程曉婷

（首鋼京唐公司能環(huán)部，河北唐山063200）

海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)控制系統(tǒng)

程曉婷

（首鋼京唐公司能環(huán)部，河北唐山063200）

熱電聯(lián)產(chǎn)是一種卓有成效的系統(tǒng)節(jié)能手段，能大幅度提高能源綜合利用率。與其他電廠不同，熱電聯(lián)產(chǎn)裝置直接將海水淡化與汽輪機排汽口相連接，兩者高度相關。海水淡化利用低品質汽輪機負壓排汽，極大的降低了海水淡化生產(chǎn)成本。海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的運行，使企業(yè)能耗降低、效益提高。

海水淡化；熱電聯(lián)產(chǎn);控制

1 前言

在 20世紀80年代以前，水電聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)淡化水多數(shù)選用多級閃蒸裝置（MSF）作為海水談化裝置。80年代中期出現(xiàn)了大型低溫多效海水淡化裝置（MED）。該淡化裝置生產(chǎn)淡水的總電耗低于多級閃蒸裝置，且易實現(xiàn)大型化、運行維護成本低、使用壽命長、對海水水質要求寬松，已成為當今國外大型海水淡化工程建設的主要模式。

低溫多效海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術即利用發(fā)電廠產(chǎn)生的可利用低品位蒸汽為海水淡化裝置提供動力，從而實現(xiàn)能源高效利用和降低海水淡化成本，因此該技術開發(fā)出來后便在世界范圍內迅速得到了廣泛的應用，經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)成為海水淡化最具發(fā)展前景的技術之一。國外大部分海水淡化廠，都是和發(fā)電廠建在一起的，這是當前大型海水淡化工程的主要建設模式，目前，低溫多效海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術在科威特、沙特、埃及、美國、日本、以色列等國家得到了廣泛的應用。

我國是一個電力資源需求的不斷提高和水資源的相對貧乏的國家，根據(jù)國家發(fā)展和改革委員會、國家海洋局、財政部聯(lián)合發(fā)布的《海水利用專項規(guī)劃》，在未來2～10年里，我國將有日產(chǎn)約400萬t的海水淡化裝備需求的市場。因此低溫多效海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)作為極具前途海水淡化技術，在國外迅猛發(fā)展的同時在國內也得到了快速發(fā)展。

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限公司位于河北省唐山市南部渤海灣的曹妃甸工業(yè)區(qū)內，廠區(qū)臨海而建，公司配套有2×300 MW自備電廠。面對沿海相對匱乏的淡水資源和低參數(shù)蒸汽無法回收利用的窘境，公司從以色列引進低溫多效熱電聯(lián)產(chǎn)海水淡化技術，建設一期海水淡化廠規(guī)模為4×12500 t/d，共計50000 t/d滿足鋼鐵廠的用水需要。第一套低溫多效蒸發(fā)器（MED）于2009年3月22日投產(chǎn)，第二套于2009年5月22日滿負荷產(chǎn)出合格水。首鋼京唐公司創(chuàng)造性的在其中兩套海水淡化主體裝置蒸汽進口前分別配置了中溫中壓汽輪發(fā)電機組，充分利用鋼鐵廠富余燃氣燒鍋爐產(chǎn)生的中溫中壓蒸汽在汽輪機組中發(fā)電做功，進而將汽輪機末端負壓排汽供給海水淡化裝置制備除鹽水。該系統(tǒng)實現(xiàn)了能量的梯級利用，不僅大幅度降低了海水淡化的運行成本，還產(chǎn)生了額外的發(fā)電效益，更好地實現(xiàn)了熱、電、水的聯(lián)產(chǎn)。

2 海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)簡介

首鋼京唐鋼鐵公司海水淡化裝置日產(chǎn)12500 t淡水，考慮設備的年運行時間及充分利用低品位蒸汽的需求，具備三種運行工況：

（1）純TVC模式：僅使用0.4 MPa，250℃低壓蒸汽。

（2）部分TVC模式：使用0.4 MPa，250℃蒸汽及0.035 MPa，73℃蒸汽。

（3）純MED模式：僅使用0.035 MPa，73℃蒸汽（負壓蒸汽）。

上述三種運行工況利用的蒸汽都屬于低品質蒸汽，但從熱力學的角度考慮，負壓蒸汽（0.035 MPa，73℃）做功能力最低，價格也最低。

2010年10月，為解決投產(chǎn)初期廠區(qū)供熱不足問題，首鋼京唐鋼鐵公司建成兩臺中溫中壓（3.82 MPa，450℃）燃氣鍋爐，其中壓蒸汽經(jīng)減溫減壓后送入廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)供采暖及海水淡化使用，由于減溫減壓過程存在能量損失，需進一步尋求優(yōu)化利用措施。

目前，大型汽輪發(fā)電機組為追求節(jié)能、高效，凝汽器真空要求很高，一般都維持在－94 kPa以上，由于汽輪機負壓排汽的做功能力全部被電能帶走，其價格為零，但其攜帶了整個發(fā)電機組輸入熱量的60%以上。雖然國內外都一致認為低品質蒸汽可以大幅降低海水淡化成本，但其所指及實際應用的“低品位蒸汽”只是停留在0.3～0.4 MPa，250℃左右這個參數(shù)等級，還沒有出現(xiàn)將海水淡化和熱電聯(lián)合生產(chǎn)，汽輪機負壓排汽直供海水淡化的實際運行實例。

結合首鋼京唐公司海水淡化現(xiàn)有三種工況，對蒸汽系統(tǒng)進行了全面優(yōu)化，如果能夠實現(xiàn)將中壓蒸汽直接用于汽輪發(fā)電機組，發(fā)完電的負壓排汽再供入海水淡化裝置生產(chǎn)除鹽水這一條最優(yōu)路徑，經(jīng)初步測算全系統(tǒng)的熱量利用效率可達82.23%。

因此，研究海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術，將汽輪機負壓排汽直接用于海水淡化裝置，必然能大幅度降低海水淡化成本，同時提高全系統(tǒng)的熱量利用效率。

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)組成

海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)由蒸汽系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)，海水淡化三個系統(tǒng)組成，見圖1。首鋼京唐鋼鐵公司共建設四套海水淡化裝置（U1、U2、U3、U4），單套裝置產(chǎn)水規(guī)模每天12500 t，兩臺中溫中壓蒸汽(3.82 MPa，450℃)鍋爐，額定蒸發(fā)量130 t/h，兩臺進汽參數(shù)為3.43 MPa，435℃，額定功率為21.1 MW的汽輪發(fā)電機及相配套的輔助設備。兩臺鍋爐、兩臺汽輪發(fā)電機組、兩臺低溫多效蒸餾海水淡化裝置(U1、U2)組成海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

其基本流程是：中壓鍋爐利用鋼鐵廠的富裕煤氣爐產(chǎn)生的蒸汽一部分經(jīng)過鍋爐的減溫減壓器把壓力降2～2.5 MPa，送給煉鋼使用。另外一部分富裕中壓蒸汽，壓力為3.82 MPa送給新建兩套25 MW發(fā)電機組，作為發(fā)電機組汽輪機的動力汽源，汽輪機乏汽直接連接海水淡化的入口，一套汽輪機對應一套海水淡化主體，乏汽壓力為0.035 MPa；由海水淡化裝置取代汽輪機的真空泵，同時汽輪機乏汽作為熱法海水淡化MED模式下的低低壓汽源，海水淡化產(chǎn)出淡水后送往除鹽水管道，供給公司各個用戶。汽輪機的低壓抽汽為0.6 MPa，送入低壓蒸汽管網(wǎng)，可以給另外兩套海水淡化裝置在TVC模式下作為低壓蒸汽使用。發(fā)電機組發(fā)出的電經(jīng)10 kV變電站與電網(wǎng)并網(wǎng)后送入電網(wǎng)。

3 海水淡化與熱電聯(lián)產(chǎn)控制系統(tǒng)研究

汽輪發(fā)電機組采用分布式控制系統(tǒng)（DCS）對整個機組的運行情況進行監(jiān)控并調節(jié)，同時保持與數(shù)字電液調節(jié)系統(tǒng)（DEH）、汽輪機跳閘保護系統(tǒng)（ETS）、汽輪機儀表監(jiān)控系統(tǒng)（TSI）三者的通信，使DCS系統(tǒng)的顯示畫面時刻反映現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。四者的邏輯控制模型見圖2。

圖2 汽輪機組控制系統(tǒng)模型圖

DEH系統(tǒng)的主要功能包括汽輪機轉速控制，自動同期控制，負荷控制，快速減負荷控制以及機組甩負荷及失磁控制等。TSI系統(tǒng)主要用于測量汽輪機軸振、瓦振、偏心、轉速、位移和差脹等信號，且位移、振動、差脹等信號均參與汽輪機跳閘保護。ETS系統(tǒng)是指汽輪機跳閘保護系統(tǒng)，當汽輪機運行異常，汽輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)無法控制汽輪機系統(tǒng)在正常范圍內時，為防止損害汽輪發(fā)電機系統(tǒng)，ETS系統(tǒng)使汽輪發(fā)電機組跳閘，關閉所有的汽輪機進汽閥，TSI系統(tǒng)的跳閘保護信號需傳入ETS系統(tǒng)后再由ETS發(fā)出跳閘命令。

圖1 熱電機組聯(lián)產(chǎn)工藝流程

通過上述的分析，不難看出，汽輪機危及狀態(tài)下的保護是由ETS系統(tǒng)執(zhí)行的，而正常狀態(tài)下運行調整則由DEH系統(tǒng)控制，所以，汽輪發(fā)電機組與海水淡化聯(lián)合控制后，海水淡化的關鍵信號必須進入DEH系統(tǒng)和ETS系統(tǒng)，從而實現(xiàn)汽輪發(fā)電機組與低溫多效海水淡化裝置的正常控制及事故保護。根據(jù)整套系統(tǒng)在生產(chǎn)上的先后順序，首先確定了系統(tǒng)正常運行及事故狀態(tài)下的邏輯關系，分見圖3和圖4。

圖3 正常啟動邏輯順序

圖4 事故狀態(tài)邏輯關系

海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)啟動階段控制系統(tǒng)將海水淡化啟動必須具體的一些重要條件如：海水淡化已選擇MED模式；海水淡化補給水流量大于1200 t/h；海水淡化末效真空大于70 kPa；海水淡化第一效濃鹽水溫度低于64℃作為系統(tǒng)啟動的先決條件，通過硬線連接到上位機，這些信息再與汽輪機各種控制條件相與，條件全部符合后，才達到系統(tǒng)聯(lián)合啟動條件。

其轉速保持階段主要考慮因素為以下四點：

（1）暖機點轉速自動保持；

（2）臨界轉速區(qū)禁止保持；

（3）沖轉過程中排汽溫度＞74℃；

（4）排汽壓力＞35 kPa。

一旦達到上述任一條件，汽輪機將進入轉速保持階段，一是達到暖機的目的，另一個目的就是防止汽輪機排汽溫度或排汽壓力繼續(xù)升高。

連鎖停機控制中將海水淡化側的任一導致海水淡化停機的故障（以U1停機代替）直接接線至汽輪機ETS跳閘系統(tǒng)，保證汽輪機 跳閘與海水淡化停機同步，起到保護汽輪機與海水淡化的作用。

4 結束語

目前，國內外海水淡化裝置用汽全部來自汽輪發(fā)電機組抽汽，關斷抽汽管道閥門，汽輪發(fā)電機組和海水淡化裝置都可以單獨運行（如天津北疆電廠），而本套裝置直接將海水淡化與汽輪機排汽口相連接，兩者高度相關，海水淡化裝置不僅承擔除鹽水生產(chǎn)任務，還肩負了汽輪機凝汽器的功能。此外，低溫多效海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術開創(chuàng)了海水淡化利用低品質汽輪機負壓排汽（0.035 MPa，73℃）的先河，該技術在大幅降低海水淡化生產(chǎn)成本的同時，形成了熱—電—水三聯(lián)產(chǎn)模式，不僅填補了國內技術空白，為沿海地區(qū)鋼鐵企業(yè)能源的生產(chǎn)起到示范作用。

海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術，汽源采用汽輪機直接排汽，蒸汽的焓降在汽輪機中得到充分利用后，直接排入低溫多效蒸餾海水淡化裝置，大大降低了蒸汽的能量品位，從而大幅度降低海水淡化的運行成本。海水淡化熱電聯(lián)產(chǎn)技術成功的應用了低品質的汽輪機負壓排汽，極大的降低了海水淡化生產(chǎn)成本，可為公司創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

[1]首鋼設計院.首鋼京唐公司海水淡化工程初步設計[Z]，2007，12-59.

[2]周少祥，馬燕南.熱電聯(lián)產(chǎn)低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)的節(jié)能分析[J].熱能動力工程，1997，12(3)：164-166.

The Control System of Heat and Electricity Cogeneration with Seawater Desalination

Cheng Xiaoting
(Shougang Jingtang United Iron&Steel Co.,Ltd.,Tangshan Hebei 063200,China)

Heat and electricity power cogeneration is an effective systematic means to save energy and can greatly increase the comprehensive utilization rate of energy.Different from other power plants,the cogeneration device directly connects sea water desalination apparatus with the steam turbine exhaust port,to closely correlate the two systems.The sea water desalination system utilizes the low quality steam turbine negative pressure exhaust, highly reducing desalination cost.Operation of desalination cogeneration significantly reduces energy consumption and improves economic performance of enterprises.

seawater desalination;heat and power cogeneration;control

TM612

B

1006－6764（2015）06－0055－04

2015-03-03

程曉婷（1985-），女，2013年畢業(yè)于東北大學控制工程專業(yè)，電力拖動與自動控制工程師，研究生，現(xiàn)從事自動化專業(yè)技術管理工作。