贾玉凤， 任国华， 宋成祥

（济南职业学院 电子工程系，山东 济南 250014）

山西平朔煤矸石发电有限责任公司二期2×300MW 发电机组工程处于露天煤矿矿区内， 该地区春季干旱少雨雪，夏季短暂而多暴雨，秋季降温快，冬季严寒而漫长，最低海拔也在1 130 m 以上，最高海拔达2 147 m。 因地理环境所致，本区气温昼夜温差可能高于25 ℃。 极端最高气温为34.5 ℃，极端最低气温为零下29.2 ℃。 多年平均无霜期只有115 天；冻结日期最早为10 月18 日， 解冻日期最晚为次年的4 月21日。 多年平均风速为4.2 m/s。 土壤冻结深在1.22～1.74 m 之间，干旱、风沙、霜冻也是本地区最基本的气候特点。 该地区的气候条件给直接空冷机组的安全运行带来了很大的影响，其中冬季空冷凝汽器管束冰冻问题、夏季汽轮机背压难以控制问题、空冷风机运行节能降耗问题等突出，对机组的调整、维护也很不利。 为了保证直接空冷机组安全、稳定运行，提出了寒冷地区的直接空冷系统的防冻防霜控制方案的优化设计问题。

1 直接空冷系统简介

山西平朔煤矸石发电厂的循环流化床直接空冷机组采用SPX 单排管冷凝器， 共含有288 片空冷管束和24 台轴流风机。 每一台机组的空冷设备由4 个单元组成一列，共6 列。每个单元中，3 个空气冷凝器为顺流冷凝器，一个空冷器为逆流单元，位于每列的#2 位置。 轴流风机的直径为10.363 m，由经变频电机驱动。

空冷凝汽器由顺流管束和逆流管束两部分组成。 高温蒸汽从汽轮机出来，经排汽装置进入一根直径很大的排气管道分流，并由蒸汽分配管箱进入凝汽器管束。 大约80%的蒸汽通过顺流管束冷凝 （蒸汽和凝结水： 自上而下顺流）， 大约20%未冷凝的蒸汽经过逆流管束冷凝 （蒸汽和凝结水的流动方向相反）。 通过顺流管和逆流管相结合的方式，凝结水总能从蒸汽获得热能，从而避免了过冷现象的发生。 抽真空系统可以将由于不严密漏入的空气及不凝结气体抽走并冷却分离，排至大气。

蒸汽/凝结水联箱内收集的凝结水在重力作用下排入汽轮机排汽装置下的主凝结水箱，由凝结水泵从主凝结水箱内将凝结水进入汽轮机回热系统，最后进入电站锅炉，完成蒸汽动力循环[1]。

2 直接空冷机组防冻的自动控制方案

该厂直接空冷系统的设备紧靠主厂房布置，故空冷系统在集控室进行控制，不另设单独的控制室。 直接控制系统在主厂房的分散控制系统（DCS）中设置独立的控制器监控，实现直接空冷系统及相关的数据采集和处理系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、辅机顺序控制系统（SCS）的监视、调节和控制。DAS 主要包括环境为温度、汽轮机背压、风机的运行状态机电流、抽真空管束的不凝结气体温度、空冷凝汽器顺逆流管束凝结水温度等；MCS 主要包括汽轮机背压控制、 空冷凝汽器凝结水箱水位控制等参数控制；SCS 完成直接空冷系统的启动、停止、低负荷运行、夏季工况以及冬季工况等运行过程[2]。 直接空冷系统为节省风机所消耗电能，同时便于调节空冷凝汽器的真空，通过改变运行风机的数目、运行状态以及变频调节装置的频率来调节顺逆流轴流风机转速，从而调节风量，实现安全运行。

DCS 控制ACC 的程序是整个电厂控制系统中的一个主要部分，使空冷各控制系统融合到整个电厂控制系统（硬件和软件）。 其图1 为直接空冷系统控制功能的分散控制系统图，图2 为冬、夏季工况下直接空冷系统的逻辑组成图。

图1 分散控制系统（DCS）Fig. 1 Distributed control system （DCS）

图2 冬、夏季工况下直接空冷系统的逻辑组成Fig. 2 Direct cooled system logical constitutional under the operating mode of winter， summer

2.1 冬季工况启动步序

冬季环境温度低，如果排汽凝结放热量小于其管束对环境的散热量，排汽就在未到达空冷散热片时就已全部凝结成水，不能实现正常的汽水循环流动。 故此，在冬季启动时，要保证空冷岛的最小的防冻流量，应在尽快（1 h 内）达到设计流量，并尽量防止任何突然的热击或由于蒸汽流量小而分配不均造成的管束受热不均，否则有可能发生管子弯曲甚至与管片分离。

直接空冷系统启动步序共有12 级工序，从步序00 到步序10。 直接空冷系统程序步序控制逻辑，控制器根据温度传感器得来的外界环境温度信号，处理器根据温度信号进行判断：当环境温度＜－3 ℃时，直接空冷系统程控执行冬季工况启动模式，从步序0 开始启动空冷岛，运行至第5 步结束；当环境温度＞3 ℃，执行夏季工况启动模式，从第6 步开始，到第10 步结束。 如图3 直接空冷系统程控在冬/夏季工况下的启动步序图所示。 步序00 是停所有列风机，建立真空系统，如图4 所示。 当环境温度≥25 ℃时，步序直接跳到第10 步；背压高时，将在当前的步序上进行升步序；反之，当背压低时，进行降步序。

图3 直接空冷系统程控在冬/夏季工况下的启动步序Fig. 3 The program control starting the step sequence in winter/summer operating mode of direct air cooled system

图4 机组启动建立真空步序Fig. 4 The aircrew sets up the step sequence of vacuum

2.2 常用冬季保护程序

当环境温度小于3 ℃，一列中的任一个冷凝单元的冷凝水温小于25 ℃时， 控制系统会锁定本列中的逆流风机的运行速度； 并控制本列中的顺流风机以10%/min 的速度下降。直至当本列的凝结水温都大于30 ℃， 直接空冷控制系统才使顺流风机转速下降停止，并以10%/min 的速度上升至设定的控制系统输出值；当环境温度小于3 ℃，一列的任一个冷凝单元的抽气温度小于17 ℃时， 空冷控制器将本列顺流风机的转速设定在当前的值不变而将逆流风机的转速以10%/min 的速度下降， 只有当本列的抽气温度都大于19 ℃后，控制器才将逆流风机的转速以10%/min 的速度上升至已设定的控制器输出值； 相邻两列逆流风机降速间的间隔为5 分钟。 这只是对某一列予以描述，同样也适用于其他列。

在冬季时， 由于不可凝结气体与系统漏入的空气的过冷。 如果逆流凝汽管束的上部出现结霜并持续一段时间，就可能会逐渐地堵塞逆流凝汽管的上端，并且妨碍不可凝气体的排出。 采取的措施为：让风机按顺序依次一次启动反向转动对逆流管进行回暖保护，此时由空冷凝汽器散出的热量由风机引下对空气冷凝片进行加热，对可能形成的冰进行解冻并防止冻结的再次发生。

3 控制方案的优化设计

3.1 提高背压设定值

直接空冷系统每列都有2 个凝结水温度测点，在冬季工况，有半数以上的凝结水温度＜25 ℃，将背压设定值增加3 kPa，30 min 后， 如果凝结水温度仍旧保持低值， 再增加3 kPa。 在改变设定值后，所有凝结水温度高于30 ℃时，1 h 后自动减少设定值3 kPa。 但最小的背压设定值是采用防冻保护措施之前选择的设定值。 在防冻保护模式下，背压设定值只允许提高两次，每次提高3 kPa。

3.2 提高冬季工况保护环境温度

厂家将冬季保护环境温度设置为－3 ℃，根据实际运行情况来看，当环境温度达到－3 ℃时，直接空冷机组的凝汽器翅片温度通常低于－3 ℃。 通过工程传热学进行分析如下：

凝汽器翅片温度低于环境温度的主要原因是空气流动使空气的部分内能转换成动能并引起空气温度、降低。 由空气270 K 的焓值272.19 kJ/kg 与280 K 的焓 值282.22 kJ/kg，可得空气的比热为：

根据稳定流动能量方程式[3]：

得知空气流动产生的温降：

其中：Δt 为空气流动产生的温降，K；h0为环境温度下的空气焓，kJ/kg（假定环境风速为0 m/s）；h1为流经空冷凝汽器的空气焓，kJ/kg；v 为流经空冷凝汽器的空气流速，m/s；

经实测分析，理论翅片表面温度与实测翅片表面温度大体上完全一致，但当风速很高时，理论翅片表面温度比与实测翅片表面温度低，如不及时动作，就可能造成空冷凝汽器大面积冻结[4]。 故此，适当提高直接空冷凝汽器的冬季工况保护环境温度。

3.3 增设单台风机防冻保护逻辑

目前直接空冷系统的凝结水温度都是以一整列来进行监测，其每一列都中只有两个监测点，用DCS 监视不能及时发现空冷凝汽器散热管束受冻。 当表计反映出各部位温度出现异常时，其实已经发生了大面积受冻。 同时各个单元凝结水温度相差较大， 因此采用整列防冻逻辑不能满足防冻的需要。

为此增设单台顺逆流风机防冻保护逻辑：在每一单元的左右各设置一温度测量仪表，当某顺流单元凝结管束凝结水温度（左右温度测量仪表中其一）＜25 ℃时，该台顺流风机“防冻保护”动作报警提示，同时该台顺流风机以一定速度下降，最低转速13 Hz。 若10 分钟后，该单元凝结水温度＜35 ℃，则报警该单元凝结水温度低，采取手动方式停止该单元风机的运行；反之，该单元凝结水温度＞35 ℃，则防冻保护结束，自动恢复正常的压力控制运行模式。 这样增加了直接空冷系统设计的温度监测点数量，及时通过DCS 界面反映出各部位温度异常。 从而提高了冬季工况下防冻保护的自动控制能力。

3.4 增设逆顺流风机联动防冻保护

原设计是有顺逆流凝结管冬季保护程序，但在实际运行期间，不能满足冬季工况下的保护要求。 因在逆流凝结管冬季保护程序下，还是不能提高抽真空气温度，以使达到抽真空气防冻保护温度，此时就要采取手动模式降低该列顺流风机的转速来完成防冻保护。 故此，增设逆顺流风机防冻保护的联动动作：在逆流凝结管冬季保护程序启动，5 分钟后不能达到抽真空气防冻保护温度，则联动启动顺流凝结管冬季保护程序。 其设计的逻辑图如图5 所示（以其中第一列举列）。

图5 逆顺流风机防冻保护的联动逻辑图Fig. 5 Co－current's and counter－current's fan frostproof protection linkage logical diagram

4 实际工程运行

从实际运行来看，导致控制空冷凝汽器冷却管束冻结的原因，归纳起来由三方面所致：一是从传热学原理来看，排汽凝结放热量小于其管线对环境的散热量，或者说空冷凝汽器内的蒸汽流量低于其设计值；二是冷却空气量过剩；三是直接空冷系统的真空严密性。 故此，在工程上解决空冷凝汽器冻结问题，必须从控制蒸汽流量、控制空气流量以及提高系统的真空严密性来实现[5]。 通过控制空气流量，其实是通过改变风机转速、停运风机、使风机反转或采取遮挡部分空冷凝汽器的散热面积来调节空冷凝汽器的进风量，从而利用吸入被加热的空气来防止空冷凝汽器的冻结， 调节相对灵活，效果好且可靠。 通过控制蒸汽流量，这就需要提高机组的负荷、蒸汽加热盘管或加装电伴热装置，可以极大地满足保证空冷凝汽器防冻热量需要， 同时也减轻防冻工作的压力和投资，并且可以降低发电煤耗。

5 结 论

直接空冷系统冬季防冻保护直接影响着电厂的发电指标、经济效益和安全可靠性，是电厂需要引起高度重视的一项工作，本文采用全自动冬季防冻控制策略，采用由环境温度、冷凝水温以及抽真空系统气体温度自动判断是否进入冬季防冻保护运行模式， 改进了电厂原有的直接空冷控制系统，有效地预防和避免直接空冷系统发生冻结。 全自动冬季防冻控制策略的投入，既减轻了运行人员的工作量，又保证了机组的安全经济运行，调节效果良好[6]。 即便运行中出现异常，控制系统会及时发出指令和报警，提醒运行人员及早解决异常现象，使机组安全运行。

[1] 邱丽霞，郝艳红，李润林，等. 直接空冷汽轮机及其热力系统[M]. 北京：中国电力出版社，2006.

[2] 白建云. 环境风对直接空冷机组的影响及控制策略[J]. 电力学报，2008，23（1）:34-37.

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[3] 何钧，刘宝玲，鄢波. 超临界600MW直接空冷机组背压控制策略的优化[J]. 热力发电，2013（7）:63-67.

HE Yun，LIU Bao-ling，YAN Bo. Optimization of 600 MW supercritical direct air cooling unit backpressure control strategy[J]. Thermal Power Generation，2013（7）:63-67.

[4] 何继光，刘玉，饶雪.12174发电厂电气部分初步设计[J]. 电子设计工程，2013（17）:116-119.HE Ji-guang，LIU Yu，RAO Xue. Part of the preliminary design of the electrical power plant 12174 [J]. Electronic Design Engineering，2013（17）:116-119.

[5] 任国华，白建云，邵加晓，等. BP神经网络在直接空冷系统中的应用[J]. 电站系统工程，2011（6）:38-42.REN Guo-hua，BAI Jian-yun，SHAO Jia-xiao，et al. BP neural network in the direct air cooling system application[J]. Power Systems Engineering，2011（6）:38-42.

[6] 呼延斌，尉亚军，赵吉顺. 660MW东方机组启动汽温偏高分析及措施[J]. 电子设计工程，2010（11）:117-119.

HU Yan-bin，WEI Ya-jun，ZHAO Ji-shun. 660MW Eastern unit start-up analysis and measures of higher steam temperature[J]. Electronic Design Engineering，2010（11）:117-119.