一、概述
火力發(fā)電廠中通過空冷裝置冷凝汽輪機(jī)排汽的機(jī)組稱為空冷機(jī)組，空冷機(jī)組最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)水，耗水量約為濕冷同類機(jī)組的30％-35％。在我國北方建設(shè)火力發(fā)電廠，特別是一些富煤少水的地方宜建空冷機(jī)組。空冷系統(tǒng)按照冷卻方式的不同主要分為兩大類：間接空冷系統(tǒng)和直接空冷系統(tǒng)。間接空冷系統(tǒng)又分為帶表面式凝汽器和帶混合式凝汽器的兩種系統(tǒng)。直接空冷系統(tǒng)(如圖1所示)是將汽輪機(jī)排出的乏汽，由管道引入稱之為空冷凝汽器的金屬散熱器中，由環(huán)境空氣直接將排汽冷凝為凝結(jié)水，減少了常規(guī)二次換熱所需要的中間冷卻介質(zhì)，換熱溫差大，效果好。本文主要介紹的呼倫貝爾電廠一期2*600MW空冷機(jī)組采用的就是直接空冷方式，汽輪機(jī)額定排汽壓力(即背壓)為30kPa?？绽湎到y(tǒng)主要是控制背壓，即由空冷風(fēng)機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速控制排汽壓力，排汽壓力高時(shí)增加冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)或提高冷卻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，排汽壓力低時(shí)則相反。背壓控制的優(yōu)劣對(duì)于空冷機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性都起到了至關(guān)重要的作用。

二、工藝介紹
呼倫貝爾發(fā)電廠一期建設(shè)2x600MW超臨界空冷凝器式燃煤發(fā)電機(jī)組。鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司提供的超臨界參數(shù)變壓直流爐。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司提供的超臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)‘排汽冷卻系統(tǒng)為機(jī)械通風(fēng)直接空冷系統(tǒng)(ACS)，設(shè)有約56臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)。一期工程直接空冷系統(tǒng)包括空冷凝汽器排汽系統(tǒng)、空冷凝汽器凝結(jié)水系統(tǒng)、空冷凝汽器抽真空系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)。空冷凝汽器由8列7行共56個(gè)風(fēng)機(jī)組成。其中#1、#3、#4、#5、#7為單向正轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，#2、#6為可正轉(zhuǎn)亦可反轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)，只有暖管時(shí)才反轉(zhuǎn)?？绽淠?1、#2、#3、#6、#7、#8列的排汽管道上設(shè)有蒸汽隔離閥，同時(shí)在#l、#2、#3、#6、#7、#8列的抽真空管道上設(shè)有抽真空隔離閥。抽真空系統(tǒng)設(shè)有3臺(tái)100％容量的水環(huán)真空泵，每臺(tái)真空泵前設(shè)有真空泵入口電動(dòng)門。
三、直接空冷系統(tǒng)的特點(diǎn)
空冷機(jī)組與濕冷機(jī)組由于適用的范圍不同，所以從主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上比較各有優(yōu)劣?？绽錂C(jī)組主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)水，但卻存在煤耗高、廠用電高、汽輪機(jī)效率低等不足；濕冷機(jī)組的特點(diǎn)則相反。經(jīng)過這幾年的不斷改進(jìn)，直接空冷發(fā)展較快，相比于間接空冷形式，目前直接空冷系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
(l)冷熱介質(zhì)溫差大，換熱效果好；
(2)汽輪機(jī)排汽壓力變化范圍大，適宜我國北方地區(qū)冬夏溫差變化較大的氣候特點(diǎn)；
(3)空冷系統(tǒng)占地面積小，由于空冷凝汽器一般都布置在汽機(jī)房頂或汽機(jī)房前的高架平臺(tái)上，平臺(tái)下仍可布置電氣設(shè)備等，空冷凝汽器占地得到綜合利用，使得電廠整體占地面積減少；
(4)低溫情況下暖管措施靈活可靠，直接空冷可通過改變冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或使風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)空冷凝汽器的進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)方向以防止空冷凝汽器凍結(jié)，暖管方式靈活可靠；
(5)廠用電消耗較大，主要來自冷卻風(fēng)機(jī)的能耗。
四、主要控制邏輯介紹
直接空冷就是利用空氣直接冷凝汽輪機(jī)的排氣，即汽輪機(jī)排出的蒸汽在空冷凝汽器翅片管束內(nèi)流動(dòng)，冷卻空氣在空冷凝汽器翅片管外流動(dòng)對(duì)蒸汽直接冷卻。空冷系統(tǒng)就是維持蒸汽的冷凝效果(表現(xiàn)為排汽背壓的變化)，根據(jù)管內(nèi)蒸汽流量和溫度的變化，提供相應(yīng)的冷卻空氣流量。而冷卻空氣流量的變化則通過改變冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)量和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制。
4.1背壓調(diào)節(jié)回路
背壓調(diào)節(jié)回路就是通過背壓的測(cè)量值計(jì)算出冷凝這些蒸汽所需的冷卻空氣的流量。即通過對(duì)背壓設(shè)定值與測(cè)量值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)合鳳機(jī)步序表，其輸出連續(xù)對(duì)運(yùn)行風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)(蒸汽隔離閥數(shù)量)及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)控制，使冷卻空氣的流量與運(yùn)行條件(各工況下的蒸汽量及環(huán)境溫度)相協(xié)調(diào)，最終控制汽機(jī)背壓運(yùn)行在安全、合理、經(jīng)濟(jì)的范圍內(nèi)。具體控制方案如下：
(1)背壓測(cè)量值汽機(jī)和電機(jī)側(cè)排汽裝置各自均設(shè)有3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)。汽機(jī)側(cè)排汽裝置3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的中值與電機(jī)側(cè)排汽裝置3個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)的中值取均值后，得出排汽裝置的背壓測(cè)量值。
(2)背壓設(shè)定值背壓設(shè)定值由運(yùn)行人員手動(dòng)給定。正常運(yùn)行中，設(shè)定值的人為大幅調(diào)整會(huì)造成背壓控制器輸出突變，不利于空冷系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此用一個(gè)輸出變化速率限制器進(jìn)行柔性處理。當(dāng)環(huán)境溫度較低且最低凝結(jié)水溫度較低時(shí)(即霜凍報(bào)警時(shí))，自動(dòng)提高背壓設(shè)定值3kPa。
(3)PID控制器背壓設(shè)定值與測(cè)量值的偏差作為PID調(diào)韋器的輸入。運(yùn)行中為避免頻繁的小幅度背壓波動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的擾動(dòng)，對(duì)背壓設(shè)定值與測(cè)量值的偏差設(shè)置死區(qū)限制(士1kPa)。當(dāng)背壓控制自動(dòng)投入后，PID控制器的輸出經(jīng)增益變換及平衡器的作用后，作為各列變頻風(fēng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速(頻率)輸入指令。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)劇烈的負(fù)荷變化時(shí)，如RB或汽機(jī)跳閘工況，PID控制器的響應(yīng)速度必須要足夠快(變參數(shù)處理)，通過立刻下切或上切風(fēng)機(jī)步級(jí)來消除擾動(dòng)。
(4)背壓控制手動(dòng)／自動(dòng)(M/A)站當(dāng)背壓控制M/A站在自動(dòng)方式時(shí)，背壓調(diào)節(jié)PID控制器的輸出將作為空冷器8列的頻率指令。運(yùn)行人員可通過該M/A站設(shè)定背壓設(shè)定值。當(dāng)背壓控制M/A站在手動(dòng)方式時(shí)，背壓調(diào)節(jié)回路被切除，運(yùn)行人員通過M/A站手動(dòng)調(diào)節(jié)空冷器8列風(fēng)機(jī)的頻率指令。背壓設(shè)定值、背壓側(cè)量值、M/A站輸出值都能在M/A站畫面中顯示，背壓調(diào)節(jié)示意圖如圖2所示。

4.2空冷系統(tǒng)程控
空冷系統(tǒng)程控是空冷系統(tǒng)中完成整體啟動(dòng)和整體停止的程控邏輯?？绽湎到y(tǒng)啟動(dòng)前要求下游子系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，如凝水泵要運(yùn)行、真空泵已選擇等。整體啟動(dòng)的方案也根據(jù)環(huán)境溫度的不同而分為夏季啟動(dòng)模式和冬季啟動(dòng)模式?？绽湎到y(tǒng)整體停止時(shí)則要求汽輪機(jī)沒有任何蒸汽排入空冷凝汽器。具體控制方案如下：
4.2.1程控啟動(dòng)條件(and)
(l)軸封蒸汽母管壓力正常；
(2)至少一臺(tái)凝結(jié)水泵在運(yùn)行；
(3)汽機(jī)非零轉(zhuǎn)速；
(4)汽機(jī)排汽管道真空破壞閥1關(guān)狀態(tài)；
(5)汽機(jī)排汽管道真空破壞閥2關(guān)狀態(tài)；
(6)真空泵已選擇；
(7)汽機(jī)跳閘；
(8)高旁閥全關(guān)。
4.2.2程控啟動(dòng)步序
(l)啟動(dòng)三臺(tái)真空泵；
(2)延時(shí)，等到排汽裝置背壓小于限值時(shí)留一臺(tái)真空泵運(yùn)行維持真空；
(3)空冷系統(tǒng)允許機(jī)組點(diǎn)火信號(hào)發(fā)出；
(4)若大氣溫度低于2℃則跳至第11步，否則執(zhí)行下一步；
(5)開全部六列的蒸汽隔離閥；
(6)等待高旁閥有一定開度且汽輪機(jī)已掛閘；
(7)三臺(tái)真空泵選擇自動(dòng)投運(yùn)方式；
(8)等待凝結(jié)水溫度＞35℃且與大氣溫度偏差大；
(9)投入變頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)投運(yùn)；
(10)程控結(jié)束；
(11)等待高旁閥有一定開度且汽輪機(jī)已掛閘；
(12)三臺(tái)真空泵選擇自動(dòng)投運(yùn)方式；
(13)等待凝結(jié)水溫度大于35℃且與大氣溫度偏差大；
(14)投入變頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)投運(yùn)；
(15)程控結(jié)束。
4.2.3程控停止條件(and)
(l)汽機(jī)跳閘；
(2)高旁閥全關(guān)；
(3)低旁閥全關(guān)。
4.2.4程控停止步序
(l)切除變頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)投運(yùn)；
(2)停變頻風(fēng)機(jī)；
(3)切除真空泵自動(dòng)投運(yùn)方式；
(4)停真空泵。
4.3變頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)投運(yùn)
變頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)投運(yùn)是關(guān)于56臺(tái)風(fēng)機(jī)自動(dòng)投入和自動(dòng)退出的具體邏輯。投入時(shí)的順序是先啟#2、#6風(fēng)機(jī)，再啟#3、#4、#5風(fēng)機(jī)，最后啟#l、#7風(fēng)機(jī)。退出時(shí)順序正好與啟動(dòng)時(shí)顛倒過來，即先停#1、#7風(fēng)機(jī)，再停#3、#4、#5風(fēng)機(jī)，最后停#2、#6風(fēng)機(jī)。具體的控制順序如下：
4.3.1變頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)投運(yùn)的順序?yàn)椋?br /> (1)4、5列#2、#6風(fēng)機(jī)；
(2)l、2、3、6、7、8列#2、#6風(fēng)機(jī)；
(3)4、5列#3、#4、#5風(fēng)機(jī)；
(4)1、2、3、6、7、8列#3、#4、#5風(fēng)機(jī)；
(5)4、5列#l、#7風(fēng)機(jī)；
(6)l、2、3、6、7、8列#l、#7風(fēng)機(jī)；
4.3.2變頻風(fēng)機(jī)自動(dòng)退出的順序?yàn)椋?br /> (l)所有列#1、#7風(fēng)機(jī)；
(2)所有列#3、#4、#5風(fēng)機(jī)；
(3)所有列#2、#6風(fēng)機(jī)。
4.4自動(dòng)暖管程控
當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時(shí)，尤其是在冬季，為防止空冷凝汽器不會(huì)被凍結(jié)，就需要啟動(dòng)暖管程序。程控啟動(dòng)條件為大氣溫度(代表空冷裝置溫度)低于5℃。程控啟動(dòng)步序：
(l)啟動(dòng)4列風(fēng)機(jī)暖管程控；
(2)延時(shí)30分鐘(若大氣溫度高于5℃則程控結(jié)束，否則執(zhí)行下一步);
(3)啟動(dòng)5列風(fēng)機(jī)暖管程控；
(4)延時(shí)30分鐘(若大氣溫度高于5℃則程控結(jié)束，否則執(zhí)行下一步);
(5)啟動(dòng)3列風(fēng)機(jī)暖管程控(若3列蒸汽隔離閥未開則跳過此步);
(6)延時(shí)30分鐘(若大氣溫度高于5℃則程控結(jié)束，否則執(zhí)行下一步);
(7)啟動(dòng)6列風(fēng)機(jī)暖管程控(若6列蒸汽隔離閥未開則跳過此步);
(8)延時(shí)30分鐘(若大氣溫度高于5℃則程控結(jié)束，否則執(zhí)行下一步);
(9)啟動(dòng)2列風(fēng)機(jī)暖管程控(若2列蒸汽隔離閥未開則跳過此步);
(10)延時(shí)30分鐘(若大氣溫度高于5℃則程控結(jié)束，否則執(zhí)行下一步);
(11)啟動(dòng)7列風(fēng)機(jī)暖管程控(若7列蒸汽隔離閥未開則跳過此步);
(12)延時(shí)30分鐘(若大氣溫度高于5℃則程控結(jié)束，否則執(zhí)行下一步);
(13)啟動(dòng)1列風(fēng)機(jī)暖管程控(若1列蒸汽隔離閥未開則跳過此步);
(14)延時(shí)30分鐘(若大氣溫度高于5℃則程控結(jié)束，否則執(zhí)行下一步);
(15)啟動(dòng)8列風(fēng)機(jī)暖管程控(若8列蒸汽隔離閥未開則跳過此步);
(16)延時(shí)30分鐘(若大氣溫度高于5℃則下一步，否則執(zhí)行第一步);
(17)暖管程控結(jié)束。
4.5過冷及霜凍保護(hù)
呼倫貝爾電廠位干內(nèi)蒙古東北部，一月平均氣溫零下27.3℃，歷史最低溫度零下52.3℃，因此系統(tǒng)的防凍保護(hù)尤為重要。根據(jù)環(huán)境溫度和凝結(jié)水溫度的不同低值，系統(tǒng)發(fā)出過冷報(bào)警和霜凍報(bào)警。過冷報(bào)警發(fā)生后延時(shí)30m設(shè)定啟動(dòng)兩臺(tái)真空泵，當(dāng)大氣溫度回升或凝結(jié)水溫回升時(shí)設(shè)定啟動(dòng)一臺(tái)真空泵。霜凍報(bào)警發(fā)生后將背壓調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值增加3kPa，當(dāng)大氣溫度回升或凝結(jié)水溫回升時(shí)恢復(fù)原背壓設(shè)定值。
空冷系統(tǒng)的控制邏輯還包括蒸汽隔離閥的控制、真空泵控制等等，在此不作一一詳述。
五、結(jié)束語
空冷系統(tǒng)的應(yīng)用在我國起步較晚，無論是直接空冷，還是間接空冷技術(shù)，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行實(shí)踐，證明均是可靠的?？绽湎到y(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)就是節(jié)水，空冷技術(shù)應(yīng)用在我國西北地區(qū)建設(shè)火力發(fā)電廠時(shí)，以有限的水資源盡量提高機(jī)組容量，為緩解與當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)、生活爭水的矛盾，保持當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展均起到了重要的作用。