北京和利时系统工程有限公司

    （北京和利时系统工程有限公司，北京 100176）贠小波
                             
    贠小波（1977-）男，北京人，工学学士，工程师，现就职于杭州和利时自动化有限公司电厂技术部，长期从事仪控系统在工业自动化过程控制领域的应用与研究工作。

    摘要：目前我国大多数火力发电厂都采用湿冷技术，面对日益紧缺的水资源问题，火力发电行业面临前所未有的挑战，而空冷技术与普通湿冷技术相比可节水2/3，因此近几年空冷技术得到广泛应用。本文以2*600MW空冷机组为例介绍了直接空冷系统的工艺、特点及控制方案。

    关键词：空冷系统；背压；暖管

    Abstract: As air cooling systems designed to minimize water consumption and energy usage, in recent years many air cooled steam turbines have been operated in north China. This paper introduces the technology, features and control solution of a 2*600MW supercritical coal fired power unit.

    Key words: Air cooling system; exhaust steam pressure; frost protection 

    1 概述

    火力发电厂中通过空冷装置冷凝汽轮机排汽的机组称为空冷机组，空冷机组最明显的优点就是节水，耗水量约为湿冷同类机组的30%~35%。在我国北方建设火力发电厂，特别是一些富煤少水的地方宜建空冷机组。空冷系统按照冷却方式的不同主要分为两大类：间接空冷系统和直接空冷系统。间接空冷系统又分为带表面式凝汽器和带混合式凝汽器的两种系统。直接空冷系统（如图1所示）是将汽轮机排出的乏汽，由管道引入称之为空冷凝汽器的金属散热器中，由环境空气直接将排汽冷凝为凝结水，减少了常规二次换热所需要的中间冷却介质，换热温差大，效果好。本文主要介绍的呼伦贝尔电厂一期2*600MW空冷机组采用的就是直接空冷方式，汽轮机额定排汽压力（即背压）为30kPa。空冷系统主要是控制背压，即由空冷风机变频器的转速控制排汽压力，排汽压力高时增加冷却风机的运行台数或提高冷却风机的转速，排汽压力低时则相反。背压控制的优劣对于空冷机组的安全性和经济性都起到了至关重要的作用。
               
                                 图1  直接空冷机组汽水流程图
                      1-锅炉；2-过热器；3-汽轮机；4-发电机；5-空冷凝器；6-凝结水箱；
                      7- 冷凝水泵；8-低压加热器；9-除氧器；10-给水泵；11-高压加热器。

    2 工艺介绍

    呼伦贝尔发电厂一期建设2×600MW超临界空冷凝器式燃煤发电机组。锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司提供的超临界参数变压直流炉。汽轮机为上海汽轮机有限公司提供的超临界、一次中间再热、单轴、两缸两排汽直接空冷凝汽式汽轮机。汽轮机排汽冷却系统为机械通风直接空冷系统（ACS），设有约56台冷却风机。一期工程直接空冷系统包括空冷凝汽器排汽系统、空冷凝汽器凝结水系统、空冷凝汽器抽真空系统、疏水系统、清洗系统。空冷凝汽器由8列7行共56个风机组成。其中#1、#3、#4、#5、#7为单向正转风机，#2、#6为可正转亦可反转的风机，只有暖管时才反转。空冷凝汽器#1、#2、#3、#6、#7、#8列的排汽管道上设有蒸汽隔离阀，同时在#1、#2、#3、#6、#7、#8列的抽真空管道上设有抽真空隔离阀。抽真空系统设有3台100%容量的水环真空泵，每台真空泵前设有真空泵入口电动门。

    3 直接空冷系统的特点

    空冷机组与湿冷机组由于适用的范围不同，所以从主要技术经济指标上比较各有优劣。空冷机组主要优点是节水，但却存在煤耗高、厂用电高、汽轮机效率低等不足；湿冷机组的特点则相反。经过这几年的不断改进，直接空冷发展较快，相比于间接空冷形式，目前直接空冷系统具有以下特点：

    （1）冷热介质温差大，换热效果好；

    （2）汽轮机排汽压力变化范围大，适宜我国北方地区冬夏温差变化较大的气候特点；

    （3）空冷系统占地面积小，由于空冷凝汽器一般都布置在汽机房顶或汽机房前的高架平台上，平台下仍可布置电气设备等，空冷凝汽器占地得到综合利用，使得电厂整体占地面积减少；

    （4）低温情况下暖管措施灵活可靠，直接空冷可通过改变冷却风机转速或使风机反转来调节空冷凝汽器的进风量和进风方向以防止空冷凝汽器冻结，暖管方式灵活可靠；

    （5）厂用电消耗较大，主要来自冷却风机的能耗。

    4 主要控制逻辑介绍

    直接空冷就是利用空气直接冷凝汽轮机的排气，即汽轮机排出的蒸汽在空冷凝汽器翅片管束内流动，冷却空气在空冷凝汽器翅片管外流动对蒸汽直接冷却。空冷系统就是维持蒸汽的冷凝效果(表现为排汽背压的变化)，根据管内蒸汽流量和温度的变化，提供相应的冷却空气流量。而冷却空气流量的变化则通过改变冷却风机的运行数量和风机的转速来控制。

    4.1 背压调节回路

    背压调节回路就是通过背压的测量值计算出冷凝这些蒸汽所需的冷却空气的流量。即通过对背压设定值与测量值的偏差进行PID运算，结合风机步序表，其输出连续对运行风机台数（蒸汽隔离阀数量）及风机转速进行自动控制，使冷却空气的流量与运行条件（各工况下的蒸汽量及环境温度）相协调，最终控制汽机背压运行在安全、合理、经济的范围内。具体控制方案如下：

    （1）背压测量值

    汽机和电机侧排汽装置各自均设有3个压力测点。汽机侧排汽装置3个压力测点的中值与电机侧排汽装置3个压力测点的中值取均值后，得出排汽装置的背压测量值。

    （2）背压设定值

    背压设定值由运行人员手动给定。正常运行中，设定值的人为大幅调整会造成背压控制器输出突变，不利于空冷系统的稳定运行，因此用一个输出变化速率限制器进行柔性处理。当环境温度较低且最低凝结水温度较低时（即霜冻报警时），自动提高背压设定值3kPa。

    （3）PID控制器

    背压设定值与测量值的偏差作为PID调节器的输入。运行中为避免频繁的小幅度背压波动对风机转速的扰动，对背压设定值与测量值的偏差设置死区限制（±1kPa）。当背压控制自动投入后，PID控制器的输出经增益变换及平衡器的作用后，作为各列变频风机组的转速（频率）输入指令。当机组出现剧烈的负荷变化时，如RB或汽机跳闸工况，PID控制器的响应速度必须要足够快（变参数处理），通过立刻下切或上切风机步级来消除扰动。

    （4）背压控制手动/自动（M/A）站

    当背压控制M/A站在自动方式时，背压调节PID控制器的输出将作为空冷器8列的频率指令。运行人员可通过该M/A站设定背压设定值。当背压控制M/A站在手动方式时，背压调节回路被切除，运行人员通过M/A站手动调节空冷器8列风机的频率指令。背压设定值、背压测量值、M/A站输出值都能在M/A站画面中显示，背压调节示意图如图2所示。
               
                                     图2  背压调节示意图
    4.2 空冷系统程控

    空冷系统程控是空冷系统中完成整体启动和整体停止的程控逻辑。空冷系统启动前要求下游子系统进入工作状态，如凝水泵要运行、真空泵已选择等。整体启动的方案也根据环境温度的不同而分为夏季启动模式和冬季启动模式。空冷系统整体停止时则要求汽轮机没有任何蒸汽排入空冷凝汽器。具体控制方案如下：

    4.2.1 程控启动条件（and）

    （1）轴封蒸汽母管压力正常；

    （2）至少一台凝结水泵在运行；

    （3）汽机非零转速；

    （4）汽机排汽管道真空破坏阀1关状态；

    （5）汽机排汽管道真空破坏阀2关状态；

    （6）真空泵已选择；

    （7）汽机跳闸；

    （8）高旁阀全关。

    4.2.2 程控启动步序

    （1）启动三台真空泵；

    （2）延时，等到排汽装置背压小于限值时留一台真空泵运行维持真空；

    （3）空冷系统允许机组点火信号发出；

    （4）若大气温度低于2℃则跳至第11步，否则执行下一步；

    （5）开全部六列的蒸汽隔离阀；

    （6）等待高旁阀有一定开度且汽轮机已挂闸；

    （7）三台真空泵选择自动投运方式；

    （8）等待凝结水温度>35℃且与大气温度偏差大；

    （9）投入变频风机自动投运；

    （10）程控结束；

    （11）等待高旁阀有一定开度且汽轮机已挂闸；

    （12）三台真空泵选择自动投运方式；

    （13）等待凝结水温度大于35℃且与大气温度偏差大；

    （14）投入变频风机自动投运；

    （15）程控结束。

    4.2.3 程控停止条件（and）

    （1）汽机跳闸；

    （2）高旁阀全关；

    （3）低旁阀全关。

    4.2.4 程控停止步序

    （1）切除变频风机自动投运；

    （2）停变频风机；

    （3）切除真空泵自动投运方式；

    （4）停真空泵。

    4.3 变频风机自动投运

    变频风机自动投运是关于56台风机自动投入和自动退出的具体逻辑。投入时的顺序是先启#2、#6风机，再启#3、#4、#5风机，最后启#1、#7风机。退出时顺序正好与启动时颠倒过来，即先停#1、#7风机，再停#3、#4、#5风机，最后停#2、#6风机。具体的控制顺序如下：

    4.3.1 变频风机自动投运的顺序为：

    （1）4、5列#2、#6风机；

    （2）1、2、3、6、7、8列#2、#6风机；

    （3）4、5列#3、#4、#5风机；

    （4）1、2、3、6、7、8列#3、#4、#5风机；

    （5）4、5列#1、#7风机；

    （6）1、2、3、6、7、8列#1、#7风机；

    4.3.2 变频风机自动退出的顺序为：

    （1）所有列#1、#7风机；

    （2）所有列#3、#4、#5风机；

    （3）所有列#2、#6风机。

    4.4 自动暖管程控

    当环境温度低于5℃时，尤其是在冬季，为防止空冷凝汽器不会被冻结，就需要启动暖管程序。程控启动条件为大气温度（代表空冷装置温度）低于5℃。
程控启动步序：

    （1）启动4列风机暖管程控；

    （2）延时30分钟（若大气温度高于5℃则程控结束，否则执行下一步）；

    （3）启动5列风机暖管程控；

    （4）延时30分钟（若大气温度高于5℃则程控结束，否则执行下一步）；

    （5）启动3列风机暖管程控（若3列蒸汽隔离阀未开则跳过此步）；

    （6）延时30分钟（若大气温度高于5℃则程控结束，否则执行下一步）；

    （7）启动6列风机暖管程控（若6列蒸汽隔离阀未开则跳过此步）；

    （8）延时30分钟（若大气温度高于5℃则程控结束，否则执行下一步）；

    （9）启动2列风机暖管程控（若2列蒸汽隔离阀未开则跳过此步）；

    （10）延时30分钟（若大气温度高于5℃则程控结束，否则执行下一步）；

    （11）启动7列风机暖管程控（若7列蒸汽隔离阀未开则跳过此步）；

    （12）延时30分钟（若大气温度高于5℃则程控结束，否则执行下一步）；

    （13）启动1列风机暖管程控（若1列蒸汽隔离阀未开则跳过此步）；

    （14）延时30分钟（若大气温度高于5℃则程控结束，否则执行下一步）；

    （15）启动8列风机暖管程控（若8列蒸汽隔离阀未开则跳过此步）；

    （16）延时30分钟（若大气温度高于5℃则下一步，否则执行第一步）；

    （17）暖管程控结束。

    4.5 过冷及霜冻保护

    呼伦贝尔电厂位于内蒙古东北部， 一月平均气温零下27.3℃，历史最低温度零下52.3℃，因此系统的防冻保护尤为重要。根据环境温度和凝结水温度的不同低值，系统发出过冷报警和霜冻报警。过冷报警发生后延时30m设定启动两台真空泵，当大气温度回升或凝结水温回升时设定启动一台真空泵。霜冻报警发生后将背压调节回路的设定值增加3kPa，当大气温度回升或凝结水温回升时恢复原背压设定值。

    空冷系统的控制逻辑还包括蒸汽隔离阀的控制、真空泵控制等等，在此不作一一详述。

    5 结束语

        空冷系统的应用在我国起步较晚，无论是直接空冷，还是间接空冷技术，经过几十年的运行实践，证明均是可靠的。空冷系统最大的优势就是节水，空冷技术应用在我国西北地区建设火力发电厂时，以有限的水资源尽量提高机组容量，为缓解与当地工农业、生活争水的矛盾，保持当地经济可持续发展均起到了重要的作用。 

    摘自《自动化博览》2010年第十期