王宏偉，杜雅麗

(山西省電力勘測設計院，太原市，030001)

0 引言

根據國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，在山西等富煤貧水的北方地區(qū)建設空冷電廠是發(fā)展火電節(jié)能經濟的必然途徑之一［1-6］。鍋爐給水泵是電廠中重要的輔機設備之一，投資大、功率高、運行費用多，因此合理選擇給水泵的配置方式對于整個電廠的安全經濟運行起著至關重要的作用。

1 臨汾河西熱電廠給水泵配置

根據總圖布置條件及廠址處氣溫、風向、風速等氣象條件，在充分考慮了電廠的場地較為緊張，無法布置較大的冷卻塔，且外界風向、風速對空冷總體布置影響較小，風場流態(tài)較穩(wěn)定等客觀因素后，山西臨汾河西熱電有限責任公司2×300 MW亞臨界機組選擇了主機排汽采用直接空冷和汽動給水泵汽機(以下簡稱小機)排汽同樣采用直接空冷的方式。出于節(jié)省工程造價和場地大小條件的考慮，在保證汽動給水泵工作穩(wěn)定性的情況下，每臺機組配置1臺100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continute rate，BMCR)容量的汽動給水泵，用于機組正常運行。另外還配置1臺帶液力耦合器的50%BMCR容量的電動調速給水泵，用于機組啟動及備用。

給水泵汽輪機正常工作汽源采用四段抽汽，備用和啟動用汽源采用再熱冷段蒸汽，調試汽源來自輔助蒸汽系統。

給水泵汽輪機軸封供汽來自主汽輪機的軸封系統，軸封供汽壓力、溫度調節(jié)由主機軸封系統完成，軸封排汽排至主汽輪機軸封蒸汽冷卻器中。

由于主汽輪機采用直接空冷汽輪機，小機排汽排入主汽輪機的空冷器中，所以小機的疏水也排入主凝汽系統中。

1．1 小機排汽采用直接空冷方式的技術特點

小機排汽3種冷卻方式比較如下:

(1)濕冷方案。濕冷方案設備多，系統復雜，初投資大，水工冷卻水塔占地面積較大，存在蒸發(fā)、排污損失及耗水量大的問題。

(2)間接空冷方案。該方案系統龐大，散熱器管內介質為水，比直接空冷散熱器(管內為蒸汽)冬季防凍更不利。由于系統龐大，所以易發(fā)生漏水等問題。

(3)直接空冷方案。該方案系統相對簡單，初投資較低，耗水量小，檢修維護方便。

根據上述3種冷卻方式的比較結果，臨汾河西熱電廠小機排汽最終采用直接空冷的方式。表1分列了各種冷卻方式的優(yōu)缺點。

目前，表1中4種給水泵配置方式都有實際運行業(yè)績，例如大唐托克托電廠、運城電廠等一些水資源豐富的地區(qū)采用小機排汽濕冷方案;在靈武2×1 000 MW機組、銅川2×600 MW機組等工程采用小機排汽間接空冷方案;在榆次2×300 MW機組、臨汾海茲2×300 MW機組采用全電泵的方案，到目前為止，只有山西臨汾河西2×300 MW熱電廠采用汽動給水泵乏汽直排冷卻方式，并且運行良好。

表1 冷卻方式方案對比Tab.1 Comparison of cooling solutions

雖然小機排汽采用直接空冷方式系統簡單，減少了水工冷卻水塔、小機凝汽器等冷卻設施，避免了地下水管道布置復雜的缺點，初投資省，相對濕冷和間冷方案又節(jié)約了大量的水，相對全部電泵的方案又節(jié)省廠用電，但也存在幾個方面的問題:

(1)主機背壓在8.5～48 kPa之間變化，報警背壓為43 kPa，停機背壓為65 kPa。由于小機排汽直排至主機排汽裝置，因此小機應為高背壓機組，其對背壓的適應能力必須大于主機的背壓變化范圍。眾所周知，低壓級組葉片的蒸汽彎應力由該級組允許的最大質量流量所限制，在高背壓工況時，由于容積流量較小，此時因流場的不穩(wěn)定引起的動應力對低壓級組葉片的正常工作不利，因此機組不允許在容積流量很小的工況下長期運行;但短時間運行，不會對機組造成損壞。長時間背壓過高，排汽溫度較大，使進入汽輪機的蒸汽壓力升高，效率降低，同時還可能會使末級缸受熱變形，破壞汽輪機動靜部分中心線一致性，嚴重時會導致機組振動或其他事故。背壓和排汽溫度關系見表2。

表2 背壓和排汽溫度關系Tab.2 Relationship between back pressure and exhaust temperature

(2)小機排汽采用直接空冷方式直排至主機排汽裝置，排汽量增大，主機空冷凝汽器面積需重新進行核算。一般小機排汽量為主機排汽量的6%～8.5%，即空冷面積增加6% ～8.5%。空冷凝汽器散熱面積應滿足:當大氣溫度為34.5℃，外界自然風風速為5 m/s，風機100%轉速時，要滿足汽輪發(fā)電機組汽輪機銘牌工況(turbine rating load，TRL)的運行要求，即汽輪機滿發(fā)排汽壓力為34 kPa。

1．2 小汽機乏汽直接排入主汽輪機空冷器的空冷平臺配置

每臺機組總凝汽器散熱面積955 730 m2，迎面風速2.1 m/s，每臺機組共分為30個單元，每單元配置1臺直徑9.754 m的軸流風機，每單元散熱器管束分兩側呈“A”形布置安裝，共312片順流管束、48片逆流管束。順流管束尺寸為10 750 mm×2 032 mm，逆流管束尺寸為9 750 mm×2 032 mm。每臺機組散熱單元分6列，每列5組布置。其中每列的3號風機為混流單元，另外4臺為順流單元?？绽鋶u整體列數排列順序為1—2—3—4—5—6(從固定端起始排列)，其中3和4列為啟動列(在蒸汽分配管和凝結水疏水管道上沒有安裝任何電動閥門裝置)，其他4列為運行列?？绽淦脚_高度為34 m。

在TRL工況下，直冷與普通空冷機組參數的比較如表3。

表3 TRL工況下2種汽輪機排冷方式的對比Tab.3 Comparison between two exhaust methods of feedwater pump turbine under TRL conditions

從表3可以看出，小機的排汽量為53.97 t/h，汽輪機的排汽量為650.17 t/h，小機的排汽量約占大機的8.3%。而本工程相對于同類大小、機型的機組的空冷散熱面積增加了76 458 m2，約為總散熱面積的8.0%，解決了由于排汽量增加造成冷卻能力不足的問題。如表3所示，其散熱量、風機消耗功率等均比普通空冷機組大。

2 小機排汽采用直接空冷系統的自動控制

汽泵乏汽直排主機排汽裝置的空冷系統在集控室進行控制，并且納入單元機組的DCS。為保證整個機組及空冷系統在各種運行工況下能夠安全、穩(wěn)定地運行，設計了一套完整的包括協調控制、順序控制和機爐電聯鎖保護的DCS。

夏季工況:以環(huán)境溫度大于2℃為界線，其中夏季工況邏輯設定的背壓值為15 kPa。

冬季工況:以環(huán)境溫度小于1℃為界線，其中冬季工況邏輯設定的背壓值為8.5 kPa。

低負荷工況:當進入空冷系統的蒸汽流量低于25%的額定流量時，便視為低負荷工況。低負荷工況設定的背壓值為25 kPa。

給水泵汽輪機排汽進入主機排汽裝置，與主機排汽混合后排入空冷凝汽器?？绽淠饔煽諝庵苯永鋮s，環(huán)境溫度、風速、風向、負荷變化，都要引起背壓變化，背壓變化較大，一般為8.5～48 kPa，因此控制空冷排汽壓力(背壓)是關鍵。

為使空冷排汽壓力在啟動、正常運行、停運及負荷發(fā)生突變情況下能夠控制在運行負荷下的允許運行值內，以保證空冷機組的安全運行，采取了下述控制及保護措施。

在正常運行中，空冷系統主要控制的參數為排汽壓力和凝結水溫度、抽真空溫度。在汽輪機安全運行的范圍內，根據機組的發(fā)電負荷和空氣溫度，調整進入空冷凝汽器的空氣流量(即調整風機轉速和運行臺數)，使排汽壓力保持在最佳狀態(tài)。在寒冷時期，運行中要比較排汽溫度和凝結水水溫/抽空氣溫度的差值，調整順流風機/逆流凝汽器風機轉速，進入防凍保護模式運行，并使過冷度保持在一定范圍內。

在變工況運行中，負荷、環(huán)境溫度和排汽量都不同，應根據排汽壓力測量值與不同負荷下排汽壓力期望值的差異改變風機群的轉速，使排汽壓力測量值與期望值一致。

2．1 夏季滿負荷運行

當環(huán)境溫度高于30℃，夏季滿負荷運行時，所有風機按最高轉速(30% ～110%)運行，必要時針對夏季環(huán)境溫度極高或個別風機故障檢修的情況而進行超頻運行。

當機組處于夏季滿發(fā)背壓運行或滿負荷(最高容許背壓上限值48 kPa以下)運行的情況下，當風向、風速或負荷突變，背壓升高超過汽機最大允許背壓值48 kPa時，必須通過汽機數字電液控制系統(digital electro hydraulic，DEH)快速關小汽機調速汽門，即通過快速降負荷，控制背壓迅速降到負荷對應的允許背壓設定值。同時，通過汽動給水泵MEH快速關小給水泵汽輪機調速汽門，通過減少給水流量以保證鍋爐在正常運行水位線運行，而且由于汽泵負荷的快速降低也控制了汽泵排汽壓力回到安全運行區(qū)。在關閉大小機調速汽門降負荷的同時，為了保證鍋爐系統的安全運行，協調控制系統應自動切到爐跟機運行方式，將關閉汽機調速汽門的指令采用前饋方式輸入到燃料量控制系統，以保證鍋爐爐膛壓力運行在正常運行設定值。

圖1為臨汾河西熱電廠2011年6月1—2日的夏季真空度運行曲線。由圖1可以看出，機組真空度波動偏大，受環(huán)境和溫度影響較大，但是通過背壓控制和協調控制以及下述優(yōu)化手段還是能在背壓控制范圍內安全運行。

圖1 2011年6月1—2日的夏季真空度運行曲線Fig.1 Vacuum operation curve in summer from 1st to 2nd June in 2011

由于電廠地處黃土高原，春季多風多沙，加之周邊環(huán)境污染嚴重，黃沙和雜物造成空冷散熱器表面臟污，嚴重影響空冷系統的散熱性能，進而影響機組性能。實踐證明，當積灰厚度達到一定程度時，凝汽器背壓將會升高，造成機組出力受阻。針對此情況，臨汾河西每臺空冷機組設置了高效、可靠的半自動(橫向為手動、縱向為自動)的水力清洗系統，定期對空冷凝汽器進行清洗，可以在一定程度上緩解機組出力不足的問題。

同時，在空冷平臺四周裝設擋風墻，并封閉每一列風機單元間，防止出現熱回流、倒灌與換熱單元相互影響的現象。

2．2 冬季低負荷運行

冬季(環(huán)境溫度低于1℃)低負荷運行時，既要保證空冷凝汽器經濟運行，又要防止凝汽器凍裂。本工程設有3種防凍保護，分別是凝結水防凍保護、抽汽防凍保護和升溫循環(huán)(回暖)保護。通過停止部分風機，減小換熱面積，控制過冷度，根據環(huán)境溫度、進汽量降低風機轉速，當風機頻率低于20 Hz時，以先中間后兩邊的順序關閉對應排的順流風機;通過將逆流管束風機按正轉、停止、反轉的順序周期操作，使熱風回流，防止凝汽器抽汽口結霜，保證凝汽器的安全運行。

啟動時，采用高中壓缸聯合啟動方式。由于高中壓缸聯合啟動要求再熱汽帶壓，低壓旁路系統投入運行，因此高中壓缸聯合啟動使空冷裝置的排放量有所增加。高壓缸冷態(tài)啟動空冷裝置進汽量為100～115 t/h，而高中壓缸聯合啟動空冷裝置進汽量可達到150～175 t/h(聯合啟動要求再熱汽維持穩(wěn)定壓力)，可以有效地縮短啟動時間，提高進入空冷散熱器的蒸汽流量，降低空冷裝置發(fā)生凍結的概率。

圖2為臨汾河西電廠2011年2月8—10日的冬季真空運行曲線，由曲線可以看出，真空度保持良好。

圖2 2011年2月8—10日的冬季真空運行曲線Fig.2 Vacuum operation curve in winter from 8th to 10th February in 2011

同時，該工程配有快速抽真空閥，可以在機組啟動初期快速建立真空，提高啟動初期機組的真空度，從而使排向空冷凝汽器的蒸汽溫度相應提高，有效增加進入空冷單元的熱量，從而降低發(fā)生局部凍結的可能性。

風是建設空冷電廠最關鍵的氣候因素，相對于溫度它具有不可控性。當空冷機組在運行時突遇風向、風量的變化時，迅速控制空冷機組排汽壓力成為優(yōu)先的控制手段。

圖3為臨汾河西電廠2011年6月5—8號的真空曲線，此3天為大風天氣。由曲線可以看出一般大風影響機組背壓為5～10 kPa，也可能出現15～20 kPa的變化。背壓變化5～10 kPa需要2～3 min，時間很快。當然，也有極個別情況，在3～5 min變化達到15～20 kPa。由此表明大風天氣對小機直冷系統的影響比較明顯。

圖3 2011年6月5—8號的大風天氣真空運行曲線Fig.3 Vacuum operation curve of windy weather from 5th to 8th June in 2011

為此，當機組在夏季和冬季低負荷運行情況下(低負荷運行背壓為25 kPa):當突遇風向、風量及負荷變化，背壓升高超過運行負荷下的最高允許值時，首先可通過增加空冷風機運行臺數并通過變頻控制提高風機轉速來調節(jié)背壓，使背壓回到機組運行負荷下的排汽壓力;必要時可通過快速降負荷(run back，RB)，控制背壓迅速達到負荷對應的允許背壓設定值。

3 背壓保護控制

空冷機組與濕冷機組最大的不同就是前者末級葉片長時間工作在高背壓、小容積流量工況下，可能引起因末級葉片動應力急劇增大，超過葉片材料的許用疲勞強度。為了保證空冷機組末級葉片在安全區(qū)運行，就要根據汽輪機制造廠提供的最高背壓和小容積流量的限制值，繪出原理性背壓保護特性曲線，作為熱力計算背壓保護及負荷自動控制特性曲線的依據。

另外，在低負荷、高背壓時，由于流通部分效率低，排汽溫度高，且由于小負荷、高背壓時如相對容積流量過小，末級葉片產生鼓風損失，引起排汽溫度進一步升高。因此必須通過低壓缸噴水和保護系統來控制汽輪機的排汽溫度。

通過DEH控制機組在某一背壓下的負荷是空冷機組實現背壓保護功能的主要途徑，即自動調整汽輪機組當前的運行工況點，最大限度地保障機組的出力，并且在機組處于緊急工況區(qū)域運行時發(fā)出信號緊急自動停機。背壓保護功能投入后，機組將按照功率/背壓保護曲線運行。圖4為臨汾河西電廠的背壓修正曲線圖。

圖4 背壓限制曲線Fig.4 Limit curve for back pressure

圖4 所示的曲線將機組運行工況分為幾個區(qū)域，分別具有不同的運行工況要求和控制方式。ABCD線以下為可連續(xù)運行區(qū);HGFE以上即陰影部分為限時運行停機區(qū)，運行工況點落入該區(qū)域時延時900 s跳機。當功率在20%負荷以下時，要保證背壓低于20 kPa，否則 DEH將發(fā)出報警信號，要求后汽缸噴水。

當機組突遇由于溫度、大風等環(huán)境因素造成背壓大幅升高時，背壓保護控制可以RB，背壓RB條件如下:

(1)機組背壓達到跳閘值，延時5 s(背壓曲線)。

(2)機組背壓達到報警值，且背壓變化速率大于1.5 kPa/min。

(3)機組背壓大于60 kPa(真空跳閘條件預留5 kPa)。

(4)背壓變化速率大于4 kPa/min。

背壓保護功能投入時，協調控制系統(coordinated control system，CCS)負荷控制及一次調頻功能將自動切除，具有自動調節(jié)負荷、低壓缸噴水控制、限時運行跳機、報警等功能。背壓保護主要控制邏輯如圖5所示。

圖5 背壓保護邏輯Fig.5 Logic of back pressure protection

4 結論

通過以上分析可以看出，小機排汽采用直接空冷進大機排汽裝置方案是可以安全運行的。小機排汽進入主機直冷凝汽器的直接空冷機組相比小機獨立的排汽冷卻空冷機組雖然增加了很大的進氣量，但機組最終的目的是一致的，就是控制背壓在一定的范圍內，保證機組安全、穩(wěn)定運行。小機排汽采用直接進入大機直冷凝汽器的直接空冷方案，可簡化多個相關的熱力系統，比如可取消小機獨立的凝汽冷卻系統、小機獨立的抽真空系統和小機凝結水系統。該方案不但布置方便，系統簡單，初投資省，而且節(jié)水，廠用電率小，占地面積少，耗水指標符合國家政策，從經濟性分析該方案最優(yōu)。目前，此方案已真正進入了工程運行階段。

［1］王鴻懿．熱工控制系統及設備［M］．北京:中國電力出版社，2009．

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