空冷岛温度场智能监测最优背压控制实践分析

李想，雷明远，韩孝军

（吉林电力股份有限公司白城发电公司，吉林 白城 137000）

直接空冷机组在节水上显著优于湿冷机组，尤其在水资源稀缺的西北地区。这种节水优势有效缓解了该地区发电时水资源紧张的问题，同时优化了煤炭资源的利用。然而，实际运行中，特别是在某些特定工况下，直接空冷机组面临着气流分配不均匀等挑战，可能导致散热器局部低温甚至冻结，进而影响机组性能，严重时可能导致停机。因此，电厂需建立空冷岛温度场监测系统，实时掌握温度分布，并采用先进控制策略和算法来优化空冷系统，确保机组稳定运行。

1 空冷岛温度智能监测控制系统要点分析

本次空冷岛温度智能监测控制系统构建期间，主要使用东方汽轮机厂的2×350MW 机组，融合亚临界技术与一次中间再热工艺，采用直接空冷与凝汽式设计。汽轮机排汽压力为14.5kPa，确保高效稳定发电。采用由首航艾启威企业制造的空冷散热器，内部结构组成为6列冷凝器，每列配置有5个单元。为了提升蒸汽冷却效果，该散热器采用了翅片管换热器和顺流/混合流布局优化。同时，为改善冷凝器冷却效果，配备30套通风系统。此外，该系统还集成了冷凝水收集、高压水清洗、抽真空（包含3 个100%的真空单元）以及高压喷雾降温等子系统，实现水资源循环、维持真空、定期清洗和调节温度。背压变化影响给水泵汽轮机输出和锅炉给水量，对机组安全稳定运行至关重要。为评估控制系统在背压变化时的适应性，需进行仿真试验，分析背压对直排汽轮机给水调节的影响。采用模块化建模，将系统细分为多个子模型，分别建模、校验，最后联合调试，提出适应的背压控制策略及运行调节方式。

2 系统仿真试验

本次模型建构期间，主要是构建辅助汽轮机系统及启动给水泵模型，具体建模流程如下。

2.1 辅助汽轮机

（1）计算汽轮机进气流量。对小型汽轮机调门特性进行深入分析，可观察到调节阀门前压力与阀门开度的乘积与其蒸汽流量之间存在比例关系。基于这一发现，计算小型汽轮机进气流量的方法，具体计算公式如下。

（2）计算小型汽轮机功率。系统仿真期间，小型汽轮机功率计算方法见式如下。

图1 转子仿真模型

图2 背压升高1kPa 引起的实际焓降变化量

2.2 给水泵

在构建给水泵模型的过程中，泵功率的计算可依据扬程、流量及效率等关键参数进行。见式如下：

经调研发现，在THA 工况条件下，为精确计算给水泵的扬程、流量及效率等关键参数，需对额定转速下的泵特性曲线进行深入分析。换言之，在非额定转速状态下，泵的流量、扬程及效率等性能表现也需综合考量。其相关规律见式如下：

辅助汽轮机模型及给水泵模型稳态仿真结果受不同工况影响，具体结果见表1。

表1 不同工况给水泵及辅助模型稳态仿真结果分析

3 空冷岛温度场智能监测最优背压控制实践分析

3.1 系统最优背压控制方案设计

给水流量的调控依赖负反馈控制，可通过实时调整小机开度来匹配设定值。但这种方式受背压影响大，响应慢。为了优化控制，可引入前馈和转速内环串级控制，这不仅能加速响应，还能降低背压对流量的影响。将背压作为前馈信号添加到小机流量指令中，可进一步提高控制效果。然而，前馈量的最佳值需通过深入研究确定，以平衡背压变化对小机做功能力的影响，确保系统稳定运行。因小机的主调阀开度会随着流量的增加而增加，所以背压前馈出现的开度标准值变化即为小机流量变化情况，应满足以下条件：

经分析前馈量dG 计算方法见式（7）：

3.2 不同背压优化控制方案对比分析

在本次不同背压优化控制方案对比分析期间，主要分析背压频发变化、背压突升等，结果如下。

（1）背压频繁变化。当背压频繁发生变化时，特别是在THA 工况下，其对机组的影响尤为显著。例如，当背压每分钟变化1kPa、幅值为2kPa 时，这种周期性的频繁波动会对汽动给水泵的稳定运行造成不利的影响。在仿真过程中，设定背压以特定速率和幅值进行周期性变化，旨在模拟实际运行中可能出现的背压波动情况。针对这一情境，对比不同控制措施对汽动给水泵的作用效果。主要包括串级（微分）+前馈控制、串级+前馈控制、负反馈+前馈控制、串级控制和负反馈控制。通过对比不同控制策略下的仿真结果，发现串级（微分）+前馈控制的控制效果最佳，能有效降低背压波动对汽动给水泵的影响，确保其稳定运行。其次，为串级+前馈控制，负反馈+前馈控制稍逊一筹。相比之下，仅使用串级控制或负反馈控制的控制效果相对一般。

（2）背压突升。当背压在THA 工况下突然升高，尤其是短时间内如30s 内升高7.5kPa 时，会对汽动给水泵产生显著冲击。为了评估不同控制策略的效果，进行仿真研究。控制策略主要包括串级（微分）+前馈控制、串级+前馈控制、负反馈+前馈控制等。经对比分析，串级（微分）+前馈控制效果最佳，能迅速调整汽动给水泵状态，减少冲击。其他策略效果依次递减，仅使用串级或负反馈控制效果有限。这再次证明了前馈控制在改善系统性能中的重要性。因此，实际应用中，推荐采用串级（微分）+前馈控制策略，以提高汽动给水泵的稳定性和可靠性。

3.3 防冻保护优化

针对空冷岛在冬季低温环境下的防冻保护，本系统进行了以下优化措施。

（1）设定冬季模式。该系统能够实现根据环境温度，自动切换冬季模式：温度持续低于5℃，系统将自动激活冬季模式，启动防冻模式；环境温度持续高于8℃，自动退出防冻模式。为了确保系统稳定运行，也可由监控人员根据实际情况进行手动切换。

（2）触发原空冷控制逻辑。在风机温度场监控中，当整列风机的温度持续低于预设的某一阈值，并在一段时间内保持稳定时，可激活原空冷控制系统的“防冻保护1”逻辑；若温度进一步下降，低于另一预设阈值并持续稳定，则触发“防冻保护2”逻辑；当温度降低到第三个预设阈值并持续稳定时，将启动“回暖保护”逻辑。该逻辑的设定，显著提升了原空冷岛在防冻保护动作执行时的精准度，从而增强了风机的运行稳定性。

4 空冷岛智能监测系统应用分析

基于上述分析，本次350MW 超临界机组主要采取串级前馈控制方式进行，机组在典型极端工况下运行情况如下。

4.1 背压突升运行情况

在夏季高温日，环境温度27.83℃，机组满负荷310MW运行，背压36.48kPa，小机转速稳定，给水流量和主汽温均正常。但在机组运行期间，突如其来的强风使背压快速上升至45.98kPa，风速高达12.89m/s。面对这种极端工况，机组展现出较为优异的稳定性，尽管负荷下降8MW，但给水量仍然保持正常水平。系统稳定运行主要机组采用的串级（微分）+前馈控制策略，其快速响应背压变化，确保机组在各种复杂环境下的安全稳定运行。

4.2 高负荷极端工况运行情况

经实践测量，在环境温度为30.3℃的高温环境下，机组能够在满负荷347MW 工况下稳定运行，此时，测得背压为25.69kPa，小机转速稳定，给水流量和主汽温均正常。遭遇强风时，背压快速上升至44.12kPa，风速达10.5m/s。然而，机组展现出优异的稳定性，小机维持稳定给水流量，确保安全稳定运行。这归功于机组采用的串级（微分）+前馈控制策略，其快速响应背压变化，确保机组在各种复杂环境下的稳定运行。强风期间，给水流量稳定，验证控制系统的可靠性和前馈控制的有效性和安全性。

经分析，该机组采用串级前馈控制方式设计后，经过一年的运行时间，上述极端工况下的运行状态均能够满足机组的背压要求，具有较强的适用性。

5 结语

总之，背压变化是影响水泵汽轮机输出功率的主要因素，需对其进行研究。本次空冷岛智能控制系统设计主要采取优化控制策略，通过串级前馈控制方式将背压扰动对锅炉给水量的影响降到最低，确保系统安全稳定运行。