馬 強(qiáng)，王 洋，柴艷東，王松寒

（1.吉林電力股份有限公司白城發(fā)電公司，吉林 白城 137000；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021）

發(fā)電廠機(jī)組運(yùn)行中廣泛采用直接空冷技術(shù)。使用空氣進(jìn)行冷卻，不排放霧氣團(tuán)，可以大幅度節(jié)水，但直接空冷凝汽器在冬季受到冷空氣侵襲時(shí)，常發(fā)生空冷管束結(jié)凍變形。吉林電力股份有限公司白城發(fā)電公司（以下簡稱白城發(fā)電公司）地處高緯度寒冷地區(qū)，冬季低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，1號(hào)機(jī)組空冷管束及凝結(jié)水疏水管束經(jīng)常結(jié)凍，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，為此對(duì)1號(hào)機(jī)組空冷島防凍技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 設(shè)備概況

白城發(fā)電公司新建1 號(hào)機(jī)組單機(jī)容量為660 MW，于2010年9月23日投產(chǎn)運(yùn)行。鍋爐采用超臨界、變壓運(yùn)行直流鍋爐，型號(hào)為HG－2070／25.4－HM；汽輪機(jī)采用超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽凝汽式直接空冷汽輪機(jī)。

由于白城地區(qū)冬季西北風(fēng)占主流，常有一股冷風(fēng)從1、2號(hào)爐之間吹向空冷島管束，致使1號(hào)機(jī)7、8列及2號(hào)機(jī)1、2列處運(yùn)行環(huán)境更加惡劣。當(dāng)負(fù)荷低于300 MW 時(shí)，進(jìn)入空冷管束的蒸汽量遠(yuǎn)不能滿足管束自身防凍需求，管束長期運(yùn)行在－10℃（表面溫度）以下，從而導(dǎo)致管束及凝結(jié)水疏水管結(jié)凍變形，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。由此可見，在冬季低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，空冷系統(tǒng)防凍是機(jī)組面臨的亟待解決的問題。

2 空冷島散熱結(jié)構(gòu)及結(jié)凍原因

2.1 散熱結(jié)構(gòu)

空冷散熱器有單排管型散熱器、雙排管型散熱器、三排管型散熱器三種類型，其各自的主要特點(diǎn)如下。

a.單排管型散熱器：管內(nèi)流通面積增大有利于汽液分離和防凍，管內(nèi)阻力、飽和蒸汽壓降小，翅片表面清洗較容易。

b.雙排管型散熱器：管內(nèi)流通面積較大，兩排管的翅片間距不同，熱負(fù)荷均勻。翅片上開有繞流小孔，雖保證其換熱率，卻增加了氣流阻力，清洗翅片時(shí)要求水壓較高，清洗困難。

c.三排管型散熱器：翅片效率較高，翅片表面光滑，翅片間無干擾性空氣流動(dòng)，散熱效率較高，空氣側(cè)阻力小，清洗容易。

三種散熱結(jié)構(gòu)從所需散熱表面積上來說是有所不同的。在同樣工況條件下（機(jī)組負(fù)荷、氣象條件、環(huán)境噪聲等要求）三排管型散熱器所需的散熱表面積最少，單排管型居中，雙排管最多；也就是說，同等散熱面積時(shí)三排管型散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果最好。白城發(fā)電公司空冷散熱器選用的是三排管型散熱結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)凍原因

通過對(duì)超臨界直接空冷機(jī)組空冷島凍結(jié)機(jī)理進(jìn)行分析與研究，確定空冷系統(tǒng)凍結(jié)的主要原因有：空冷凝汽器內(nèi)的蒸汽流量低于其設(shè)計(jì)值；冷卻空氣量過剩；真空系統(tǒng)漏入不凝結(jié)氣體過多。

在低負(fù)荷工況下，汽輪機(jī)的總體排汽量減少，相應(yīng)地進(jìn)入各列的進(jìn)汽量也就減少；蒸汽分配箱入口蝶閥的嚴(yán)密性不好，在停運(yùn)空冷凝汽器時(shí)，有少量蒸汽漏入蒸汽箱中，致使空冷凝汽器管束出現(xiàn)大面積結(jié)冰，凍壞管束；真空系統(tǒng)漏點(diǎn)多，導(dǎo)致蒸汽氣流被不凝結(jié)氣體阻塞，使蒸汽不能暢通地循環(huán)流動(dòng)，變相加強(qiáng)了凝結(jié)水在回流管束中的冷卻效果。

3 空冷島防凍保護(hù)設(shè)計(jì)原則及運(yùn)行效果

白城發(fā)電公司的空冷島防凍保護(hù)邏輯有8排8列共64臺(tái)風(fēng)機(jī)，每列的2、6號(hào)風(fēng)機(jī)為逆流風(fēng)機(jī)，1、3、4、5、7、8為順流風(fēng)機(jī)；控制邏輯將每列的1～4號(hào)風(fēng)機(jī)定義為2段，5～8號(hào)風(fēng)機(jī)定義為1段，每段共設(shè)有2個(gè)凝結(jié)水母管溫度（正常運(yùn)行時(shí)溫度在45℃左右）、2個(gè)凝結(jié)水排水管溫度（正常運(yùn)行時(shí)溫度在42℃左右）、2個(gè)抽真空溫度（正常運(yùn)行時(shí)溫度在36℃左右）。根據(jù)環(huán)境溫度及凝結(jié)水排水溫度或抽真空溫度的不同，將防凍保護(hù)分為回暖保護(hù)、防凍保護(hù)1、防凍保護(hù)2。以下防凍保護(hù)均以1列1段為例。

3.1 回暖保護(hù)

空冷島由逆流風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)回暖保護(hù)。當(dāng)環(huán)境溫度低于－2℃時(shí)，回暖保護(hù)啟動(dòng)，1列逆流凝汽器的風(fēng)機(jī)發(fā)停止指令，停止指令發(fā)出1min后，1列逆流凝汽器的風(fēng)機(jī)以26r／min的轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)3min，3 min后風(fēng)機(jī)發(fā)停止反轉(zhuǎn)指令，停止反轉(zhuǎn)指令發(fā)出1 min后，1列逆流凝汽器的風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為主控制器輸出轉(zhuǎn)速。

1列風(fēng)機(jī)停止指令發(fā)出7.5min后，2列風(fēng)機(jī)發(fā)停止指令，2列凝汽管束回暖保護(hù)開始啟動(dòng)，3～8列回暖保護(hù)與1列相同。60min內(nèi)，1至8列2、6號(hào)逆流凝汽器共16臺(tái)風(fēng)機(jī)均停止2min，并以最低轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)3min回暖運(yùn)行，如果環(huán)境溫度還是低于－2℃，逆流凝汽器的風(fēng)機(jī)繼續(xù)進(jìn)行回暖保護(hù)。

若某列凝汽管束退出運(yùn)行，逆流凝汽器的風(fēng)機(jī)回暖保護(hù)將跳過此列。

3.2 防凍保護(hù)1

當(dāng)環(huán)境溫度低于3℃，1列1段任一凝結(jié)水排水溫度或抽真空溫度低于25℃時(shí)，防凍保護(hù)1警報(bào)發(fā)出，將排汽壓力設(shè)定值提升2kPa，30 min之后，再提升2kPa。同時(shí)1列1段的順流風(fēng)機(jī)與逆流風(fēng)機(jī)控制與主控制器斷開，順流單元的風(fēng)機(jī)速度以每分鐘10%的速度逐漸降低，最后降至最低轉(zhuǎn)速26 r／min，逆流風(fēng)機(jī)速度保持與主控制器斷開時(shí)的轉(zhuǎn)速。未受防凍保護(hù)措施影響的其他列和分區(qū)的風(fēng)機(jī)狀態(tài)保持不變。

防凍保護(hù)1復(fù)位：1列1 段兩個(gè)凝結(jié)水排水溫度高于35℃且兩個(gè)抽真空溫度高于30℃時(shí)，防凍保護(hù)1警報(bào)消失，將排汽壓力設(shè)定點(diǎn)值降低2kPa，30min后，再降低2kPa。1列1段順流凝汽器的風(fēng)機(jī)速度以每分鐘10%的速度逐漸升高，最后升至之前與主控制器斷開時(shí)的轉(zhuǎn)速，順流和逆流子控制器重新與主控制器連接，轉(zhuǎn)速與主控制器輸出轉(zhuǎn)速相同。

3.3 防凍保護(hù)2

當(dāng)環(huán)境溫度低于3℃，1列1段任一抽真空溫度低于20℃時(shí)，防凍保護(hù)2警報(bào)發(fā)出，同時(shí)1列1段的逆流單元的風(fēng)機(jī)速度降低，逆流風(fēng)機(jī)的速度以每分鐘10%的速度逐漸降低，最后降至最低轉(zhuǎn)速26 r／min。未受防凍保護(hù)措施影響的其他列和分區(qū)的風(fēng)機(jī)狀態(tài)保持不變。

防凍保護(hù)2復(fù)位：1列1 段兩個(gè)抽真空溫度高于30℃時(shí)，防凍保護(hù)2警報(bào)消失，同時(shí)1列1段逆流凝汽器的風(fēng)機(jī)速度以每分鐘10%的速度逐漸升高，最后升至之前與主控制器斷開時(shí)的轉(zhuǎn)速。

為了防止凝結(jié)水溫度、抽真空溫度在臨界溫度時(shí)防凍保護(hù)頻繁動(dòng)作，在控制邏輯中加入防凍保護(hù)觸發(fā)和復(fù)位限制時(shí)間，防凍保護(hù)消失60s后，防凍保護(hù)才能復(fù)位；防凍保護(hù)復(fù)位600s內(nèi)不能再次觸發(fā)防凍保護(hù)。

4 優(yōu)化防凍保護(hù)邏輯

因機(jī)組剛剛投產(chǎn)，缺乏運(yùn)行和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，在7列退出運(yùn)行時(shí)，沒有檢查立管閥是否嚴(yán)密就將凝結(jié)水閥、抽真空閥關(guān)閉，導(dǎo)致有部分蒸汽排入7列散熱管束中，由于凝結(jié)水閥關(guān)閉蒸汽凝結(jié)后無法排出，運(yùn)行人員沒有注意退出列的凝結(jié)水溫度的變化，防凍保護(hù)邏輯中也沒有針對(duì)退出運(yùn)行列的凝汽管束的相應(yīng)保護(hù)，導(dǎo)致凝結(jié)水集箱內(nèi)結(jié)冰脹破、散熱管束結(jié)冰變形，嚴(yán)重影響機(jī)組的真空及散熱效果。根據(jù)白城發(fā)電公司1號(hào)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)對(duì)防凍保護(hù)邏輯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 重新設(shè)置防凍保護(hù)邏輯

4.1.1 縮短防凍保護(hù)再次觸發(fā)時(shí)間

白城冬季溫度低，同時(shí)機(jī)組負(fù)荷也很低，在某列某段防凍保護(hù)恢復(fù)后不久，其抽真空溫度很快又會(huì)降低到30℃以下，而防凍保護(hù)要在10min后才能再次觸發(fā)，此時(shí)溫度已經(jīng)降低到10℃左右，要將溫度升高到復(fù)位溫度，需要的時(shí)間更長。由于防凍保護(hù)復(fù)位、觸發(fā)間隔時(shí)間長，這種情況在空冷島多列出現(xiàn)時(shí)，會(huì)造成機(jī)組的背壓波動(dòng)，影響機(jī)組正常、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此，進(jìn)行如下修改。

a.防凍保護(hù)再次觸發(fā)的時(shí)間由原來的600s改為10s，這樣在低溫低負(fù)荷工況下，防凍保護(hù)可以更快地動(dòng)作，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

b.在防護(hù)保護(hù)中加入防凍保護(hù)的投切按鈕，以便在不同工況下，根據(jù)實(shí)際情況投入和切除某列的防凍保護(hù)。

4.1.2 加設(shè)風(fēng)機(jī)速率控制

防凍保護(hù)觸發(fā)時(shí)，風(fēng)機(jī)降速慢，凝結(jié)水溫度、抽真空溫度升高的速度慢；防凍保護(hù)恢復(fù)時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升速度快，導(dǎo)致凝結(jié)水溫度、抽真空溫度在升高后迅速下降。

為了解決這個(gè)問題，在防凍保護(hù)畫面中加一個(gè)彈出面板，可以在上面輸入防凍保護(hù)時(shí)風(fēng)機(jī)升降的速度，以便于運(yùn)行人員根據(jù)現(xiàn)場工況要求，人為控制風(fēng)機(jī)升降速度，保證最佳的防凍效果。

4.1.3 加設(shè)回暖投切按鈕

邊緣運(yùn)行列進(jìn)汽少，凝汽管束中沒有足夠的排汽凝結(jié)產(chǎn)生熱量，回暖保護(hù)逆流風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)后的回暖效果也不理想；而如果4、5列進(jìn)汽量較多，有足夠的排汽凝結(jié)產(chǎn)生熱量，溫度很少降低到防凍保護(hù)觸發(fā)溫度，回暖保護(hù)沒有必要在這樣的列進(jìn)行。

為此，在回暖邏輯中加入投切按鈕，根據(jù)需要切除不需要回暖的列，而讓需要回暖列進(jìn)行多次回暖，這樣可以達(dá)到最優(yōu)的回暖防凍效果。

4.1.4 縮短回暖時(shí)間

列與列之間回暖等待時(shí)間長，整體的回暖運(yùn)行時(shí)間長，嚴(yán)重影響空冷回暖的效果，為此，修改每列的回暖間隔時(shí)間，將每列的回暖等待時(shí)間由120s縮短為10s，縮短系統(tǒng)整體回暖的時(shí)間，增加空冷系統(tǒng)回暖的防凍效果。

4.1.5 降低風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速

防凍保護(hù)動(dòng)作后，順流單元的風(fēng)機(jī)速度以每分鐘10%的速度逐漸降低，最后降至最低轉(zhuǎn)速26r／min。實(shí)踐證明，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為26r／min時(shí)依然在加快散熱速度，從而進(jìn)一步降低了空冷島的凝結(jié)水、抽真空溫度。

風(fēng)機(jī)為變頻控制，將所有風(fēng)機(jī)最低轉(zhuǎn)速設(shè)置為3r／min，能有效控制低溫環(huán)境下的空冷島凝結(jié)水溫度、抽真空溫度。

4.2 優(yōu)化空冷風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制

4.2.1 設(shè)置最低轉(zhuǎn)速控制

防凍保護(hù)1或防凍保護(hù)2觸發(fā)后，順流風(fēng)機(jī)根據(jù)主控輸出計(jì)算輸出順流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令上限，轉(zhuǎn)速下限設(shè)定值不變；根據(jù)主控輸出計(jì)算值，逆流風(fēng)機(jī)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在23.0～26.2r／min變化。

4.2.2 設(shè)置無擾切換

防凍保護(hù)復(fù)位后，降速風(fēng)機(jī)比例、積分、微分（PID）會(huì)先升至與主控制器PID 斷開前那一時(shí)刻的PID 值，再與主控制器PID 參數(shù)連接，如果在防凍保護(hù)觸發(fā)這一段時(shí)間，機(jī)組負(fù)荷有很大變化，主控制器PID 參數(shù)也會(huì)有很大變化，風(fēng)機(jī)PID 直接與主控制器PID 連接，風(fēng)機(jī)會(huì)突然升速或降速，這樣會(huì)對(duì)空冷風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行有很大影響。

為此，在各風(fēng)機(jī)PID 參數(shù)中增加模塊，計(jì)算風(fēng)機(jī)PID 參數(shù)，當(dāng)風(fēng)機(jī)PID 參數(shù)升至與主控制器PID參數(shù)的偏差小于2時(shí)，才允許風(fēng)機(jī)PID 參數(shù)與主控制器PID 參數(shù)相連接，這樣可以保證空冷風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 實(shí)施效果

通過對(duì)白城發(fā)電公司1號(hào)機(jī)組空冷島防凍、回暖邏輯的重新設(shè)置，大大提高了空冷系統(tǒng)的防凍效果，連續(xù)兩年未出現(xiàn)管束、凝結(jié)水管路結(jié)凍現(xiàn)象，并減輕了運(yùn)行人員的操盤壓力，確保了機(jī)組及空冷島系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。