严寒地区660MW 超临界直接空冷机组低负荷空冷岛防冻技术应用

2015-04-16柴艳东王松寒

吉林电力 2015年6期

马强，王洋，柴艳东，王松寒

（1.吉林电力股份有限公司白城发电公司，吉林白城 137000；2.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021）

发电厂机组运行中广泛采用直接空冷技术。使用空气进行冷却，不排放雾气团，可以大幅度节水，但直接空冷凝汽器在冬季受到冷空气侵袭时，常发生空冷管束结冻变形。吉林电力股份有限公司白城发电公司（以下简称白城发电公司）地处高纬度寒冷地区，冬季低负荷运行时，1号机组空冷管束及凝结水疏水管束经常结冻，影响机组安全稳定运行，为此对1号机组空冷岛防冻技术进行优化。

1 设备概况

白城发电公司新建1 号机组单机容量为660 MW，于2010年9月23日投产运行。锅炉采用超临界、变压运行直流锅炉，型号为HG－2070／25.4－HM；汽轮机采用超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽凝汽式直接空冷汽轮机。

由于白城地区冬季西北风占主流，常有一股冷风从1、2号炉之间吹向空冷岛管束，致使1号机7、8列及2号机1、2列处运行环境更加恶劣。当负荷低于300 MW 时，进入空冷管束的蒸汽量远不能满足管束自身防冻需求，管束长期运行在－10℃（表面温度）以下，从而导致管束及凝结水疏水管结冻变形，严重威胁机组的安全稳定运行。由此可见，在冬季低负荷运行时，空冷系统防冻是机组面临的亟待解决的问题。

2 空冷岛散热结构及结冻原因

2.1 散热结构

空冷散热器有单排管型散热器、双排管型散热器、三排管型散热器三种类型，其各自的主要特点如下。

a.单排管型散热器：管内流通面积增大有利于汽液分离和防冻，管内阻力、饱和蒸汽压降小，翅片表面清洗较容易。

b.双排管型散热器：管内流通面积较大，两排管的翅片间距不同，热负荷均匀。翅片上开有绕流小孔，虽保证其换热率，却增加了气流阻力，清洗翅片时要求水压较高，清洗困难。

c.三排管型散热器：翅片效率较高，翅片表面光滑，翅片间无干扰性空气流动，散热效率较高，空气侧阻力小，清洗容易。

三种散热结构从所需散热表面积上来说是有所不同的。在同样工况条件下（机组负荷、气象条件、环境噪声等要求）三排管型散热器所需的散热表面积最少，单排管型居中，双排管最多；也就是说，同等散热面积时三排管型散热结构的散热效果最好。白城发电公司空冷散热器选用的是三排管型散热结构。

2.2 结冻原因

通过对超临界直接空冷机组空冷岛冻结机理进行分析与研究，确定空冷系统冻结的主要原因有：空冷凝汽器内的蒸汽流量低于其设计值；冷却空气量过剩；真空系统漏入不凝结气体过多。

在低负荷工况下，汽轮机的总体排汽量减少，相应地进入各列的进汽量也就减少；蒸汽分配箱入口蝶阀的严密性不好，在停运空冷凝汽器时，有少量蒸汽漏入蒸汽箱中，致使空冷凝汽器管束出现大面积结冰，冻坏管束；真空系统漏点多，导致蒸汽气流被不凝结气体阻塞，使蒸汽不能畅通地循环流动，变相加强了凝结水在回流管束中的冷却效果。

3 空冷岛防冻保护设计原则及运行效果

白城发电公司的空冷岛防冻保护逻辑有8排8列共64台风机，每列的2、6号风机为逆流风机，1、3、4、5、7、8为顺流风机；控制逻辑将每列的1～4号风机定义为2段，5～8号风机定义为1段，每段共设有2个凝结水母管温度（正常运行时温度在45℃左右）、2个凝结水排水管温度（正常运行时温度在42℃左右）、2个抽真空温度（正常运行时温度在36℃左右）。根据环境温度及凝结水排水温度或抽真空温度的不同，将防冻保护分为回暖保护、防冻保护1、防冻保护2。以下防冻保护均以1列1段为例。

3.1 回暖保护

空冷岛由逆流风机反转来实现回暖保护。当环境温度低于－2℃时，回暖保护启动，1列逆流凝汽器的风机发停止指令，停止指令发出1min后，1列逆流凝汽器的风机以26r／min的转速反转3min，3 min后风机发停止反转指令，停止反转指令发出1 min后，1列逆流凝汽器的风机正转，转速为主控制器输出转速。

1列风机停止指令发出7.5min后，2列风机发停止指令，2列凝汽管束回暖保护开始启动，3～8列回暖保护与1列相同。60min内，1至8列2、6号逆流凝汽器共16台风机均停止2min，并以最低转速反转3min回暖运行，如果环境温度还是低于－2℃，逆流凝汽器的风机继续进行回暖保护。

若某列凝汽管束退出运行，逆流凝汽器的风机回暖保护将跳过此列。

3.2 防冻保护1

当环境温度低于3℃，1列1段任一凝结水排水温度或抽真空温度低于25℃时，防冻保护1警报发出，将排汽压力设定值提升2kPa，30 min之后，再提升2kPa。同时1列1段的顺流风机与逆流风机控制与主控制器断开，顺流单元的风机速度以每分钟10%的速度逐渐降低，最后降至最低转速26 r／min，逆流风机速度保持与主控制器断开时的转速。未受防冻保护措施影响的其他列和分区的风机状态保持不变。

防冻保护1复位：1列1 段两个凝结水排水温度高于35℃且两个抽真空温度高于30℃时，防冻保护1警报消失，将排汽压力设定点值降低2kPa，30min后，再降低2kPa。1列1段顺流凝汽器的风机速度以每分钟10%的速度逐渐升高，最后升至之前与主控制器断开时的转速，顺流和逆流子控制器重新与主控制器连接，转速与主控制器输出转速相同。

3.3 防冻保护2

当环境温度低于3℃，1列1段任一抽真空温度低于20℃时，防冻保护2警报发出，同时1列1段的逆流单元的风机速度降低，逆流风机的速度以每分钟10%的速度逐渐降低，最后降至最低转速26 r／min。未受防冻保护措施影响的其他列和分区的风机状态保持不变。

防冻保护2复位：1列1 段两个抽真空温度高于30℃时，防冻保护2警报消失，同时1列1段逆流凝汽器的风机速度以每分钟10%的速度逐渐升高，最后升至之前与主控制器断开时的转速。

为了防止凝结水温度、抽真空温度在临界温度时防冻保护频繁动作，在控制逻辑中加入防冻保护触发和复位限制时间，防冻保护消失60s后，防冻保护才能复位；防冻保护复位600s内不能再次触发防冻保护。

4 优化防冻保护逻辑

因机组刚刚投产，缺乏运行和维护经验，在7列退出运行时，没有检查立管阀是否严密就将凝结水阀、抽真空阀关闭，导致有部分蒸汽排入7列散热管束中，由于凝结水阀关闭蒸汽凝结后无法排出，运行人员没有注意退出列的凝结水温度的变化，防冻保护逻辑中也没有针对退出运行列的凝汽管束的相应保护，导致凝结水集箱内结冰胀破、散热管束结冰变形，严重影响机组的真空及散热效果。根据白城发电公司1号机组实际运行状态对防冻保护逻辑进行了优化设计。

4.1 重新设置防冻保护逻辑

4.1.1 缩短防冻保护再次触发时间

白城冬季温度低，同时机组负荷也很低，在某列某段防冻保护恢复后不久，其抽真空温度很快又会降低到30℃以下，而防冻保护要在10min后才能再次触发，此时温度已经降低到10℃左右，要将温度升高到复位温度，需要的时间更长。由于防冻保护复位、触发间隔时间长，这种情况在空冷岛多列出现时，会造成机组的背压波动，影响机组正常、经济运行，因此，进行如下修改。

a.防冻保护再次触发的时间由原来的600s改为10s，这样在低温低负荷工况下，防冻保护可以更快地动作，保证机组的稳定运行。

b.在防护保护中加入防冻保护的投切按钮，以便在不同工况下，根据实际情况投入和切除某列的防冻保护。

4.1.2 加设风机速率控制

防冻保护触发时，风机降速慢，凝结水温度、抽真空温度升高的速度慢；防冻保护恢复时，风机转速上升速度快，导致凝结水温度、抽真空温度在升高后迅速下降。

为了解决这个问题，在防冻保护画面中加一个弹出面板，可以在上面输入防冻保护时风机升降的速度，以便于运行人员根据现场工况要求，人为控制风机升降速度，保证最佳的防冻效果。

4.1.3 加设回暖投切按钮

边缘运行列进汽少，凝汽管束中没有足够的排汽凝结产生热量，回暖保护逆流风机反转后的回暖效果也不理想；而如果4、5列进汽量较多，有足够的排汽凝结产生热量，温度很少降低到防冻保护触发温度，回暖保护没有必要在这样的列进行。

为此，在回暖逻辑中加入投切按钮，根据需要切除不需要回暖的列，而让需要回暖列进行多次回暖，这样可以达到最优的回暖防冻效果。

4.1.4 缩短回暖时间

列与列之间回暖等待时间长，整体的回暖运行时间长，严重影响空冷回暖的效果，为此，修改每列的回暖间隔时间，将每列的回暖等待时间由120s缩短为10s，缩短系统整体回暖的时间，增加空冷系统回暖的防冻效果。

4.1.5 降低风机最低转速

防冻保护动作后，顺流单元的风机速度以每分钟10%的速度逐渐降低，最后降至最低转速26r／min。实践证明，风机转速为26r／min时依然在加快散热速度，从而进一步降低了空冷岛的凝结水、抽真空温度。

风机为变频控制，将所有风机最低转速设置为3r／min，能有效控制低温环境下的空冷岛凝结水温度、抽真空温度。

4.2 优化空冷风机自动控制

4.2.1 设置最低转速控制

防冻保护1或防冻保护2触发后，顺流风机根据主控输出计算输出顺流风机转速指令上限，转速下限设定值不变；根据主控输出计算值，逆流风机控制风机转速在23.0～26.2r／min变化。

4.2.2 设置无扰切换

防冻保护复位后，降速风机比例、积分、微分（PID）会先升至与主控制器PID 断开前那一时刻的PID 值，再与主控制器PID 参数连接，如果在防冻保护触发这一段时间，机组负荷有很大变化，主控制器PID 参数也会有很大变化，风机PID 直接与主控制器PID 连接，风机会突然升速或降速，这样会对空冷风机的稳定运行有很大影响。

为此，在各风机PID 参数中增加模块，计算风机PID 参数，当风机PID 参数升至与主控制器PID参数的偏差小于2时，才允许风机PID 参数与主控制器PID 参数相连接，这样可以保证空冷风机的稳定运行。