（北京和利時系統工程有限公司，北京 100176）贠小波
                             
    贠小波（1977-）男，北京人，工學學士，工程師，現就職于杭州和利時自動化有限公司電廠技術部，長期從事儀控系統在工業自動化過程控制領域的應用與研究工作。

    摘要：目前我國大多數火力發電廠都采用濕冷技術，面對日益緊缺的水資源問題，火力發電行業面臨前所未有的挑戰，而空冷技術與普通濕冷技術相比可節水2/3，因此近幾年空冷技術得到廣泛應用。本文以2*600MW空冷機組為例介紹了直接空冷系統的工藝、特點及控制方案。

    關鍵詞：空冷系統；背壓；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

    火力發電廠中通過空冷裝置冷凝汽輪機排汽的機組稱為空冷機組，空冷機組最明顯的優點就是節水，耗水量約為濕冷同類機組的30%~35%。在我國北方建設火力發電廠，特別是一些富煤少水的地方宜建空冷機組。空冷系統按照冷卻方式的不同主要分為兩大類：間接空冷系統和直接空冷系統。間接空冷系統又分為帶表面式凝汽器和帶混合式凝汽器的兩種系統。直接空冷系統（如圖1所示）是將汽輪機排出的乏汽，由管道引入稱之為空冷凝汽器的金屬散熱器中，由環境空氣直接將排汽冷凝為凝結水，減少了常規二次換熱所需要的中間冷卻介質，換熱溫差大，效果好。本文主要介紹的呼倫貝爾電廠一期2*600MW空冷機組采用的就是直接空冷方式，汽輪機額定排汽壓力（即背壓）為30kPa。空冷系統主要是控制背壓，即由空冷風機變頻器的轉速控制排汽壓力，排汽壓力高時增加冷卻風機的運行臺數或提高冷卻風機的轉速，排汽壓力低時則相反。背壓控制的優劣對于空冷機組的安全性和經濟性都起到了至關重要的作用。
               
                                 圖1  直接空冷機組汽水流程圖
                      1-鍋爐；2-過熱器；3-汽輪機；4-發電機；5-空冷凝器；6-凝結水箱；
                      7- 冷凝水泵；8-低壓加熱器；9-除氧器；10-給水泵；11-高壓加熱器。

    2 工藝介紹

    呼倫貝爾發電廠一期建設2×600MW超臨界空冷凝器式燃煤發電機組。鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司提供的超臨界參數變壓直流爐。汽輪機為上海汽輪機有限公司提供的超臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽直接空冷凝汽式汽輪機。汽輪機排汽冷卻系統為機械通風直接空冷系統（ACS），設有約56臺冷卻風機。一期工程直接空冷系統包括空冷凝汽器排汽系統、空冷凝汽器凝結水系統、空冷凝汽器抽真空系統、疏水系統、清洗系統。空冷凝汽器由8列7行共56個風機組成。其中#1、#3、#4、#5、#7為單向正轉風機，#2、#6為可正轉亦可反轉的風機，只有暖管時才反轉。空冷凝汽器#1、#2、#3、#6、#7、#8列的排汽管道上設有蒸汽隔離閥，同時在#1、#2、#3、#6、#7、#8列的抽真空管道上設有抽真空隔離閥。抽真空系統設有3臺100%容量的水環真空泵，每臺真空泵前設有真空泵入口電動門。

    3 直接空冷系統的特點

    空冷機組與濕冷機組由于適用的范圍不同，所以從主要技術經濟指標上比較各有優劣。空冷機組主要優點是節水，但卻存在煤耗高、廠用電高、汽輪機效率低等不足；濕冷機組的特點則相反。經過這幾年的不斷改進，直接空冷發展較快，相比于間接空冷形式，目前直接空冷系統具有以下特點：

    （1）冷熱介質溫差大，換熱效果好；

    （2）汽輪機排汽壓力變化范圍大，適宜我國北方地區冬夏溫差變化較大的氣候特點；

    （3）空冷系統占地面積小，由于空冷凝汽器一般都布置在汽機房頂或汽機房前的高架平臺上，平臺下仍可布置電氣設備等，空冷凝汽器占地得到綜合利用，使得電廠整體占地面積減少；

    （4）低溫情況下暖管措施靈活可靠，直接空冷可通過改變冷卻風機轉速或使風機反轉來調節空冷凝汽器的進風量和進風方向以防止空冷凝汽器凍結，暖管方式靈活可靠；

    （5）廠用電消耗較大，主要來自冷卻風機的能耗。

    4 主要控制邏輯介紹

    直接空冷就是利用空氣直接冷凝汽輪機的排氣，即汽輪機排出的蒸汽在空冷凝汽器翅片管束內流動，冷卻空氣在空冷凝汽器翅片管外流動對蒸汽直接冷卻。空冷系統就是維持蒸汽的冷凝效果(表現為排汽背壓的變化)，根據管內蒸汽流量和溫度的變化，提供相應的冷卻空氣流量。而冷卻空氣流量的變化則通過改變冷卻風機的運行數量和風機的轉速來控制。

    4.1 背壓調節回路

    背壓調節回路就是通過背壓的測量值計算出冷凝這些蒸汽所需的冷卻空氣的流量。即通過對背壓設定值與測量值的偏差進行PID運算，結合風機步序表，其輸出連續對運行風機臺數（蒸汽隔離閥數量）及風機轉速進行自動控制，使冷卻空氣的流量與運行條件（各工況下的蒸汽量及環境溫度）相協調，最終控制汽機背壓運行在安全、合理、經濟的范圍內。具體控制方案如下：

    （1）背壓測量值

    汽機和電機側排汽裝置各自均設有3個壓力測點。汽機側排汽裝置3個壓力測點的中值與電機側排汽裝置3個壓力測點的中值取均值后，得出排汽裝置的背壓測量值。

    （2）背壓設定值

    背壓設定值由運行人員手動給定。正常運行中，設定值的人為大幅調整會造成背壓控制器輸出突變，不利于空冷系統的穩定運行，因此用一個輸出變化速率限制器進行柔性處理。當環境溫度較低且最低凝結水溫度較低時（即霜凍報警時），自動提高背壓設定值3kPa。

    （3）PID控制器

    背壓設定值與測量值的偏差作為PID調節器的輸入。運行中為避免頻繁的小幅度背壓波動對風機轉速的擾動，對背壓設定值與測量值的偏差設置死區限制（±1kPa）。當背壓控制自動投入后，PID控制器的輸出經增益變換及平衡器的作用后，作為各列變頻風機組的轉速（頻率）輸入指令。當機組出現劇烈的負荷變化時，如RB或汽機跳閘工況，PID控制器的響應速度必須要足夠快（變參數處理），通過立刻下切或上切風機步級來消除擾動。

    （4）背壓控制手動/自動（M/A）站

    當背壓控制M/A站在自動方式時，背壓調節PID控制器的輸出將作為空冷器8列的頻率指令。運行人員可通過該M/A站設定背壓設定值。當背壓控制M/A站在手動方式時，背壓調節回路被切除，運行人員通過M/A站手動調節空冷器8列風機的頻率指令。背壓設定值、背壓測量值、M/A站輸出值都能在M/A站畫面中顯示，背壓調節示意圖如圖2所示。
               
                                     圖2  背壓調節示意圖
    4.2 空冷系統程控

    空冷系統程控是空冷系統中完成整體啟動和整體停止的程控邏輯。空冷系統啟動前要求下游子系統進入工作狀態，如凝水泵要運行、真空泵已選擇等。整體啟動的方案也根據環境溫度的不同而分為夏季啟動模式和冬季啟動模式。空冷系統整體停止時則要求汽輪機沒有任何蒸汽排入空冷凝汽器。具體控制方案如下：

    4.2.1 程控啟動條件（and）

    （1）軸封蒸汽母管壓力正常；

    （2）至少一臺凝結水泵在運行；

    （3）汽機非零轉速；

    （4）汽機排汽管道真空破壞閥1關狀態；

    （5）汽機排汽管道真空破壞閥2關狀態；

    （6）真空泵已選擇；

    （7）汽機跳閘；

    （8）高旁閥全關。

    4.2.2 程控啟動步序

    （1）啟動三臺真空泵；

    （2）延時，等到排汽裝置背壓小于限值時留一臺真空泵運行維持真空；

    （3）空冷系統允許機組點火信號發出；

    （4）若大氣溫度低于2℃則跳至第11步，否則執行下一步；

    （5）開全部六列的蒸汽隔離閥；

    （6）等待高旁閥有一定開度且汽輪機已掛閘；

    （7）三臺真空泵選擇自動投運方式；

    （8）等待凝結水溫度>35℃且與大氣溫度偏差大；

    （9）投入變頻風機自動投運；

    （10）程控結束；

    （11）等待高旁閥有一定開度且汽輪機已掛閘；

    （12）三臺真空泵選擇自動投運方式；

    （13）等待凝結水溫度大于35℃且與大氣溫度偏差大；

    （14）投入變頻風機自動投運；

    （15）程控結束。

    4.2.3 程控停止條件（and）

    （1）汽機跳閘；

    （2）高旁閥全關；

    （3）低旁閥全關。

    4.2.4 程控停止步序

    （1）切除變頻風機自動投運；

    （2）停變頻風機；

    （3）切除真空泵自動投運方式；

    （4）停真空泵。

    4.3 變頻風機自動投運

    變頻風機自動投運是關于56臺風機自動投入和自動退出的具體邏輯。投入時的順序是先啟#2、#6風機，再啟#3、#4、#5風機，最后啟#1、#7風機。退出時順序正好與啟動時顛倒過來，即先停#1、#7風機，再停#3、#4、#5風機，最后停#2、#6風機。具體的控制順序如下：

    4.3.1 變頻風機自動投運的順序為：

    （1）4、5列#2、#6風機；

    （2）1、2、3、6、7、8列#2、#6風機；

    （3）4、5列#3、#4、#5風機；

    （4）1、2、3、6、7、8列#3、#4、#5風機；

    （5）4、5列#1、#7風機；

    （6）1、2、3、6、7、8列#1、#7風機；

    4.3.2 變頻風機自動退出的順序為：

    （1）所有列#1、#7風機；

    （2）所有列#3、#4、#5風機；

    （3）所有列#2、#6風機。

    4.4 自動暖管程控

    當環境溫度低于5℃時，尤其是在冬季，為防止空冷凝汽器不會被凍結，就需要啟動暖管程序。程控啟動條件為大氣溫度（代表空冷裝置溫度）低于5℃。
程控啟動步序：

    （1）啟動4列風機暖管程控；

    （2）延時30分鐘（若大氣溫度高于5℃則程控結束，否則執行下一步）；

    （3）啟動5列風機暖管程控；

    （4）延時30分鐘（若大氣溫度高于5℃則程控結束，否則執行下一步）；

    （5）啟動3列風機暖管程控（若3列蒸汽隔離閥未開則跳過此步）；

    （6）延時30分鐘（若大氣溫度高于5℃則程控結束，否則執行下一步）；

    （7）啟動6列風機暖管程控（若6列蒸汽隔離閥未開則跳過此步）；

    （8）延時30分鐘（若大氣溫度高于5℃則程控結束，否則執行下一步）；

    （9）啟動2列風機暖管程控（若2列蒸汽隔離閥未開則跳過此步）；

    （10）延時30分鐘（若大氣溫度高于5℃則程控結束，否則執行下一步）；

    （11）啟動7列風機暖管程控（若7列蒸汽隔離閥未開則跳過此步）；

    （12）延時30分鐘（若大氣溫度高于5℃則程控結束，否則執行下一步）；

    （13）啟動1列風機暖管程控（若1列蒸汽隔離閥未開則跳過此步）；

    （14）延時30分鐘（若大氣溫度高于5℃則程控結束，否則執行下一步）；

    （15）啟動8列風機暖管程控（若8列蒸汽隔離閥未開則跳過此步）；

    （16）延時30分鐘（若大氣溫度高于5℃則下一步，否則執行第一步）；

    （17）暖管程控結束。

    4.5 過冷及霜凍保護

    呼倫貝爾電廠位于內蒙古東北部， 一月平均氣溫零下27.3℃，歷史最低溫度零下52.3℃，因此系統的防凍保護尤為重要。根據環境溫度和凝結水溫度的不同低值，系統發出過冷報警和霜凍報警。過冷報警發生后延時30m設定啟動兩臺真空泵，當大氣溫度回升或凝結水溫回升時設定啟動一臺真空泵。霜凍報警發生后將背壓調節回路的設定值增加3kPa，當大氣溫度回升或凝結水溫回升時恢復原背壓設定值。

    空冷系統的控制邏輯還包括蒸汽隔離閥的控制、真空泵控制等等，在此不作一一詳述。

    5 結束語

        空冷系統的應用在我國起步較晚，無論是直接空冷，還是間接空冷技術，經過幾十年的運行實踐，證明均是可靠的。空冷系統最大的優勢就是節水，空冷技術應用在我國西北地區建設火力發電廠時，以有限的水資源盡量提高機組容量，為緩解與當地工農業、生活爭水的矛盾，保持當地經濟可持續發展均起到了重要的作用。 

    摘自《自動化博覽》2010年第十期