國產間接空冷系統控制策略及應用

高奎，辛軍放，趙暉，安宗武，普建國，郭三虎，陳浩

(西安熱工研究院有限公司，西安市710032)

0 引言

近年來，國產間接空冷系統已快速推廣應用，然而其控制功能的組態設計基本是參照各個廠家提供的控制說明予以實現，不同的組態設計人員對于間接空冷系統所要求的控制功能及側重點的理解難免有所區別，因此導致間接空冷系統的控制組態出現繁雜但不全面，不能突出控制重點的表現，在系統試運行階段頻繁進行大量修改，既耽誤工程的進度，也增加了控制系統調試過程的工作量，浪費了人力資源。

針對以上問題，本文結合某電廠2臺350MW超臨界機組國產間接空冷控制系統的調試過程，在對間接空冷系統設備、流程及功能分析的基礎上，就其控制功能進行劃分及總結，利用國產間接空冷控制系統投運過程，對其控制策略進行實驗測試，針對暴露的問題進行分析并予以修改完善。

1 間接空冷系統設備

單元機組間接空冷系統利用雙曲線自然通風冷卻塔內、外空氣密度差形成的抽力，提供散熱器冷卻所需要的空氣流量，在冬季可以調節百葉窗開度控制通過冷卻扇區的空氣流量。單元機組間接空冷系統冷卻塔區域主要設備及工藝流程見圖1。

單元機組配6段冷卻扇區，每個扇區由11個冷卻扇段組成，每個扇區設置1臺循環水進水閥、1臺循環水出水閥、2臺扇區排水閥。每個扇段設置1臺百葉窗執行機構。循環水進、出水閥及排水閥用于控制扇區充水運行或排水退出運行，通過調整百葉窗開度控制扇區的循環水出水溫度。

為了滿足冷卻系統微正壓運行，保證系統內水壓穩定，維持正常的水循環，同時滿足由于冷卻水溫度變化時系統內冷卻水容積發生變化的要求，系統設置穩壓補水系統，由補水泵、膨脹水箱以及連接管道組成。本工程設置2臺補水泵，布置在地下儲水箱內。當膨脹水箱低水位時，啟動補水泵向系統補水;當膨脹水箱補至指定水位時，補水泵停運。

圖1 間接空冷系統冷卻塔區域工藝流程Fig.1 Cooling tower process of indirect cooling system

空冷系統投運前，需將其管道及散熱器中充滿水，停運、檢修時需將系統水放空。排放的循環水儲存在地下儲水箱內。充水/排水系統由地下儲水箱、充水泵、充水/排水系統管道和閥門組成。充水泵可向冷卻塔內的膨脹水箱充水，進而對每個扇區的空冷散熱器進行充水。扇區充水時，由充水泵向膨脹水箱充滿水(指定水位)，然后由膨脹水箱逐個對扇區的空冷散熱器依次進行充水。當系統或某個扇區停運、或冬季運行循環水溫過低時，可通過排水系統，將一個或幾個扇區內的水排入地下儲水箱。

2 間接空冷系統控制功能結構

根據間接空冷系統運行要求，可將其控制功能劃分為間冷總控、狀態監視、聯鎖保護、順序控制、模擬量控制這5個部分，間接空冷系統控制功能結構如圖2所示。

狀態監視系統對間接空冷系統各項運行狀態及參數進行連續采集監視，通過邏輯判斷產生扇區已充水、已排水、冬季工況運行、扇區運行狀態等系統狀態并提供運行人員或順序控制、聯鎖保護、模擬量控制等控制邏輯，同時完成系統各項參數報警功能，為運行人員提供全面的系統狀態監控。

圖2 間接空冷系統控制功能結構Fig.2 Control function structure of indirect air cooling system

系統狀態或參數危及安全運行時，聯鎖保護系統采取聯鎖動作、保護跳閘等措施將系統恢復至安全運行的狀態，聯鎖保護主要功能包括防凍保護、扇區聯鎖保護、膨脹水箱水位控制、地下水箱水位控制、系統旁路閥控制、緊急排水閥控制等。順序控制系統能夠按照扇區充/排水工藝流程要求對扇區進水閥、回水閥、排水閥、百葉窗、充水泵等設備進行順序操作及狀態判斷，自動完成每個扇區的充水及排水過程。

模擬量控制系統對凝汽器真空、循環水進/回水溫度、環境溫度等運行參數進行監視，采用前饋、變參數、閉環調節等手段自動對百葉窗開度大小進行調整，使流經間接空冷系統的空氣量滿足冷卻循環水的需求，以保證經冷卻后的循環水溫度處于適當的范圍，滿足機組凝汽器真空處于安全、經濟運行范圍。

間冷總控系統對汽輪機排汽壓力進行連續監視，在考慮機組負荷、環境溫度、冷卻扇區狀態、防凍保護等多種因素的基礎上，向模擬量控制系統、順序控制系統派發指令，調整百葉窗開度及扇區運行數量，保證機組在啟動、連續運行及停機的全過程中，間接空冷系統的冷卻能力與機組需求相匹配。間冷總控系統是間接空冷控制系統的最高一級控制功能。

3 間接空冷系統控制策略及應用

3.1 狀態監視

某電廠間接空冷系統在完成系統設備操作、順控操作、聯鎖投退等多項功能的同時，提供運行參數/狀態監視、參數報警、系統冰凍報警、順控狀態指示等多種功能，滿足間接空冷系統在機組啟停及運行過程中的各項監控要求。

在完成運行監控、報警等基本功能的同時，狀態監視功能對扇區已充水、扇區已排水、冬季運行工況等系統運行狀態進行判定并提供給順序控制、模擬量控制、間冷總控等相應控制功能。

3.2 模擬量控制

間接空冷系統模擬量控制有以下2個目標:(1)機組啟/停機、升/降負荷及正常運行期間控制汽輪機凝汽器真空在合理范圍，保證機組安全運行及效率;(2)冬季工況下，控制間接空冷系統及各扇區水溫在合理范圍，不發生凍結危險，保證間接空冷系統安全運行。

達成以上目標的途徑是調整間接空冷系統循環水出水溫度在合理的范圍內，既滿足冷卻機組排汽要求，同時滿足冬季運行防凍要求。由于間接冷卻塔循環水出水是由每個扇區冷卻后的出水匯集而成，因此將每個扇區的出水溫度控制在合理范圍內就能保證間接冷卻塔的出水溫度滿足控制要求。

間冷扇區出水溫度采用單回路比例積分(proportion-integral，PI)控制器控制，扇區出水溫度調節回路結構見圖3。由于扇區出水溫度受扇區進水溫度及冷卻空氣溫度影響顯著，為保證調節效果，在單回路的基礎上增加了扇區進水溫度及環境溫度的前饋作用。由于扇區百葉窗開度與空氣流量不成線性關系，在0%～40%開度時空氣風量變化明顯，在40%開度以上空氣量變化相對較小，因此根據調節器開度輸出構造變增益調節回路。由于環境溫度的變化直接影響冷卻換熱量，不同環境溫度下百葉窗開度相同時冷卻效果有所不同，因此根據環境溫度對出水溫度偏差進行變增益構造，以保證不同環境溫度時調節效果的穩定。

圖3 扇區出水溫度調節回路結構Fig.3 Regulating loop structure of sector water temperature

間接空冷系統扇區出水溫度控制經回路修改及參數整定后，進行了系統投入及擾動試驗，控制效果滿足機組各種工況下運行要求。扇區出水溫度定值擾動效果見圖4，機組變負荷過程中扇區出水溫度控制效果見圖5，環境溫度變化過程中扇區出水溫度控制效果見圖6。

圖4 扇區出水溫度定值擾動效果Fig.4 Control effect of sector water temperature constant disturbance

圖5 機組變負荷過程中扇區出水溫度控制效果Fig.5 Control effect of sector water temperature in load change process

圖6 環境溫度變化時扇區出水溫度控制效果Fig.6 Control effect of sector watertemperature in ambient temperature changing

3.3 順序控制

間接空冷系統每個扇區設置有充水及排水程控，用于自動對單個扇區進行充水或排水。扇區程控充水步序見圖7，扇區充水過程中主要參數變化情況見圖8。

扇區程控充水過程需要說明以下幾點:

(1)第1步“檢測膨脹水箱水位”用于保證扇區進水前膨脹水箱內存有充滿1個扇區所需的水量。扇區進水前，膨脹水箱水位應高于“充水水位”，如果水位不滿足，本步將下發補水請求給膨脹水箱水位聯鎖邏輯，以啟動充水泵進行補水，直至水位滿足。2臺充水泵的啟動順序及啟停均由聯鎖控制邏輯實現，本步僅對膨脹水箱水位進行判斷并下發補水請求，以此簡化程控啟動邏輯。

圖7 扇區程控充水步序圖Fig.7 Programmable sequence of filling off water in sector

圖8 扇區充水過程主要參數變化情況Fig.8 Change of main parameters in sector fill wator process

(2)第2步“關閉所有百葉窗”的目的是防止冬季工況下充水過程中扇區內尚未建立水循環的情況下開啟百葉窗的部位發生凍結，因此反饋判斷中必須要求所有百葉窗關閉;非冬季工況下，對此無嚴格要求。

(3)第4步“開啟進水及回水閥門”分2階段進行，首先將進水及回水閥門開啟至較小開度(10%左右)，以防止進水流量過大、過快導致扇區內空氣無法及時排出引起劇烈振動。待扇區內空氣基本排盡后將進水及回水閥門全開，扇區投入正常運行。考慮到冬季工況扇區充水過程中避免凍結的要求，總體充水時間盡量縮短，以保證扇區盡快建立循環。

(4)扇區投入正常運行的一項重要標志是扇區內水量充足且水循環正常建立，第5步“扇區滿水檢測”的作用是對扇區是否成功充水予以確認。基于扇區充水過程中監視參數的變化情況(見圖8)，扇區滿水情況可根據膨脹水箱水位變化趨勢、扇區進水及出水母管壓力建立、扇區排氣立管液位進行判斷。其中，采用排氣立管液位作為判斷依據最為直觀，進水及出水母管壓力建立條件也能正確反映扇區內液位高度情況，膨脹水箱水位的變化趨勢是在將間冷扇區與膨脹水箱視為一個連通器的基礎上通過膨脹水箱水位間接反映扇區內液位高度的判斷方式。排氣立管液位、扇區進水母管壓力、扇區出水母管壓力測點均為單支測點，由于該系統冬季試運時保溫、伴熱等措施不夠完善，取樣管路經常凍結導致無法準確測量，因此采用了3支膨脹水箱水位測點的變化趨勢作為“扇區滿水檢測”的判斷條件。從圖8可以看出，扇區充水過程中，膨脹水箱水位從充水水位下降至正常運行水位后保持穩定且高于正常運行水位，利用這一特性進行邏輯組態，即可實現扇區滿水檢測。扇區程控排水步序見圖9，根據運行需要，扇區程控排水可按照完全排水及水關閉2種方式進行。水關閉方式下排水時不開啟扇區的泄水閥，僅關閉扇區進水閥及回水閥，即扇區退出間接空冷系統運行但不排水。采用這種方式可以快速投入退出運行的扇區，但扇區防凍保護、環境溫度過低、循環水泵全停、緊急泄水閥開啟、扇區充水過程故障、扇區排氣管液位低等保護動作時，扇區必須進行完全排水以保證設備及系統安全。

圖9 扇區程控排水步序圖Fig.9 Programmable sequence of draining off water in sector

3.4 聯鎖保護

3.4.1 防凍保護

(1)扇區防凍保護。扇區防凍保護用于間接空冷系統在冬季工況運行時，保證間冷冷卻單元不會因為溫度過低發生凍結的危險。根據扇區出水管水溫過低的程度，扇區防凍保護被劃分為過冷報警、防凍保護、防凍排水這3個等級。與此同時，扇區冷卻柱壁溫過低時，超馳關閉百葉窗以減少進入扇區的冷空氣，保證扇區處于安全的運行范圍。冬季工況運行，已投入運行的扇區出水母管水溫低于25℃時，該扇區進入“過冷報警”狀態，在運行畫面出現“過冷報警”提示，運行人員需根據扇區運行情況及時進行調整，防止水溫繼續降低。冬季工況運行，已投入運行的扇區出水母管水溫低于18℃時，該扇區進入“防凍保護”狀態，在運行畫面上出現“防凍保護”提示，同時控制系統自動關閉扇區的所有百葉窗，減少進入扇區的冷空氣以提高水溫。冬季工況運行，已投入運行的扇區出水母管水溫低于15℃時，該扇區進入“防凍排水”狀態，在運行畫面出現“防凍排水”提示，同時控制系統自動啟動扇區排水程控將扇區中的水排放至地下水箱，防止扇區被凍結。夏季工況運行或扇區已完全排水或扇區出水母管水溫高于30℃時，扇區“過冷報警”、“防凍保護”、“防凍排水”狀態解除。冬季工況運行，已投入運行的扇區冷卻柱壁溫過低時，該扇區進入“百葉窗超馳關閉”狀態，在運行畫面出現“百葉窗超馳關閉”提示，扇區所有百葉窗自動關閉，防止扇區局部凍結。夏季工況運行或扇區冷卻柱溫度高于5℃或扇區已完全排水時，扇區“百葉窗超馳關閉”狀態解除。

(2)整塔防凍保護。冬季工況運行且間接空冷系統循環水冷水母管溫度低于15℃時，間接空冷系統發出“整塔防凍報警”信號，提示運行人員及時進行調整，防止系統凍結。“整塔防凍報警”僅作為報警使用，不進行任何聯鎖保護動作。

(3)膨脹水箱防凍保護。在冬季運行工況下，當膨脹水箱中的水過冷時，采用換水的方式將地下水箱的熱水補充至膨脹水箱替換溫度過低的冷水。間接空冷塔內溫度低于2℃且膨脹水箱水溫低于12℃時，膨脹水箱防凍保護動作。

3.4.2 扇區其他保護

在防凍保護功能的基礎上，間接空冷系統每個運行扇區同時設置以下保護項目:

(1)冬季工況，3臺循環水泵均停運且間接空冷系統冷水管線及熱水管線緊急泄水閥處于關閉狀態。

(2)間接空冷系統冷水管線緊急泄水閥開啟或熱水管線緊急泄水閥開啟。

(3)扇區運行時排氣管液位過低。

(4)扇區充水過程中滿水檢測失敗。

(5)扇區充水過程中膨脹水箱水位過低。

3.4.3 膨脹水箱水位控制

間接空冷系統配置2臺充水泵和2臺補水泵，用于向間接空冷系統冷卻扇區及循環水管線進行補水，冷卻扇區及循環水管線水量滿足運行要求的標志是膨脹水箱水位正常。充水泵用于扇區充水過程中對系統進行充水，補水泵用于扇區正常運行過程中對系統進行補水。充水泵同時可作為補水泵的備用。

首先，充水泵及補水泵根據膨脹水箱的水位進行聯鎖啟停，其聯鎖啟停分為以下3種情況:

(1)扇區準備充水前，要求膨脹水箱水位高于充水水位，如果水位不滿足，則聯鎖啟動充水泵向膨脹水箱充水，待膨脹水箱水位滿足扇區充水要求后，聯鎖停止運行的充水泵。

(2)扇區充水過程中，要求膨脹水箱水位高于正常運行水位，如果水位不滿足，則聯鎖啟動充水泵向膨脹水箱充水，待膨脹水箱水位高于正常運行水位后，聯鎖停止運行的充水泵。

(3)間接空冷系統正常運行過程中，要求膨脹水箱水位高于正常水位，如果水位不滿足，則首先聯鎖啟動補水泵向膨脹水箱補水，待膨脹水箱水位滿足后，聯鎖停止運行的補水泵。如果補水泵啟動后補水量無法滿足補水要求即膨脹水箱水位繼續下降，則啟動補水流量較大的充水泵向膨脹水箱補水，待水位滿足后聯鎖停止充水泵。

其次，由于系統設置2臺充水泵及2臺補水泵，分別按照“一運一備”方式運行，因此2臺充水泵或補水泵之間應設置主備選擇功能，當聯鎖啟動請求發出時，應首先啟動主泵，如果主泵啟動失敗或者運行過程中主泵跳閘時應聯鎖啟動備用泵。主備選擇可由運行人員手動選擇，為提高自動控制水平，也可根據泵的狀態及運行時間進行自動選擇，以保證2臺充水泵或補水泵的使用壽命同步。

最后，作為充水泵及補水泵安全運行的保障，應設置地下水箱水位過低跳閘及出口閥門關閉跳閘的保護項目。

3.4.4 地下水箱水位控制

地下儲水箱的水位由地下水箱補水閥及排放閥進行控制。

地下水箱水位低于“需求水位”時，聯鎖開啟補水閥向水箱補水;地下水箱水位高于“需求水位”時，聯鎖關閉補水閥停止補水。地下水箱水位需求值由已投運的扇區數量決定，原則為:任一扇區充水前，地下水箱應儲有充滿1個扇區所需的水量;所有扇區放水時，地下水箱應能夠容納所有扇區排放的水量。扇區充水/排水期間閉鎖補水閥聯鎖動作。

當選擇排水方式后，任一補水泵或充水泵運行后，聯鎖開啟排水閥向系統外排水。

3.4.5 系統旁路閥門聯鎖

機組啟/停或運行期間因投運扇區的數量不足時，必須開啟扇區旁路閥來保證循環水流量。扇區投運數量較多導致循環水壓力過低時，必須關閉旁路閥來保證循環水壓力。

系統配置2個扇區旁路閥。1、2、3扇區投入數量不少于2時，聯鎖開啟3扇區旁路閥;1、2、3扇區投入數量少于2時，聯鎖關閉3扇區旁路閥;4、5、6扇區投入數量不少于2時，聯鎖開啟4扇區旁路閥;4、5、6扇區投入數量少于2時，聯鎖關閉4扇區旁路閥。

3.4.6 緊急泄水閥控制

間接空冷系統在循環水冷水及熱水管線上分別設置1臺液壓式快速開啟閥，用于在緊急工況下(冰凍災害、控制系統失效等)快速將系統中的循環水排放至地下水箱，確保系統安全。考慮到這2個閥任一開啟即會產生機組停機的危險性，這2個閥門采用手動控制，暫不設置聯鎖保護功能。

4 注意事項及建議

間接空冷控制系統各項功能試運及投用過程中，以下問題需要引起注意:

(1)由于扇區進/出水管道管徑不一致，為保證充水時進回水管路進水流量一致，原則上第1階段開啟時進/出水閥門開度應有所區別，如某電廠機組即采用“開啟扇區進水閥14 s后中停，開啟扇區回水閥18 s后中停，等待61 s后全開扇區進水閥，等待57 s后全開扇區回水閥”的方式完成第1階段充水。

(2)測量信號的準確性直接影響模擬量控制、程序控制及聯鎖保護各項功能的正常投入及使用，特別是膨脹水箱水位、地下水箱水位、扇區排氣管液位、扇區進/出水溫度、扇區進/出水壓力、母管進/出水溫度等重要測點必須及時準確的投入。對于參與保護項目的重要測點，建議設置多個冗余測點進行三取中等處理后作為保護判斷使用，以防止因測量回路問題導致的保護誤動。

(3)扇區充水程控必須經實際的充水過程檢驗，充水閥門開啟大小、等待時間等參數必須在實際充水過程的基礎上重新進行選擇，同時保證充水過程中扇區振動并且避免冬季寒冷工況下充水過程中發生冰凍情況。

(4)扇區進/出水閥門必須設置有中停功能，以滿足充水使用要求。有些廠家提供的進/出水閥門帶有模擬量開度反饋，可以采用開度反饋組態控制邏輯;有些廠家提供的進出水閥門無模擬量開度反饋，可以采用中停時間組態控制邏輯。采用中停時間組態時時間選擇一定要與就地閥門實際開度相匹配。

(5)扇區保護排水條件中個別項目時間參數及判斷條件需要根據實際運行情況進一步優化選擇。

(6)冬季工況運行時，多個扇區出現“防凍排水”請求時，為避免多個扇區同時排水導致機組真空超越機組安全運行范圍，可以考慮采用按照回水溫度由低至高的優先順序逐一放水，多個扇區放水設置一定的時間間隔。考慮到極力避免扇區凍結的需求，扇區“防凍排水”的溫度定值應留有足夠的裕量，同時可根據回水溫度的水平選擇不同的放水間隔時間。

(7)運行扇區因壁溫過低將超馳關閉該扇區百葉窗，由于每個扇區安裝的壁溫測點有限，單點壁溫僅能代表局部的溫度情況，當單點壁溫過低后關閉該扇區所有百葉窗是否合理仍值得商榷。目前情況下，采用關閉該扇區所有百葉窗的手段是一種較為穩妥的保護方式。

5 結語

國產間接空冷系統的控制策略已在實際系統的試運階段及生產運行階段投入使用，各項聯鎖保護功能投入正常、動作準確，扇區充水及排水程控執行過程順暢，扇區出水溫度控制指標滿足機組運行要求，各項控制功能安全、實用、可靠。本文所述的控制策略及應用經驗，為控制邏輯組態及系統調試提供了思路。

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