火电机组三排管翅空冷系统控制策略优化

储 墨，常威武，习大伟，高金龙，杨柏依

（1.华能莱芜发电公司，山东 莱芜 271100；2.西安热工研究院有限公司，西安 710054；3.吉林电力股份有限公司白城发电公司，吉林 白城 137000）

火电机组三排管翅空冷系统控制策略优化

储 墨1，常威武2，习大伟2，高金龙3，杨柏依1

（1.华能莱芜发电公司，山东 莱芜 271100；2.西安热工研究院有限公司，西安 710054；3.吉林电力股份有限公司白城发电公司，吉林 白城 137000）

空冷系统的全程自动运行是空冷发电机组控制的一个难题。以某电厂2台660 MW空冷机组为例，对空冷机组的自动控制组态和调试经验进行总结。针对空冷系统冬夏季工况的互相切换、机组在快速变负荷时空冷系统的快速响应等问题提出优化方案。经过优化的空冷机组在冬夏季工况切换和变负荷时，机组的稳定运行和快速响应方面都有明显改善。

空冷系统；三排管翅；控制策略；工况切换

0 引言

随着电力工业的迅速发展，大容量高参数汽轮发电机组不断增加，不仅需要消耗大量的一次能源，同时也消耗大量的水资源［1］。水资源的日益匮乏，使直接空冷机组在世界富煤贫水地区得到了快速发展［2］。然而在投产的空冷机组实际运行中，机组的负荷变动、环境参数的变化均会使空冷系统偏离正常的运行状态，造成机组背压的波动，影响整个机组运行的经济性和安全性［3-5］。为了使空冷机组在不同工况和不同环境因素下更经济、更安全运行，以某600 MW三排翅直接空冷系统为例，对三排翅空冷系统的控制策略提出优化方案。

1 系统概述

某电厂一期工程2台660 MW超临界燃煤空冷发电机组，锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司制造的超临界参数变压运行直流炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。汽轮机为超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。空冷系统为斯必克斯（SPX）冷却技术（北京）有限公司提供的三排翅片管束空冷机组。

空冷系统由8列共640片换热管束和64台风机组成，每台风机向10片管束供风。空冷系统由480个管束作为冷凝器（顺流管束），160个管束作为分凝器（逆流管束）。其中每列的2号和6号风机为逆流风机；1号、3号、4号、5号、7号和8号风机为顺流风机，并且顺流风机为冷凝器提供冷却空气，逆流风机为分凝器提供冷却空气。具体结构如图1所示。

图1 空冷系统结构

来自汽轮机的蒸汽经由主蒸汽管道进入空冷系统，并由蒸汽分配管箱进入冷凝器管束。冷凝器元件由平行排列的翅片管组成，蒸汽在管内表面冷凝，同时冷却空气横过管束外表面。蒸汽分配管箱位于屋顶形管束的顶部，并与作为冷凝器的管束焊接在一起。管束下部的接管直接与凝结水箱连接，联箱将凝结水送到凝结水疏水管道且将未凝结的气体送至逆流管束。逆流管束的顶端有一个联箱，未凝结的气体经联箱上的接管被真空系统抽离空冷系统。

空冷系统中的64台风机由变频电机驱动，经齿轮箱减速后最终驱动风机叶片。

2 空冷系统控制策略

空冷系统的控制工况分为夏季工况和冬季工况，夏季工况时，所有管束、风机均投入，且所有风机跟随凝汽器背压主控制器输出，以统一的转速运行，控制策略比较简单，着重说明空冷系统在冬季工况时控制策略。

2.1 凝汽器背压控制

凝汽器背压控制器根据凝汽器背压在一定的死区内调节运行变频风机的转速，使低压缸排汽在空冷换热管束中冷凝成凝结水，从而达到所要求的凝汽器背压，凝汽器背压控制策略如图2所示。

空冷系统凝汽器背压主控输出最小值为0%，空冷系统凝汽器背压主控输出最大值为110%（对应风机的频率为55 Hz）；当环境温度小于20℃时，空冷系统不允许风机超频运行；环境温度大于20℃时，空冷系统凝汽器背压主控输出最大值110%。

图2 凝汽器背压控制策略

凝汽器背压初始设定值为15 kPa；当防冻保护触发时，空冷系统凝汽器背压设定值自动增加2 kPa，0.5 h后再自动增加2 kPa；防冻保护消失后设定值自动减2 kPa，0.5 h后设定值回复正常。

当主控被调量凝汽器背压信号质量坏、空冷系统未运行，空冷系统手动，所有风机在手动方式时，空冷系统凝汽器背压主控强制手动（脉冲）。当凝汽器背压控制不在自动方式时，凝汽器背压设定值跟踪凝汽器背压实际值，主控输出跟踪运行风机转速的最大值。

2.2 空冷系统换热管束控制

每列换热管束安装有1个蒸汽立管阀、1个凝结水排出阀和1个抽真空阀（第4列和第5列为常投入列未安装阀门）。换热管束的投入和退出由排入空冷系统的蒸汽流量多少决定。表1和表2分别给出了各个换热管束投退时所对应的蒸汽流量。

表1 换热管束列投入对照

表2 换热管束列退出对照表

系统蒸汽流量条件满足投入新换热管束列前，首先打开其凝结水阀及抽真空阀，在真空度合格后，打开蒸汽立管阀投入此列换热管束列。退出时，首先关闭立管阀，当换热管束列中蒸汽和凝结水全部排出后，关闭凝结水阀和抽真空阀。

2.3 风机控制

正常情况下，所有运行的风机根据空冷系统凝汽器背压主控输出以相同转速运行。每段（每列分为前后两段）4台空冷系统风机设计了成组转速操作器，运行人员也可以通过各个风机的偏置设定，对各风机转速在限值范围内进行微量调整。风机运行反馈信号（脉冲）自动投入本风机的转速控制器为自动状态，当此风机未运行时，风机转速主控被强制为手动。风机转速控制器输出最小值为26.2 Hz。

空冷系统任一段防冻保护I运行时，此段顺流风机被强制为手动跟踪状态，并以10%／min减速，到最低转速为止；此列逆流风机在防冻保护II未触发的前提下保持原转速不变。防冻保护II发生后，此段逆流风机转速以10%／min下降直至最低转速。霜冻保护II运行信号消失，则此段逆流风机转速锁定，直到防冻保护I复位。霜冻保护运行信号消失，此段风机切回自动并接收PID主控输出。当回暖程控请求反转此列逆流风机时，逆流风机转速控制输出被强制跟踪至最低转速。每列风机都是根据主控制器输出值进行启动和停止的。风机启停的数据见图3～4。

2.4 系统防冻保护

冬季工况防止冻坏换热面管束影响空冷系统的冷凝效果，从而影响到整个发电机组发电负荷。空冷系统的冬季霜冻保护措施分为逆流管束回暖程控和防冻保护报警。

图3 逆流风机启停数据

图4 顺流风机启停数据

2.4.1 逆流管束回暖程控

当环境温度低于-2℃，空冷系统运行一段时间后，在分凝器管束的上端可能会结霜，有不可凝结的气体出现过冷。如果这种状况持续一段时间，即一天或几天的环境温度一直在霜点以下，可能导致分凝器管束的上部端口逐渐堵塞，妨碍不可凝结的气体被抽出。作为一项防护措施，逆流风机必须先停止3 min，再以最低转速反转5 min，使逆凝汽管束回暖，融化可能已形成的冰霜。

逆流管束回暖程控会在空冷系统运行的前提下，环境温度低于-2℃自动启动，并且在每一个循环结束间隔2.5 min（在环境温度低于-15℃，间隔时间自动改为为2 min）后循环运行，直到环境温度大于0℃，或者空冷系统停运时停止循环。

2.4.2 防冻保护报警

在凝汽器背压控制器工作不正常时，就会出现凝汽器背压低于抽真空系统的抽气限值，从而造成过多的空气和不凝结气体的积存，而上述积存可能导致凝汽器内的凝结水过冷，在冬季较低的环境温度下还会结霜。所以，凝汽器背压控制也还是一种霜冻保护的手段。该空冷系统是以每段为基础做防冻保护。当环境温度低于3℃、空冷系统投运且该列回暖程控未运行时，该段任一凝结水温度和抽真空温度小于25℃，防冻保护I报警触发；该段任一抽真空温度小于20℃，防冻保护II触发。当该段抽真空温度高于25℃时，防冻保护II复位，该段凝结水温度和抽真空温度都正常，防冻保护I复位。在环境温度大于4℃时，防冻保护I和II同时复位。

3 空冷控制系统优化措施

夏季工况时，所有列和风机都投入运行，所以空冷系统在冬夏季两种工况之间切换时，会导致大批风机同时启停，这样会对整个发电机组的协调控制和整个厂用电网造成不良影响。建议风机控制和列投入控制按照原冬季工况运行。

考虑到蒸汽立管阀的密封效果和空冷系统的快速响应负荷变化，建议凝结水阀和抽真空阀改为手动操作，并且在空冷系统停运前保持常开。

凝汽器背压主控中可以加入增负荷前馈和环境风向前馈。让空冷系统更快响应系统负荷变化且降低由于炉后风对整个机组的影响。

换热管束投入控制的准确性直接影响空冷系统的运行效率，所以排入空冷系统的蒸汽流量就尤为重要。而蒸汽流量又是一个很难计算准确的参数。建议在低负荷时，换热管束列的投退由运行人员根据系统工况决定；高负荷时，根据机组负荷的来调节投入管束列的多少。

4 结语

该空冷系统经过以上优化措施的改进，提高了该机组在快速变负荷工况时的响应速度和稳定性；减少了因空冷系统造成机组非停的次数；大大改善了在冬季低负荷时冻坏冷凝管束的情况。当然，在空冷系统的密封性达到设计要求的前提下，凝结水阀和抽真空阀在机组正常运行时，应该关闭，这样能够减少真空泵的运行负荷，提高空冷机组的经济性。

［1］严俊杰，张春雨，李秀云，等.直接空冷系统变工况特性的理论研究［J］.热能动力工程，2000，15（6）：601-603.

［2］杨立军，杜小泽，杨勇平.空冷凝汽器全工况运行特性分析［J］.中国电机工程学报，2008，28（8）：24-28.

［3］李高潮，朱宝田，陈胜利，等.空冷机组直接空冷系统变工况特性的计算分析［J］.热力发电，2008，37（10）：80-82.

［4］周兰欣，白中华，李卫华，等.自然风对空冷凝汽器换热效率影响的数值模拟［J］.动力工程学报，2008，28（1）：104-107.

［5］唐正伟，熊扬恒，胡玲.横向自然风对直接空冷机组运行的影响及其数值模拟［J］.热力发电，2010，39（4）：12-16.

Control Strategy Optimization of Three-pipe Fin ACC for Thermal Power Plant

CHU Mo1，CHANG Weiwu2，XI Dawei2，GAO Jinlong3，YANG Baiyi1
（1.Huaneng Laiwu Power Generation Co.，Ltd.，Laiwu 271100，China；2.Xi’an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710054，China；3.Baicheng Power Generation Co.，Ltd.，Baicheng 137000，China）

The automatic control of air cooled condenser（ACC）is a difficult problem for air-cooled generator units.Taking two 660 MW air-cooled generator units in a power plant as examples，the automatic control configuration of air-cooled generator units and the debugging experience are summarized.Aiming at problems of the mutual switching of the winter and summer working conditions of the ACC and the fast response of the ACC when the load of units is rapidly changing，the optimization scheme is proposed.The stability and the response speed of optimized air-cooled generator units have improved significantly during the mutual switching of the winter and summer working conditions and the load variation.

ACC；three-pipe fin；the control strategy；operating mode switch

TM621

：A

：1007－9904（2017）04－0058－04

2016-12-30

储 墨（1980），男，工程师，主要从事热控检修、基建等工作；

常威武（1981），男，工程师，主要从事火电厂DCS系统设计、研究和现场调试工作；

习大伟（1984），男，主要从事火电厂DCS系统设计、研究和现场调试工作；

高金龙（1980），男，高级工程师，主要从事热工专业管理、技术监督管理等工作；

杨柏依 （1981），男，工程师，主要从事热控检修、基建等工作。