李瑞光

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

1 空冷系統(tǒng)概述

我國的火力發(fā)電約占全部發(fā)電量的80%，常規(guī)的火力發(fā)電生產(chǎn)過程中普遍采用濕冷塔工藝作為系統(tǒng)降溫的手段，水因?yàn)檎舭l(fā)、風(fēng)吹而損失巨大。目前我國近2/3 的城市都存在不同程度的缺水，節(jié)約用水刻不容緩。如果火力發(fā)電廠汽輪機(jī)采用空氣冷卻系統(tǒng)作為冷源，其耗水量僅為常規(guī)濕冷火電廠的三分之一，從而可大幅度地減少水的消耗。直接空冷系統(tǒng)由于具有環(huán)保、節(jié)能、節(jié)水等主要特點(diǎn)，在我國也已得到了應(yīng)用，國內(nèi)最先采用空冷島技術(shù)的電廠有:2004 年漳山電廠和華能榆社電廠的2 ×300 MW;2005 年國電公司大同二電廠的2 ×600 MW 等大型電廠。

小型發(fā)電廠一般是指:單臺鍋爐額定蒸發(fā)量20～130 t/h、供熱式汽輪機(jī)功率1.5～12 MW、凝汽式汽輪機(jī)功率3～25 MW 的發(fā)電廠。近幾年來，焦化、石油、化工等大中型企業(yè)的自備電廠以及水泥、冶金等行業(yè)的余熱發(fā)電項(xiàng)目小型電廠紛紛上馬，這些被國家審批的新上馬的小型電廠項(xiàng)目幾乎都是采用了直接空冷技術(shù)，這都標(biāo)志著空冷技術(shù)在小電廠上的應(yīng)用也日漸成熟。

2 直接空冷系統(tǒng)的組成及流程

2.1 直接空冷系統(tǒng)的組成

直接空冷系統(tǒng)一般由:排汽管道、空冷島(蒸汽分配管、換熱管束、冷凝水管、軸流風(fēng)機(jī)、變頻控制裝置、清洗設(shè)備等)、凝結(jié)水箱、真空泵及其管閥系統(tǒng)構(gòu)成。詳見空冷系統(tǒng)原理圖。

小型電廠及自備電廠的直接空冷系統(tǒng)一般每臺機(jī)組配有2 列風(fēng)機(jī)，每列包括3 臺風(fēng)機(jī)，排列順序?yàn)?順流+逆流+順流。也有些水泥余熱項(xiàng)目或其它改造項(xiàng)目因?yàn)閳龅氐脑蚩刹捎靡慌_機(jī)組只配一列4 臺風(fēng)機(jī)，排列順序?yàn)?順流+逆流+逆流+順流。

圖1 空冷系統(tǒng)原理圖

2.2 直接空冷系統(tǒng)的流程

抽真空系統(tǒng)啟動(dòng)后，水環(huán)真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓將來自汽輪機(jī)的蒸汽由主排汽管道引出汽機(jī)房并進(jìn)入蒸汽總管，蒸汽總管分出支管，支管垂直上升與各列的空冷凝汽器頂部的蒸汽分配管相連，蒸汽再沿著蒸汽分配管箱進(jìn)入凝汽器管束，冷凝器(順流)由平行排列的大量翅片管組成，蒸汽在管內(nèi)與冷凝器表面的冷空氣換熱、冷凝，冷空氣由布置在管束下部的軸流風(fēng)機(jī)提供，軸流風(fēng)機(jī)由變頻裝置調(diào)速控制。冷凝后產(chǎn)生的凝結(jié)水送到凝結(jié)水疏水管道匯集，排至凝結(jié)水箱，經(jīng)過對凝結(jié)水精處理，再加熱，最后由凝結(jié)水泵升壓，送至鍋爐給水系統(tǒng)形成循環(huán)用水。未冷凝的蒸汽送至分凝器(逆流)管束。分凝器(逆流)管束的頂端有一個(gè)接管，未冷凝的蒸汽和空氣經(jīng)接管被真空泵抽取，抽氣管道與抽真空系統(tǒng)相連接。

3 直接空冷系統(tǒng)的檢測與控制

3.1 空冷控制系統(tǒng)的組成

小型電廠空冷控制系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)子系統(tǒng)組成:

1)排汽管道監(jiān)控系統(tǒng)

2)真空泵控制系統(tǒng)

3)凝結(jié)水監(jiān)測系統(tǒng)

4)空冷島控制系統(tǒng)

5)冷凝器及分凝器的清洗系統(tǒng)

3.2 各子系統(tǒng)的檢測點(diǎn)分布及控制要求

3.2.1 排汽管道系統(tǒng)

主要設(shè)備:主排汽管道、蒸汽立管、蒸汽分配集管、儀表等。

檢測點(diǎn)分布:

汽機(jī)背壓分別由在主排氣管道上的壓力變送器按照3選2 原則測量，并且由此計(jì)算出系統(tǒng)的平均背壓值，依據(jù)背壓值對變頻和風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。壓力變送器和熱電阻都安裝在靠近低壓缸出口的主排汽管道上。每臺機(jī)組安裝三個(gè)絕對壓力變送器，輸出4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)信號，量程0～150 kPa、三個(gè)鎧裝熱電阻Pt100，量程0～150 ℃。在崗位工操作現(xiàn)場就地安裝三個(gè)彈簧管壓力真空表YZ-150 和三個(gè)雙金屬溫度計(jì)WSS-481 便于崗位工現(xiàn)場就地觀測溫度和壓力數(shù)據(jù)。

控制要求:監(jiān)測排氣管道溫度和排氣管道壓力。系統(tǒng)要配有安全爆破膜，使生產(chǎn)系統(tǒng)免于在控制系統(tǒng)失效時(shí)產(chǎn)生過壓。安全爆破膜被設(shè)計(jì)為在高壓情況下爆破全開減壓、排汽。整定壓力為44.2 kPa，每只爆破膜最大瀉放能力為97.7 kg/s，爆破膜安裝在A 排外的主蒸汽管道立管上。

背壓值是系統(tǒng)的主要控制點(diǎn)，根據(jù)背壓控制曲線來控制變頻器的頻率輸出和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，獲取相應(yīng)的冷空氣最終控制排氣溫度的目的?？筛鶕?jù)機(jī)組實(shí)際情況設(shè)定汽機(jī)排汽系統(tǒng)壓力低位報(bào)警和高位報(bào)警值。

3.2.2 抽真空系統(tǒng)

主要設(shè)備:真空泵、真空旁路閥、電機(jī)、管道、儀表等。

檢測點(diǎn)分布:在每列設(shè)抽真空管道上安裝鎧裝熱電阻Pt100，量程0～150 ℃2 個(gè)。

控制要求:需要監(jiān)測每列的抽真空溫度。抽真空系統(tǒng)主要用來建立和維持汽輪機(jī)組的低背壓和凝汽器的真空。

1)控制真空泵的啟停。2)監(jiān)視各列抽真空溫度的變化情況，根據(jù)溫度來控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度。3)冬季時(shí)嚴(yán)格監(jiān)控抽真空溫度，汽輪機(jī)排汽溫度與真空抽氣溫度偏差＞15 ℃時(shí)，采取相應(yīng)措施，防止冷凝器結(jié)冰引起的體積膨脹導(dǎo)致冷凝器變形甚至破裂。

小型電廠的抽真空系統(tǒng)一般由2－3 臺抽真空泵組成，抽真空系統(tǒng)的作用是在空冷控制系統(tǒng)啟動(dòng)前將一些汽、水管路系統(tǒng)和設(shè)備中積集的空氣迅速抽掉，在空冷正常運(yùn)行時(shí)抽真空系統(tǒng)要保持空冷系統(tǒng)內(nèi)的大氣壓及時(shí)抽掉蒸汽和疏水，以及泄漏入真空系統(tǒng)的空氣和其他不凝結(jié)氣體，以維持空冷凝汽器真空和減少對設(shè)備等的腐蝕。

操作要點(diǎn):空冷系統(tǒng)為了加速系統(tǒng)建立真空速度，一般均設(shè)抽真空旁路閥，在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)開啟真空旁路閥，這時(shí)要求所有的抽真空泵都要投入運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)預(yù)抽真空結(jié)束后(排汽絕對壓力達(dá)到12～15 kPa)，則關(guān)閉抽真空旁路閥，關(guān)閉抽真空旁路閥后，方可以往空冷系統(tǒng)排入蒸汽，維持真空階段，真空泵要交替使用，防止只用一臺，而忽略其它的幾臺。

一般控制:任一抽真空溫度低于25 ℃，應(yīng)發(fā)出報(bào)警。

3.2.3 凝結(jié)水收集系統(tǒng)

主要設(shè)備:凝結(jié)水泵、凝結(jié)水箱、回水管道、儀表等。

檢測點(diǎn)分布:在凝結(jié)水出水管道上。每列設(shè)左凝結(jié)水管道溫度1 個(gè)鎧裝熱電阻Pt100，量程0～100 ℃、右凝結(jié)水管道溫度1 個(gè)鎧裝熱電阻Pt100，量程0～150 ℃。

控制要求:需要監(jiān)測各散熱單元凝結(jié)水溫度。控制系統(tǒng)不包括凝結(jié)水的循環(huán)處理系統(tǒng)。

1)控制凝結(jié)水泵的啟停。2)監(jiān)視各列凝結(jié)水溫度的變化情況，根據(jù)溫度來控制變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度。3)冬季時(shí)嚴(yán)格監(jiān)控凝結(jié)水溫度由于熱力和流量不均所造成的凝結(jié)水溫度偏差，導(dǎo)致空冷器凝結(jié)水過冷度超標(biāo)，引發(fā)冷凝器結(jié)冰現(xiàn)象。

一般控制:當(dāng)任一凝結(jié)水溫度低于30 ℃，應(yīng)發(fā)出報(bào)警。

3.2.4 空冷島控制系統(tǒng)

主要設(shè)備:軸流風(fēng)機(jī)、減速箱、風(fēng)機(jī)電機(jī)、變頻裝置、儀表等。

檢測點(diǎn)分布:

1)環(huán)境溫度:在每臺機(jī)組的空冷島四周安裝環(huán)境溫度熱電阻4 個(gè)鎧裝熱電阻Pt100，量程－50～50 ℃。

2)減速機(jī)油溫:每臺減速機(jī)需配有1 個(gè)油溫監(jiān)測點(diǎn)，熱電阻Pt100，量程0～100 ℃。

3)減速機(jī)油壓:每臺減速機(jī)需配有1 個(gè)油壓開關(guān)監(jiān)測點(diǎn)。

4)風(fēng)機(jī)振動(dòng):每臺風(fēng)機(jī)電機(jī)處安裝1 個(gè)振動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)，輸出4～20 mA 信號。

5)電機(jī)繞組溫度、軸承溫度、電機(jī)電流:

每臺電機(jī)配有繞組溫度A/B/C 三項(xiàng)各1 個(gè)，pt100(量程－40～200 ℃)

每臺電機(jī)配前、后軸承溫度各一個(gè)pt100(量程－40～200 ℃)

電機(jī)電流檢測點(diǎn)信號取自變頻柜裝置的1 路4～20 mA信號。

6)環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向:系統(tǒng)配有環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境風(fēng)向監(jiān)測設(shè)備，風(fēng)向:0～360°;風(fēng)速0～50 m/s;220 V 供電輸出4～20 mA 信號。

7)電機(jī)加熱器:在空冷島平臺設(shè)有電機(jī)加熱操作箱，操作箱上有啟動(dòng)、停止按鈕、運(yùn)行指示燈。

8)就地急停按鈕:在每個(gè)風(fēng)機(jī)電機(jī)旁需有急停按鈕。

9)變頻控制裝置:包括變頻器、變頻控制柜、齒輪箱加熱操作按鈕、手動(dòng)啟/停按鈕、手動(dòng)調(diào)速電位器、手/自動(dòng)選擇開關(guān)、運(yùn)行/停止/故障指示燈等。

控制信號包括:運(yùn)行/停止、就地/遠(yuǎn)程、轉(zhuǎn)速、電流、急停、超頻開關(guān)、反轉(zhuǎn)、故障狀態(tài)等。

控制系統(tǒng)要求:

環(huán)境溫度＞2 ℃為夏季運(yùn)行模式，否則為冬季運(yùn)行模式。

減速機(jī)油溫＜5 ℃低溫報(bào)警，＞70 ℃高溫報(bào)警，＞80 ℃高溫停機(jī)。

減速機(jī)“油壓低”時(shí)發(fā)出低報(bào)信號，信號維持20 s 則風(fēng)機(jī)性保護(hù)停機(jī)。

風(fēng)機(jī)的振動(dòng)速度連續(xù)6 s 大于6.3 mm/s 時(shí)，則風(fēng)機(jī)保護(hù)性停機(jī)。

任一電機(jī)繞組溫度＞130 ℃發(fā)報(bào)警信號，＞150 ℃，則保護(hù)性聯(lián)鎖停機(jī)。

任一電機(jī)軸承溫度＞80 ℃發(fā)報(bào)警信號，高于90 ℃，則保護(hù)性聯(lián)鎖停機(jī)。

風(fēng)機(jī)電流高于電動(dòng)機(jī)額定電流的110%發(fā)報(bào)警信號，由變頻柜裝置進(jìn)行設(shè)定保護(hù)。

風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)一般只作為監(jiān)視用，為調(diào)度在大風(fēng)天氣運(yùn)行時(shí)背壓設(shè)定控制的輔助參考。

空冷系統(tǒng)在啟動(dòng)之前，提前五小時(shí)啟動(dòng)電機(jī)加熱器，加熱時(shí)間為2～4 h。

風(fēng)機(jī)檢修或遇緊急情況可按下急停按鈕鎖死風(fēng)機(jī)，急停按鈕優(yōu)先級最高，只能通過手動(dòng)復(fù)位急停按鈕來解除鎖定狀態(tài)。

變頻控制裝置的作用是:通過就地手動(dòng)或者遠(yuǎn)程自動(dòng)給定變頻器輸出值(0～110%)，來控制風(fēng)機(jī)電機(jī)的速度，間接調(diào)節(jié)制冷空氣的量，與冷凝器中的蒸汽進(jìn)行熱交換，滿足汽機(jī)背壓值。變頻裝置分就地運(yùn)行(手動(dòng))和DCS 遠(yuǎn)控(自動(dòng))兩種方式。

3.2.5 冷凝器沖洗系統(tǒng)

冷凝器沖洗系統(tǒng)主要包括高壓水沖洗裝置及配套的電氣回路，清洗水壓≥80 bar，沖洗水源可接自化學(xué)水車間的除鹽水系統(tǒng)。為了保持空冷凝汽器良好的散熱性能建議每年洗空冷凝汽器外表面2～3 次，實(shí)際環(huán)境空氣質(zhì)量較差時(shí)，沖洗次數(shù)應(yīng)相應(yīng)增多。清洗系統(tǒng)為人工手動(dòng)操作。

4 空冷控制系統(tǒng)的編制

空冷控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是:依據(jù)背壓值對每臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行啟、?？刂坪退俣日{(diào)節(jié)。但要考慮到不同工況下的調(diào)節(jié)方式。

控制系統(tǒng)的啟動(dòng)順序?yàn)?1)真空泵控制系統(tǒng)啟動(dòng);2)空冷島控制系統(tǒng);3)排汽管道及凝結(jié)水監(jiān)測;4)其它信號監(jiān)測。

一般考慮編制夏季和冬季兩種工況的運(yùn)行。

夏季工況一般只考慮風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)順序，以每臺機(jī)組兩列每列3 臺風(fēng)機(jī)為例，參照順序:1 列逆流→2 列逆流→1 列1號→2 列1 號→1 列3 號→2 列3 號。風(fēng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)變頻輸出設(shè)定為30%(最低值)，全部啟動(dòng)完成后再根據(jù)背壓對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)。夏季工況應(yīng)考慮高溫及大風(fēng)天氣，當(dāng)環(huán)境溫度大于30 ℃，可轉(zhuǎn)手動(dòng)超頻運(yùn)行模式，變頻輸出110%，當(dāng)機(jī)組背壓大于42.4 kPa，應(yīng)迅速降低機(jī)組負(fù)荷并采取相應(yīng)措施，也可考慮對冷凝器進(jìn)行清洗等。

機(jī)組在嚴(yán)寒的冬季運(yùn)行時(shí)，溫度太低或機(jī)組運(yùn)行處于“三低”(低氣溫、低負(fù)荷、低排汽壓力)的工況下會(huì)導(dǎo)致冷凝器結(jié)冰，進(jìn)而變形嚴(yán)重時(shí)崩裂。編制軟件時(shí)，要重點(diǎn)考慮冬季防凍保護(hù)。控制系統(tǒng)編制可參考下圖。

圖2 空冷控制系統(tǒng)功能參考圖

5 空冷控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式

空冷控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式有三種:

1)自動(dòng)運(yùn)行模式:一般情況下由空冷控制系統(tǒng)根據(jù)背壓信號自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，自動(dòng)聯(lián)鎖、保護(hù)投運(yùn)。

2)控制室手動(dòng)操作模式:在出現(xiàn)夏季高熱、大風(fēng)、生產(chǎn)系統(tǒng)不穩(wěn)定等情況時(shí)調(diào)度人員可根據(jù)工況人工給定背壓、頻率對風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制。

如:周圍環(huán)境溫度在30 ℃以上，允許風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)電機(jī)在110%額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)(55 Hz=超速模式)。

3)就地模式:在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)或系統(tǒng)通訊故障時(shí)允許通過變頻裝置就地啟/停風(fēng)機(jī)和手動(dòng)給定速度。