王天堃

(神華國能集團(tuán)有限公司，北京 100033)

0 引言

直接空冷技術(shù)是一種節(jié)水、環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對水資源的循環(huán)利用，在煤電一體化項(xiàng)目中應(yīng)用較多。600 MW直接空冷機(jī)組的背壓值是重要的控制與保護(hù)參數(shù)，在夏季高溫時(shí)段，背壓參數(shù)不同程度地限制了空冷機(jī)組負(fù)荷。受自然大風(fēng)影響，空冷島會出現(xiàn)熱風(fēng)回流現(xiàn)象，可導(dǎo)致背壓飛升、機(jī)組跳閘，南非馬廷巴電廠、山西漳山電廠、大同第二發(fā)電公司均發(fā)生過因背壓大幅波動造成保護(hù)動作停機(jī)的事件，嚴(yán)重制約了空冷機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。因此，避免空冷機(jī)組背壓飛升造成保護(hù)動作停機(jī)，成為亟待解決的課題[1]。

1 背壓保護(hù)問題分析

神華國能集團(tuán)有限公司的600 MW直接空冷機(jī)組多分布在山西、陜西、寧夏、內(nèi)蒙古等偏遠(yuǎn)地區(qū)，全年溫度、風(fēng)速、風(fēng)向變化較大。受多種因素影響，直接空冷汽輪機(jī)的背壓頻繁大幅變化，在夏季高溫、大風(fēng)時(shí)尤為突出[2]。目前，國內(nèi)直接空冷機(jī)組普遍采用在背壓達(dá)報(bào)警值之前限制或降低機(jī)組出力的控制方式，導(dǎo)致機(jī)組頻繁限負(fù)荷運(yùn)行。在高背壓、低負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)末級葉片的蒸汽體積流量和排汽速率大大下降，末級葉片供汽不足，動應(yīng)力急劇增大，可能超過葉片材料的疲勞強(qiáng)度，造成葉片損壞；夏季運(yùn)行時(shí)在自然大風(fēng)的作用下，空冷凝汽器散熱片排出的熱空氣又返回到風(fēng)機(jī)入口，導(dǎo)致散熱器入口空氣溫度升高，傳熱溫差減小，嚴(yán)重降低散熱器傳熱效率，造成空冷島出現(xiàn)熱風(fēng)回流現(xiàn)象[3]，當(dāng)環(huán)境風(fēng)速達(dá)6～9 m/s。風(fēng)向角為180°時(shí)，空冷島熱回流對機(jī)組背壓的影響最大，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致背壓高保護(hù)動作停機(jī)。為避免上述現(xiàn)象發(fā)生，有2種方法可以嘗試。

(1)提高空冷島風(fēng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速。直接空冷機(jī)組多采用變頻技術(shù)來控制軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以調(diào)節(jié)汽輪機(jī)背壓。從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度來看，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可使汽輪機(jī)背壓降低，但需對背壓降低多發(fā)的電量與提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速多耗的電量進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較[2]。

(2)減少空冷島乏汽進(jìn)汽量。當(dāng)出現(xiàn)空冷島熱風(fēng)回流現(xiàn)象時(shí)，機(jī)組背壓升高幅度大、速度快，降低進(jìn)入空冷島的乏汽量，可以平衡空冷島瞬間失去的冷卻能力，防止背壓快速升高。但因機(jī)組背壓的升高有延遲，當(dāng)運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)背壓升高時(shí)，一般已經(jīng)失去了降負(fù)荷的最佳時(shí)機(jī)，所以當(dāng)機(jī)組背壓升高到一定值時(shí)需要通過快減負(fù)荷(RB)來減少汽輪機(jī)排汽量，快速降低背壓，使汽輪機(jī)恢復(fù)到安全運(yùn)行區(qū)域，避免機(jī)組跳閘。

2 背壓保護(hù)策略優(yōu)化

針對空冷機(jī)組背壓飛升問題，按照快速降低空冷島乏汽進(jìn)汽量來控制背壓值的技術(shù)思路，選定某公司600 MW亞臨界直接空冷機(jī)組開展背壓保護(hù)優(yōu)化工作。

2.1 優(yōu)化監(jiān)測與報(bào)警功能

(1)風(fēng)速、風(fēng)向監(jiān)測。原來安裝在空冷島散熱翅片部位的風(fēng)速及風(fēng)向測量裝置高度偏高，受自然大風(fēng)引起的熱風(fēng)回流影響，未能真實(shí)反映出實(shí)際的風(fēng)向、風(fēng)速信息。根據(jù)該公司所處的地理環(huán)境特點(diǎn)，將測量裝置移至爐頂上部，以便能及時(shí)監(jiān)測到自然風(fēng)向的變化；同時(shí)在集控室操作員畫面中增加環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向報(bào)警頁面，自然風(fēng)向變化較快且風(fēng)速變化速率達(dá)到一定值時(shí)發(fā)出預(yù)警。

(2)背壓報(bào)警、預(yù)警。該600 MW直接空冷機(jī)組原設(shè)定的背壓報(bào)警值與跳機(jī)保護(hù)值間隔較小，報(bào)警后運(yùn)行人員必須在較短的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)并正確處理，非常容易出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)那闆r。試驗(yàn)人員根據(jù)該機(jī)組日常運(yùn)行情況，對監(jiān)測和報(bào)警功能進(jìn)行改進(jìn)，重新設(shè)定報(bào)警條件，給運(yùn)行人員創(chuàng)造應(yīng)急處理的時(shí)間和機(jī)會。參考該機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，在背壓大于46 kPa時(shí)增設(shè)報(bào)警，提前預(yù)警以保證運(yùn)行人員有足夠的操作時(shí)間降低機(jī)組負(fù)荷，減少空冷島乏汽進(jìn)汽量；增設(shè)背壓變化速率報(bào)警，通過背壓變化速率判斷功能邏輯，背壓值在1 min內(nèi)增量大于2 kPa即觸發(fā)光子牌聲光報(bào)警，運(yùn)行人員提前按照事故預(yù)想及應(yīng)急處理程序進(jìn)行人工干預(yù)。

2.2 設(shè)計(jì)背壓飛升RB功能

為消除自然大風(fēng)引起的背壓飛升影響，最有效的方法就是降低空冷島的乏汽進(jìn)汽量，背壓速率變化較快并達(dá)到設(shè)定值時(shí)RB動作，快速調(diào)減機(jī)組負(fù)荷[4]?？刂撇呗詾椋寒?dāng)機(jī)組背壓超過設(shè)定值，同時(shí)背壓飛升速率超過設(shè)定值時(shí)機(jī)組RB動作，快速減少乏汽進(jìn)汽量，避免汽輪機(jī)背壓值上升太快，造成機(jī)組跳閘。通過分析歷史數(shù)據(jù)和試驗(yàn)驗(yàn)證，將機(jī)組各工況下的背壓值與相應(yīng)的背壓飛升速率作為定值組，用于邏輯判斷，相應(yīng)RB條件觸發(fā)后及時(shí)甩負(fù)荷。

將空冷島排氣管道兩側(cè)的數(shù)據(jù)信號按照三選中原則進(jìn)行選擇后，再選取兩者中的較大值，然后進(jìn)行測點(diǎn)質(zhì)量判斷，作為背壓飛升RB邏輯判斷值，RB控制邏輯如圖1所示。控制邏輯基于空冷背壓值在不同區(qū)間距離跳閘值的風(fēng)險(xiǎn)程度，設(shè)置了不同的判斷速率。主要依據(jù)空冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對不同工況下的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算而得到判斷速率。以該600 MW直接空冷機(jī)組背壓飛升RB為例，其觸發(fā)條件如下。

圖1 空冷機(jī)組背壓飛升RB控制邏輯

(1)機(jī)組大于RB動作負(fù)荷設(shè)定值：在負(fù)荷大于410 MW時(shí)觸發(fā)RB動作，RB動作后的目標(biāo)值設(shè)定為300 MW，負(fù)荷小于300 MW時(shí)復(fù)位。

(2)空冷背壓為48～55 kPa，背壓飛升變化速率大于5 kPa/min；空冷背壓為56～59 kPa，背壓飛升變化速率大于3 kPa/min；空冷背壓大于60 kPa。滿足上述3個(gè)條件中的任一條件時(shí)觸發(fā)RB動作。

2.3 邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

為保證空冷機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，必須避免誤動和拒動，需對引入邏輯運(yùn)算的背壓值模擬量信號進(jìn)行測點(diǎn)數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷，如果信號的質(zhì)量有問題，將閉鎖此功能，防止因信號質(zhì)量問題造成空冷機(jī)組RB誤動；排氣管道兩側(cè)背壓值要經(jīng)過比選，選擇最大背壓值作為邏輯判斷依據(jù)。因汽輪機(jī)排氣管道兩側(cè)的背壓值可能出現(xiàn)較大偏差，要避免汽輪機(jī)背壓高保護(hù)已動作但背壓飛升RB未動作的情況發(fā)生[5]。

不同機(jī)組背壓飛升RB動作的負(fù)荷設(shè)定值、背壓變化速率設(shè)定值需根據(jù)機(jī)組運(yùn)行特性區(qū)別對待，通過對機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，尋找當(dāng)環(huán)境急劇惡化時(shí)，背壓上升較快的負(fù)荷臨界點(diǎn)，審慎選擇相關(guān)設(shè)定值。

3 保護(hù)優(yōu)化應(yīng)用效果

某年春季，陜西區(qū)域某亞臨界600 MW空冷機(jī)組背壓飛升RB動作前，機(jī)組負(fù)荷為560 MW，背壓為38 kPa，由于自然大風(fēng)使風(fēng)向、風(fēng)速變化較快，機(jī)組背壓值異常波動，背壓迅速攀升至48 kPa，觸發(fā)背壓飛升RB動作，機(jī)組快速減負(fù)荷，穩(wěn)定在298 MW，背壓穩(wěn)定在28 kPa。背壓飛升RB動作歷史曲線如圖2所示。

圖2 空冷機(jī)組背壓飛升RB動作歷史曲線

從歷史數(shù)據(jù)庫中分析該時(shí)間段內(nèi)的相關(guān)參數(shù)曲線，如未設(shè)計(jì)空冷飛升RB功能，約3.5 min機(jī)組背壓就會達(dá)到背壓保護(hù)動作值，因此背壓飛升RB動作避免發(fā)生了一次機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。

另外，經(jīng)電廠運(yùn)行人員反饋，在機(jī)組運(yùn)行監(jiān)盤過程中，空冷背壓增量速率報(bào)警功能簡單實(shí)用，機(jī)組背壓達(dá)到飛升RB動作值之前，能夠及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，提醒運(yùn)行人員提前進(jìn)行相關(guān)操作，調(diào)整機(jī)組運(yùn)行，避免機(jī)組背壓進(jìn)一步惡化。

4 結(jié)束語

直接空冷機(jī)組背壓飛升RB功能的應(yīng)用從控制策略角度降低了由于自然大風(fēng)、熱風(fēng)回流造成機(jī)組背壓值急劇上升而導(dǎo)致機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。夏季可將空冷機(jī)組背壓提高到接近報(bào)警值運(yùn)行，及時(shí)提醒運(yùn)行人員提前干預(yù)，有效減少機(jī)組限負(fù)荷次數(shù)；也適用于直接空冷系統(tǒng)多臺風(fēng)機(jī)同時(shí)出現(xiàn)故障等導(dǎo)致機(jī)組背壓突然上升的情況。神華國能集團(tuán)有限公司多臺直接空冷機(jī)組均已開展背壓飛升RB邏輯優(yōu)化工作，投入少、效益明顯。

參考文獻(xiàn)：

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