330MW机组直接空冷控制系统优化.docx

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330MW机组直接空冷控制系统优化

330MW机组直接空冷控制系统优化

【摘要】火力发电厂采用空冷系统可以大幅度降低电厂耗水量，在节水方面有显著的效果，尤其北方缺水地区，节水是火力发电厂立项的基本条件之一，因而空冷机组得到了越夹越多的应用。

本文33OMW机组为例介绍了直接空冷系统及其控制系统优化，对同类机组有一定的借鉴意义。

【关键词】空冷控制完善优化　

1概况　

采用直接空冷系统，可以大量节约电厂用水。

直接空冷系统最大优势是可以大量节水，从而可使电厂选址不受水源限制。

在水冷凝汽器发电机组中，耗水量的90%以上是在冷却塔中蒸发掉的。

直接空冷凝汽器采用空气冷却管束内的饱和蒸汽，省去了作为中间冷却介质的循环水。

因此，采用直接空冷凝汽器系统的机组比同容量水冷凝汽器发电机组节水约75%。

 采用空冷机组大大减少了电厂耗水，为水源的落实和项目的成立提供了便利条件。

特别对缺水地区，有着重要的意义。

内蒙古地区煤资源丰富，近几年投产的机组，基本都采用了空冷系统，而且大部分为直接空冷系统。

2空冷系统介绍

空冷系统由6列总共300片换热管束（包括Pfc管束即“顺流管束”和Cfc管束即“逆流管束”）和30台风机组成。

其中Pfc管束为264片,Cfc管束为36片。

来自汽轮机的蒸汽经由主排汽管道进入空冷，并由蒸汽分配管箱进入凝汽器管束。

凝汽器元件由平行排列的大量翅片管组成。

蒸汽在管内表面冷凝,同时冷却空气流过管外表面。

蒸汽分配管箱位于屋顶形管束的顶部，并与作为顺流管束的管束焊接在一起。

管束下部直接与下联箱连接，下联箱将凝结水送到凝结水疏水管道且将未冷凝的蒸汽送至逆流管束。

逆流管束的顶端有连接管，空气等不凝结气体经连接管被抽取。

抽气管道与抽真空系统相连接。

抽真空系统由3台水环真空泵组成。

所需要的辅助设施，如凝结水泵和抽真空系统设置在ACC前面的汽机房内。

空冷系统所需要的冷却空气由布置在管束下部的轴流风机提供。

30台风机经变频电机驱动,功率传递由减速机完成。

减速机配有轴端润滑油泵，其转速与风机电机转速成比例。

风机电机最小转速为20%。

第1列的总布置图（见图1）所示（列1），其他列有同样的布置，其中第1、2、5、6列装有排汽隔离阀，凝结水阀。

图1第一列凝汽器布置图

3空冷控制系统说明

   空冷控制系统直接纳入机组DCS系统，空冷系统采用独立的冗余CPU。

控制系统功能包括数据采集和处理系统（DAS）、顺序控制系统（SCS）、模拟量控制系统（MCS）。

   空冷系统在集中控制室实现集中监控，由DCS的操作员站完成对其工艺系统的程序启/停、中断控制及单个设备的操作。

京科电厂空冷岛控制系统全貌图（见图2）

3.1主要监控测点

（1）排汽压力；

（2）环境温度；（3）大气压力；（4）风速、风向；（5）凝结水温度；（6）抽气温度；（7）抽气压力；（8）阀门位置显示和控制；（9）空冷风机变频控制；（10）抽真空系统；（11）空冷清洗系统。

图2京科电厂空冷岛控制系统全貌图

3.2主要监控内容

   控制系统通过控制启停风机台数和改变风机转速来改变通过冷凝器换热片的空气流量，从而控制空冷性能。

   三个压力传感器测量排汽管道压力，在正常运行时，排汽压力是主控制变量。

   控制系统通过排汽压力控制变频风机，当排汽压力改变时，风机转速也改变，以确保提前设定的运行工况。

   空冷的压力控制器和抽气温度控制器/凝结水温度控制器联合工作。

如果压力是主控变量，温度控制器最小选择器被启动。

一旦实际测得的温度降到设定值以下，这一排的温度控制器会覆盖压力控制器的信号，转为温度控制。

其他排只要是凝结水/抽气温度还没有到达设定值之下，仍然是压力控制。

每个覆盖行为都会显示在人机界面上。

   当排汽压力是主控制变量时，只要其在设定值范围内，控制系统就能正常运行。

为了避免单个单元凝结水过冷，控制变量排汽压力能自动被凝结水温度/抽气温度取代。

在温度控制模式下，依据抽气温度和凝结水管道的凝结水温度来调节风机转速。

   检测环境温度可以保护空冷不被冻结。

在更差的工况，风机全部关闭，然后关闭个别的蒸汽隔离阀以减少换热面积。

   为了加强系统监控，在冬季寒冷期，系统运行必须为自动控制。

在冬季运行中如出现异常，控制系统及时发出指令，调整运行，同时发出警报，提请运行人员注意。

3.3风机变频控制

   该机组共30台变频控制柜，负责控制空冷机组30台风机的启停和转速调节。

其中控制逆流管束单元风机变频柜6台，控制顺流管束单元风机变频柜24台。

控制装置具有调节风机转速的功能，并具有自动、手动两种控制方式。

当在手动工作状态时，可以通过空冷平台的就地按钮对风机手动启停。

也可以通过控制柜上变频器操作面板对风机的运行进行控制以及变频器参数的设定。

当在自动工作状态时，变频器投入运行，在集中控制室可以自动控制风机的最佳运行状态。

由集中控制室输出频率控制信号对风机的转速进行控制，变频控制柜反馈电流和频率信号送入集中控制室。

   变频控制柜与集中控制室交换的相关信号：

风机远方/就地、风机变频器故障、风机己运行、风机已停止、启动风机、停止风机、风机速度给定、风机频率输出、风机电流输出。

3.4京科电厂空冷岛控制逻辑完善与优化

3.4.1原逻辑不能实现全自动功能，因此对原有逻辑进行了较大改动。

3.4.2空冷逻辑完善与优化，实现全自动功能：

鉴于新机组设计时没有实现全自动控制，给运行人员操作带来不便，与北京龙源冷却技术有限公司共同确定优化方案：

全自动功能是基于步序控制实现的，正常运行按照启动、背压控制、停止和防冻的控制要求制定步序的执行顺序，步序执行过程中如果某列或某台风机故障，则实现跳步，进行下一个步序，并发出报警；如果因为阀门故障，则跳出自动步序。

本控制逻辑功能是在机组背压自动投入，风机自动启动和停止的前提下实现的，因此为正常实现风机上下切、背压自动以及空冷岛冬季防冻问题，风机的自动/手动投切开关在机组正常运行期间应一直投入“自动”位置，除非某台风机故障或检修，投“手动”位置。

为实现风机的自动/手动切换，设置自动/手动切换按钮。

自动/手动按钮能够投入自动的前提条件是：

风机在远控、无故障、无急停按钮（或停止）。

本控制逻辑实现的主要功能如下：

（1）背压控制；

（2）冬季模式下风机的自动投切；

（3）夏季模式下风机的自动投切；

（4）冬季运行时，空冷岛防冻。

机组在冬季运行时,空冷岛防冻问题是第一位的,因此在以上这些功能实现的过程中,空冷岛防冻程序的优先级是最高的。

也就是说，当执行防冻逻辑时，其它任何程序相关的步序都将被禁止。

3.4.2.1背压控制

3.4.2.1.1风机自动的投入与切除

当风机的自动/手动切换开关在自动位置时，风机启停和转速由背压自动控制，同时运行人员可以人为改变偏置；当风机的自动/手动切换开关在手动位置时风机启停和转速由运行人员人为控制。

3.4.2.1.2列自动的投入与切除

投入列自动，同一列任一风机均投入自动，可以人为切除本列任一台风机；切除列自动，同一列所有风机均切除自动。

3.4.2.1.3背压自动的投入与切除

背压自动在自动位置，任一列的列自动投入自动，背压自动有效；切除背压自动时，所有列自动切至手动位置。

给定值：

给定值由操作员给定，操作员根据负荷、环境温度和运行经验确定背压给定值，即PS=f（环境温度、机组负荷）。

风机在上切/下切指令发送过程中（阀门组操作—开启或关闭），自动闭锁调节器的增减输出，目的是防止由于风机突然增加或减少，背压剧烈波动而造成调节器输出的剧烈变化。

自动跟踪：

总操输出跟踪所有正转风机变频器的平均操作指令；每列自动跟踪同一列正转风机变频器的平均指令。

风机自动操作；风机只有在自动位置时，才能自动启动和停止。

3.4.3风机的上切与下切的基本设计原则

风机只有在自动位置时，才能进行启、停和变频器频率加减自动控制。

3.4.3.1冬季和夏季模式的划分

（1）冬季模式是指环境温度≤2℃；

（2）夏季模式是指环境温度＞6℃；

（3）2℃≤环境温度＞6℃时，由RS触发器触发。

3.4.3.2风机的任何一个转速级的转换都应该在上一转速级执行完1-3分钟后完成，目的是防止由于调节过程反应过快（过慢）而频繁地启动某一速度级的风机。

3.4.3.3投运每一列的任一风机必须满足凝结水温度及凝结水温度与环境温度差的要求。

温度条件为：

任意凝结水温度（6点）最低值≥35℃,且其与环境温度差≥5℃。

3.4.3.4上切（或下切）过程重要判据是PV（实际背压）-SP（给定值）超上限（或SP-PV低下限）：

上切条件：

PV≥1.3SP且所有运行风机的平均转速大于60%,延时2分钟。

下切条件：

PV≤0.7SP且所有运行风机的平均转速小于25%,延时1分钟。

3.4.4冬季模式下风机上切和下切

3.4.4.1冬季模式下风机上切步序

步序1关闭A/B/E/F列阀门；步序2至步序11依次启动风机C3/D3/D2/C4/D4/C1/D1/C5/D5；步序12开启B列抽真空阀、凝结水阀，延时11分钟，开启B列蒸汽隔离阀；步序13至步序17依次启动风机B3/B2/B4/B1/B5；步序18开启E列抽真空阀、凝结水阀，延时11分钟，开启E列蒸汽隔离阀；步序19至步序23依次启动风机E3/E2/E4/E1/E5；步序24开启A列抽真空阀、凝结水阀，延时11分钟，开启A列蒸汽隔离阀；步序25至步序29依次启动风机A3/A2/A4/A1/A5；步序30开启F列抽真空阀、凝结水阀，延时11分钟，开启F列蒸汽隔离阀；步序31至步序35依次启动风机F3/F2/F4/F1/F5。

3.4.4.2冬季模式下风机下切步序

步序1至步序5依次停止风机F5/F1/F4/F2/F3；步序6关闭F列隔离阀，关反馈返回3分钟，关闭F列抽真空阀；步序6至步序11依次停止风机A5/A1/A4/A2/A3；步序12关闭A列隔离阀，关反馈返回3分钟，关A列抽真空阀；步序13至步序17依次停止风机E5/E1/E4/E2/F3；步序18关闭E列隔离阀，关反馈返回3分钟，关E列抽真空阀；步序19至步序23依次停止风机B5/B1/B4/B2/B3；步序24关闭B列隔离阀，关反馈返回3分钟，关B列抽真空阀；步序25至步序34依次停止风机D5/C5/D1/C1/D4/C4/D2/C2/D3/C3。

3.4.4.3夏季模式下风机的上切与下切

3.4.4.3.1夏季模式下风机的上切步序

步序1开启A/B/E/F列抽真空阀、凝结水阀，延时11分钟，开启A/B/E/F列蒸汽隔离阀

步序2启动风机C3/D3/B3/E3/A3/F3（启动每台风机间隔大于3秒）

步序3启动风机C2/D2/B2/E2/A2/F2（启动每台风机间隔大于3秒）

步序4启动风机C4/D4/B4/E4/A4/F4（启动每台风机间隔大于3秒）

步序5启动风机C1/D1/B1/E1/A1/F1（启动每台风机间隔大于3秒）

步序6启动风机C5/D5/B5/E5/A5/F5（启动每台风机间隔大于3秒）。

3.4.4.3.2夏季模式下风机的下切步序

步序1停止风机F5/A5/E5/B5/D5/C5（停止每台风机间隔大于3秒）

步序2停止风机F1/A1/E1/B1/D1/C1（停止每台风机间隔大于3秒）

步序3停止风机F4/A4/E4/B4/D4/C4（停止每台风机间隔大于3秒）

步序4停止风机F2/A2/E2/B2/D2/C2（停止每台风机间隔大于3秒）。

3.5防冻保护

当三种防冻保护同时触发，优先级如下：

防冻保护1>防冻保护2>升温循环。

3.5.1防冻保护1

3.5.1.1防冻保护1允许条件

◆冬季工况。

◆该列防冻保护2，升温循环未触发。

◆列防冻按钮投入。

◆该列的任意凝结水温度<30℃。

◆蒸汽隔离阀开（此条件只适合A、B、E、F但C、D列不判断）。

3.5.1.2动作条件

整列切除自动，逆流风机转速保持不变，顺流风机转速以每分钟10%下降，当顺流风机降至最低转速（20%）时进行保持，如果凝结水温度仍然小于27℃，逆流风机再以每分钟10%的转速下降，当凝结水温度大于29℃，逆流风机以每分钟10%的转速增加，当达到之前保持值时转速运行，当凝结水温度大于35℃时，整列风机恢复自动。

3.5.1.3复位条件：

◆凝结水温均大于35℃。

◆由冬季运行模式转为夏季运行模式。

3.5.2防冻保护2

3.5.2.1防冻保护2允许条件

◆冬季工况。

◆该列防冻保护1，升温循环未触发。

◆列防冻按钮投入。

◆列的任意抽真空温度<25℃。

◆蒸汽隔离阀开（此条件只适合A、B、E、F但C、D列不判断）。

3.5.2.2动作条件

整列切除自动，顺流风机转速保持不变，逆流风机转速以每分钟10%下降，当逆流风机降至最低转速（20%）时且保持，如果抽真空温度仍然小于22℃，顺流风机再以每分钟10%的转速下降，当抽真空温度大于24℃，顺流风机以每分钟10%的转速增加，以达到之前保持时的转速运行，当抽真空温度大于32℃时，整列风机恢复自动。

3.5.2.3复位条件：

◆抽真空温度大于32℃。

◆由冬季运行工况转为夏季运行工况。

3.5.3升温循环

3.5.3.1升温循环条件

◆环境温度℃（三选一）<-2℃。

◆该列防冻保护未触发。

◆蒸汽隔离阀开（此条件只适合A、B、E、F但C、D列不判断）。

◆升温循环按钮投入。

3.5.3.2升温循环顺序：

A列-B列-C列-D列-E列-F列

3.5.3.3动作条件

停第一列的逆流风机延时3min，选择风机反转，启动逆流风机，反转转速按照环境温度与风机转速的线性函数来进行调节：

温度（-2，…-30），转速（30%，…60%），反转时间8分钟，反转停止过3分钟后重新启动该逆流风机。

第一列风机反转完成19分钟以后，第二列重新开始进行跟第一列类似的循环。

这样每30分钟就有1列散热器处于升温循环中。

3.5.3.4复位条件：

当环境温度大于0℃时，升温循环复位，停正在反转中的风机3min后，顺启风机。

4优化后的效果

逻辑优化后，实现了全过程自动控制，机组运行以来，空冷控制系统运行稳定，各项运行指标达到要求，大大减少了运行人员的操作。

背压自动控制运行曲线图（见图3）

5结束语

   随着电厂直接空冷技术的发展，电厂直接空冷技术在我国北方地区的应用越越多，也积累了丰富的运行经验，特别是严寒季节的防冻问题也得到了很好的解决。

直接空冷可通过改变风机转速或停运风机或使风机反转来调节空冷凝汽器的进风量或直至吸热风防止空冷凝汽器冻结，调节相对灵活，效果好，并己有成熟的运行经验。

   随着空冷设备的国产化，空冷技术在我国的应用将越来越广泛。

优化控制逻辑，更好的发挥空冷岛的作用，通过对新的控制方式的尝试，找到合理的组态方法，保证火力空冷发电机组的经济、稳定、安全运行。