火电厂空冷系统的热控设计研究

陈俊丽，邵一鸣

(1.华电重工装备有限公司，北京 100048;2.华北电力设计院工程有限公司，北京 100120)

0 引言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是保证经济社会可持续发展、维系生态平衡及和谐环境的基础。我国水资源总拥有量居世界第6位，人均水资源拥有量居世界第28位，是一个严重缺水的国家，在我国北方局部地区已经出现了严重的淡水资源危机。

电力工业是国民经济基础产业和重要能源行业，同时也是工业用水大户。我国火电机组发电量占总发电量的80%以上，同时火力发电厂也是耗水大户，它的耗水量约占工业用水的20%。为解决火力发电厂用水问题，目前在富煤缺水地区选择空冷方式已经成为主导方向。空冷机组没有冷却塔的蒸发损失，与同容量湿冷机组相比，可实现节水3/4～4/5。

1 空冷系统概况

某电厂汽轮机为亚临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机，汽轮机由上海汽轮机有限责任公司供货。空冷系统按单元设置，每台机组设1套空冷系统。

空冷凝汽器系统主要由以下几个分系统构成:

(1)汽轮机排汽系统。汽轮机排汽进入排汽装置I和排汽装置II，然后从2个排汽装置分别引出2个大口径管道，将蒸汽排至“A”列外的空冷凝汽器区域。

(2)凝结水系统。空冷凝汽器通过向大气释放热量对汽轮机排汽或汽轮机旁路的减温过热蒸汽进行冷却。空冷凝汽器区域由8组“A”屋顶形翅片管排组成，每组管排又包含7个单元。每个单元由10个翅片管束组成。“A”屋顶形翅片管下方装设有空冷风机，空冷风机选用变频调速风机，共56个冷却单元。蒸汽流经翅片管束，在空冷风机的强制通风冷却下，蒸汽冷凝成水，在“A”屋顶形翅片管下方汇集后流回排汽装置。

(3)抽真空系统。抽真空系统的功能是在机组启动和正常运行时排出汽轮机、空冷凝汽器和其他辅助设备和管道中的空气，建立和维持机组真空。真空维持设备采用3台水环式机械真空泵，其中1台为100%容量，另2台为50%容量。

2 空冷系统热控设计的特点

空冷岛招标采用整岛招标和部分设备业主订货相结合的方式。由巴克杜尔公司完成整个空冷岛的基本设计，电力设计院依据巴克杜尔公司提供的基本设计文件，完成空冷岛系统施工图的详细设计。空冷岛外的一些设备(如真空泵等)由巴克杜尔公司负责选型设计，然后由业主采购。

巴克杜尔公司必须提供空冷岛的基础设计图纸，其中包括空冷岛内部设备(风机、油站、端子接线箱、甚至电缆通道等)的安装和布置。对于空冷岛的设计来说，电力设计院则主要着眼于接口上的设计。而对于热控专业人员来说，主要侧重于以下几个方面的设计。

2.1 电缆敷设计

对于电缆敷设设计而言，空冷系统供货厂家有基本设计。空冷平台上方风机甲板上的直接利用即可，电气电缆和热控电缆分开，在风机甲板的两侧，可分边敷设，电缆通道布置如图1所示。

该工程空冷平台标高400 m，空冷平台架在16根混凝土柱子上(就单元机组而言)，在设计时应考虑电缆沿哪个柱爬下，要预先在该柱上预留埋件。爬下后进入电缆沟道，0 m下的电缆沟道由电气专业人员统一考虑。空冷系统电缆敷设设计需要热控专业人员、电气专业人员及空冷岛供货厂家的有关人员一起配合来确定设计细则。另外需注意的是，风机甲板上的电缆桥架应竖向放置(如图1所示)，以减小迎风方向的横截面，以免影响换热效果。

图1 电缆通道布置图

2.2 空冷系统热控测点设置与选型

2.2.1 空冷排汽管道上的测点设置与选型

空冷凝汽器系统的主要目的是降低汽轮机排汽温度和排汽压力，以提高汽轮机循环热效率。在2个大口径排汽管道上设置压力和温度，均为三冗余设置，采用三取中或取均值的方式，将排汽压力和排汽温度和不同机组负荷下的压力和温度的设定值进行比较，来调节空冷风机的转速，实现机组背压控制，同时投入排汽压力和温度保护。

巴克杜尔公司的系统模型内函数的压力均按绝对压力计算，因此，压力变送器选用绝对压力变送器，若选择差压变送器则还应实时测量当地大气压力。排汽温度较低，选用普通热电阻即可满足测量要求。

2.2.2 环境温度、风向及风速的设置与选型

空冷系统靠风机吹动，空气对流方式冷却汽轮机排汽，换热效果受环境影响较大，需监测环境温度、风向和风速。环境温度选用一体化温度传感器。每台机组的3个环境温度传感器的具体安装位置为空冷机组侧面风机墙安装1个，空冷机组后面风机墙安装2个，均为穿空冷围墙安装。风向、风速传感器选用维萨拉公司产品。根据巴克杜尔公司的建议，风向、风速传感器的安装位置为距空冷岛30 m外，高度为5 m的空地上。

2.2.3 空冷控制系统

单元机组监控系统采用分散控制系统DCS(Distributed Control System)，在集中控制室内，以彩色CRT显示器、键盘、鼠标以及彩色大屏幕显示器为单元机组主要监视和控制手段。由DCS的操作员站来完成对单元机组各工艺系统(包括空冷系统)的程序启/停、自动调节、连锁保护及设备单独操作。空冷控制系统将纳入单元机组DCS范围，由机组DCS供货厂家完成空冷监控系统的设计，单元机组网络结构图如图2所示。

机组DCS选用上海FOXBORO公司I/A series系统。I/A Series的网络系统结构是按节点(NODE)概念来构成的。节点独立运行，完成自动控制的各种功能，可通过兼容网络与其他Foxboro或非Foxboro节点相连。节点总线(NODE BUS)的结构形式为总线结构，通信符合IEEE802.3(Ethernet以太网)。空冷系统为单元机组DCS网络的一个节点。FOXBORO公司负责统一规划空冷控制系统和单元机组DCS的网络结构、电源和接地等。空冷控制系统的电源柜、控制柜放在空冷凝汽器区域0 m设就地控制室。在机组正常运行时，空冷系统的监控在单元机组集中控制室的操作员站上完成，就地无人值班。为满足启动运行初期空冷系统调试的需要，在空冷就地控制室内设操作员站和工程师站。

图2 单元机组网络结构图

空冷操作员站与机组操作员站选型相同，采用WP51F工作站，64位UltraSPARC RISC处理机，650 M主频，512 M内存;显示器为三星彩色液晶显示器，214T型，分辨率为1920×1440，采用Unix的Solaris操作系统。工程师站为SUN公司的AP51工作站，操作系统为Unix Solaris操作系统。每台操作员站均配有鼠标、专用键盘和标准键盘。鼠标和专用键盘用于机组运行的正常监视和操作，标准键盘用于组态和调试。

空冷控制系统设有3对控制器，机柜分配及I/O点统计见表1和表2。

表1 空冷系统控制机柜分配

表2 空冷系统I/O点统计

空冷系统DCS电源柜接受来自电气不间断电源UPS(Uninterruptible Power Supply)馈线屏的UPS电源及电气汽机保安电动机控制中心MCC(Motor Control Center)的保安电源各1路，分别向空冷系统各DCS机柜、空冷操作员站及空冷工程师站供电。

空冷系统的所有信号均在空冷DCS机柜侧接地，每个控制机柜的系统地和屏蔽地铜排用接地电缆接至空冷DCS电源柜，在空冷DCS电源柜汇集后接至空冷就地电气接地网。

2.2.4 设计中存在的其他问题

(1)在冬季停机检修时，由于空冷系统隔离阀及旁路阀阀体底部积水易冻导致阀门卡涩，因此，在阀门订货时，应要求随阀门带电伴热装置，为阀门本体防冻伴热。

(2)在空冷系统中，每排风机的第3台风机和第6台风机为带反转功能的风机。

3 结束语

为应对水资源匮乏的困境，目前，火力发电厂直接或间接空冷系统的应用越来越广泛。本文对某电厂空冷系统进行了热控设计的研究，介绍了空冷系统的构成和功能。论述了空冷控制系统的配置方案、I/O规模、电源和接地、主要热工测点的设置及选型原则、电缆敷设和其他一些设计中经常遇到的问题，提出了解决方法，该方法可为其他火电厂热控专业设计人员在进行空冷系统设计时提供参考。

［1］赵杰，谢秋野，朱京兴.火力发电厂水资源综合利用对策［C］//火力发电厂节水技术研讨会论文集.青岛:中国电机工程学会，2006.

［2］汪德良.火电厂综合节水技术［C］//火力发电厂节水技术研讨会论文集.青岛:中国电机工程学会，2006.