空冷島溫度場智能監測最優背壓控制實踐分析

李想，雷明遠，韓孝軍

（吉林電力股份有限公司白城發電公司，吉林 白城 137000）

直接空冷機組在節水上顯著優于濕冷機組，尤其在水資源稀缺的西北地區。這種節水優勢有效緩解了該地區發電時水資源緊張的問題，同時優化了煤炭資源的利用。然而，實際運行中，特別是在某些特定工況下，直接空冷機組面臨著氣流分配不均勻等挑戰，可能導致散熱器局部低溫甚至凍結，進而影響機組性能，嚴重時可能導致停機。因此，電廠需建立空冷島溫度場監測系統，實時掌握溫度分布，并采用先進控制策略和算法來優化空冷系統，確保機組穩定運行。

1 空冷島溫度智能監測控制系統要點分析

本次空冷島溫度智能監測控制系統構建期間，主要使用東方汽輪機廠的2×350MW 機組，融合亞臨界技術與一次中間再熱工藝，采用直接空冷與凝汽式設計。汽輪機排汽壓力為14.5kPa，確保高效穩定發電。采用由首航艾啟威企業制造的空冷散熱器，內部結構組成為6列冷凝器，每列配置有5個單元。為了提升蒸汽冷卻效果，該散熱器采用了翅片管換熱器和順流/混合流布局優化。同時，為改善冷凝器冷卻效果，配備30套通風系統。此外，該系統還集成了冷凝水收集、高壓水清洗、抽真空（包含3 個100%的真空單元）以及高壓噴霧降溫等子系統，實現水資源循環、維持真空、定期清洗和調節溫度。背壓變化影響給水泵汽輪機輸出和鍋爐給水量，對機組安全穩定運行至關重要。為評估控制系統在背壓變化時的適應性，需進行仿真試驗，分析背壓對直排汽輪機給水調節的影響。采用模塊化建模，將系統細分為多個子模型，分別建模、校驗，最后聯合調試，提出適應的背壓控制策略及運行調節方式。

2 系統仿真試驗

本次模型建構期間，主要是構建輔助汽輪機系統及啟動給水泵模型，具體建模流程如下。

2.1 輔助汽輪機

（1）計算汽輪機進氣流量。對小型汽輪機調門特性進行深入分析，可觀察到調節閥門前壓力與閥門開度的乘積與其蒸汽流量之間存在比例關系。基于這一發現，計算小型汽輪機進氣流量的方法，具體計算公式如下。

（2）計算小型汽輪機功率。系統仿真期間，小型汽輪機功率計算方法見式如下。

圖1 轉子仿真模型

圖2 背壓升高1kPa 引起的實際焓降變化量

2.2 給水泵

在構建給水泵模型的過程中，泵功率的計算可依據揚程、流量及效率等關鍵參數進行。見式如下：

經調研發現，在THA 工況條件下，為精確計算給水泵的揚程、流量及效率等關鍵參數，需對額定轉速下的泵特性曲線進行深入分析。換言之，在非額定轉速狀態下，泵的流量、揚程及效率等性能表現也需綜合考量。其相關規律見式如下：

輔助汽輪機模型及給水泵模型穩態仿真結果受不同工況影響，具體結果見表1。

表1 不同工況給水泵及輔助模型穩態仿真結果分析

3 空冷島溫度場智能監測最優背壓控制實踐分析

3.1 系統最優背壓控制方案設計

給水流量的調控依賴負反饋控制，可通過實時調整小機開度來匹配設定值。但這種方式受背壓影響大，響應慢。為了優化控制，可引入前饋和轉速內環串級控制，這不僅能加速響應，還能降低背壓對流量的影響。將背壓作為前饋信號添加到小機流量指令中，可進一步提高控制效果。然而，前饋量的最佳值需通過深入研究確定，以平衡背壓變化對小機做功能力的影響，確保系統穩定運行。因小機的主調閥開度會隨著流量的增加而增加，所以背壓前饋出現的開度標準值變化即為小機流量變化情況，應滿足以下條件：

經分析前饋量dG 計算方法見式（7）：

3.2 不同背壓優化控制方案對比分析

在本次不同背壓優化控制方案對比分析期間，主要分析背壓頻發變化、背壓突升等，結果如下。

（1）背壓頻繁變化。當背壓頻繁發生變化時，特別是在THA 工況下，其對機組的影響尤為顯著。例如，當背壓每分鐘變化1kPa、幅值為2kPa 時，這種周期性的頻繁波動會對汽動給水泵的穩定運行造成不利的影響。在仿真過程中，設定背壓以特定速率和幅值進行周期性變化，旨在模擬實際運行中可能出現的背壓波動情況。針對這一情境，對比不同控制措施對汽動給水泵的作用效果。主要包括串級（微分）+前饋控制、串級+前饋控制、負反饋+前饋控制、串級控制和負反饋控制。通過對比不同控制策略下的仿真結果，發現串級（微分）+前饋控制的控制效果最佳，能有效降低背壓波動對汽動給水泵的影響，確保其穩定運行。其次，為串級+前饋控制，負反饋+前饋控制稍遜一籌。相比之下，僅使用串級控制或負反饋控制的控制效果相對一般。

（2）背壓突升。當背壓在THA 工況下突然升高，尤其是短時間內如30s 內升高7.5kPa 時，會對汽動給水泵產生顯著沖擊。為了評估不同控制策略的效果，進行仿真研究。控制策略主要包括串級（微分）+前饋控制、串級+前饋控制、負反饋+前饋控制等。經對比分析，串級（微分）+前饋控制效果最佳，能迅速調整汽動給水泵狀態，減少沖擊。其他策略效果依次遞減，僅使用串級或負反饋控制效果有限。這再次證明了前饋控制在改善系統性能中的重要性。因此，實際應用中，推薦采用串級（微分）+前饋控制策略，以提高汽動給水泵的穩定性和可靠性。

3.3 防凍保護優化

針對空冷島在冬季低溫環境下的防凍保護，本系統進行了以下優化措施。

（1）設定冬季模式。該系統能夠實現根據環境溫度，自動切換冬季模式：溫度持續低于5℃，系統將自動激活冬季模式，啟動防凍模式；環境溫度持續高于8℃，自動退出防凍模式。為了確保系統穩定運行，也可由監控人員根據實際情況進行手動切換。

（2）觸發原空冷控制邏輯。在風機溫度場監控中，當整列風機的溫度持續低于預設的某一閾值，并在一段時間內保持穩定時，可激活原空冷控制系統的“防凍保護1”邏輯；若溫度進一步下降，低于另一預設閾值并持續穩定，則觸發“防凍保護2”邏輯；當溫度降低到第三個預設閾值并持續穩定時，將啟動“回暖保護”邏輯。該邏輯的設定，顯著提升了原空冷島在防凍保護動作執行時的精準度，從而增強了風機的運行穩定性。

4 空冷島智能監測系統應用分析

基于上述分析，本次350MW 超臨界機組主要采取串級前饋控制方式進行，機組在典型極端工況下運行情況如下。

4.1 背壓突升運行情況

在夏季高溫日，環境溫度27.83℃，機組滿負荷310MW運行，背壓36.48kPa，小機轉速穩定，給水流量和主汽溫均正常。但在機組運行期間，突如其來的強風使背壓快速上升至45.98kPa，風速高達12.89m/s。面對這種極端工況，機組展現出較為優異的穩定性，盡管負荷下降8MW，但給水量仍然保持正常水平。系統穩定運行主要機組采用的串級（微分）+前饋控制策略，其快速響應背壓變化，確保機組在各種復雜環境下的安全穩定運行。

4.2 高負荷極端工況運行情況

經實踐測量，在環境溫度為30.3℃的高溫環境下，機組能夠在滿負荷347MW 工況下穩定運行，此時，測得背壓為25.69kPa，小機轉速穩定，給水流量和主汽溫均正常。遭遇強風時，背壓快速上升至44.12kPa，風速達10.5m/s。然而，機組展現出優異的穩定性，小機維持穩定給水流量，確保安全穩定運行。這歸功于機組采用的串級（微分）+前饋控制策略，其快速響應背壓變化，確保機組在各種復雜環境下的穩定運行。強風期間，給水流量穩定，驗證控制系統的可靠性和前饋控制的有效性和安全性。

經分析，該機組采用串級前饋控制方式設計后，經過一年的運行時間，上述極端工況下的運行狀態均能夠滿足機組的背壓要求，具有較強的適用性。

5 結語

總之，背壓變化是影響水泵汽輪機輸出功率的主要因素，需對其進行研究。本次空冷島智能控制系統設計主要采取優化控制策略，通過串級前饋控制方式將背壓擾動對鍋爐給水量的影響降到最低，確保系統安全穩定運行。