湖路交汇。由于路线较长，需 要在热网的适当位置设中继泵站。热网走向及分布见图2 1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 热网平面不恿图 2 1 4 热用户 沿着热网两侧，0 8 年冬季预计发展的热用户主要有星海虹城，中石化项 目等2 0 多个热用户，总建筑面积约3 3 1 6 万i n 2 ，随着热网的运行，热用户不断 增加，在0 9 年到1 0 年中期需上一批热用户，预留用户有：武重厂地开发约1 3 0 万m 2 ，五青四干道预留1 0 0 万m 2 ，青化路预留1 0 0 万i n 2 ，武汉火车站预留5 0 万m 2 。故至1 2 年预计总供热面积约7 2 1 6 万l n 2 。预计建成期热用户总建筑面积 将达1 4 0 0 多；万m 2 。 根据建设期的不同和热用户上热的多少，可将热用户分成以下三个时期： ( 1 ) 投产期( 2 0 0 8 年) ，投产当年供暖面积约3 3 1 6 万i n 2 ，供冷面积( 2 0 0 9 年 夏) 约3 6 5 7 y m 2 ，生活用热水建筑面积2 11 6 万i n 2 。所以供热负荷分为冬季，夏 季，过度季三种状况，对供暖时要考虑到使用率，在2 0 0 8 年为8 0 ，生活用 热水要考虑到利用率9 0 ，而夏季空调负荷要考虑每天内变化很大，故按8 0 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 使用率。 ( 2 ) 中期( 2 0 1 0 年左右) ，供暖面积约7 2 1 6 y y m 2 ，使用率5 0 ，供冷面积 1 0 6 5 万m 2 ，使用率8 0 ，生活用热水建筑面积5 9 1 6 万i n 2 ，使用率5 0 。 ( 3 ) 建成期( 2 0 1 2 年) ，供暖面积约1 4 4 1 2 万m 2 ，使用率4 0 ；其中供冷与 生活热水建筑面积可按中期面积等比计算，公企面积也按中期等比例计算， 故可计算供冷面积2 1 6 1 8 万i n 2 ，使用率8 0 ，生活用热水建筑面积l1 8 1 7 8 万 m 2 ，使用率4 0 热用户的负荷主要有采暖负荷、生活用水负荷与空调负荷，负荷的计算 可以用面积热指标法进行估算【6 】。 采暖热负荷： q h = f q 1 0 - 3( 2 1 ) 空调冬季热负荷： q o = f q 。x 1 0 3 ( 2 - 2 ) 空调夏季热负荷： q c = f q 。1 0 。3 c o p ( 2 3 ) 生活热水负荷：q = f q 。1 0 。3 ( 2 - 4 ) 式中： 级采暖设计热负荷，k w ； q 空调冬季设计热负荷，k w ； q 空调夏季设计热负荷，k w ； g 生活热水平均热负荷，k w ； f 热用户建筑面积，m ? ； 吼采暖热指标，w m 2 ； g 口空调热指标，w m 2 1 吼空调冷指标，w m 2 ； q 。生活热水热指标，w m 2 1 c o p 吸收式制冷机的制冷系数，可取0 7 1 2 。 根据武汉热力公司提供的前期的统计资料，已确定的热用户( 主要是投产 期和中期用户) 用热性质与用热面积见表2 1 。 1 3 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 表2 1 投产期、中期主要用户表 序号用户名称用户类型 面积( 万m 2 ) 系统种类 l 省直公务员小区民用 4 0 0 暖、水 2 统建中北小区民用 3 0 0 暖 3 东湖一号小区民用 3 0 0 暖 民用 2 1 暖、水 4 财政部项目 商业 2 7 暖、水 5 蓝湾俊园民用 1 9 0 暖、水、冷 6 融侨华府民用3 4 0暖、水 7 中石化商业 1 8 暖、水、冷 8 凤凰城民用 5 8 暖、水 民用 3 5 暖、水 9 梨园医院 商业3 5 暖、水 l o 农发行商业4 。0 暖、水 民用2 0 0 暖 1 1 华中电网 商业 l o 0 暖 1 2 省总工会商业2 7 暖、水、冷 1 3 金地 民用 1 6 0 暖、水 1 4 善昌房产民用 6 o 暖、水 1 5 左邻右舍民用 3 o 暖、水 1 6 星海虹城民用 3 0 0 暖、水 1 7 财专民用 5 o 暖、水 民用 2 6 5 暖 1 8 湖北电力 商业 3 5 暖 1 9 保利民用 1 3 o 暖、水、冷 2 0 长城佳苑民用 3 5 暖、水 2 1 友谊国际民用1 6 0 暖、水 2 2 世纪彩城民用l o 0 暖 民用 1 1 0 0 暖、水 2 3 武重厂地开发 商业 2 0 o 暖、水、冷 民用 8 0 o 暖、水 2 4 五青四干道预留 商业 2 0 o 暖、水、冷 民用 8 0 0 暖、水 2 5 青化路 商业2 0 0 暖、水、冷 民用 4 0 0 暖、水 2 6 武汉火车站预留 商业 l o 0 暖、水、冷 合计 7 2 1 6 采暖面积热指标取6 0 w m 2 ；生活用热水面积热指标民用l o w m 2 ，公建 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 w m 2 ；空调面积热指标住宅l o o w m 2 ，公建1 3 0 w m 2 t 7 1 。采用溴化锂吸收式 制冷，考虑到风冷与水冷共存，吸收式制冷机的制冷效率取1 2 。同时考虑到 空使率问题，最后计算出每个时期的热用户负荷，统计见表2 2 ，热用户统计 详细表格可见附表。 表2 2 热用户总热负荷m w 冬季 夏季过度季 2 0 0 8 年投产期 1 8 9 16 1 72 5 4 2 0 0 9 2 0 11 年中期 2 5 9 91 5 7 33 3 6 2 0 1 2 年建成期 4 0 6 02 6 0 24 4 0 2 2 研究对象特点 该热电冷联产集中供热项目位于长江流域，属于南方地区，如此大的项 目在全国范围内都比较少见，在南方地区更是难找。该项目的主要特点是： ( 1 ) 地理位置特殊，以往的一些热电联产项目主要以北方地区的采暖和 南方地区的工业用热为主。而本研究对象地处长江流域，用户也不是单纯的 采暖，夏季空调负荷也很大。故本文所研究对象可以说是该地区最大的热电 冷联产项目。 ( 2 ) 热源为双热源，且供热量较大。青山热源一期总供热能力2 5 0 t h 蒸汽， 压力0 9 m p a ，二期总供热能力3 0 0 t h 蒸汽；武昌热源一期总供热能力为1 4 0 t h 蒸汽，二期总供热能力2 8 0 t h 蒸汽。 ( 3 ) 两个热源的热价不同，远离负荷集中区的热源热价较低。因此存在 使用低热价热源时运行费用上升的矛盾。 ( 4 ) 用户的特殊性。首先，热用户不是单纯的采暖用户，还可能有生活 用水热用户和溴化锂制冷用户。第二，由于武汉地区的气候是冬季较冷，夏 季炎热，夏季空调负荷很大。第三，对于一般用户来说，采暖是非必需品， 空调是必需品。第四，每个热用户实行热计量，存在空使率，负荷变化不可 预测，同时生活热水的使用在一天之内也存在着早晚高峰期，周六周日也是 高峰期。 ( 5 ) 热网较长，武昌电厂与青山电厂的单线距离约2 2 k i n ，由于路线较长， 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 主循环泵的扬程可能很大，需要设中继泵站。 2 3 自动控制的重要性 随着人们对环境污染、能源供应安全、能源效率的日益关注，供热系统 如何更加安全，经济地运行也变得越来越重要了。从原始的火炕到小型锅炉 供热，又到后来的集中供热，供热系统的规模变得越来越大，供热技术也在 不断提高。由此相配套的自动控制也有所发展。试想，一个庞大的供热系统 如果没有自动控制的配合，将会变得多么的笨拙，需要投入很大的人力物力 资源来保证其运行，而且系统的安全性与经济性更是无从谈起。因此供热系 统的自动控制系统是非常必要的也是必不可少的。 近年来，供热技术有了很大的发展，随着计算机技术与自控技术的发展， 供热系统的自动控制成为可能。目前随着人们对生活环境要求的提高，随着 供热企业节能意识的加强，供热系统的自动控制已成为供热领域的热点问题。 在国外，尤其是北欧的一些国家，供热系统的自动控制发展很快，技术也比 较成熟。在国内，出现了几个实现自动控制的供热系统，还有许多供热企业 正在准备实现供热系统的自动控制。但我国供热系统的自控技术仍然处于发 展阶段，仍有许多问题值得探讨。本文所研究对象实行自动控制的重要性主 要体现在： ( 1 ) 保证供热质量，实现经济运行。 ( 2 ) 两个热源联合供热时，水力工况复杂。 ( 3 ) 一年内采暖期、过度季期和空调期的负荷变化很大。 ( 4 ) 即使在同一时期内，由于存在空使率等，负荷变化随机性也很大。 针对武汉热电冷联产集中供热的特殊性，怎样合理地设计自动控制系统， 使供热系统达到最佳效果，正是我们需要解决的问题。为了实现供热系统的 自动控制，提出一套好的工艺条件是关键，合理的设计与设备配置也是自控 得以实现的基础。 2 4 本章小节 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本章主要进行研究对象的资料收集、整理与计算工作，包括所在地区的 气象参数、热源供热能力、热网走向与长度和热用户的种类与大小等：分析 了本课题的特点并阐明实施自动控制的重要性。 1 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第3 章采暖期首站的控制 3 1 首站概况 3 1 1 热负荷分配 本文所研究的热电冷三联产供热系统是双热源联网供热系统，热源有青 山热电厂与武昌热电厂。由于电厂提供的是高温的蒸汽，而热网所用的是高 温热水，故需要在两个电厂内设置换热系统，简称首站，由蒸汽将热网中的 热水加热，换热器采用汽水换热器。 两个首站可提供的蒸汽量分别为：青山热源一期总供热能力2 5 0 t h 蒸汽， 压力0 9 m p a ，二期总供热能力3 0 0 t h 蒸汽；武昌热源一期总供热能力为1 4 0 t h 蒸汽，二期总供热能力2 8 0t h 蒸汽。 两电厂的负荷分配需要综合考虑各方面情况，包括热价、运行经济性等， 根据工程设计的结果，确定在正常运行情况下的负荷分配如表3 1 。 表3 1 首站供热热负荷分配 嘉咫? 冬季 夏季过度季 建设期 青山电厂武昌电厂青山电厂武昌电厂青山电厂武昌电厂 2 0 0 8 年投产期 1 0 0 58 8 56 1 702 5 4o 2 0 0 9 , 一2 0 1 0 年中期 1 7 1 58 8 41 1 2 14 5 13 3 60 2 0 1 2 年建成期 2 l o o1 9 6 01 6 5 29 5 04 4 00 换热首站监控系统是整个供热系统监控系统的子系统，在传感器、变送 器、各种执行机构的基础上完成对换热首站的监测与控制，通过调节供水流 量、温度、压力，保证换热首站安全、可靠、高效、稳定地运行。 3 1 2 首站的热力工艺图 以青山热电厂为例，说明首站的热力工艺流程。首站的主要设备有：汽 水换热器、立式凝结水回收装置、热网循环泵、软水箱、补水定压泵、全自 动钠离子交换器、凝结水泵、旋流除污器、蒸汽热量表等。首站的热力系统 原理图见附图1 。 3 2 首站控制方案 1 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 2 1 首站的主要控制对象讨论 首站的作用主要是为热网系统提供符合一定温度、流量、压力要求的热 媒，在本系统中热媒为热水。控制的主要目的就是为了使系统在满足用户需 求的前提下，更加安全，经济地运行。 ( 1 ) 循环泵的设计原则 首先，为了热网输出的热量满足用户要求，在每个时期一级网供水的温 度、压差和流量必须满足设计要求，回水温度也不能低于某一个值，而一天 之内热网负荷的变化可根据调节流量来实现，流量的变化是可由增减循环泵 的运行台数和循环泵的变频来实现的。