300 MW CFB 直接空冷系統(tǒng)防凍控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)

賈玉鳳， 任國(guó)華， 宋成祥

（濟(jì)南職業(yè)學(xué)院 電子工程系，山東 濟(jì)南 250014）

山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司二期2×300MW 發(fā)電機(jī)組工程處于露天煤礦礦區(qū)內(nèi)， 該地區(qū)春季干旱少雨雪，夏季短暫而多暴雨，秋季降溫快，冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，最低海拔也在1 130 m 以上，最高海拔達(dá)2 147 m。 因地理環(huán)境所致，本區(qū)氣溫晝夜溫差可能高于25 ℃。 極端最高氣溫為34.5 ℃，極端最低氣溫為零下29.2 ℃。 多年平均無(wú)霜期只有115 天；凍結(jié)日期最早為10 月18 日， 解凍日期最晚為次年的4 月21日。 多年平均風(fēng)速為4.2 m/s。 土壤凍結(jié)深在1.22～1.74 m 之間，干旱、風(fēng)沙、霜凍也是本地區(qū)最基本的氣候特點(diǎn)。 該地區(qū)的氣候條件給直接空冷機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)了很大的影響，其中冬季空冷凝汽器管束冰凍問(wèn)題、夏季汽輪機(jī)背壓難以控制問(wèn)題、空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行節(jié)能降耗問(wèn)題等突出，對(duì)機(jī)組的調(diào)整、維護(hù)也很不利。 為了保證直接空冷機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提出了寒冷地區(qū)的直接空冷系統(tǒng)的防凍防霜控制方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 直接空冷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

山西平朔煤矸石發(fā)電廠的循環(huán)流化床直接空冷機(jī)組采用SPX 單排管冷凝器， 共含有288 片空冷管束和24 臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)。 每一臺(tái)機(jī)組的空冷設(shè)備由4 個(gè)單元組成一列，共6 列。每個(gè)單元中，3 個(gè)空氣冷凝器為順流冷凝器，一個(gè)空冷器為逆流單元，位于每列的#2 位置。 軸流風(fēng)機(jī)的直徑為10.363 m，由經(jīng)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

空冷凝汽器由順流管束和逆流管束兩部分組成。 高溫蒸汽從汽輪機(jī)出來(lái)，經(jīng)排汽裝置進(jìn)入一根直徑很大的排氣管道分流，并由蒸汽分配管箱進(jìn)入凝汽器管束。 大約80%的蒸汽通過(guò)順流管束冷凝 （蒸汽和凝結(jié)水： 自上而下順流）， 大約20%未冷凝的蒸汽經(jīng)過(guò)逆流管束冷凝 （蒸汽和凝結(jié)水的流動(dòng)方向相反）。 通過(guò)順流管和逆流管相結(jié)合的方式，凝結(jié)水總能從蒸汽獲得熱能，從而避免了過(guò)冷現(xiàn)象的發(fā)生。 抽真空系統(tǒng)可以將由于不嚴(yán)密漏入的空氣及不凝結(jié)氣體抽走并冷卻分離，排至大氣。

蒸汽/凝結(jié)水聯(lián)箱內(nèi)收集的凝結(jié)水在重力作用下排入汽輪機(jī)排汽裝置下的主凝結(jié)水箱，由凝結(jié)水泵從主凝結(jié)水箱內(nèi)將凝結(jié)水進(jìn)入汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，最后進(jìn)入電站鍋爐，完成蒸汽動(dòng)力循環(huán)[1]。

2 直接空冷機(jī)組防凍的自動(dòng)控制方案

該廠直接空冷系統(tǒng)的設(shè)備緊靠主廠房布置，故空冷系統(tǒng)在集控室進(jìn)行控制，不另設(shè)單獨(dú)的控制室。 直接控制系統(tǒng)在主廠房的分散控制系統(tǒng)（DCS）中設(shè)置獨(dú)立的控制器監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)直接空冷系統(tǒng)及相關(guān)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、輔機(jī)順序控制系統(tǒng)（SCS）的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制。DAS 主要包括環(huán)境為溫度、汽輪機(jī)背壓、風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)機(jī)電流、抽真空管束的不凝結(jié)氣體溫度、空冷凝汽器順逆流管束凝結(jié)水溫度等；MCS 主要包括汽輪機(jī)背壓控制、 空冷凝汽器凝結(jié)水箱水位控制等參數(shù)控制；SCS 完成直接空冷系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、低負(fù)荷運(yùn)行、夏季工況以及冬季工況等運(yùn)行過(guò)程[2]。 直接空冷系統(tǒng)為節(jié)省風(fēng)機(jī)所消耗電能，同時(shí)便于調(diào)節(jié)空冷凝汽器的真空，通過(guò)改變運(yùn)行風(fēng)機(jī)的數(shù)目、運(yùn)行狀態(tài)以及變頻調(diào)節(jié)裝置的頻率來(lái)調(diào)節(jié)順逆流軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。

DCS 控制ACC 的程序是整個(gè)電廠控制系統(tǒng)中的一個(gè)主要部分，使空冷各控制系統(tǒng)融合到整個(gè)電廠控制系統(tǒng)（硬件和軟件）。 其圖1 為直接空冷系統(tǒng)控制功能的分散控制系統(tǒng)圖，圖2 為冬、夏季工況下直接空冷系統(tǒng)的邏輯組成圖。

圖1 分散控制系統(tǒng)（DCS）Fig. 1 Distributed control system （DCS）

圖2 冬、夏季工況下直接空冷系統(tǒng)的邏輯組成Fig. 2 Direct cooled system logical constitutional under the operating mode of winter， summer

2.1 冬季工況啟動(dòng)步序

冬季環(huán)境溫度低，如果排汽凝結(jié)放熱量小于其管束對(duì)環(huán)境的散熱量，排汽就在未到達(dá)空冷散熱片時(shí)就已全部凝結(jié)成水，不能實(shí)現(xiàn)正常的汽水循環(huán)流動(dòng)。 故此，在冬季啟動(dòng)時(shí)，要保證空冷島的最小的防凍流量，應(yīng)在盡快（1 h 內(nèi)）達(dá)到設(shè)計(jì)流量，并盡量防止任何突然的熱擊或由于蒸汽流量小而分配不均造成的管束受熱不均，否則有可能發(fā)生管子彎曲甚至與管片分離。

直接空冷系統(tǒng)啟動(dòng)步序共有12 級(jí)工序，從步序00 到步序10。 直接空冷系統(tǒng)程序步序控制邏輯，控制器根據(jù)溫度傳感器得來(lái)的外界環(huán)境溫度信號(hào)，處理器根據(jù)溫度信號(hào)進(jìn)行判斷：當(dāng)環(huán)境溫度＜－3 ℃時(shí)，直接空冷系統(tǒng)程控執(zhí)行冬季工況啟動(dòng)模式，從步序0 開始啟動(dòng)空冷島，運(yùn)行至第5 步結(jié)束；當(dāng)環(huán)境溫度＞3 ℃，執(zhí)行夏季工況啟動(dòng)模式，從第6 步開始，到第10 步結(jié)束。 如圖3 直接空冷系統(tǒng)程控在冬/夏季工況下的啟動(dòng)步序圖所示。 步序00 是停所有列風(fēng)機(jī)，建立真空系統(tǒng)，如圖4 所示。 當(dāng)環(huán)境溫度≥25 ℃時(shí)，步序直接跳到第10 步；背壓高時(shí)，將在當(dāng)前的步序上進(jìn)行升步序；反之，當(dāng)背壓低時(shí)，進(jìn)行降步序。

圖3 直接空冷系統(tǒng)程控在冬/夏季工況下的啟動(dòng)步序Fig. 3 The program control starting the step sequence in winter/summer operating mode of direct air cooled system

圖4 機(jī)組啟動(dòng)建立真空步序Fig. 4 The aircrew sets up the step sequence of vacuum

2.2 常用冬季保護(hù)程序

當(dāng)環(huán)境溫度小于3 ℃，一列中的任一個(gè)冷凝單元的冷凝水溫小于25 ℃時(shí)， 控制系統(tǒng)會(huì)鎖定本列中的逆流風(fēng)機(jī)的運(yùn)行速度； 并控制本列中的順流風(fēng)機(jī)以10%/min 的速度下降。直至當(dāng)本列的凝結(jié)水溫都大于30 ℃， 直接空冷控制系統(tǒng)才使順流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降停止，并以10%/min 的速度上升至設(shè)定的控制系統(tǒng)輸出值；當(dāng)環(huán)境溫度小于3 ℃，一列的任一個(gè)冷凝單元的抽氣溫度小于17 ℃時(shí)， 空冷控制器將本列順流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定在當(dāng)前的值不變而將逆流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以10%/min 的速度下降， 只有當(dāng)本列的抽氣溫度都大于19 ℃后，控制器才將逆流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以10%/min 的速度上升至已設(shè)定的控制器輸出值； 相鄰兩列逆流風(fēng)機(jī)降速間的間隔為5 分鐘。 這只是對(duì)某一列予以描述，同樣也適用于其他列。

在冬季時(shí)， 由于不可凝結(jié)氣體與系統(tǒng)漏入的空氣的過(guò)冷。 如果逆流凝汽管束的上部出現(xiàn)結(jié)霜并持續(xù)一段時(shí)間，就可能會(huì)逐漸地堵塞逆流凝汽管的上端，并且妨礙不可凝氣體的排出。 采取的措施為：讓風(fēng)機(jī)按順序依次一次啟動(dòng)反向轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)逆流管進(jìn)行回暖保護(hù)，此時(shí)由空冷凝汽器散出的熱量由風(fēng)機(jī)引下對(duì)空氣冷凝片進(jìn)行加熱，對(duì)可能形成的冰進(jìn)行解凍并防止凍結(jié)的再次發(fā)生。

3 控制方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 提高背壓設(shè)定值

直接空冷系統(tǒng)每列都有2 個(gè)凝結(jié)水溫度測(cè)點(diǎn)，在冬季工況，有半數(shù)以上的凝結(jié)水溫度＜25 ℃，將背壓設(shè)定值增加3 kPa，30 min 后， 如果凝結(jié)水溫度仍舊保持低值， 再增加3 kPa。 在改變?cè)O(shè)定值后，所有凝結(jié)水溫度高于30 ℃時(shí)，1 h 后自動(dòng)減少設(shè)定值3 kPa。 但最小的背壓設(shè)定值是采用防凍保護(hù)措施之前選擇的設(shè)定值。 在防凍保護(hù)模式下，背壓設(shè)定值只允許提高兩次，每次提高3 kPa。

3.2 提高冬季工況保護(hù)環(huán)境溫度

廠家將冬季保護(hù)環(huán)境溫度設(shè)置為－3 ℃，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到－3 ℃時(shí)，直接空冷機(jī)組的凝汽器翅片溫度通常低于－3 ℃。 通過(guò)工程傳熱學(xué)進(jìn)行分析如下：

凝汽器翅片溫度低于環(huán)境溫度的主要原因是空氣流動(dòng)使空氣的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能并引起空氣溫度、降低。 由空氣270 K 的焓值272.19 kJ/kg 與280 K 的焓 值282.22 kJ/kg，可得空氣的比熱為：

根據(jù)穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式[3]：

得知空氣流動(dòng)產(chǎn)生的溫降：

其中：Δt 為空氣流動(dòng)產(chǎn)生的溫降，K；h0為環(huán)境溫度下的空氣焓，kJ/kg（假定環(huán)境風(fēng)速為0 m/s）；h1為流經(jīng)空冷凝汽器的空氣焓，kJ/kg；v 為流經(jīng)空冷凝汽器的空氣流速，m/s；

經(jīng)實(shí)測(cè)分析，理論翅片表面溫度與實(shí)測(cè)翅片表面溫度大體上完全一致，但當(dāng)風(fēng)速很高時(shí)，理論翅片表面溫度比與實(shí)測(cè)翅片表面溫度低，如不及時(shí)動(dòng)作，就可能造成空冷凝汽器大面積凍結(jié)[4]。 故此，適當(dāng)提高直接空冷凝汽器的冬季工況保護(hù)環(huán)境溫度。

3.3 增設(shè)單臺(tái)風(fēng)機(jī)防凍保護(hù)邏輯

目前直接空冷系統(tǒng)的凝結(jié)水溫度都是以一整列來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其每一列都中只有兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用DCS 監(jiān)視不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)空冷凝汽器散熱管束受凍。 當(dāng)表計(jì)反映出各部位溫度出現(xiàn)異常時(shí)，其實(shí)已經(jīng)發(fā)生了大面積受凍。 同時(shí)各個(gè)單元凝結(jié)水溫度相差較大， 因此采用整列防凍邏輯不能滿足防凍的需要。

為此增設(shè)單臺(tái)順逆流風(fēng)機(jī)防凍保護(hù)邏輯：在每一單元的左右各設(shè)置一溫度測(cè)量?jī)x表，當(dāng)某順流單元凝結(jié)管束凝結(jié)水溫度（左右溫度測(cè)量?jī)x表中其一）＜25 ℃時(shí)，該臺(tái)順流風(fēng)機(jī)“防凍保護(hù)”動(dòng)作報(bào)警提示，同時(shí)該臺(tái)順流風(fēng)機(jī)以一定速度下降，最低轉(zhuǎn)速13 Hz。 若10 分鐘后，該單元凝結(jié)水溫度＜35 ℃，則報(bào)警該單元凝結(jié)水溫度低，采取手動(dòng)方式停止該單元風(fēng)機(jī)的運(yùn)行；反之，該單元凝結(jié)水溫度＞35 ℃，則防凍保護(hù)結(jié)束，自動(dòng)恢復(fù)正常的壓力控制運(yùn)行模式。 這樣增加了直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，及時(shí)通過(guò)DCS 界面反映出各部位溫度異常。 從而提高了冬季工況下防凍保護(hù)的自動(dòng)控制能力。

3.4 增設(shè)逆順流風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)防凍保護(hù)

原設(shè)計(jì)是有順逆流凝結(jié)管冬季保護(hù)程序，但在實(shí)際運(yùn)行期間，不能滿足冬季工況下的保護(hù)要求。 因在逆流凝結(jié)管冬季保護(hù)程序下，還是不能提高抽真空氣溫度，以使達(dá)到抽真空氣防凍保護(hù)溫度，此時(shí)就要采取手動(dòng)模式降低該列順流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)完成防凍保護(hù)。 故此，增設(shè)逆順流風(fēng)機(jī)防凍保護(hù)的聯(lián)動(dòng)動(dòng)作：在逆流凝結(jié)管冬季保護(hù)程序啟動(dòng)，5 分鐘后不能達(dá)到抽真空氣防凍保護(hù)溫度，則聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)順流凝結(jié)管冬季保護(hù)程序。 其設(shè)計(jì)的邏輯圖如圖5 所示（以其中第一列舉列）。

圖5 逆順流風(fēng)機(jī)防凍保護(hù)的聯(lián)動(dòng)邏輯圖Fig. 5 Co－current's and counter－current's fan frostproof protection linkage logical diagram

4 實(shí)際工程運(yùn)行

從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，導(dǎo)致控制空冷凝汽器冷卻管束凍結(jié)的原因，歸納起來(lái)由三方面所致：一是從傳熱學(xué)原理來(lái)看，排汽凝結(jié)放熱量小于其管線對(duì)環(huán)境的散熱量，或者說(shuō)空冷凝汽器內(nèi)的蒸汽流量低于其設(shè)計(jì)值；二是冷卻空氣量過(guò)剩；三是直接空冷系統(tǒng)的真空嚴(yán)密性。 故此，在工程上解決空冷凝汽器凍結(jié)問(wèn)題，必須從控制蒸汽流量、控制空氣流量以及提高系統(tǒng)的真空嚴(yán)密性來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。 通過(guò)控制空氣流量，其實(shí)是通過(guò)改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、停運(yùn)風(fēng)機(jī)、使風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)或采取遮擋部分空冷凝汽器的散熱面積來(lái)調(diào)節(jié)空冷凝汽器的進(jìn)風(fēng)量，從而利用吸入被加熱的空氣來(lái)防止空冷凝汽器的凍結(jié)， 調(diào)節(jié)相對(duì)靈活，效果好且可靠。 通過(guò)控制蒸汽流量，這就需要提高機(jī)組的負(fù)荷、蒸汽加熱盤管或加裝電伴熱裝置，可以極大地滿足保證空冷凝汽器防凍熱量需要， 同時(shí)也減輕防凍工作的壓力和投資，并且可以降低發(fā)電煤耗。

5 結(jié) 論

直接空冷系統(tǒng)冬季防凍保護(hù)直接影響著電廠的發(fā)電指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益和安全可靠性，是電廠需要引起高度重視的一項(xiàng)工作，本文采用全自動(dòng)冬季防凍控制策略，采用由環(huán)境溫度、冷凝水溫以及抽真空系統(tǒng)氣體溫度自動(dòng)判斷是否進(jìn)入冬季防凍保護(hù)運(yùn)行模式， 改進(jìn)了電廠原有的直接空冷控制系統(tǒng)，有效地預(yù)防和避免直接空冷系統(tǒng)發(fā)生凍結(jié)。 全自動(dòng)冬季防凍控制策略的投入，既減輕了運(yùn)行人員的工作量，又保證了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，調(diào)節(jié)效果良好[6]。 即便運(yùn)行中出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出指令和報(bào)警，提醒運(yùn)行人員及早解決異?，F(xiàn)象，使機(jī)組安全運(yùn)行。

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