小型电厂空冷系统自动控制的方法

李瑞光

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

1 空冷系统概述

我国的火力发电约占全部发电量的80%，常规的火力发电生产过程中普遍采用湿冷塔工艺作为系统降温的手段，水因为蒸发、风吹而损失巨大。目前我国近2/3 的城市都存在不同程度的缺水，节约用水刻不容缓。如果火力发电厂汽轮机采用空气冷却系统作为冷源，其耗水量仅为常规湿冷火电厂的三分之一，从而可大幅度地减少水的消耗。直接空冷系统由于具有环保、节能、节水等主要特点，在我国也已得到了应用，国内最先采用空冷岛技术的电厂有:2004 年漳山电厂和华能榆社电厂的2 ×300 MW;2005 年国电公司大同二电厂的2 ×600 MW 等大型电厂。

小型发电厂一般是指:单台锅炉额定蒸发量20～130 t/h、供热式汽轮机功率1.5～12 MW、凝汽式汽轮机功率3～25 MW 的发电厂。近几年来，焦化、石油、化工等大中型企业的自备电厂以及水泥、冶金等行业的余热发电项目小型电厂纷纷上马，这些被国家审批的新上马的小型电厂项目几乎都是采用了直接空冷技术，这都标志着空冷技术在小电厂上的应用也日渐成熟。

2 直接空冷系统的组成及流程

2.1 直接空冷系统的组成

直接空冷系统一般由:排汽管道、空冷岛(蒸汽分配管、换热管束、冷凝水管、轴流风机、变频控制装置、清洗设备等)、凝结水箱、真空泵及其管阀系统构成。详见空冷系统原理图。

小型电厂及自备电厂的直接空冷系统一般每台机组配有2 列风机，每列包括3 台风机，排列顺序为:顺流+逆流+顺流。也有些水泥余热项目或其它改造项目因为场地的原因可采用一台机组只配一列4 台风机，排列顺序为:顺流+逆流+逆流+顺流。

图1 空冷系统原理图

2.2 直接空冷系统的流程

抽真空系统启动后，水环真空泵产生的负压将来自汽轮机的蒸汽由主排汽管道引出汽机房并进入蒸汽总管，蒸汽总管分出支管，支管垂直上升与各列的空冷凝汽器顶部的蒸汽分配管相连，蒸汽再沿着蒸汽分配管箱进入凝汽器管束，冷凝器(顺流)由平行排列的大量翅片管组成，蒸汽在管内与冷凝器表面的冷空气换热、冷凝，冷空气由布置在管束下部的轴流风机提供，轴流风机由变频装置调速控制。冷凝后产生的凝结水送到凝结水疏水管道汇集，排至凝结水箱，经过对凝结水精处理，再加热，最后由凝结水泵升压，送至锅炉给水系统形成循环用水。未冷凝的蒸汽送至分凝器(逆流)管束。分凝器(逆流)管束的顶端有一个接管，未冷凝的蒸汽和空气经接管被真空泵抽取，抽气管道与抽真空系统相连接。

3 直接空冷系统的检测与控制

3.1 空冷控制系统的组成

小型电厂空冷控制系统一般由以下几个子系统组成:

1)排汽管道监控系统

2)真空泵控制系统

3)凝结水监测系统

4)空冷岛控制系统

5)冷凝器及分凝器的清洗系统

3.2 各子系统的检测点分布及控制要求

3.2.1 排汽管道系统

主要设备:主排汽管道、蒸汽立管、蒸汽分配集管、仪表等。

检测点分布:

汽机背压分别由在主排气管道上的压力变送器按照3选2 原则测量，并且由此计算出系统的平均背压值，依据背压值对变频和风机进行控制。压力变送器和热电阻都安装在靠近低压缸出口的主排汽管道上。每台机组安装三个绝对压力变送器，输出4～20 mA 标准信号，量程0～150 kPa、三个铠装热电阻Pt100，量程0～150 ℃。在岗位工操作现场就地安装三个弹簧管压力真空表YZ-150 和三个双金属温度计WSS-481 便于岗位工现场就地观测温度和压力数据。

控制要求:监测排气管道温度和排气管道压力。系统要配有安全爆破膜，使生产系统免于在控制系统失效时产生过压。安全爆破膜被设计为在高压情况下爆破全开减压、排汽。整定压力为44.2 kPa，每只爆破膜最大泻放能力为97.7 kg/s，爆破膜安装在A 排外的主蒸汽管道立管上。

背压值是系统的主要控制点，根据背压控制曲线来控制变频器的频率输出和调节风机转速，获取相应的冷空气最终控制排气温度的目的。可根据机组实际情况设定汽机排汽系统压力低位报警和高位报警值。

3.2.2 抽真空系统

主要设备:真空泵、真空旁路阀、电机、管道、仪表等。

检测点分布:在每列设抽真空管道上安装铠装热电阻Pt100，量程0～150 ℃2 个。

控制要求:需要监测每列的抽真空温度。抽真空系统主要用来建立和维持汽轮机组的低背压和凝汽器的真空。

1)控制真空泵的启停。2)监视各列抽真空温度的变化情况，根据温度来控制变频器的输出频率来调节风机的速度。3)冬季时严格监控抽真空温度，汽轮机排汽温度与真空抽气温度偏差＞15 ℃时，采取相应措施，防止冷凝器结冰引起的体积膨胀导致冷凝器变形甚至破裂。

小型电厂的抽真空系统一般由2－3 台抽真空泵组成，抽真空系统的作用是在空冷控制系统启动前将一些汽、水管路系统和设备中积集的空气迅速抽掉，在空冷正常运行时抽真空系统要保持空冷系统内的大气压及时抽掉蒸汽和疏水，以及泄漏入真空系统的空气和其他不凝结气体，以维持空冷凝汽器真空和减少对设备等的腐蚀。

操作要点:空冷系统为了加速系统建立真空速度，一般均设抽真空旁路阀，在系统启动时开启真空旁路阀，这时要求所有的抽真空泵都要投入运行。当系统预抽真空结束后(排汽绝对压力达到12～15 kPa)，则关闭抽真空旁路阀，关闭抽真空旁路阀后，方可以往空冷系统排入蒸汽，维持真空阶段，真空泵要交替使用，防止只用一台，而忽略其它的几台。

一般控制:任一抽真空温度低于25 ℃，应发出报警。

3.2.3 凝结水收集系统

主要设备:凝结水泵、凝结水箱、回水管道、仪表等。

检测点分布:在凝结水出水管道上。每列设左凝结水管道温度1 个铠装热电阻Pt100，量程0～100 ℃、右凝结水管道温度1 个铠装热电阻Pt100，量程0～150 ℃。

控制要求:需要监测各散热单元凝结水温度。控制系统不包括凝结水的循环处理系统。

1)控制凝结水泵的启停。2)监视各列凝结水温度的变化情况，根据温度来控制变频器的输出频率来调节风机的速度。3)冬季时严格监控凝结水温度由于热力和流量不均所造成的凝结水温度偏差，导致空冷器凝结水过冷度超标，引发冷凝器结冰现象。

一般控制:当任一凝结水温度低于30 ℃，应发出报警。

3.2.4 空冷岛控制系统

主要设备:轴流风机、减速箱、风机电机、变频装置、仪表等。

检测点分布:

1)环境温度:在每台机组的空冷岛四周安装环境温度热电阻4 个铠装热电阻Pt100，量程－50～50 ℃。

2)减速机油温:每台减速机需配有1 个油温监测点，热电阻Pt100，量程0～100 ℃。

3)减速机油压:每台减速机需配有1 个油压开关监测点。

4)风机振动:每台风机电机处安装1 个振动监测点，输出4～20 mA 信号。

5)电机绕组温度、轴承温度、电机电流:

每台电机配有绕组温度A/B/C 三项各1 个，pt100(量程－40～200 ℃)

每台电机配前、后轴承温度各一个pt100(量程－40～200 ℃)

电机电流检测点信号取自变频柜装置的1 路4～20 mA信号。

6)环境风速、风向:系统配有环境风速、环境风向监测设备，风向:0～360°;风速0～50 m/s;220 V 供电输出4～20 mA 信号。

7)电机加热器:在空冷岛平台设有电机加热操作箱，操作箱上有启动、停止按钮、运行指示灯。

8)就地急停按钮:在每个风机电机旁需有急停按钮。

9)变频控制装置:包括变频器、变频控制柜、齿轮箱加热操作按钮、手动启/停按钮、手动调速电位器、手/自动选择开关、运行/停止/故障指示灯等。

控制信号包括:运行/停止、就地/远程、转速、电流、急停、超频开关、反转、故障状态等。

控制系统要求:

环境温度＞2 ℃为夏季运行模式，否则为冬季运行模式。

减速机油温＜5 ℃低温报警，＞70 ℃高温报警，＞80 ℃高温停机。

减速机“油压低”时发出低报信号，信号维持20 s 则风机性保护停机。

风机的振动速度连续6 s 大于6.3 mm/s 时，则风机保护性停机。

任一电机绕组温度＞130 ℃发报警信号，＞150 ℃，则保护性联锁停机。

任一电机轴承温度＞80 ℃发报警信号，高于90 ℃，则保护性联锁停机。

风机电流高于电动机额定电流的110%发报警信号，由变频柜装置进行设定保护。

风速、风向数据一般只作为监视用，为调度在大风天气运行时背压设定控制的辅助参考。

空冷系统在启动之前，提前五小时启动电机加热器，加热时间为2～4 h。

风机检修或遇紧急情况可按下急停按钮锁死风机，急停按钮优先级最高，只能通过手动复位急停按钮来解除锁定状态。

变频控制装置的作用是:通过就地手动或者远程自动给定变频器输出值(0～110%)，来控制风机电机的速度，间接调节制冷空气的量，与冷凝器中的蒸汽进行热交换，满足汽机背压值。变频装置分就地运行(手动)和DCS 远控(自动)两种方式。

3.2.5 冷凝器冲洗系统

冷凝器冲洗系统主要包括高压水冲洗装置及配套的电气回路，清洗水压≥80 bar，冲洗水源可接自化学水车间的除盐水系统。为了保持空冷凝汽器良好的散热性能建议每年洗空冷凝汽器外表面2～3 次，实际环境空气质量较差时，冲洗次数应相应增多。清洗系统为人工手动操作。

4 空冷控制系统的编制

空冷控制系统主要实现的是:依据背压值对每台风机进行启、停控制和速度调节。但要考虑到不同工况下的调节方式。

控制系统的启动顺序为:1)真空泵控制系统启动;2)空冷岛控制系统;3)排汽管道及凝结水监测;4)其它信号监测。

一般考虑编制夏季和冬季两种工况的运行。

夏季工况一般只考虑风机的启动顺序，以每台机组两列每列3 台风机为例，参照顺序:1 列逆流→2 列逆流→1 列1号→2 列1 号→1 列3 号→2 列3 号。风机刚启动时变频输出设定为30%(最低值)，全部启动完成后再根据背压对风机转速进行PID 调节。夏季工况应考虑高温及大风天气，当环境温度大于30 ℃，可转手动超频运行模式，变频输出110%，当机组背压大于42.4 kPa，应迅速降低机组负荷并采取相应措施，也可考虑对冷凝器进行清洗等。

机组在严寒的冬季运行时，温度太低或机组运行处于“三低”(低气温、低负荷、低排汽压力)的工况下会导致冷凝器结冰，进而变形严重时崩裂。编制软件时，要重点考虑冬季防冻保护。控制系统编制可参考下图。

图2 空冷控制系统功能参考图

5 空冷控制系统的运行模式

空冷控制系统的运行模式有三种:

1)自动运行模式:一般情况下由空冷控制系统根据背压信号自动调节风机的转速，自动联锁、保护投运。

2)控制室手动操作模式:在出现夏季高热、大风、生产系统不稳定等情况时调度人员可根据工况人工给定背压、频率对风机进行控制。

如:周围环境温度在30 ℃以上，允许风机及风机电机在110%额定转速下运转(55 Hz=超速模式)。

3)就地模式:在系统联调或系统通讯故障时允许通过变频装置就地启/停风机和手动给定速度。