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

賈玉鳳， 任國華， 宋成祥

（濟南職業(yè)學院 電子工程系，山東 濟南 250014）

山西平朔煤矸石發(fā)電有限責任公司二期2×300MW 發(fā)電機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，冬季嚴寒而漫長，最低海拔也在1 130 m 以上，最高海拔達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。 多年平均風速為4.2 m/s。 土壤凍結(jié)深在1.22～1.74 m 之間，干旱、風沙、霜凍也是本地區(qū)最基本的氣候特點。 該地區(qū)的氣候條件給直接空冷機組的安全運行帶來了很大的影響，其中冬季空冷凝汽器管束冰凍問題、夏季汽輪機背壓難以控制問題、空冷風機運行節(jié)能降耗問題等突出，對機組的調(diào)整、維護也很不利。 為了保證直接空冷機組安全、穩(wěn)定運行，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)化設計問題。

1 直接空冷系統(tǒng)簡介

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

空冷凝汽器由順流管束和逆流管束兩部分組成。 高溫蒸汽從汽輪機出來，經(jīng)排汽裝置進入一根直徑很大的排氣管道分流，并由蒸汽分配管箱進入凝汽器管束。 大約80%的蒸汽通過順流管束冷凝 （蒸汽和凝結(jié)水： 自上而下順流）， 大約20%未冷凝的蒸汽經(jīng)過逆流管束冷凝 （蒸汽和凝結(jié)水的流動方向相反）。 通過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，從而避免了過冷現(xiàn)象的發(fā)生。 抽真空系統(tǒng)可以將由于不嚴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)水進入汽輪機回熱系統(tǒng)，最后進入電站鍋爐，完成蒸汽動力循環(huán)[1]。

2 直接空冷機組防凍的自動控制方案

該廠直接空冷系統(tǒng)的設備緊靠主廠房布置，故空冷系統(tǒng)在集控室進行控制，不另設單獨的控制室。 直接控制系統(tǒng)在主廠房的分散控制系統(tǒng)（DCS）中設置獨立的控制器監(jiān)控，實現(xiàn)直接空冷系統(tǒng)及相關的數(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、汽輪機背壓、風機的運行狀態(tài)機電流、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、停止、低負荷運行、夏季工況以及冬季工況等運行過程[2]。 直接空冷系統(tǒng)為節(jié)省風機所消耗電能，同時便于調(diào)節(jié)空冷凝汽器的真空，通過改變運行風機的數(shù)目、運行狀態(tài)以及變頻調(diào)節(jié)裝置的頻率來調(diào)節(jié)順逆流軸流風機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)風量，實現(xiàn)安全運行。

DCS 控制ACC 的程序是整個電廠控制系統(tǒng)中的一個主要部分，使空冷各控制系統(tǒng)融合到整個電廠控制系統(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環(huán)境的散熱量，排汽就在未到達空冷散熱片時就已全部凝結(jié)成水，不能實現(xiàn)正常的汽水循環(huán)流動。 故此，在冬季啟動時，要保證空冷島的最小的防凍流量，應在盡快（1 h 內(nèi)）達到設計流量，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)啟動步序共有12 級工序，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)溫度傳感器得來的外界環(huán)境溫度信號，處理器根據(jù)溫度信號進行判斷：當環(huán)境溫度＜－3 ℃時，直接空冷系統(tǒng)程控執(zhí)行冬季工況啟動模式，從步序0 開始啟動空冷島，運行至第5 步結(jié)束；當環(huán)境溫度＞3 ℃，執(zhí)行夏季工況啟動模式，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/夏季工況下的啟動步序圖所示。 步序00 是停所有列風機，建立真空系統(tǒng)，如圖4 所示。 當環(huán)境溫度≥25 ℃時，步序直接跳到第10 步；背壓高時，將在當前的步序上進行升步序；反之，當背壓低時，進行降步序。

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

圖4 機組啟動建立真空步序Fig. 4 The aircrew sets up the step sequence of vacuum

2.2 常用冬季保護程序

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

在冬季時， 由于不可凝結(jié)氣體與系統(tǒng)漏入的空氣的過冷。 如果逆流凝汽管束的上部出現(xiàn)結(jié)霜并持續(xù)一段時間，就可能會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：讓風機按順序依次一次啟動反向轉(zhuǎn)動對逆流管進行回暖保護，此時由空冷凝汽器散出的熱量由風機引下對空氣冷凝片進行加熱，對可能形成的冰進行解凍并防止凍結(jié)的再次發(fā)生。

3 控制方案的優(yōu)化設計

3.1 提高背壓設定值

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

3.2 提高冬季工況保護環(huán)境溫度

廠家將冬季保護環(huán)境溫度設置為－3 ℃，根據(jù)實際運行情況來看，當環(huán)境溫度達到－3 ℃時，直接空冷機組的凝汽器翅片溫度通常低于－3 ℃。 通過工程傳熱學進行分析如下：

凝汽器翅片溫度低于環(huán)境溫度的主要原因是空氣流動使空氣的部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換成動能并引起空氣溫度、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)定流動能量方程式[3]：

得知空氣流動產(chǎn)生的溫降：

其中：Δt 為空氣流動產(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)實測分析，理論翅片表面溫度與實測翅片表面溫度大體上完全一致，但當風速很高時，理論翅片表面溫度比與實測翅片表面溫度低，如不及時動作，就可能造成空冷凝汽器大面積凍結(jié)[4]。 故此，適當提高直接空冷凝汽器的冬季工況保護環(huán)境溫度。

3.3 增設單臺風機防凍保護邏輯

目前直接空冷系統(tǒng)的凝結(jié)水溫度都是以一整列來進行監(jiān)測，其每一列都中只有兩個監(jiān)測點，用DCS 監(jiān)視不能及時發(fā)現(xiàn)空冷凝汽器散熱管束受凍。 當表計反映出各部位溫度出現(xiàn)異常時，其實已經(jīng)發(fā)生了大面積受凍。 同時各個單元凝結(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。

為此增設單臺順逆流風機防凍保護邏輯：在每一單元的左右各設置一溫度測量儀表，當某順流單元凝結(jié)管束凝結(jié)水溫度（左右溫度測量儀表中其一）＜25 ℃時，該臺順流風機“防凍保護”動作報警提示，同時該臺順流風機以一定速度下降，最低轉(zhuǎn)速13 Hz。 若10 分鐘后，該單元凝結(jié)水溫度＜35 ℃，則報警該單元凝結(jié)水溫度低，采取手動方式停止該單元風機的運行；反之，該單元凝結(jié)水溫度＞35 ℃，則防凍保護結(jié)束，自動恢復正常的壓力控制運行模式。 這樣增加了直接空冷系統(tǒng)設計的溫度監(jiān)測點數(shù)量，及時通過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的自動控制能力。

3.4 增設逆順流風機聯(lián)動防凍保護

原設計是有順逆流凝結(jié)管冬季保護程序，但在實際運行期間，不能滿足冬季工況下的保護要求。 因在逆流凝結(jié)管冬季保護程序下，還是不能提高抽真空氣溫度，以使達到抽真空氣防凍保護溫度，此時就要采取手動模式降低該列順流風機的轉(zhuǎn)速來完成防凍保護。 故此，增設逆順流風機防凍保護的聯(lián)動動作：在逆流凝結(jié)管冬季保護程序啟動，5 分鐘后不能達到抽真空氣防凍保護溫度，則聯(lián)動啟動順流凝結(jié)管冬季保護程序。 其設計的邏輯圖如圖5 所示（以其中第一列舉列）。

圖5 逆順流風機防凍保護的聯(lián)動邏輯圖Fig. 5 Co－current's and counter－current's fan frostproof protection linkage logical diagram

4 實際工程運行

從實際運行來看，導致控制空冷凝汽器冷卻管束凍結(jié)的原因，歸納起來由三方面所致：一是從傳熱學原理來看，排汽凝結(jié)放熱量小于其管線對環(huán)境的散熱量，或者說空冷凝汽器內(nèi)的蒸汽流量低于其設計值；二是冷卻空氣量過剩；三是直接空冷系統(tǒng)的真空嚴密性。 故此，在工程上解決空冷凝汽器凍結(jié)問題，必須從控制蒸汽流量、控制空氣流量以及提高系統(tǒng)的真空嚴密性來實現(xiàn)[5]。 通過控制空氣流量，其實是通過改變風機轉(zhuǎn)速、停運風機、使風機反轉(zhuǎn)或采取遮擋部分空冷凝汽器的散熱面積來調(diào)節(jié)空冷凝汽器的進風量，從而利用吸入被加熱的空氣來防止空冷凝汽器的凍結(jié)， 調(diào)節(jié)相對靈活，效果好且可靠。 通過控制蒸汽流量，這就需要提高機組的負荷、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)冬季防凍保護直接影響著電廠的發(fā)電指標、經(jīng)濟效益和安全可靠性，是電廠需要引起高度重視的一項工作，本文采用全自動冬季防凍控制策略，采用由環(huán)境溫度、冷凝水溫以及抽真空系統(tǒng)氣體溫度自動判斷是否進入冬季防凍保護運行模式， 改進了電廠原有的直接空冷控制系統(tǒng)，有效地預防和避免直接空冷系統(tǒng)發(fā)生凍結(jié)。 全自動冬季防凍控制策略的投入，既減輕了運行人員的工作量，又保證了機組的安全經(jīng)濟運行，調(diào)節(jié)效果良好[6]。 即便運行中出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)會及時發(fā)出指令和報警，提醒運行人員及早解決異常現(xiàn)象，使機組安全運行。

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