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摘要:工業企業節能減排是實現我國碳中和目標的關鍵所在。突破傳統單體節能策略，通過區域供能系統滿足工業園區多類型工業企業用能需求是推進工業企業節能減排的重要抓手之一。以上海某工業園區為立足點，基于燃氣－蒸汽聯合循環的區域供熱系統，針對某大型工業企業的供熱改造方案，設計了蒸汽參數控制策略，提出了優化調節方案。實測結果表明，該控制策略可有效實現供熱參數的自動控制，使系統在提高供熱參數穩定性的同時，有效降低發電氣耗并增加系統總收益。

關鍵詞:區域供熱;工業企業;蒸汽參數;控制策略

自主席在第七十五屆聯合國大會、氣候雄心峰會、中央經濟工作會議上宣布碳中和目標，部署碳達峰、碳中和相關工作任務以來，各級政府、各大企業、各類研究機構均在積極部署，緊密謀劃，并作出針對性安排［1］。就終端碳排放領域而言，我國工業領域由于其在終端能耗中占比較大，因此也是推進碳減排的重點所在［2-4］。為全面推進工業領域節能降碳，應以高載能行業為重點，主要通過實施結構節能、強化技術節能、提升管理節能等幾個方面推進;同時，堅持技術創新，推動建立有利于節能降耗的科技研發、推廣和應用體系，為工業節能與綜合利用提供基礎和支撐［5-7］。在推進單個工業企業節能減排的同時，對于一些多類型工業企業集中而成的工業園區，可以通過構建區域能源系統，形成園區內能源、資源的互補協同，從而從區域整體降低能源消費和碳排放［8-］。就工業企業的終端用能需求而言，除電力需求外，以蒸汽供應為主體的熱力需求也占比較大。然而，不同類型工業用戶由于其生產工藝差異，所需要的蒸汽品質也不一致。為此，針對區域能源站提供的統一蒸汽品質，如何通過有效的控制策略以滿足終端用戶個性化蒸汽參數需求，是工業園區區域供熱系統亟需解決的關鍵問題［-12］。本文以上海某大型工業園區為立足點，基于其所導入的區域供熱系統，針對某特定用戶的蒸汽需求，設計有效參數控制策略，并驗證實施效果。

1區域供熱系統簡介

上海某大型工業園區以能源站為核心供能，能源站負責工業園區的集中供冷、供熱任務，內有燃氣－蒸汽聯合循環系統4套，包括燃氣輪機4臺、蒸汽型溴化鋰機組2臺，另有電制冷機組1臺等。該供能網絡通過集中式電力母線和公共電網交換電力，能源站電力全部上網。同時，該能源站的全部燃氣所需均由外部購買獲得。燃氣－蒸汽聯合循環三聯供系統由燃機系統、蒸汽輪機系統、余熱鍋爐系統、供熱系統、溴化鋰制冷系統等子系統構成，具體如圖1所示。該系統首先利用天然氣燃燒產生的高溫燃氣在燃氣輪機中做功，產生電能，另外燃氣輪機的排氣送入余熱鍋爐中，產生蒸汽驅動蒸汽輪機進一步做功發電，同時全年采用抽汽供熱(蒸汽)，夏季時使用溴化鋰制冷機制冷供冷，冬季時使用板式換熱器制熱供熱。具體工藝流程為燃氣輪機的排氣送入余熱鍋爐產生水蒸氣，余熱鍋爐的次高壓蒸汽進入汽輪機(抽凝式、背壓式)中做功，汽輪機抽汽(或排汽)再用于供熱。余熱鍋爐的低壓蒸汽通過溴化鋰機組滿足空調冷負荷，進一步提高聯合循環機組的出力和效率。燃氣輪機、汽輪機發電機多軸布置，發電機發出的電能由線路輸送給電網。目前，能源站覆蓋的園區供冷、供熱用戶共計5家，其中包括15家空調冷負荷用戶，44家蒸汽負荷用戶。上述用戶涉及各個領域，包括設備生產、高新科技、食品加工、醫療器械生產、工業用品生產、藥品生產以及化學品生產等。本文以某大型工業用品生產企業為例，針對其蒸汽參數控制策略進行分析。

2蒸汽參數控制方案設計

2．1用戶供熱參數要求

某大型工業用品生產企業生產工藝所需蒸汽的具體參數要求為2．0±0．05MPa，溫度要求為具有過熱度2℃以上，即該用戶用熱參數壓力變化范圍為1．5～2．05MPa，溫度為℃以上。為滿足上述企業的生產需求，區域供能企業需要控制供熱蒸汽數據并完成實時參數監控，這需要滿足以下2個條件:(1)必須保證遠方控制參數實時傳輸到能源站分散控制系統(DCS)，在DCS系統實時監視，控制好高壓管網供汽壓力;(2)就地供蒸汽管道上增加就地壓力調節閥，將蒸汽入口壓力控制在2．～2．35MPa，出口壓力控制在2．0±0．05MPa，滿足用戶要求。

2．2數據采集傳輸方案

由于該用戶蒸汽用量很大，與另一大型乳品企業流量變化相互之間影響較大，要完成實時參數控制，必須保證遠方控制參數實時傳輸到DCS系統，參數更新速率、準確度都應滿足要求，才能在DCS系統實施控制，確保高壓熱網供熱參數穩定。為此，首先考慮將這兩家大用戶的蒸汽參數實時傳送到DCS系統，結合區域供能企業高中壓熱網的運行方式，調整高壓熱網的供汽參數;其次，充分利用終端用戶原有鍋爐作為調節裝置，在出口母管上加裝穩壓調節閥，自動控制蒸汽壓力。在該傳輸方案中，信號源采用該用戶熱網關口計量表及控制閥前參數表，各擴展一路串口5信號，作為2路蒸汽信號源;壓力調節閥控制器輸出一路5串口信號，作為閥門控制參數信號源，傳輸信號統一采用Modbus通訊協議。數據采集圖如圖2所示。為了更好地對信號進行傳輸，其傳輸過程分以下3個步驟進行:(1)在用戶側IT中心，將串口設備用Modbus網關轉換為以太網接口(Modbus/TCP協議)，并進一步轉換為光纖接口;(2)基于聯通公司光纜，采用多業務傳送平臺(Multi-ServiceTransportPlatform，MSTP)技術(信號為數據專線，帶寬為2Mbps)，符合網絡安全等保測評要求，將數據接入區域供能企業IT機房;(3)通過光纜把數據傳輸到DCS熱網站控制室，在DCS控制室轉換為以太網接口(Modbus/TCP)協議，可以直接接入DCS網絡交換機，實現數據的實時監控，更新速率約1s/次。信號傳輸過程中用到的自動調節硬件設備如圖3所示。

3蒸汽參數控制策略設計

3．1用戶蒸汽壓力參數控制策略

用戶側蒸汽壓力參數控制策略采用兩級自動調節，區域供能企業出口高壓管網壓力控制在2．2MPa，用戶蒸汽采用電動基地式壓力調節閥，出口壓力設定在2．0MPa。調試的方式為將供用戶側高壓管網蒸汽壓力控制在2．05～2．3MPa，減壓閥控制壓力設定值SV設為2．0MPa，逐步優化高壓熱網減溫減壓調節閥的PID參數，實現用戶側蒸汽壓力自動控制。

3．2用戶側減溫減壓閥投用及供熱調試策略

在確定蒸汽參數控制策略后進行供熱調試，調試過程分為冷態調試和熱態調試。冷態調試的步驟如下:(1)確認用戶側新增壓力調節閥及輔助設備已安裝，壓力變送器校驗合格，調節閥、調節器及壓力變送器安裝結束;(2)電動調節執行機構上電，手動整定執行機構開度，使指令和閥位一一對應;(3)進行閥門控制器調節器上電及參數設置，上電正常后與執行機構進行靜態聯調，確認調節機構的動作正確性，初步設定PID參數，確定調節機構動作上下限分別為%和5%。熱態動態調試的關鍵步驟如下。(1)在調節器上手動關閉調節閥，打開調節閥前手動閥和調節閥后手動閥，逐漸設定調節器上壓力給定值，首先設定壓力為1．0MPa，觀察調節情況，發現閥門跟蹤較慢，調節響應時間大于s，不滿足要求，則優化PID參數，觀察調節響應時間小于5s，調節閥后壓力可以滿足蒸汽品質要求;逐漸增加壓力設定值為1．5MPa，調節正常后，壓力設定值增加到1．MPa，做壓力給定值和調節閥開度擾動試驗。(2)逐步升高管網壓力，將調節閥前壓力控制在2．05～2．30MPa，調節閥壓力設定值增加到2．0MPa，閥門調節過程數據記錄見表1.(3)最后，將高壓蒸汽管網壓力控制在2．20MPa，用戶側供汽壓力穩定在2．00MPa，閥門開度為．6%，觀察30min，控制無異常，調試結束。

4控制效果分析

在用戶側蒸汽壓力控制正常投運后，觀察到某典型日14:20～14:區間，米其林工廠(以下簡稱“米其林”)蒸汽流量變化范圍為．1～12．2t/h，入口蒸汽壓力變化范圍為2．1～2．2MPa，閥門開度在44．3%～．%，出口壓力穩定在1．～2．01MPa。由此可見，調節品質(穩定性、準確性和快速性)滿足設計要求，達到了預期的目的。在用戶實現直供前，其蒸汽參數歷史曲線如圖4所示。本次用戶蒸汽壓力控制正常投運后，實現了自動調節，得到的歷史曲線如圖5所示。通過圖4和圖5的對比分析可知，用戶實現直供前，其供熱溫度、壓力受高壓供熱母管流量影響，波動較大，當實現自動調節后，供熱溫度受高壓母管流量影響較小，可維持穩定，從而驗證了前述策略的可行性和有效性。

5結論

本文以上海某區域供能企業對工業園區內某大型工業企業的供熱改造項目為基礎，對工業企業蒸汽參數控制策略進行了針對性研究。通過對控制方案、控制策略以及控制效果的分析，可以得到以下結論。(1)通過本文所提出的控制策略，實現了用戶供熱參數的自動控制，為用戶實現直供汽建立了基礎，調節品質滿足設計要求，達到了預期的目的。提高供熱參數穩定性的同時，減少了人工干預，運行方式更加安全。(2)通過蒸汽參數自動控制用戶實現直供，關停了用戶側的燃氣鍋爐，提高了供能側冷熱電三聯背壓供機組發電量，有效降低了發電氣耗;每年可增加發電量近00萬kWh，全年增利約7萬元。

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作者：陳建偉 單位：上海華電閔行能源有限公司