薛凌飛 劉永林 王 建 呂俊閣 任東陽(yáng)

（1.延長(zhǎng)石油榆林煤化有限公司；2.中石化建設(shè)有限公司）

直接空冷凝汽器系統(tǒng)的優(yōu)化控制

薛凌飛*1劉永林2王 建2呂俊閣2任東陽(yáng)1

（1.延長(zhǎng)石油榆林煤化有限公司；2.中石化建設(shè)有限公司）

系統(tǒng)和全面地分析了直接空冷凝汽器（ACC）系統(tǒng)的優(yōu)化控制，對(duì)ACC優(yōu)化控制過(guò)程中所遇到的難題有針對(duì)性地提出了解決辦法，并介紹了成功的調(diào)試案例。

空冷凝汽器 逆流 順流 優(yōu)化控制 風(fēng)機(jī)

20世紀(jì)60年代，直接空冷系統(tǒng)順流/逆流換熱管束KD比技術(shù)的成功應(yīng)用，為富煤缺水地區(qū)使用透平機(jī)進(jìn)行空冷制冷生產(chǎn)的企業(yè)帶來(lái)了新的生機(jī)。隨著煤化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，空冷凝汽器 （air cooled condenser，即ACC）系統(tǒng)在煤化工中的成功應(yīng)用帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益使許多行業(yè)對(duì)ACC倍加推崇。搞好ACC的優(yōu)化控制是ACC成功投運(yùn)的重要基礎(chǔ)，為此筆者著重就煤化工行業(yè)的ACC優(yōu)化控制作一較詳細(xì)論述。

1 ACC的優(yōu)化控制

提高換熱管束的換熱性能和防凍性能是整個(gè)ACC優(yōu)化的核心。

1.1 ACC廠家對(duì)設(shè)備的優(yōu)化

所有的ACC廠家都愿意對(duì)設(shè)備的性能優(yōu)化狠下功夫。比如優(yōu)先選用鋼制的較大橢圓形截面的芯管和鋁制翅片進(jìn)行緊密的冶金性質(zhì)的連接，在出廠時(shí)就組裝成一個(gè)完整的管束，使得整個(gè)管束排具有優(yōu)異的換熱性能，并在結(jié)構(gòu)上具有換熱防凍、高強(qiáng)度以及抗腐蝕性能。根據(jù)各個(gè)煤化工單位的使用工況要求，確定整個(gè)ACC管束排中順流/逆流管束KD比的分布，且順流管束與逆流管束各使用自己的軸流風(fēng)機(jī)，可達(dá)到有效的防凍效果。盡量?jī)?yōu)先選用大口徑直接軸流風(fēng)機(jī)，避免使用皮帶拖動(dòng)類(lèi)軸流風(fēng)機(jī)，可大大提高出力和減少維護(hù)量。鋁翅片相互平行且第一排管束采用4 mm的較大翅片間距，依據(jù)間距逐級(jí)遞減原則，最后一排管束采用2.5 mm的較小翅片間距，使得整套管束排換熱均勻且更易清洗。整個(gè)散熱器的有效散熱面積應(yīng)在設(shè)計(jì)上留有一定的余量。北方等高寒地區(qū)應(yīng)選用容量適當(dāng)、質(zhì)量可靠的閥門(mén)、百葉窗、百葉窗操作機(jī)構(gòu)、泵和抽空設(shè)備，這也是ACC正常投運(yùn)的重要保證。1.2 設(shè)計(jì)單位對(duì)ACC的優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)單位在整個(gè)ACC投運(yùn)前需根據(jù)需要多次召開(kāi)業(yè)主和ACC廠家的技術(shù)交底會(huì)，不斷優(yōu)化和改進(jìn)整個(gè)ACC的性能。首先，ACC所配套的儀控和電氣設(shè)備一定要充分滿足生產(chǎn)工況的要求，特別是要滿足ACC的自動(dòng)功能和保護(hù)功能的可靠性、有效性，如所選用的軸流風(fēng)機(jī)能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，可靈活調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，配套的風(fēng)機(jī)數(shù)目能滿足生產(chǎn)要需；其次，在選址上設(shè)備位置要遠(yuǎn)離業(yè)主集中辦公區(qū)，至少要在80 m之外，使辦公區(qū)噪音低于55 dB，達(dá)到安全和環(huán)保要求；最后，一定要注意整個(gè)過(guò)程的系統(tǒng)優(yōu)化，包括考慮到廠址海拔高度、歷史最低溫度 （如延長(zhǎng)石油榆林煤化有限公司和兗州煤業(yè)榆林能化有限公司地處海拔高度1 147～1 281 m，歷史最低溫度為-32.7℃）和環(huán)境風(fēng)速等對(duì)ACC投運(yùn)的影響。

1.2.1 對(duì)ACC輔助設(shè)備的優(yōu)化控制

為了ACC能科學(xué)、安全、高效投運(yùn)，所選用的儀控輔設(shè)其防凍性能過(guò)關(guān)是前提。變頻器的散熱性能是其可靠運(yùn)行的保證。整個(gè)ACC防雷擊性能是其安全的重要保證。另外，所配用的真空泵一定要滿足抽真空負(fù)荷的要求。

1.2.2 對(duì)ACC自動(dòng)調(diào)節(jié)的優(yōu)化是整個(gè)過(guò)程的核心

1.2.2.1 控制方案的優(yōu)化

當(dāng)環(huán)境溫度大于-20℃時(shí)，機(jī)組允許冷啟動(dòng)時(shí)建立真空，即按圖1所示的步驟自動(dòng)建立真空。

圖1 機(jī)組啟動(dòng)建立真空步序

1.2.2.2 ACC的自動(dòng)調(diào)節(jié)

通常規(guī)定，汽輪機(jī)背壓小于15 kPa時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)入背壓自動(dòng)跳步和調(diào)節(jié)。但此設(shè)定值太小，特別是夏季高溫時(shí)，很難達(dá)到15 kPa。根據(jù)陜北地理實(shí)際需要，此設(shè)定值應(yīng)改為20 kPa，這樣可大大縮短啟動(dòng)時(shí)間，節(jié)約啟動(dòng)成本。真空建立后，透平機(jī)的背壓控制系統(tǒng)根據(jù)背壓測(cè)量值與設(shè)定值之差來(lái)連續(xù)地對(duì)ACC的軸流風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸汽隔離閥位置進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)跳步。如目前煤化工行業(yè)常用的某煤化有限公司的ACC（3列9座風(fēng)機(jī)，其中每列第2座風(fēng)機(jī)為逆流風(fēng)機(jī)，列1、列3列管有2臺(tái)蒸汽關(guān)斷電動(dòng)閥），其風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速就設(shè)計(jì)為多級(jí)轉(zhuǎn)速。一般設(shè)計(jì)方案中，為避免頻繁的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，只要背壓實(shí)際值介于背壓高位值與低位值之間就可保持工序運(yùn)行。自動(dòng)調(diào)節(jié)和程控保護(hù)相輔相成，一般整定如圖2所示。

由于邏輯采用純積分器，偏差死區(qū)較大，偏差很大時(shí)才自動(dòng)跳步。調(diào)節(jié)偏差大，很容易形成振蕩而導(dǎo)致ACC運(yùn)行不穩(wěn)定。所以筆者通過(guò)調(diào)試，將單純的積分調(diào)節(jié)方式改為比例積分調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)死區(qū)為0.15 kPa，背壓躍進(jìn)壓力為3 kPa，冬夏季逆轉(zhuǎn)觸發(fā)溫度為3℃和8℃。當(dāng)步序增加或減少時(shí)，運(yùn)行的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)將發(fā)生變化，如果步序增加，并列運(yùn)行的風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)將增加，開(kāi)環(huán)增益變大。為了得到更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，筆者建議在步序發(fā)生變化后對(duì)開(kāi)環(huán)增益系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

1.2.3 對(duì)ACC程控保護(hù)的優(yōu)化

程控保護(hù)的實(shí)現(xiàn)是自動(dòng)調(diào)節(jié)的唯一結(jié)果和直接保證，在這個(gè)過(guò)程中要首先實(shí)現(xiàn)的保護(hù)條件是軸流風(fēng)機(jī)潤(rùn)滑油壓 ≤ 50 kPa、振動(dòng) ≥ 0.5 g（烈，振動(dòng)單位）、變頻器各項(xiàng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)停止風(fēng)機(jī)運(yùn)行?；A(chǔ)性保護(hù)有下述幾項(xiàng)。ACC的停運(yùn)保護(hù)：夏季2列電動(dòng)閥全開(kāi)，冬季2列電動(dòng)閥啟動(dòng)時(shí)全關(guān)。電動(dòng)閥的投運(yùn)保護(hù)：列2風(fēng)機(jī)頻率 ≥25 Hz、列2凝結(jié)水溫度 ≥35℃、主控輸出 ≥40%且凝結(jié)水與環(huán)境溫度之差大于5℃時(shí)，列1電動(dòng)閥開(kāi)，反之主控輸出≤20%時(shí)關(guān)，列1和列2風(fēng)機(jī)頻率≥25 Hz、列1和列2凝結(jié)水溫度 ≥ 35℃、主控輸出≥40%且凝結(jié)水溫度與環(huán)境溫度之差 ≥5℃時(shí)開(kāi)列3電動(dòng)閥，反之主控輸出 ≤ 38%時(shí)關(guān)。逆流（凝汽器）保護(hù)投運(yùn)條件：環(huán)境溫度 ≤3℃、列X蒸汽閥已打開(kāi)、與下聯(lián)箱 （抽氣管真空）溫差≥15℃時(shí)，逆流保護(hù)不動(dòng)作，如啟動(dòng)則與下聯(lián)箱（抽氣管真空）溫差 ≥18℃。防凍保護(hù)動(dòng)作條件：凝結(jié)水 （真空）溫度低報(bào)警、顯示逆流防凍保護(hù)運(yùn)行、列X逆流風(fēng)機(jī)以5 Hz/min降速為0、列X逆流風(fēng)機(jī)保速運(yùn)行、溫差≤8℃時(shí)自動(dòng)解列、反向執(zhí)行且與主控制器連接到自動(dòng)控制狀態(tài)?；嘏h(huán)保護(hù)：環(huán)境溫度≤-2℃、列1和例3的電動(dòng)閥打開(kāi) （否則執(zhí)行跳步）、逆順流保護(hù)沒(méi)啟動(dòng)，保護(hù)執(zhí)行時(shí)列1逆流風(fēng)機(jī)停運(yùn)5 min后啟動(dòng)再運(yùn)行15 min、列2逆流風(fēng)機(jī)停運(yùn)5 min后啟動(dòng)再運(yùn)行15 min、列3逆流風(fēng)機(jī)停運(yùn)5 min后啟動(dòng)再運(yùn)行15 min，每列以2 h為一個(gè)周期計(jì)時(shí)，不滿足條件時(shí)則循環(huán)運(yùn)行。特別需注意的是回暖循環(huán)保護(hù)運(yùn)行時(shí)，一旦逆順流保護(hù)觸發(fā)，對(duì)應(yīng)的列X逆流風(fēng)機(jī)停運(yùn)，這時(shí)可以手動(dòng)啟動(dòng)列X逆流風(fēng)機(jī)，回暖循環(huán)保護(hù)則自動(dòng)跳至下一列執(zhí)行。

圖2 ACC自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程核心控制參數(shù)案例

1.3 化工設(shè)備安裝單位對(duì)ACC的安裝優(yōu)化

大直徑管道安裝時(shí)，每一段管道對(duì)口一定要中心找正，否則后面管系的支架無(wú)法就位。為保證管道在焊接時(shí)不產(chǎn)生附加應(yīng)力，確保汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，管道對(duì)口時(shí)必須同時(shí)焊接，即2個(gè)焊工同時(shí)對(duì)稱(chēng)焊接，不能從單面進(jìn)行焊接。為保證系統(tǒng)的嚴(yán)密性，達(dá)到焊口在30年壽命期無(wú)泄漏點(diǎn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)確保每一道焊縫無(wú)夾雜、氣孔等焊接缺陷?？绽滗摻Y(jié)構(gòu)平臺(tái)和平臺(tái)上設(shè)備及汽輪機(jī)房外的排汽、配汽管安裝時(shí)，需將對(duì)整體安裝有影響的電氣出線及電氣設(shè)備提前安裝到位，引導(dǎo)散熱器滑動(dòng)的方鋼的水平度通過(guò)在其下部加墊鐵進(jìn)行調(diào)整，以保證誤差不超過(guò)3 mm。方鋼和平臺(tái)設(shè)計(jì)一般為螺栓連接，但如果在下部加的墊鐵較厚，必須對(duì)方鋼和平臺(tái)進(jìn)行焊接，且焊接長(zhǎng)度要相對(duì)較長(zhǎng)一些。另外，由于方鋼進(jìn)行熱浸鋅后會(huì)產(chǎn)生熱變形，從而使方鋼的螺栓孔和鋼平臺(tái)的螺栓孔不能對(duì)中，螺栓無(wú)法到位，所以方鋼和平臺(tái)必須焊接。但為了保證方鋼和平臺(tái)之間在熱脹冷縮過(guò)程中能自由伸縮，筆者建議通過(guò)對(duì)螺栓孔的修整來(lái)保證每一塊方鋼和平臺(tái)至少一半用螺栓連接，其余進(jìn)行焊接。對(duì)于真空管道與逆流區(qū)管束的連接，應(yīng)先將真空管道焊接后，再進(jìn)行順逆流管束之間擋板的焊接，否則空間尺寸的限制會(huì)增加真空管焊接的難度，影響焊接質(zhì)量。

1.4 ACC的運(yùn)行優(yōu)化需特別注意的問(wèn)題

系統(tǒng)投運(yùn)前必須先進(jìn)行清洗，因?yàn)樯崞鬏^臟，不僅增加風(fēng)的阻力，影響散熱效果，而且易使風(fēng)機(jī)過(guò)載而跳車(chē)。ACC投自動(dòng)時(shí)必須講究無(wú)擾切換，否則會(huì)引起ACC系統(tǒng)波動(dòng)。當(dāng)冷凝工序每增加或減少1步后，至少留1 min的時(shí)間間隔，在間隔期內(nèi)不允許直接跳步。根據(jù)對(duì)陜西榆林周邊地區(qū)眾多ACC運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)，無(wú)論哪個(gè)季節(jié)，運(yùn)行背壓受風(fēng)速影響都比較嚴(yán)重，無(wú)論哪個(gè)方向的來(lái)風(fēng)，只要風(fēng)速達(dá)到8 m/s時(shí)，機(jī)組背壓都會(huì)產(chǎn)生幾何級(jí)倍增，因此都要隨時(shí)修改PID整定參數(shù)來(lái)保證自動(dòng)運(yùn)行。同列軸流風(fēng)機(jī)均速運(yùn)行 （逆流風(fēng)機(jī)除外），可起到有效的防凍作用，在冬季啟動(dòng)時(shí)必須控制最小蒸汽進(jìn)量和有效溫升，以確保安全啟動(dòng)。1.5 ACC的調(diào)試、維護(hù)優(yōu)化

對(duì)ACC所涉及的電氣、儀控回路和絕緣齒輪箱油位等進(jìn)行檢查，一切都完好后對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行分步試運(yùn)，重點(diǎn)檢查參數(shù)為風(fēng)機(jī)啟動(dòng)30 min內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、逆流單元風(fēng)機(jī)正反轉(zhuǎn)功能、振動(dòng)和反饋等。為了縮短熱沖洗時(shí)間和節(jié)約除鹽水，筆者建議：ACC安裝結(jié)束后，應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行人工和機(jī)械除銹并用吸塵器進(jìn)行吸塵，然后再進(jìn)行熱沖洗；為保證沖洗過(guò)程中凝結(jié)水溫度受控，需要頻繁開(kāi)關(guān)各排風(fēng)機(jī)來(lái)調(diào)溫；盡量集中蒸汽對(duì)準(zhǔn)某一排散熱器進(jìn)行吹掃；如沖洗后的凝結(jié)水很臟，無(wú)法回收，需要排入廢水井時(shí)，為了維持機(jī)組的真空，必須接臨時(shí)管道和臨時(shí)水箱；在冬季整套裝置啟動(dòng)并空負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，必須保證空冷散熱器內(nèi)不結(jié)冰，因此機(jī)組高中壓缸必須聯(lián)合啟動(dòng)，通過(guò)旁路加大散熱器的蒸汽量。

對(duì)ACC真空參數(shù)的定期試驗(yàn)是判斷ACC性能是否完好的直接依據(jù)。日常巡檢時(shí)一定要關(guān)注DCS上所顯示的參數(shù)是否正確，一切依據(jù)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)參數(shù)為準(zhǔn)。筆者建議，齒輪箱的油脂每運(yùn)行800 h更換一次 （可過(guò)濾后重新利用），每隔半年對(duì)所涉及的設(shè)備進(jìn)行一次二級(jí)保養(yǎng)。特別應(yīng)當(dāng)注意，空冷機(jī)組避免采用變頻風(fēng)機(jī)，因采用變頻風(fēng)機(jī)后，夏季運(yùn)行過(guò)程中若變頻器散熱出現(xiàn)故障 （發(fā)生頻率很高），變頻器會(huì)立即停止工作，致使風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。這時(shí)機(jī)組運(yùn)行背壓會(huì)突然增加，致使機(jī)組降負(fù)荷運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成停機(jī)。為了加強(qiáng)冬季防凍觀測(cè)，應(yīng)在每一束逆流管的回流凝結(jié)水收集管口處設(shè)凝結(jié)水溫度測(cè)點(diǎn)，并安裝雙金屬溫度計(jì)。

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)ACC優(yōu)化控制和精心調(diào)試，ACC及其所屬透平機(jī)組從自動(dòng)啟動(dòng)、重轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷一直到停機(jī)，整個(gè)過(guò)程都可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)且效果良好，既減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又保證了機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，特別是為北方富煤缺水地區(qū)企業(yè)的節(jié)能減排開(kāi)辟了新的成功之路。

[1] 白守軍.大型汽輪機(jī)直接空冷技術(shù)報(bào)告.德陽(yáng)：東方汽輪機(jī)有限公司，2008.

[2] 付長(zhǎng)亮.現(xiàn)代煤化工生產(chǎn)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3] 江蘇雙良空調(diào)設(shè)備股份有限公司技術(shù)組.空冷凝汽器安裝手冊(cè)[M].江陰：2008.

Optimal Control of ACC

Xue Lingfei Liu Yonglin Wang Jian Lv Junge Ren Dongyang

Through the systematic and comprehensive analysis of the optimal control of direct air-cooling condenser (ACC)，this paper proposed solutions to the targeted problems during the optimal control of ACC and described successful commissioning cases.

ACC；Counter flow；Parallel flow；Optimization control;Fan

TQ 273

*薛凌飛，男，1974年生，工程師。榆林市，719000。

2011-02-19）