大型火电机组间接空冷自动控制系统优化

大型火电机组间接空冷自动控制系统优化

郝旺荣胡江

（国电内蒙古东胜热电有限公司内蒙古自治区鄂尔多斯市017000）

摘要：在北方富煤缺水地区推广应用火电空冷机组，使其达到利用当地劣质煤炭同样可以建厂发电的目的。用空气冷却系统来冷却、冷凝汽轮机尾部排出的乏汽的汽轮机组称作空冷机组，采用空冷系统的发电厂称作空冷电厂。

关键词：大型火电机组；间接；空冷自动；控制系统；分析

引言：空冷机组是节水发电的有效途径，在北方富煤缺水地区得到和将得到广泛的应用。空冷系统应用空气冷却热交换技术，将汽轮机排出的乏汽废热释放给空气，而乏汽受冷后发生相变把饱和蒸汽直接冷凝成凝结水，称作直接空冷技术；或通过冷却剂间接冷凝成凝结水，称作间接空冷技术。空冷式发电技术因其空气的比热只有水的1/4，空气容重远小于水，故所需散热表面积浩大，空冷装置占据空间庞大、价格昂贵。

1.我国火电空冷机组的发展概况

我国于60年代开始研制的火电空冷技术装备和选择的试验电厂均为小型火电空冷机组。到80年代末，从国外引进了2×200MW混合式凝冷器间接空冷机组，装于大同第二发电厂，后国内制造了4×200MW同类空冷机组，装于内蒙古丰镇电厂。在90年代初，投运了2×200MW表面式凝汽器间接空冷机组，后来又续建1×200MW同类空冷机组。那时，全球火电空冷技术已发展到成熟阶段，其主要标志是600MW级机械通风直接空冷大机组已经问世，4GW空冷大电厂相继出现，而我国的火电空冷技术水平仅停留在中型火电机组的自然通风间接空冷装置上。

进入21世纪以来，国家在第十个五年发展计划期间，明确指出要发展大型空冷电厂并逐步形成规模。预计在第“十一五”计划期间（2006～2010年），我国火电空冷机组将有70多台，装机容量约3000多万千瓦。2005年底现有860万千瓦，共计可达4000万千瓦，约占全国电力装机6.65亿千瓦的6%，而且绝大部分为300MW与600MW大容量空冷机组。我国历年装设火电空冷机组与空冷装置，近3年来是火电空冷机组迅猛发展时期。在这3年内空冷机组装机达14台、装机容量520万千瓦占18年总容量的74%。

2.空冷系统的型式及基本原理

直接空冷系统是指汽轮机排汽通过粗大的排气管道至室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过冷却器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回锅炉。间接空冷系统是指汽轮机排汽以水为中间介质，将排汽与空气之间的热交换分2次进行：一次为蒸汽与冷却水在凝汽器中换热；另外一次为冷却水和空气在空冷塔里换热，空冷塔冷却水出水再回到汽机房凝汽器内作闭式循环。根据配用的凝汽器不同分为表凝式间接空冷和混凝式间接空冷。因混凝式间接空冷在大容量机组中应用较少，故文中所述间接空冷系统主要指表凝式间接空冷。

3.防冻保护控制

一是当环境温度>5℃时，如果背压>7kaP且循环水热水温度>40℃，则扇区的百叶窗开始开启调节。如果热水管温度<35℃，则扇区的百叶窗开始关闭调节。如果背压<7kaP，背压升到了最高限，则扇区的百叶窗开始开启调节，如果背压达到最低限，则扇区的百叶窗开始关闭调节。二是当环境温度<5℃时，如果背压>7kPa且循环水热水温度>28℃，则扇区的百叶窗开始开启调节。如果背压<7kaP，扇区回水温度>28℃且背压达高限，则扇区的百叶窗开始开启调节。如果背压达低限且扇区回水温度<35℃，则扇区的百叶窗开始关闭调节。

4.自动控制系统优化

4.1PID调节优化

为避免运行中汽轮机背压小幅波动对百叶窗开度产生扰动，在百叶窗开度控制回路第1级中对背压实际测量值与设定值偏差设置了0.5kPa的死区。在空冷塔运行中，各冷却扇区冷却效果差异会引起各冷却区循环水温度、排汽温度及背压出现偏差，影响空冷塔正常运行。为此，需要对个别冷却扇区或百叶窗开度进行调节。在每个冷却扇区及每个百叶窗开度回路中利用加法器为开度控制设置偏置，使百叶窗开度调节更加灵活。原控制逻辑中控制逻辑采用纯积分器加偏差死区的方式，当偏差很大时才执行启动程序步序，启动/停止三角扇区，而调节偏差很大易产生振荡。由于百叶窗执行机构可连续调节，只要汽轮机背压稳定，无需考虑程序步序变化带来的启动/停止三角扇区频繁动作。试验发现，汽轮机背压波动比较大，不能很好地实现程序跳步。对此，将单纯的积分调节修改为比例积分调节，调节死区为05kPa。

4.2背压设定值自动变化功能

半数运行扇区循环水冷水温度低于25℃时，汽轮机背压设定值自动增加2kPa；30min后，如果循环水温度仍低于25℃，则背压设定值再增加2kPa。在设定值更改之后，当所有扇区循环水温度均高于300C时，延时6Omin后，设定值降低2kPa。

4.3变增益调节

当程序步序增加或减少时，百叶窗运行数量将发生变化，控制系统的开环增益相应也发生变化。如果程序步序增加，并列运行的百叶窗增多，控制系统的开环增益变大，为了得到更好的调节品质，在程序步序发生变化后对控制系统的开环增益系数进行相应的调整。

4.4其它扰动量的影响及优化

一是机组升降负荷时，汽轮机背压相应升高或下降。针对负荷变化对汽轮机背压的影响，若空冷系统惯性比较，应在背压调节中增加设定负荷微分前馈。二是外界环境温度改变时，根据环境温度与汽轮机背压变化的关系，适当改变汽轮机背压设定值。随着环境温度的升高，汽轮机背压逐渐升高，且速率逐渐增大。三是当汽轮机背压上升至接近限值，并且百叶窗开度为最大值时，必须按一定速率迫降负荷，以避免真空低导致机组停机。

4.5自动步序控制优化

一是原控制逻辑为当汽轮机背压在一定范围内波动时，积分器不起作用。当汽轮机背压超出限制，或积分器开始积分直到积分超出限值时才启动/停止三角扇区，结果导致百叶窗开度和汽轮机背压变化很大。为此，将控制逻辑修改为只有百叶窗开度接近限值且汽轮机背压继续增大或减小时才选择启动/停止三角扇区。二是如果背压高于背压高二值（BPHH）且BPHH=1.3×背压设定值，则将直接启动一列三角扇区直到汽轮机背压返回到正常范围，如果背压<背压低二值（BPLL），且BPLL=L.07×背压设定值，则将直接停止一列三角扇区直到汽轮机背压返回到正常范围。

总结：与水冷技术相比，间接空冷技术有其特有的优越性，应用性也较为广泛，但同时间接空冷技术也有其自身的控制难题。本文介绍的间接空冷系统自动控制逻辑的修改及优化方法，解决了间接空冷系统背压控制难及机组防冻保护等问题，真正实现了空冷系统的自动调节。该电厂间接空冷系统自投运以来，汽轮机背压控制稳定，满足机组运行的要求，实现了机组安全、稳定、经济地运行。

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