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摘 要：为了满足直接空冷机组冬季安全、经济运行的要求，通过分析风机电耗率和机组背压之间的关系，结合机组历史运行数据、空冷岛温度分布规律、防冻控制方法，给出了防冻控制方法，并制订了兼顾机组节能运行的优化控制策略。该控制策略在330MW直接空冷机组上实施后，机组冬季运行背压平均可降低1kPa，在满足机组防冻安全的基础上实现了经济运行。
关键词：330MW直接空冷机组；背压；风机；防冻；节能
我厂2×330MW循环流化床机组采用直接空冷凝汽式汽轮机，额定背压为14.5KPa。ACC（空冷）系统共有6列空冷凝汽器，位于空冷岛34米平台，由东向西排列分别为60、40、20、10、30、50列，其中10和20列为启动列，每列有3个顺流单元和2个逆流单元（2、4单元）。空冷风机转速可通过变频器在0～50Hz无级调速，当环境温度≥20℃时投超频可达55Hz。
1 前言
目前，直接空冷机组因具有良好的节水性在我国北方地区得到了广泛的应用。直接空冷系统采用机械强制通风，将环境空气作为冷却介质，利用换热翅片管束使管内的水蒸气与管外的空气发生热交换，将汽轮机内做完功的乏汽冷却至液态水，实现热功转换中冷端散热的目的。直接空冷机组运行几年后，大型冷端换热器——空冷岛的性能会逐渐下降，空冷岛翅片管冬季防冻、春秋季节防大风、夏季换热效果差等问题也逐渐显现。另外，我国北方地区火电机组常面临调峰任务重、发电负荷不足等问题，开展空冷机组冷端优化运行工作非常重要。
2 空冷机组防冻研究现状
我国北方冬季气温很低，像内蒙古薛家湾冬季最低温度可达到-25℃，空冷岛低温区域很容易发生冻结现象。国内外关于空冷岛节能运行的文献有很多，但研究空冷机组防冻机理的文献较少。虽然对直接空冷机组冷端防冻的机理进行了一定程度的研究，但是兼顾冷端防冻与节能功能的自动调节方案很少。本文针对神华准能矸石发电有限责任公司的2台330MW汽轮发电机组每年冬季都会面临空冷系统运行防冻比较困难的问题进行了研究。
3 正常运行方式
ACC系统空冷风机在运行中会突然跳闸，除设备故障外，常遇到的主要原因是外界环境中发生大幅气流扰动，如出现雷雨大风、旋风等现象时，风机振动大触发开关跳闸。此时应严密监视环境温度、风速和风向的变化情况，将背压设置退出自动，防止部分风机因转速变化引起振动大跳闸的现象发生。
当外界环境有强风作用时，使得从空冷岛上排出的热空气又被风机卷吸进入空冷凝汽器，使其无法换热，空冷岛发生热风再循环现象，导致机组背压较快上升，负荷下降。当背压快速升高至40kPa以上时应立即快降负荷，同时调整风机的转速不至于过高运行，保证过冷度不大于6℃。当一台机组发生热风再循环时，另一台机组的运行人员也应注意工况的变化，及时作出预防处理。
4 启、停运行方式
在机组启、停过程中，当ACC系统运行、空冷风机投入自动、风机联锁和电动门联锁均投入时，ACC系统进入全自动运行模式。在机组启动过程中，风机会按照启动逻辑，先将启动列逆流单元风机启动运行，再启动顺流单元风机运行，满足逻辑条件后依次开启30、40、50和60列凝结水隔离阀和蒸汽隔离阀并启动风机运行。在机组停机过程中，ACC系统按照与启动过程相反的逻辑自动逐次停运。
ACC系统运行中会受到系统逻辑、外界环境、旁路开度、排汽量及排汽温度等诸多因素的影响，控制系统会有延迟。因此在启、停机时，我厂改为采用空冷风机手动调节的方式来调节机组背压，以适应机组排汽量和背压的快速变化。在机组启动过程中，风机采用手动逐次启动的方式运行。首先将启动列逆流单元风机启动运行，根据机组背压的变化启动顺流单元风机运行，然后手动依次预先开启30、40、50和60列的凝结水隔离阀和蒸汽隔离阀，按照机组参数逐次启动风机来调节背压。在机组停机过程中，按照与启动过程相反的逻辑手动逐次停运风机，凝结水隔离阀和蒸汽隔离阀依据环境温度的影响做出是否关闭的决定。
5 空冷散热器防冻
5.1空冷散热器冻结机理
实践经验和理论研究表明，不凝性气体的富集是空冷散热器冻结的唯一内因，集中处理不凝性气体的逆流区最易冻结。
（1）不同翅片管的出口压力不均匀，处于漏风位置翅片管的冷凝末端易成为不凝性气体的富集区域，环境温度较低时常发生冻结现象。
（2）真空泵性能下降将恶化逆流区的抽真空性能，引起逆流区冻结。
（3）空冷岛翅片管与下联箱的焊接之处，经常处于热胀冷缩状态，因膨胀不畅引起焊缝开裂时，大气中的空气漏入空冷岛，容易引起空冷岛局部气阻致翅片管内蒸汽不再流动，引发冻结现象。
5.2空冷系统防冻控制策略
基于以上的机理，当环境温度低于2℃时，ACC系统自动进入冬季工况运行，我厂通过讨论研究总结出了一套运行调节方式和防冻的控制策略。
（1）背压投自动。该措施可以保证空冷岛风机在环境温度低或者发电负荷低时自动降低风机转速运行，当自动跟踪不好时及时采取手动调整。
（2）根据手动降低风机转速、手动增开真空泵。采用降低单排风机转速、手动增开真空泵的控制手段，可提高抽真空温度或凝结水温度，特别是#4机组50列靠最西侧的一列风机，采取这样的运行调整手段，防冻效果更为明显。
（3）背压增加3kPa。采用提高空冷岛运行背压的手段可提高真空泵的排空气能力，直接提高空冷岛的整体温度水平，运行人员可经常采用這种措施防冻，但机组能耗会略有增加。
（4）停风机。采用停风机的手段可在较大程度上提高空冷岛防冻能力。
（5）ACC系统防冻保护多发生于机组启、停过程中或长期低负荷运行状态。在机组启动过程中，蒸汽流量达到150t/h以上时，通过旁路系统进入空冷岛，维持机组背压在25～30kPa进行预暖和冲转，并网后锅炉要加快升温升压速度，在保证暖机情况下尽快升负荷。 （6）机组长期低负荷运行时，若环境温度低于-10℃，过冷度容易增大，防冻保护会频繁动作。维持背压高于15kPa，降低逆流单元风机频率或将5单元风机停止，还可将50、60列逐次停运并做防冻措施，严密关闭蒸汽隔离阀、凝结水隔离阀和抽空气隔离阀，将管板换热器盖保暖帘子，用帆布扇住风机下方进风口处的防护网。风机频率有时会大幅增加，背壓不降反升，这是因为排汽流量小，过冷度增大，造成空冷凝汽器内形成冷空气区，阻塞了排汽流动。此时应多启动1台真空泵强制排汽流动，并将PID调节器切为手动调节，缓慢减小风机频率，将逆流单元风机频率降低至10Hz或倒转回暖，一段时间背压就会恢复正常。
（7）实施防冻措施后，运行风机会有少于25台的情况，所以将回暖保护逻辑中的“ACC系统投入”解除。回暖时间原设定为300秒，在系统稳定运行时，不必要的回暖操作会引起背压的波动，运行风机在正反转之间频繁切换，也对风机本身、变速箱和振动保护等造成影响，于是将自动回暖改为手动回暖。
（8）机组停机时尽量不破坏真空，先关闭蒸汽隔离阀，每隔1小时启动1台真空泵运行15分钟，待剩余排汽充分凝结流回后再破坏真空，关闭凝结水和抽真空的隔离阀，将管阀和变速箱投入电加热进行防冻。
6 空冷岛防冻节能运行控制策略的实施效果
根据直接空冷凝汽器背压和风机电耗之间的关系，通过分析实际运行数据得出了经济背压的变化规律。针对冬季防冻需求与低背压经济运行间的矛盾，通过总结空冷凝汽器的温度分布特征，结合空冷散热器防冻机理，制订出空冷系统防冻控制优化策略，并成功应用于神华准能矸石发电有限责任公司的2台330MW直接空冷机组。
神华准能矸石发电有限责任公司的2台330MW直接空冷机组实施空冷岛防冻节能优化运行控制策略后，冬季4个月背压平均降低了1kPa，煤耗率平均降低了0.33g/kWh，在提高空冷机组防冻能力的情况下，实现了节能降耗的目的。
7 维护
随着机组运行时间的增加，由于风沙等环境因素的影响，空冷岛换热器翅片间隙被尘土等脏污不断填充，冷却风量减小，冷凝效果下降。要维持低背压运行，风机频率增加，耗电量就会增加，运行经济性明显下降。必须结合地区环境条件，制定并严格执行一项清洗空冷岛换热器的定期工作。当全面清洗换热器后，背压可下降6---10kPa左右。这组数据足以表明空冷岛换热器保持清洁对机组安全和经济运行的重要性。
8 结束语
为了兼顾直接空冷机组防冻运行的安全性和经济性，结合历史运行数据、空冷散热器温度分布规律及防冻控制方法，通过建立经济运行背压模型，制订了330MW机组防冻节能运行优化控制策略。实践效果表明，基于背压自动控制的防冻控制策略可以实现直接空冷机组空冷系统冬季防冻节能运行目的，兼顾了空冷系统的防冻和节能要求。
参考文献
[1]王江湖.直接空冷机组空冷凝汽器性能优化研究[D].华北电力大学（北京），2017.
[2]许宁，李永华，杨海生，李军烁，张耀祖.直接空冷机组空冷岛风机优化试验研究[J].电力科学与工程，2016，32（04）：66-70.
[3]肖烈晖，杜小泽，杨立军，席新铭.环境风作用下2×1000MW直接空冷机组空冷岛布局[J].电力建设，2015，36（06）：7-13.
[4]陈海平，仲雅娟，付浩然，孙见雨，郑伟.防风网对空冷岛换热性能影响的数值模拟[J].中国电机工程学报，2015，35（04）：898-905.
[5]周兰欣，李建波，李卫华，田亚钊.直接空冷机组凝汽器加装下挡风墙的数值模拟[J].动力工程，2008（05）：744-747+763.
[6]周兰欣，白中华，李卫华.直接空冷机组空冷岛结构优化研究[J].汽轮机技术，2008（02）：95-97.
[7]夏瑞春，闫志华，梁纯斌，贺兰柱，魏俊峰.300MW直接空冷发电机组空冷岛风机电耗分析[J].内蒙古电力技术，2007（05）：15-16.
[8]孙建国，刘文平，吴奇胜，王琪，袁野.300MW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（03）：35-39.
关键词：330MW直接空冷机组；背压；风机；防冻；节能
我厂2×330MW循环流化床机组采用直接空冷凝汽式汽轮机，额定背压为14.5KPa。ACC（空冷）系统共有6列空冷凝汽器，位于空冷岛34米平台，由东向西排列分别为60、40、20、10、30、50列，其中10和20列为启动列，每列有3个顺流单元和2个逆流单元（2、4单元）。空冷风机转速可通过变频器在0～50Hz无级调速，当环境温度≥20℃时投超频可达55Hz。
1 前言
目前，直接空冷机组因具有良好的节水性在我国北方地区得到了广泛的应用。直接空冷系统采用机械强制通风，将环境空气作为冷却介质，利用换热翅片管束使管内的水蒸气与管外的空气发生热交换，将汽轮机内做完功的乏汽冷却至液态水，实现热功转换中冷端散热的目的。直接空冷机组运行几年后，大型冷端换热器——空冷岛的性能会逐渐下降，空冷岛翅片管冬季防冻、春秋季节防大风、夏季换热效果差等问题也逐渐显现。另外，我国北方地区火电机组常面临调峰任务重、发电负荷不足等问题，开展空冷机组冷端优化运行工作非常重要。
2 空冷机组防冻研究现状
我国北方冬季气温很低，像内蒙古薛家湾冬季最低温度可达到-25℃，空冷岛低温区域很容易发生冻结现象。国内外关于空冷岛节能运行的文献有很多，但研究空冷机组防冻机理的文献较少。虽然对直接空冷机组冷端防冻的机理进行了一定程度的研究，但是兼顾冷端防冻与节能功能的自动调节方案很少。本文针对神华准能矸石发电有限责任公司的2台330MW汽轮发电机组每年冬季都会面临空冷系统运行防冻比较困难的问题进行了研究。
3 正常运行方式
ACC系统空冷风机在运行中会突然跳闸，除设备故障外，常遇到的主要原因是外界环境中发生大幅气流扰动，如出现雷雨大风、旋风等现象时，风机振动大触发开关跳闸。此时应严密监视环境温度、风速和风向的变化情况，将背压设置退出自动，防止部分风机因转速变化引起振动大跳闸的现象发生。
当外界环境有强风作用时，使得从空冷岛上排出的热空气又被风机卷吸进入空冷凝汽器，使其无法换热，空冷岛发生热风再循环现象，导致机组背压较快上升，负荷下降。当背压快速升高至40kPa以上时应立即快降负荷，同时调整风机的转速不至于过高运行，保证过冷度不大于6℃。当一台机组发生热风再循环时，另一台机组的运行人员也应注意工况的变化，及时作出预防处理。
4 启、停运行方式
在机组启、停过程中，当ACC系统运行、空冷风机投入自动、风机联锁和电动门联锁均投入时，ACC系统进入全自动运行模式。在机组启动过程中，风机会按照启动逻辑，先将启动列逆流单元风机启动运行，再启动顺流单元风机运行，满足逻辑条件后依次开启30、40、50和60列凝结水隔离阀和蒸汽隔离阀并启动风机运行。在机组停机过程中，ACC系统按照与启动过程相反的逻辑自动逐次停运。
ACC系统运行中会受到系统逻辑、外界环境、旁路开度、排汽量及排汽温度等诸多因素的影响，控制系统会有延迟。因此在启、停机时，我厂改为采用空冷风机手动调节的方式来调节机组背压，以适应机组排汽量和背压的快速变化。在机组启动过程中，风机采用手动逐次启动的方式运行。首先将启动列逆流单元风机启动运行，根据机组背压的变化启动顺流单元风机运行，然后手动依次预先开启30、40、50和60列的凝结水隔离阀和蒸汽隔离阀，按照机组参数逐次启动风机来调节背压。在机组停机过程中，按照与启动过程相反的逻辑手动逐次停运风机，凝结水隔离阀和蒸汽隔离阀依据环境温度的影响做出是否关闭的决定。
5 空冷散热器防冻
5.1空冷散热器冻结机理
实践经验和理论研究表明，不凝性气体的富集是空冷散热器冻结的唯一内因，集中处理不凝性气体的逆流区最易冻结。
（1）不同翅片管的出口压力不均匀，处于漏风位置翅片管的冷凝末端易成为不凝性气体的富集区域，环境温度较低时常发生冻结现象。
（2）真空泵性能下降将恶化逆流区的抽真空性能，引起逆流区冻结。
（3）空冷岛翅片管与下联箱的焊接之处，经常处于热胀冷缩状态，因膨胀不畅引起焊缝开裂时，大气中的空气漏入空冷岛，容易引起空冷岛局部气阻致翅片管内蒸汽不再流动，引发冻结现象。
5.2空冷系统防冻控制策略
基于以上的机理，当环境温度低于2℃时，ACC系统自动进入冬季工况运行，我厂通过讨论研究总结出了一套运行调节方式和防冻的控制策略。
（1）背压投自动。该措施可以保证空冷岛风机在环境温度低或者发电负荷低时自动降低风机转速运行，当自动跟踪不好时及时采取手动调整。
（2）根据手动降低风机转速、手动增开真空泵。采用降低单排风机转速、手动增开真空泵的控制手段，可提高抽真空温度或凝结水温度，特别是#4机组50列靠最西侧的一列风机，采取这样的运行调整手段，防冻效果更为明显。
（3）背压增加3kPa。采用提高空冷岛运行背压的手段可提高真空泵的排空气能力，直接提高空冷岛的整体温度水平，运行人员可经常采用這种措施防冻，但机组能耗会略有增加。
（4）停风机。采用停风机的手段可在较大程度上提高空冷岛防冻能力。
（5）ACC系统防冻保护多发生于机组启、停过程中或长期低负荷运行状态。在机组启动过程中，蒸汽流量达到150t/h以上时，通过旁路系统进入空冷岛，维持机组背压在25～30kPa进行预暖和冲转，并网后锅炉要加快升温升压速度，在保证暖机情况下尽快升负荷。 （6）机组长期低负荷运行时，若环境温度低于-10℃，过冷度容易增大，防冻保护会频繁动作。维持背压高于15kPa，降低逆流单元风机频率或将5单元风机停止，还可将50、60列逐次停运并做防冻措施，严密关闭蒸汽隔离阀、凝结水隔离阀和抽空气隔离阀，将管板换热器盖保暖帘子，用帆布扇住风机下方进风口处的防护网。风机频率有时会大幅增加，背壓不降反升，这是因为排汽流量小，过冷度增大，造成空冷凝汽器内形成冷空气区，阻塞了排汽流动。此时应多启动1台真空泵强制排汽流动，并将PID调节器切为手动调节，缓慢减小风机频率，将逆流单元风机频率降低至10Hz或倒转回暖，一段时间背压就会恢复正常。
（7）实施防冻措施后，运行风机会有少于25台的情况，所以将回暖保护逻辑中的“ACC系统投入”解除。回暖时间原设定为300秒，在系统稳定运行时，不必要的回暖操作会引起背压的波动，运行风机在正反转之间频繁切换，也对风机本身、变速箱和振动保护等造成影响，于是将自动回暖改为手动回暖。
（8）机组停机时尽量不破坏真空，先关闭蒸汽隔离阀，每隔1小时启动1台真空泵运行15分钟，待剩余排汽充分凝结流回后再破坏真空，关闭凝结水和抽真空的隔离阀，将管阀和变速箱投入电加热进行防冻。
6 空冷岛防冻节能运行控制策略的实施效果
根据直接空冷凝汽器背压和风机电耗之间的关系，通过分析实际运行数据得出了经济背压的变化规律。针对冬季防冻需求与低背压经济运行间的矛盾，通过总结空冷凝汽器的温度分布特征，结合空冷散热器防冻机理，制订出空冷系统防冻控制优化策略，并成功应用于神华准能矸石发电有限责任公司的2台330MW直接空冷机组。
神华准能矸石发电有限责任公司的2台330MW直接空冷机组实施空冷岛防冻节能优化运行控制策略后，冬季4个月背压平均降低了1kPa，煤耗率平均降低了0.33g/kWh，在提高空冷机组防冻能力的情况下，实现了节能降耗的目的。
7 维护
随着机组运行时间的增加，由于风沙等环境因素的影响，空冷岛换热器翅片间隙被尘土等脏污不断填充，冷却风量减小，冷凝效果下降。要维持低背压运行，风机频率增加，耗电量就会增加，运行经济性明显下降。必须结合地区环境条件，制定并严格执行一项清洗空冷岛换热器的定期工作。当全面清洗换热器后，背压可下降6---10kPa左右。这组数据足以表明空冷岛换热器保持清洁对机组安全和经济运行的重要性。
8 结束语
为了兼顾直接空冷机组防冻运行的安全性和经济性，结合历史运行数据、空冷散热器温度分布规律及防冻控制方法，通过建立经济运行背压模型，制订了330MW机组防冻节能运行优化控制策略。实践效果表明，基于背压自动控制的防冻控制策略可以实现直接空冷机组空冷系统冬季防冻节能运行目的，兼顾了空冷系统的防冻和节能要求。
参考文献
[1]王江湖.直接空冷机组空冷凝汽器性能优化研究[D].华北电力大学（北京），2017.
[2]许宁，李永华，杨海生，李军烁，张耀祖.直接空冷机组空冷岛风机优化试验研究[J].电力科学与工程，2016，32（04）：66-70.
[3]肖烈晖，杜小泽，杨立军，席新铭.环境风作用下2×1000MW直接空冷机组空冷岛布局[J].电力建设，2015，36（06）：7-13.
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[6]周兰欣，白中华，李卫华.直接空冷机组空冷岛结构优化研究[J].汽轮机技术，2008（02）：95-97.
[7]夏瑞春，闫志华，梁纯斌，贺兰柱，魏俊峰.300MW直接空冷发电机组空冷岛风机电耗分析[J].内蒙古电力技术，2007（05）：15-16.
[8]孙建国，刘文平，吴奇胜，王琪，袁野.300MW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（03）：35-39.