300 MW直接空冷机组控制系统分析及优化

兰立刚， 吴广生， 马 睿， 陈冠华

(四川省电力工业调整试验所， 成都 610072)



300 MW直接空冷机组控制系统分析及优化

兰立刚， 吴广生， 马 睿， 陈冠华

(四川省电力工业调整试验所， 成都 610072)

介绍了波黑Stanari 300 MW直接空冷(ACC)机组全程自动控制策略，对ACC步序控制、汽轮机排汽压力调节、顺流单元的防冻保护、逆流单元的除霜逻辑等控制子系统进行了分析，对试运过程中出现的问题进行了改进。结果表明：该方案能够确保机组安全启停和经济运行，并能适应各种事故工况，对ACC系统实现全程自动控制有很好的参考作用。

汽轮机； 直接空冷； 步序控制； 排汽压力调节； 防冻保护； 除霜逻辑

直接空冷(ACC)系统利用空气通过鼓风或者引风形式，直接对汽轮机乏汽进行冷却和冷凝。空气与排汽之间进行表面换热，无需中间冷却介质，系统调节灵活。笔者以波黑Stanari 300 MW ACC机组为例，分析了系统全程自动控制策略，并对调试过程中出现的问题进行了改进。

1 系统概况

ACC系统结构见图1，主要由进汽管道、换热器(冷凝器)、轴流式冷却风机、抽真空系统、凝结水系统以及相应的阀门等组成。空冷换热器由顺流换热器和逆流换热器两部分组成。锅炉来的高温蒸汽经汽轮机做功后，再经排汽装置进入一根大直径排汽管道分流，并由蒸汽分配管箱进入换热器管束。大约80%的蒸汽通过顺流换热器冷凝(蒸汽和凝结水自上而下顺流)，20%未冷凝的蒸汽经过逆流换热器冷凝(蒸汽和凝结水的流动方向相反)。抽真空系统将由于设备不严密而漏入的空气及不凝结气体从逆流换热器顶部末端抽走并冷却分离，排至大气[1-2]。

图1 ACC系统示意图

该300 MW机组ACC系统配置6列(每列5台)风机，其中第1、2、3、5、6列安装有立管阀。每列第1、3、5个单元为顺流换热器，第2、4个单元为逆流换热器；第4列为启动列，无立管阀，其蒸汽分配管末端安装一个温度测量仪表，用于检测启动时蒸汽的分配。各风机均由变频器控制转速，实现对汽轮机排汽压力的调节。

2 控制策略

ACC控制系统采用与主机一体化的Symphony Plus控制系统。控制系统包括汽轮机排汽压力调节、风机步序控制、顺流单元的防冻保护、逆流单元的除霜逻辑、风机单机控制、空冷系统抽汽蝶阀控制等子系统。该机组ACC控制系统不包括真空泵的启停，系统启动过程只检测凝汽器真空(汽轮机排汽压力)是否满足启动条件。

2.1 建立真空

ACC系统启动前应启动2～3台真空泵抽真空。在DCS画面按下“ACC启动”按钮，系统进入第00步，打开所有排汽蝶阀、凝结水阀及旁路快速抽真空阀，建立真空。当环境温度低于3 ℃时，冬季模式被激活，DCS上显示“冬季模式”；当环境温度高于5 ℃时，进入夏季模式。冬季模式下，冷凝器真空建立定值为15 kPa；夏季模式下，真空定值为30 kPa。真空建立后可根据情况手动停运1～2台真空泵。

冬季ACC系统启动阶段，因供汽流量小，时间长而容易结冰。因此，在空冷系统启动阶段，必须保证第4列末端排汽温度在最短时间内达到排汽大管道的蒸汽温度，如果其温差大于5 K，则有结冰风险。此条件由运行人员自行判断，不进入逻辑。

2.2 步序控制

当控制逻辑检测到真空建立后，自动关闭旁路快速抽真空阀，ACC步序进入第0步，关闭所有凝结水阀和排汽蝶阀，同时将汽轮机排汽压力调节器投入自动，并将所有风机手操器投入自动。此时可设置排汽压力设定值；如不设置排汽压力设定值，则排汽压力设定值ps等于真空建立值。此后ACC系统根据ps和汽轮机排汽压力pm进行逻辑判断，执行增减步序指令启停相应空冷风机。

步序增减顺序见表1。第00步为建立真空阶段(所有阀门打开)。冬季模式下，真空建立完毕后，进入第0步，此后按顺序增减步；夏季模式下，步序器由第00步直接跳至第12步, 此后按顺序增减步。只有当环境温度高于25 ℃时，才允许进入第17步。

表1 风机启停步序

注：n表示该单元与系统连接,保持自然冷却；0表示该列立管阀关闭，该列脱离系统，不参与冷却；F30表示风机启动，最大运行频率30 Hz；F50表示风机最大运行频率50 Hz；F55表示风机最大运行频率55 Hz

2.3pm调节

空冷风机在步序控制中被启动，被启动的风机受pm调节器控制，其输出速率为10%/min，输出范围为30%～60%(15～30 Hz)。当所有风机都被启动后，随着进入空冷岛蒸汽流量的增大，空冷凝汽器压力升高，被启动的风机速度增大。风机输出达到60%后，随着空冷凝汽器压力进一步升高，步序将进入第16步，风机变频器运行范围切换至30%～100%(15～50 Hz)。环境温度超过25 ℃时，允许步序进入第17步，风机可进行超频运行，其运行范围为30%～110%(15～55 Hz)。所有被启动的风机都受pm调节器控制，除非防冻保护或除霜逻辑动作。

2.4 防冻保护与除霜逻辑

当凝结水温度低于相应排汽温度时，就意味着发生了过冷，说明顺流管束已经存有大量空气；当抽真空温度过低时，说明逆流管束内存有大量空气。这些空气为不凝结气体，无论如何转动风机都无法将其凝结，降低了凝汽器压力。在冬季出现过冷时，有必要提高ps以降低风机转速。因此防冻保护与除霜保护逻辑只在冬季模式(环境温度低于3 ℃)下才会被激活。

2.4.1 防冻保护

当任意列凝结水温度低于25 ℃(可根据经验调整)时，顺流防冻保护被激活，并发出“顺流保护”报警。顺流风机1、3、5会以10%/min的速度降速到零；或者该列所有凝结水温度都不低于35 ℃时，停止降速并以当前速度运行；当该列所有凝结水温度均高于40 ℃时，“顺流保护”报警解除，顺流风机1、3、5重新接受汽轮机pm调节器控制(以10%/min的速度切换至汽轮机pm调节器输出指令)。

当任意列抽真空温度低于25 ℃(可根据经验调整)时，ps自动增加3 kPa并报警。30 min后，如果仍低于25 ℃，则ps再增加3 kPa。

2.4.2 除霜逻辑

在冬季，逆流管束上部排出的空气中的水分，有时会在管束列管内壁形成霜，增加管道的阻力，严重时会把管路堵塞。因此，有必要对逆流管束定时加热，以便让热的空气将霜除去，这就是除霜逻辑。当环境温度低于-2 ℃(3取2)时，除霜逻辑动作：按照1～6列2号逆流风机，1～6列4号逆流风机的顺序，轮流停运1台逆流风机，停运的风机5 min后恢复运行并接受pm调节器输出的频率指令。周而复始，直至环境温度高于0 ℃(3取2)，除霜逻辑退出[1]。

3 问题及优化

在调试中发现，除霜逻辑动作时，原逻辑未判断除霜逻辑是否已运行，当环境温度在-2 ℃波动时，会多次触发除霜逻辑，造成逆流风机频繁启停。因此增加除霜逻辑判断条件：当环境温度低于-2 ℃且除霜逻辑未动作时才触发除霜逻辑。

在调试过程中，增加ACC系统手/自动启动切换逻辑，实现了ACC系统手/自动启动过程的无扰切换。首先将所有启动风机调整至相同频率，然后根据风机启动台数并对照启动步序表，输入当前步序号，然后按下“ACC启动”按钮，系统自动跟踪到当前步序，pm调节器输出自动跟踪运行风机平均频率反馈并投入自动。

冬季模式下当任意列抽真空温度低于25 ℃，ps自动叠加偏置3 kPa；30 min后仍低于25 ℃时，ps偏置再增加3 kPa。原逻辑当抽真空温度一直低于25 ℃时，ps偏置每隔30 min不断叠加，而当抽真空温度恢复时，ps偏置也没有恢复措施。因此增加逻辑：当抽真空温度恢复正常时，ps偏置自动减少3 kPa；同时设置其限值为±6 kPa，防止ps偏置过大造成pm波动太大[1,5]。

4 应用效果

波黑Stanari 300 MW机组在整套启动及30天满负荷试运期间，ACC系统投入全程自动。图2为2016年3月7日冲转并网到满负荷排汽压力曲线，图3为2016年3月18日CCS变负荷排汽压力曲线。在冲转并网升负荷及变负荷过程中，ACC系统各项控制功能均能正常运行和相互切换，排汽压力稳定，调节效果好，满足机组正常运行要求。图4为2016年2月27日引风机RB和给水泵RB动作时排汽压力曲线。RB动作时排汽压力稳定在12 kPa左右，最大偏差为±2 kPa。图5为2016年2月29日FCB时排汽压力曲线。FCB动作时，排汽压力扰动较大，最高上升到25 kPa，但经过两个波峰的过渡过程后，排汽压力最终仍稳定在12 kPa附近。FCB动作时，ACC全程控制系统能够确保机组不会因为真空下降造成打闸停机，为FCB后再次并网带负荷创造了条件。

图2 冲转到满负荷过程排汽压力曲线

图3 变负荷过程排汽压力曲线

图4 RB过程排汽压力曲线

图5 FCB过程排汽压力曲线

5 结语

通过对ACC系统全程控制方案的优化和改进，波黑Stanari 300 MW ACC机组实现了从建立真空、冲转并网到满负荷全程自动控制；在RB和FCB等事故工况下，该方案同样具有良好的适应性，能够维持机组的稳定经济运行，确保机组安全启停，对同类型机组实现全程自动控制有较好参考作用。

[1] 贾玉凤, 任国华, 宋成祥. 300 MW CFB直接空冷系统防冻控制策略优化设计[J]. 电子设计工程, 2015, 23(19): 60-62, 65.

[2] 殷建华, 杜荣华, 麻宏伟, 等. 汽轮发电机组空冷系统控制策略分析[J]. 内蒙古电力技术, 2015, 33(4): 17-22.

[3] 孙建国, 刘文平, 吴奇胜, 等. 600 MW直接空冷机组空冷岛全程自动控制方案的设计与优化[J]. 内蒙古电力技术, 2007, 25(3): 35-39.

[4] 秦成果, 辛晓钢, 张敏, 等. 直接空冷机组空冷系统控制参数优化[J]. 内蒙古电力技术, 2011, 29(6): 50-52.

[5] 杨海生, 李路江, 吴瑞涛, 等. 600 MW空冷机组空冷岛的调试[J]. 热力发电, 2009, 38(7): 66-68, 71.

Analysis and Optimization of the Control System in a 300 MW Direct Air-cooling Unit

Lan Ligang, Wu Guangsheng, Ma Rui, Chen Guanhua

(Sichuan Electric Power Industry Commissioning & Test Institute, Chengdu 610072, China)

An introduction is presented to the ACC full automatic control strategy of Stanari 300 MW unit in Bosnia-Herzegovina, together with an analysis on its sub-control systems, such as the ACC sequence control, the turbine exhausting pressure regulation, the freezing protection of parallel cells and the anti-frosting logic of reflux cells, etc. For problems occurring during commissioning and operation of the unit, improvement measures were put forward and taken. Results show that the scheme can help to secure the safety during start up, shutdown and economic operation of the unit, which is applicable to all kinds of accidental conditions, and therefore may serve as a reference for full automatic control of direct air-cooling systems.

steam turbine; direct air-cooling system; sequence control; exhausting pressure regulation; freezing protection; anti-frosting logic

2016-04-13；

2016-05-25

兰立刚(1981—)，男，工程师，主要从事火电厂热工自动控制系统调试与研究。

E-mail: llgbandit@sina.com

TK323

A

1671-086X(2017)02-0140-05