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。空冷系統(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，排汽壓力高時增加冷卻風(fēng)機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)或提高冷卻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，排汽壓力低時則相反。背壓控制的優(yōu)劣對于空冷機(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100％容量的水環(huán)真空泵，每臺真空泵前設(shè)有真空泵入口電動門。
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)房前的高架平臺上，平臺下仍可布置電氣設(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，冷卻空氣在空冷凝汽器翅片管外流動對蒸汽直接冷卻?？绽湎到y(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量值計算出冷凝這些蒸汽所需的冷卻空氣的流量。即通過對背壓設(shè)定值與測量值的偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，結(jié)合鳳機(jī)步序表，其輸出連續(xù)對運(yùn)行風(fēng)機(jī)臺數(shù)(蒸汽隔離閥數(shù)量)及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動控制，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)背壓測量值汽機(jī)和電機(jī)側(cè)排汽裝置各自均設(shè)有3個壓力測點(diǎn)。汽機(jī)側(cè)排汽裝置3個壓力測點(diǎn)的中值與電機(jī)側(cè)排汽裝置3個壓力測點(diǎn)的中值取均值后，得出排汽裝置的背壓測量值。
(2)背壓設(shè)定值背壓設(shè)定值由運(yùn)行人員手動給定。正常運(yùn)行中，設(shè)定值的人為大幅調(diào)整會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(即霜凍報警時)，自動提高背壓設(shè)定值3kPa。
(3)PID控制器背壓設(shè)定值與測量值的偏差作為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對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的擾動，對背壓設(shè)定值與測量值的偏差設(shè)置死區(qū)限制(士1kPa)。當(dāng)背壓控制自動投入后，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，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)步級來消除擾動。
(4)背壓控制手動／自動(M/A)站當(dāng)背壓控制M/A站在自動方式時，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站在手動方式時，背壓調(diào)節(jié)回路被切除，運(yùn)行人員通過M/A站手動調(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)中完成整體啟動和整體停止的程控邏輯。空冷系統(tǒng)啟動前要求下游子系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，如凝水泵要運(yùn)行、真空泵已選擇等。整體啟動的方案也根據(jù)環(huán)境溫度的不同而分為夏季啟動模式和冬季啟動模式。空冷系統(tǒng)整體停止時則要求汽輪機(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程控啟動條件(and)
(l)軸封蒸汽母管壓力正常；
(2)至少一臺凝結(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程控啟動步序
(l)啟動三臺真空泵；
(2)延時，等到排汽裝置背壓小于限值時留一臺真空泵運(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)三臺真空泵選擇自動投運(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)三臺真空泵選擇自動投運(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)自動投運(yùn)；
(2)停變頻風(fēng)機(jī)；
(3)切除真空泵自動投運(yùn)方式；
(4)停真空泵。
4.3變頻風(fēng)機(jī)自動投運(yùn)
變頻風(fēng)機(jī)自動投運(yùn)是關(guān)于56臺風(fēng)機(jī)自動投入和自動退出的具體邏輯。投入時的順序是先啟#2、#6風(fēng)機(jī)，再啟#3、#4、#5風(fēng)機(jī)，最后啟#l、#7風(fēng)機(jī)。退出時順序正好與啟動時顛倒過來，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自動暖管程控
當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，尤其是在冬季，為防止空冷凝汽器不會被凍結(jié)，就需要啟動暖管程序。程控啟動條件為大氣溫度(代表空冷裝置溫度)低于5℃。程控啟動步序：
(l)啟動4列風(fēng)機(jī)暖管程控；
(2)延時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5列風(fēng)機(jī)暖管程控；
(4)延時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)出過冷報警和霜凍報警。過冷報警發(fā)生后延時30m設(shè)定啟動兩臺真空泵，當(dāng)大氣溫度回升或凝結(jié)水溫回升時設(shè)定啟動一臺真空泵。霜凍報警發(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，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。