大型空冷机组协调控制技术研究

2013-03-25王晓峰

机械工程师 2013年1期

王晓峰

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨150046）

1 引言

空冷汽轮机是利用空气作为凝汽系统的冷却介质，把排汽凝结为凝结水。由于空气的干泡温度高于湿泡温度，所以空冷汽轮机运行背压高于湿冷汽轮机，并且空气温度随年月和昼夜变化很大，空冷机组的允许运行背压范围也很大。因此，目前应用于湿冷机组的常规DEH控制方法需要进一步改进才可以使空冷机组安全经济地运行，本文通过分析空冷机组的特点及现有需要解决的问题，提出了需要进一步研究的问题及方向，为进一步提高电厂运行的经济性给出了较好的建议。

2 空冷机组的特点

直接空冷机组与常规湿冷机组在大部分结构上是一致的，其最主要区别存在于冷端系统。直接空冷机组中的空冷凝汽器、轴流冷却风机、立式电动机代替了湿冷机组中的晾水塔，成为冷却蒸汽的主要器件。在这种结构中，蒸汽从空冷凝汽器中流过，被轴流冷却风机中的风冷却，为表面式换热，换热只有一次，和湿冷换热方式存在很大区别。正是这种区别使得空冷机组有着独特的特点［1-4］：（1）节约用水。可以减少全厂用水的65%～80%，增加了厂址选择的灵活性，为在北方富煤少水地区建立大型火电厂提供了条件。（2）空冷系统的冷却性能受环境（气温、风向、风速、沙尘暴、逆温差等）影响很大。（3）直接空冷系统取消了湿式水塔，减少了厂面积，消除了雾气污染和淋水噪声。

3 空冷机组背压限制曲线

根据空冷机组大部分时间都处在高背压小容积流量工况下运行的特点，首先控制汽轮机的排汽温度，在低负荷，高背压时，排汽热焓高，排汽温度高，必须通过喷水来降低和控制排汽温度的进一步升高，保证机组在规定的排汽温度以下能够长期安全运行；其次是对末级叶片的保护，在高负荷、高背压时，高密度的排汽蒸汽激发的动应力高，要保证末级叶片动应力在允许范围内长期安全运行。这就需要制定一条背压限制曲线。空冷机组运行限制曲线是要兼顾到机组的排汽温度控制和末级动应力控制。使这两部分都能达到适合于机组长期安全运行目的。图1为某电厂600MW空冷机组运行限制曲线（背压限制运行曲线）。

由曲线可以看出背压和相对负荷的关系。图1中的曲线可以分为5个区域：（1）阻塞线和相对负荷围成的区域，为汽机不能运行的区域。（2）报警线和阻塞线围成的区域，为汽机可以长时间运行的区域。（3）限制线和报警线围成的区域，为背压高报警区域。（4）跳机线和和限制线围成的区域，为背压高报警且限制运行时间区域（允许时间为15min，如果 15min后背压还是在此区域，也要跳机来保护汽机）。（5）旁路停用线和跳机线围成的区域，为停机后背压所在的区域。

图1 某电厂600MW空冷机组运行限制曲线

4 现有背压机组的两种背压调整方案

4.1 在汽机的电液调节系统（DEH）中调节

将汽机的背压作为一个现场控制信号采入DEH系统中，同时将图1背压运行限制区线以折线函数的形式写入DEH。这样在一定的相对负荷下，通过写入DEH的折线函数，就能够得到对应于当前相对负荷的允许背压，再用这个背压和现场返回控制系统的实际背压作比较，从而得出机组此时的背压是否合理，如不合理，将采取相应的控制方案来调整当前系统的背压。如20%至80%相对负荷，背压不在运行曲域时，要根据汽轮机特性和空冷塔的特性来增减负荷，控制背压。如果背压限制性的斜率大于空冷塔背压特性线的斜率，采取加负荷的方法。反之，采取减负荷的方法；一般来说，根据我们的工程实践经验，都是应该减负荷,使当前背压尽快回到运行允许的安全区域来。

4.2 在空冷岛侧调节

大型空冷机组的空冷岛都配有独立的调节系统，由其来控制空冷设备的运行。当反馈背压比给定的背压高时，要求背压降低，可以加大轴流风机的转速，提高空气的流动速度，加强换热效果，在汽机排汽流量不变时，可使背压降低。当反馈背压比给定的背压低时，要求背压升高，可以降低轴流风机的转速，减弱空气的流动速度，降低换热效果，在汽机排汽流量不变时，可使背压上升，来满足运行限制曲线对背压的要求。

5 需要进一步研究的问题

5.1 建立DEH与空冷岛的关系（协调控制）

由于现有的方案都是相对独立的，没有建立相互的联系，这就有一些弊病，如要求背压降低，由空冷岛控制提高轴流风机的转速，能使背压降低，在汽机排汽流量不变时，背压降低，可使得汽机的功率增加。汽机增加的功率能否大于风机消耗的功率是决定此次调节当前背压是否经济的关键。但是由于没有建立空冷岛与DEH系统间的控制关系，使得背压的调整完全凭借于运行人员的经验，是否经济没有定量数据。建立两者关系后，即可根据当前的气温和主蒸汽量，确定投运空冷塔和风机的数量，得到最佳背压和最大机组出力。反过来也可以根据当前的气温和出力要求，确定投运空冷塔和风机的数量，得到最佳背压和最小主蒸汽量，使机组在最经济状态下运行。

5.2 建立基于气温预测和发电能力预测的综合控制模型

空气温度随年月和昼夜变化也大，如果能够建立空冷塔所在地区的气象模型，把空气温度这个外界因素也考虑进去，就可以建立一个预期调节系统，即根据气温趋势和发电能力预测，确定下一时段投运空冷塔和风机的数量，提前预热空冷设备或减少设备，提高空冷塔的响应特性，得到最佳背压和最小主蒸汽量，从而使空冷系统的控制由被动的适应变为主动的调节，提高了调节系统的能力，更有利于电厂的经济运行。