工业企业蒸汽参数控制策略及效果

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摘要:工业企业节能减排是实现我国碳中和目标的关键所在。突破传统单体节能策略，通过区域供能系统满足工业园区多类型工业企业用能需求是推进工业企业节能减排的重要抓手之一。以上海某工业园区为立足点，基于燃气－蒸汽联合循环的区域供热系统，针对某大型工业企业的供热改造方案，设计了蒸汽参数控制策略，提出了优化调节方案。实测结果表明，该控制策略可有效实现供热参数的自动控制，使系统在提高供热参数稳定性的同时，有效降低发电气耗并增加系统总收益。

关键词:区域供热;工业企业;蒸汽参数;控制策略

自主席在第七十五届联合国大会、气候雄心峰会、中央经济工作会议上宣布碳中和目标，部署碳达峰、碳中和相关工作任务以来，各级政府、各大企业、各类研究机构均在积极部署，紧密谋划，并作出针对性安排［1］。就终端碳排放领域而言，我国工业领域由于其在终端能耗中占比较大，因此也是推进碳减排的重点所在［2-4］。为全面推进工业领域节能降碳，应以高载能行业为重点，主要通过实施结构节能、强化技术节能、提升管理节能等几个方面推进;同时，坚持技术创新，推动建立有利于节能降耗的科技研发、推广和应用体系，为工业节能与综合利用提供基础和支撑［5-7］。在推进单个工业企业节能减排的同时，对于一些多类型工业企业集中而成的工业园区，可以通过构建区域能源系统，形成园区内能源、资源的互补协同，从而从区域整体降低能源消费和碳排放［8-］。就工业企业的终端用能需求而言，除电力需求外，以蒸汽供应为主体的热力需求也占比较大。然而，不同类型工业用户由于其生产工艺差异，所需要的蒸汽品质也不一致。为此，针对区域能源站提供的统一蒸汽品质，如何通过有效的控制策略以满足终端用户个性化蒸汽参数需求，是工业园区区域供热系统亟需解决的关键问题［-12］。本文以上海某大型工业园区为立足点，基于其所导入的区域供热系统，针对某特定用户的蒸汽需求，设计有效参数控制策略，并验证实施效果。

1区域供热系统简介

上海某大型工业园区以能源站为核心供能，能源站负责工业园区的集中供冷、供热任务，内有燃气－蒸汽联合循环系统4套，包括燃气轮机4台、蒸汽型溴化锂机组2台，另有电制冷机组1台等。该供能网络通过集中式电力母线和公共电网交换电力，能源站电力全部上网。同时，该能源站的全部燃气所需均由外部购买获得。燃气－蒸汽联合循环三联供系统由燃机系统、蒸汽轮机系统、余热锅炉系统、供热系统、溴化锂制冷系统等子系统构成，具体如图1所示。该系统首先利用天然气燃烧产生的高温燃气在燃气轮机中做功，产生电能，另外燃气轮机的排气送入余热锅炉中，产生蒸汽驱动蒸汽轮机进一步做功发电，同时全年采用抽汽供热(蒸汽)，夏季时使用溴化锂制冷机制冷供冷，冬季时使用板式换热器制热供热。具体工艺流程为燃气轮机的排气送入余热锅炉产生水蒸气，余热锅炉的次高压蒸汽进入汽轮机(抽凝式、背压式)中做功，汽轮机抽汽(或排汽)再用于供热。余热锅炉的低压蒸汽通过溴化锂机组满足空调冷负荷，进一步提高联合循环机组的出力和效率。燃气轮机、汽轮机发电机多轴布置，发电机发出的电能由线路输送给电网。目前，能源站覆盖的园区供冷、供热用户共计5家，其中包括15家空调冷负荷用户，44家蒸汽负荷用户。上述用户涉及各个领域，包括设备生产、高新科技、食品加工、医疗器械生产、工业用品生产、药品生产以及化学品生产等。本文以某大型工业用品生产企业为例，针对其蒸汽参数控制策略进行分析。

2蒸汽参数控制方案设计

2．1用户供热参数要求

某大型工业用品生产企业生产工艺所需蒸汽的具体参数要求为2．0±0．05MPa，温度要求为具有过热度2℃以上，即该用户用热参数压力变化范围为1．5～2．05MPa，温度为℃以上。为满足上述企业的生产需求，区域供能企业需要控制供热蒸汽数据并完成实时参数监控，这需要满足以下2个条件:(1)必须保证远方控制参数实时传输到能源站分散控制系统(DCS)，在DCS系统实时监视，控制好高压管网供汽压力;(2)就地供蒸汽管道上增加就地压力调节阀，将蒸汽入口压力控制在2．～2．35MPa，出口压力控制在2．0±0．05MPa，满足用户要求。

2．2数据采集传输方案

由于该用户蒸汽用量很大，与另一大型乳品企业流量变化相互之间影响较大，要完成实时参数控制，必须保证远方控制参数实时传输到DCS系统，参数更新速率、准确度都应满足要求，才能在DCS系统实施控制，确保高压热网供热参数稳定。为此，首先考虑将这两家大用户的蒸汽参数实时传送到DCS系统，结合区域供能企业高中压热网的运行方式，调整高压热网的供汽参数;其次，充分利用终端用户原有锅炉作为调节装置，在出口母管上加装稳压调节阀，自动控制蒸汽压力。在该传输方案中，信号源采用该用户热网关口计量表及控制阀前参数表，各扩展一路串口5信号，作为2路蒸汽信号源;压力调节阀控制器输出一路5串口信号，作为阀门控制参数信号源，传输信号统一采用Modbus通讯协议。数据采集图如图2所示。为了更好地对信号进行传输，其传输过程分以下3个步骤进行:(1)在用户侧IT中心，将串口设备用Modbus网关转换为以太网接口(Modbus/TCP协议)，并进一步转换为光纤接口;(2)基于联通公司光缆，采用多业务传送平台(Multi-ServiceTransportPlatform，MSTP)技术(信号为数据专线，带宽为2Mbps)，符合网络安全等保测评要求，将数据接入区域供能企业IT机房;(3)通过光缆把数据传输到DCS热网站控制室，在DCS控制室转换为以太网接口(Modbus/TCP)协议，可以直接接入DCS网络交换机，实现数据的实时监控，更新速率约1s/次。信号传输过程中用到的自动调节硬件设备如图3所示。

3蒸汽参数控制策略设计

3．1用户蒸汽压力参数控制策略

用户侧蒸汽压力参数控制策略采用两级自动调节，区域供能企业出口高压管网压力控制在2．2MPa，用户蒸汽采用电动基地式压力调节阀，出口压力设定在2．0MPa。调试的方式为将供用户侧高压管网蒸汽压力控制在2．05～2．3MPa，减压阀控制压力设定值SV设为2．0MPa，逐步优化高压热网减温减压调节阀的PID参数，实现用户侧蒸汽压力自动控制。

3．2用户侧减温减压阀投用及供热调试策略

在确定蒸汽参数控制策略后进行供热调试，调试过程分为冷态调试和热态调试。冷态调试的步骤如下:(1)确认用户侧新增压力调节阀及辅助设备已安装，压力变送器校验合格，调节阀、调节器及压力变送器安装结束;(2)电动调节执行机构上电，手动整定执行机构开度，使指令和阀位一一对应;(3)进行阀门控制器调节器上电及参数设置，上电正常后与执行机构进行静态联调，确认调节机构的动作正确性，初步设定PID参数，确定调节机构动作上下限分别为%和5%。热态动态调试的关键步骤如下。(1)在调节器上手动关闭调节阀，打开调节阀前手动阀和调节阀后手动阀，逐渐设定调节器上压力给定值，首先设定压力为1．0MPa，观察调节情况，发现阀门跟踪较慢，调节响应时间大于s，不满足要求，则优化PID参数，观察调节响应时间小于5s，调节阀后压力可以满足蒸汽品质要求;逐渐增加压力设定值为1．5MPa，调节正常后，压力设定值增加到1．MPa，做压力给定值和调节阀开度扰动试验。(2)逐步升高管网压力，将调节阀前压力控制在2．05～2．30MPa，调节阀压力设定值增加到2．0MPa，阀门调节过程数据记录见表1.(3)最后，将高压蒸汽管网压力控制在2．20MPa，用户侧供汽压力稳定在2．00MPa，阀门开度为．6%，观察30min，控制无异常，调试结束。

4控制效果分析

在用户侧蒸汽压力控制正常投运后，观察到某典型日14:20～14:区间，米其林工厂(以下简称“米其林”)蒸汽流量变化范围为．1～12．2t/h，入口蒸汽压力变化范围为2．1～2．2MPa，阀门开度在44．3%～．%，出口压力稳定在1．～2．01MPa。由此可见，调节品质(稳定性、准确性和快速性)满足设计要求，达到了预期的目的。在用户实现直供前，其蒸汽参数历史曲线如图4所示。本次用户蒸汽压力控制正常投运后，实现了自动调节，得到的历史曲线如图5所示。通过图4和图5的对比分析可知，用户实现直供前，其供热温度、压力受高压供热母管流量影响，波动较大，当实现自动调节后，供热温度受高压母管流量影响较小，可维持稳定，从而验证了前述策略的可行性和有效性。

5结论

本文以上海某区域供能企业对工业园区内某大型工业企业的供热改造项目为基础，对工业企业蒸汽参数控制策略进行了针对性研究。通过对控制方案、控制策略以及控制效果的分析，可以得到以下结论。(1)通过本文所提出的控制策略，实现了用户供热参数的自动控制，为用户实现直供汽建立了基础，调节品质满足设计要求，达到了预期的目的。提高供热参数稳定性的同时，减少了人工干预，运行方式更加安全。(2)通过蒸汽参数自动控制用户实现直供，关停了用户侧的燃气锅炉，提高了供能侧冷热电三联背压供机组发电量，有效降低了发电气耗;每年可增加发电量近00万kWh，全年增利约7万元。

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作者：陈建伟 单位：上海华电闵行能源有限公司