直接空冷島啟動(dòng)階段冬季防凍措施優(yōu)化

蔣曉明，張來平，陳全明

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310016；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華東電力試驗(yàn)研究院有限公司，浙江 杭州 311200)

某熱電2×330 MW發(fā)電機(jī)組位于新疆石河子市，冬季氣候條件十分惡劣，晝夜溫差可達(dá)20℃，2011年曾出現(xiàn)極端天氣，最低氣溫達(dá)到－41.1℃。由于該機(jī)組空冷島系統(tǒng)冷卻機(jī)組排汽時(shí)采用的是空氣，因此機(jī)組排汽壓力控制受環(huán)境溫度影響很大，同時(shí)冬季低溫環(huán)境下，空冷島易發(fā)生結(jié)凍現(xiàn)象?？绽鋶u結(jié)凍的最直接原因是進(jìn)入空冷島的熱負(fù)荷小于最小防凍熱負(fù)荷，啟動(dòng)階段，冷態(tài)啟機(jī)所需的時(shí)間最長(zhǎng)，蒸汽參數(shù)最低蒸汽流量較小，是空冷島管束最容易發(fā)生結(jié)凍的工況，因此做好啟動(dòng)階段防凍措施是機(jī)組能在冬季安全穩(wěn)定調(diào)試運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 工程概況

該工程機(jī)組設(shè)計(jì)容量為2×330 MW亞臨界、中間再熱、空冷、抽汽供熱式汽輪機(jī)，配2臺(tái)1180 t/h亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)汽包鍋爐和兩臺(tái)330 MW自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)、雙水內(nèi)冷冷卻汽輪發(fā)電機(jī)，汽機(jī)旁路系統(tǒng)采用高、低壓串聯(lián)電動(dòng)旁路，其容量按鍋爐最大連續(xù)出力的40%設(shè)置。

2 空冷系統(tǒng)及凍結(jié)機(jī)理簡(jiǎn)介

該熱電機(jī)組空冷島采用的直接空冷系統(tǒng)包含下列主要部分：

主排汽管道系統(tǒng)：包括1個(gè)主排汽管道、6個(gè)蒸汽分配管道；冷凝器(Air Cooled Condenser，簡(jiǎn)稱ACC)系統(tǒng)：包括6個(gè)冷凝器列，每個(gè)冷凝器列包括5個(gè)冷凝單元(其中4個(gè)順流單元、1個(gè)逆流單元)；5套通風(fēng)系統(tǒng)(包括風(fēng)機(jī)、減速機(jī)、電機(jī)、變頻器等裝置)；凝結(jié)水收集系統(tǒng)；抽真空系統(tǒng)(包括3臺(tái)100%水環(huán)真空泵)；擋風(fēng)墻系統(tǒng)等。

圖1 空冷島冷凝單元示意圖

圖1為順流凝汽器和逆流凝汽器工作方式示意圖，由圖可知各排逆流凝汽單元的溫度最低，其空冷凝汽器管束也最容易發(fā)生凍結(jié)，當(dāng)進(jìn)入空冷島的蒸汽流量小于最小防凍流量時(shí)，空冷島最易發(fā)生凍結(jié)，出于防凍考慮，逆流單元冷卻風(fēng)機(jī)有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種運(yùn)行方式。

當(dāng)環(huán)境溫度下降至2℃以下時(shí)，尤其是啟動(dòng)階段，蒸汽流量較小，隨著氣溫的降低，逆流管束上半部有抽氣口的部位由于管徑較小容易形成細(xì)小的冰粒，隨著時(shí)間的積累，抽氣口部位的冰粒就會(huì)越積越多，以至于影響不凝結(jié)氣體的正常抽出；順流管束過冷時(shí)管束內(nèi)的凝結(jié)水將結(jié)凍，一般先發(fā)生于管束的中下部，隨著時(shí)間的累積結(jié)凍部分將在冷卻風(fēng)機(jī)持續(xù)冷卻下逐漸擴(kuò)大直至充滿管束。北疆地區(qū)的冬季，氣溫長(zhǎng)時(shí)間處于－20℃以下，空冷島若不采取合適的防凍措施將面臨巨大的結(jié)凍風(fēng)險(xiǎn)。

3 機(jī)組啟動(dòng)防凍關(guān)鍵點(diǎn)及優(yōu)化措施

3.1 防凍關(guān)鍵點(diǎn)

(1)空冷島管束本體保溫防寒。

(2)空冷島本體氣體嚴(yán)密性滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)增大啟動(dòng)初期的蒸汽流量，滿足防凍最小流量要求。

(4)風(fēng)機(jī)序列啟動(dòng)停止的控制，熱量的均勻分配。

(5)蒸汽流量的改變對(duì)空冷島背壓的影響，控制空冷島背壓在合適范圍。

(6)采取措施適當(dāng)提高進(jìn)入空冷島蒸汽溫度。

3.2 相關(guān)優(yōu)化措施

3.2.1 物理措施

確認(rèn)擋風(fēng)墻系統(tǒng)已完備，否則外界大風(fēng)天氣將對(duì)空冷島內(nèi)部熱負(fù)荷分布造成偏移，系統(tǒng)將更難控制，易造成空冷島部分管束結(jié)凍；管束凝結(jié)水回水集箱、凝結(jié)水管道、抽真空管道增加保溫以減少這些管路結(jié)凍的可能性；蒸汽分配管電動(dòng)蝶閥、空冷抽真空管道電動(dòng)閥及其他暴露在室外低溫環(huán)境下的閥門加裝電伴熱以保證閥門可以正常操作；逆流管束通體加蓋棉被、順流管束底部四分之一至凝結(jié)水回水集箱處加蓋棉被。

3.2.2 蒸汽嚴(yán)密性試驗(yàn)

確認(rèn)空冷島本體氣密性試驗(yàn)合格，本體無泄漏；確認(rèn)各列蒸汽分配管電動(dòng)蝶閥嚴(yán)密性符合要求，能做到不投用時(shí)不會(huì)發(fā)生蒸汽泄漏至未投入列導(dǎo)致結(jié)凍。為此啟動(dòng)之前我們做了一系列查漏的工作，確保啟動(dòng)之前本體無泄漏。在機(jī)組整套啟動(dòng)或正常運(yùn)行期間，應(yīng)定期進(jìn)行真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，以測(cè)試機(jī)組及空冷凝汽器內(nèi)部的空氣泄漏程度。

3.2.3 啟動(dòng)方式的改進(jìn)

本機(jī)組汽機(jī)啟動(dòng)主要有兩種方式：一種是不帶旁路的高壓缸啟動(dòng)；另一種是帶旁路的高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)。由于本機(jī)組汽機(jī)啟動(dòng)過程處于冬季，為保證在沖轉(zhuǎn)過程中進(jìn)入排氣裝置有足夠大流量的蒸汽以避免空冷島凍結(jié)，故沖轉(zhuǎn)方式選擇帶旁路啟動(dòng)方式，即在沖轉(zhuǎn)過程中一部分蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)用于做功，大部分蒸汽從旁路直接進(jìn)入排氣裝置送至空冷島。

3.2.4 機(jī)組沖轉(zhuǎn)參數(shù)選擇及過程控制

根據(jù)圖2和表1選擇合適的沖轉(zhuǎn)參數(shù)。按沖轉(zhuǎn)曲線選擇主汽壓力5MPa，主汽溫度340℃，再熱蒸汽壓力0.8MPa，再熱蒸汽溫度320℃，達(dá)到最小熱負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間為3小時(shí)，因此在機(jī)組整個(gè)沖轉(zhuǎn)過程中必須保證空冷島進(jìn)汽量在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到對(duì)應(yīng)環(huán)境溫度下的最小防凍流量，以防止空冷島因長(zhǎng)時(shí)間小汽量進(jìn)汽導(dǎo)致結(jié)凍。

表1 空冷島最小防凍流量

圖2 汽輪機(jī)高中壓缸帶旁路聯(lián)合啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)曲線

3.2.5 背壓的控制措施

空冷島的主要控制參數(shù)是空冷島的背壓，通常背壓的調(diào)整是通過改變流過ACC管束的冷空氣流量來實(shí)現(xiàn)的，冷空氣流量的改變是通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的。通過改變流過管束冷空氣的速度來實(shí)現(xiàn)ACC系統(tǒng)壓力和溫度的變化是一個(gè)緩慢的過程，因此控制系統(tǒng)充分地考慮了這一滯后現(xiàn)象，避免控制器振蕩情況的出現(xiàn)。啟動(dòng)及正常運(yùn)行期間，機(jī)組背壓最好保持在18～25 kPa，2臺(tái)或3臺(tái)真空泵依據(jù)實(shí)際情況運(yùn)行，并盡量保持同列中各風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相同。

4 機(jī)組啟動(dòng)時(shí)空冷島運(yùn)行情況

通過對(duì)空冷島防凍關(guān)鍵點(diǎn)的分析，以及采取對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，進(jìn)行機(jī)組的冷態(tài)啟動(dòng)。

4.1 沖轉(zhuǎn)前準(zhǔn)備

空冷島在蒸汽進(jìn)入前需要提前預(yù)抽真空，保持真空破壞門在關(guān)閉狀態(tài)并注滿水，打開空冷島抽真空旁路閥，將排汽壓力抽至15 kPa(絕壓)，最高不得高于20 kPa(絕壓)，根據(jù)沖轉(zhuǎn)曲線和防凍流量表選擇合適的啟動(dòng)參數(shù)，并盡量提高空冷島進(jìn)汽溫度。

4.2 機(jī)組沖轉(zhuǎn)時(shí)空冷島的控制

采用高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)模式，保證空冷島進(jìn)汽量不小于最小防凍流量，以減少對(duì)空冷島熱負(fù)荷的沖擊；當(dāng)空冷島30、40列空冷管束下聯(lián)箱凝結(jié)水溫度高于50℃并且抽空氣溫度高于40℃后開始投入風(fēng)機(jī)運(yùn)行，速度指令一般8～10 Hz(根據(jù)外界環(huán)境溫度降低可再提高)，空冷風(fēng)機(jī)應(yīng)先啟逆流單元，再啟順流單元，順序一般為3－2－4－1－5，停運(yùn)時(shí)順序相反，轉(zhuǎn)速根據(jù)真空情況調(diào)整，背壓保持在28～35 kPa；空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行后，空冷島控制系統(tǒng)根據(jù)散熱器溫度反饋，停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行或降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)對(duì)未投運(yùn)各列空冷島進(jìn)汽蝶閥閥后溫度進(jìn)行測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)溫度升高超過+5℃則自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)汽蝶閥，在流量滿足要求后投入相應(yīng)列。

4.3 啟動(dòng)運(yùn)行過程中的問題

4.3.1 直接空冷機(jī)組冬季運(yùn)行中參數(shù)控制表

機(jī)組冬季運(yùn)行控制參數(shù)見表2。

表2 冬季運(yùn)行參數(shù)控制表

4.3.2 啟動(dòng)過程中存在的問題

(1)部分逆流散熱器的真空抽氣溫度最低至20℃，存在凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。

(2)凝結(jié)水右側(cè)疏水溫度溫度最低至19℃，偏離控制參數(shù)，存在風(fēng)險(xiǎn)。

(3)切除列運(yùn)行時(shí)，由于電動(dòng)隔離閥關(guān)閉不嚴(yán)泄漏蒸汽，可能造成蒸汽在冷凝管排結(jié)冰和空氣抽出管結(jié)冰堵塞。

經(jīng)過對(duì)防凍關(guān)鍵點(diǎn)的分析，和采取的防凍措施，啟動(dòng)階段進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證，未發(fā)生凍結(jié)事件，總體效果尚可，但是空冷島仍然存在著凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，因此，需要將以上幾項(xiàng)參數(shù)控制在安全區(qū)間，必須對(duì)控制系統(tǒng)作進(jìn)一步的優(yōu)化。

5 進(jìn)一步優(yōu)化措施

通過啟動(dòng)過程中存在的問題，對(duì)控制系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行了相關(guān)防凍邏輯完善。

5.1 優(yōu)化抽真空防凍保護(hù)模式

在冬季運(yùn)行模式下(環(huán)境溫度＜2℃)，該列風(fēng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)該列的抽真空溫度監(jiān)測(cè)值達(dá)到下列條件時(shí)，抽真空防凍模式被激活：

(1)抽氣支管溫度＜ 30℃，激活抽氣防凍保護(hù)模式1，執(zhí)行下列操作：

① 發(fā)出抽氣防凍保護(hù)警報(bào)。

② 抽氣溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的逆流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將被降至0Hz，并按照預(yù)先設(shè)定的頻率執(zhí)行反轉(zhuǎn)。延時(shí)10 min，抽氣溫度仍然沒有達(dá)到抽氣防凍保護(hù)模式1所設(shè)定的復(fù)位條件，系統(tǒng)將控制該列的順流風(fēng)機(jī)溫度比例-積分-微分控制器(Proportion-Integral-Derivative Controller，簡(jiǎn)稱PID)來代替主PID來控制順流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)利用更多量得蒸汽該列的逆流部分進(jìn)行加熱。直到達(dá)到抽氣防凍保護(hù)模式1復(fù)位條件抽氣保護(hù)信號(hào)消失，該列的順逆流風(fēng)機(jī)將恢復(fù)主PID的控制模式。

(2) 抽氣支管溫度＜ 25℃，激活抽氣防凍保護(hù)模式2，執(zhí)行下列操作：

① 同時(shí)監(jiān)視相應(yīng)列的凝結(jié)水防凍保護(hù)模式2是否激活，判斷兩種防凍保護(hù)模式都已激活，程序自動(dòng)延時(shí)10 min，如果是運(yùn)行列，聯(lián)鎖關(guān)閉此列蒸汽隔離閥，并發(fā)出報(bào)警，該列被切除。

② 如果是啟動(dòng)列，只發(fā)報(bào)警信號(hào)。

5.2 凝結(jié)水防凍保護(hù)模式優(yōu)化

對(duì)每列的凝汽器左右側(cè)凝結(jié)水疏水溫度進(jìn)行檢測(cè)，如果其中任一溫度達(dá)到下列情況時(shí)，激活凝結(jié)水防凍保護(hù)模式：

(1) 任何一列任一凝結(jié)水溫度＜30℃，激活凝結(jié)水防凍保護(hù)模式1，執(zhí)行下列操作：

① 發(fā)出報(bào)警。

② 相應(yīng)列的順流風(fēng)機(jī)降速，直到停為止。

(2) 任何一列任一凝結(jié)水溫度＜25℃，激活凝結(jié)水防凍保護(hù)模式2，執(zhí)行下列操作：

① 發(fā)出報(bào)警。

② 停止相應(yīng)列順流風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

③ 同時(shí)監(jiān)視相應(yīng)列的抽氣防凍保護(hù)模式2是否激活，判斷兩種防凍保護(hù)模式都已激活，程序自動(dòng)延時(shí)10 min，如果是運(yùn)行列，聯(lián)鎖關(guān)閉此列蒸汽隔離閥，并發(fā)出報(bào)警；該列切除運(yùn)行。

④ 如果是啟動(dòng)列，只發(fā)報(bào)警信號(hào)。

5.3 回暖保護(hù)模式邏輯優(yōu)化

自動(dòng)回暖保護(hù)模式可以利用管束內(nèi)的熱蒸汽對(duì)管束進(jìn)行回暖，所以要定期激活回暖保護(hù)模式，該模式是一列一列連續(xù)執(zhí)行的，只要符合條件(環(huán)境溫度＜－2℃)，回暖運(yùn)行模式就被激活，同時(shí)，其他任何一種防凍保護(hù)模式與此互不沖突。

只要回暖保護(hù)模式被激活，將會(huì)執(zhí)行下列動(dòng)作：

(1)發(fā)出該列回暖動(dòng)作信號(hào)。

(2)該列的逆流風(fēng)機(jī)(混流單元)按照提前設(shè)定的時(shí)間將自動(dòng)減速并停止；然后按照設(shè)定好頻率進(jìn)行反轉(zhuǎn)。

(3)該列順流風(fēng)機(jī)仍按照控制器輸出速度運(yùn)行。

(4)待回暖設(shè)定的時(shí)間一過，該列的逆流風(fēng)機(jī)將恢復(fù)到原來的狀態(tài)，同時(shí)下一列將按照這個(gè)程序進(jìn)行回暖，依次類推，按照順序周期執(zhí)行下去。

(5)復(fù)位條件：環(huán)境溫度＞2℃。

6 結(jié)語

通過邏輯優(yōu)化后，在啟動(dòng)階段空冷島各項(xiàng)參數(shù)均符合表2的要求。通過對(duì)空冷島凍結(jié)機(jī)理的分析，分析總結(jié)出啟動(dòng)階段空冷島防凍的有效措施。同時(shí)對(duì)啟動(dòng)階段3中控制模式控制策略的優(yōu)化，空冷機(jī)組在冬季效率及安全性明顯提升，有效地防止空冷島凍結(jié)。對(duì)寒冷地區(qū)直接空冷機(jī)組冬季防凍具有一定的參考借鑒意義。

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