直接空冷凝汽器系統的優化控制

薛凌飛 劉永林 王 建 呂俊閣 任東陽

（1.延長石油榆林煤化有限公司；2.中石化建設有限公司）

直接空冷凝汽器系統的優化控制

薛凌飛*1劉永林2王 建2呂俊閣2任東陽1

（1.延長石油榆林煤化有限公司；2.中石化建設有限公司）

系統和全面地分析了直接空冷凝汽器（ACC）系統的優化控制，對ACC優化控制過程中所遇到的難題有針對性地提出了解決辦法，并介紹了成功的調試案例。

空冷凝汽器 逆流 順流 優化控制 風機

20世紀60年代，直接空冷系統順流/逆流換熱管束KD比技術的成功應用，為富煤缺水地區使用透平機進行空冷制冷生產的企業帶來了新的生機。隨著煤化工行業的迅猛發展，空冷凝汽器 （air cooled condenser，即ACC）系統在煤化工中的成功應用帶來的經濟效益使許多行業對ACC倍加推崇。搞好ACC的優化控制是ACC成功投運的重要基礎，為此筆者著重就煤化工行業的ACC優化控制作一較詳細論述。

1 ACC的優化控制

提高換熱管束的換熱性能和防凍性能是整個ACC優化的核心。

1.1 ACC廠家對設備的優化

所有的ACC廠家都愿意對設備的性能優化狠下功夫。比如優先選用鋼制的較大橢圓形截面的芯管和鋁制翅片進行緊密的冶金性質的連接，在出廠時就組裝成一個完整的管束，使得整個管束排具有優異的換熱性能，并在結構上具有換熱防凍、高強度以及抗腐蝕性能。根據各個煤化工單位的使用工況要求，確定整個ACC管束排中順流/逆流管束KD比的分布，且順流管束與逆流管束各使用自己的軸流風機，可達到有效的防凍效果。盡量優先選用大口徑直接軸流風機，避免使用皮帶拖動類軸流風機，可大大提高出力和減少維護量。鋁翅片相互平行且第一排管束采用4 mm的較大翅片間距，依據間距逐級遞減原則，最后一排管束采用2.5 mm的較小翅片間距，使得整套管束排換熱均勻且更易清洗。整個散熱器的有效散熱面積應在設計上留有一定的余量。北方等高寒地區應選用容量適當、質量可靠的閥門、百葉窗、百葉窗操作機構、泵和抽空設備，這也是ACC正常投運的重要保證。1.2 設計單位對ACC的優化設計

設計單位在整個ACC投運前需根據需要多次召開業主和ACC廠家的技術交底會，不斷優化和改進整個ACC的性能。首先，ACC所配套的儀控和電氣設備一定要充分滿足生產工況的要求，特別是要滿足ACC的自動功能和保護功能的可靠性、有效性，如所選用的軸流風機能實現無級變速，可靈活調節進風量，配套的風機數目能滿足生產要需；其次，在選址上設備位置要遠離業主集中辦公區，至少要在80 m之外，使辦公區噪音低于55 dB，達到安全和環保要求；最后，一定要注意整個過程的系統優化，包括考慮到廠址海拔高度、歷史最低溫度 （如延長石油榆林煤化有限公司和兗州煤業榆林能化有限公司地處海拔高度1 147～1 281 m，歷史最低溫度為-32.7℃）和環境風速等對ACC投運的影響。

1.2.1 對ACC輔助設備的優化控制

為了ACC能科學、安全、高效投運，所選用的儀控輔設其防凍性能過關是前提。變頻器的散熱性能是其可靠運行的保證。整個ACC防雷擊性能是其安全的重要保證。另外，所配用的真空泵一定要滿足抽真空負荷的要求。

1.2.2 對ACC自動調節的優化是整個過程的核心

1.2.2.1 控制方案的優化

當環境溫度大于-20℃時，機組允許冷啟動時建立真空，即按圖1所示的步驟自動建立真空。

圖1 機組啟動建立真空步序

1.2.2.2 ACC的自動調節

通常規定，汽輪機背壓小于15 kPa時開始轉入背壓自動跳步和調節。但此設定值太小，特別是夏季高溫時，很難達到15 kPa。根據陜北地理實際需要，此設定值應改為20 kPa，這樣可大大縮短啟動時間，節約啟動成本。真空建立后，透平機的背壓控制系統根據背壓測量值與設定值之差來連續地對ACC的軸流風機臺數、風機轉速和蒸汽隔離閥位置進行調整，以實現自動調節和自動跳步。如目前煤化工行業常用的某煤化有限公司的ACC（3列9座風機，其中每列第2座風機為逆流風機，列1、列3列管有2臺蒸汽關斷電動閥），其風機轉速就設計為多級轉速。一般設計方案中，為避免頻繁的開關動作，只要背壓實際值介于背壓高位值與低位值之間就可保持工序運行。自動調節和程控保護相輔相成，一般整定如圖2所示。

由于邏輯采用純積分器，偏差死區較大，偏差很大時才自動跳步。調節偏差大，很容易形成振蕩而導致ACC運行不穩定。所以筆者通過調試，將單純的積分調節方式改為比例積分調節方式，調節死區為0.15 kPa，背壓躍進壓力為3 kPa，冬夏季逆轉觸發溫度為3℃和8℃。當步序增加或減少時，運行的風機臺數將發生變化，如果步序增加，并列運行的風機臺數將增加，開環增益變大。為了得到更好的調節品質，筆者建議在步序發生變化后對開環增益系數進行相應的調整。

1.2.3 對ACC程控保護的優化

程控保護的實現是自動調節的唯一結果和直接保證，在這個過程中要首先實現的保護條件是軸流風機潤滑油壓 ≤ 50 kPa、振動 ≥ 0.5 g（烈，振動單位）、變頻器各項保護動作時停止風機運行。基礎性保護有下述幾項。ACC的停運保護：夏季2列電動閥全開，冬季2列電動閥啟動時全關。電動閥的投運保護：列2風機頻率 ≥25 Hz、列2凝結水溫度 ≥35℃、主控輸出 ≥40%且凝結水與環境溫度之差大于5℃時，列1電動閥開，反之主控輸出≤20%時關，列1和列2風機頻率≥25 Hz、列1和列2凝結水溫度 ≥ 35℃、主控輸出≥40%且凝結水溫度與環境溫度之差 ≥5℃時開列3電動閥，反之主控輸出 ≤ 38%時關。逆流（凝汽器）保護投運條件：環境溫度 ≤3℃、列X蒸汽閥已打開、與下聯箱 （抽氣管真空）溫差≥15℃時，逆流保護不動作，如啟動則與下聯箱（抽氣管真空）溫差 ≥18℃。防凍保護動作條件：凝結水 （真空）溫度低報警、顯示逆流防凍保護運行、列X逆流風機以5 Hz/min降速為0、列X逆流風機保速運行、溫差≤8℃時自動解列、反向執行且與主控制器連接到自動控制狀態。回暖循環保護：環境溫度≤-2℃、列1和例3的電動閥打開 （否則執行跳步）、逆順流保護沒啟動，保護執行時列1逆流風機停運5 min后啟動再運行15 min、列2逆流風機停運5 min后啟動再運行15 min、列3逆流風機停運5 min后啟動再運行15 min，每列以2 h為一個周期計時，不滿足條件時則循環運行。特別需注意的是回暖循環保護運行時，一旦逆順流保護觸發，對應的列X逆流風機停運，這時可以手動啟動列X逆流風機，回暖循環保護則自動跳至下一列執行。

圖2 ACC自動調節過程核心控制參數案例

1.3 化工設備安裝單位對ACC的安裝優化

大直徑管道安裝時，每一段管道對口一定要中心找正，否則后面管系的支架無法就位。為保證管道在焊接時不產生附加應力，確保汽輪機安全穩定運行，管道對口時必須同時焊接，即2個焊工同時對稱焊接，不能從單面進行焊接。為保證系統的嚴密性，達到焊口在30年壽命期無泄漏點的行業標準，應確保每一道焊縫無夾雜、氣孔等焊接缺陷。空冷鋼結構平臺和平臺上設備及汽輪機房外的排汽、配汽管安裝時，需將對整體安裝有影響的電氣出線及電氣設備提前安裝到位，引導散熱器滑動的方鋼的水平度通過在其下部加墊鐵進行調整，以保證誤差不超過3 mm。方鋼和平臺設計一般為螺栓連接，但如果在下部加的墊鐵較厚，必須對方鋼和平臺進行焊接，且焊接長度要相對較長一些。另外，由于方鋼進行熱浸鋅后會產生熱變形，從而使方鋼的螺栓孔和鋼平臺的螺栓孔不能對中，螺栓無法到位，所以方鋼和平臺必須焊接。但為了保證方鋼和平臺之間在熱脹冷縮過程中能自由伸縮，筆者建議通過對螺栓孔的修整來保證每一塊方鋼和平臺至少一半用螺栓連接，其余進行焊接。對于真空管道與逆流區管束的連接，應先將真空管道焊接后，再進行順逆流管束之間擋板的焊接，否則空間尺寸的限制會增加真空管焊接的難度，影響焊接質量。

1.4 ACC的運行優化需特別注意的問題

系統投運前必須先進行清洗，因為散熱器較臟，不僅增加風的阻力，影響散熱效果，而且易使風機過載而跳車。ACC投自動時必須講究無擾切換，否則會引起ACC系統波動。當冷凝工序每增加或減少1步后，至少留1 min的時間間隔，在間隔期內不允許直接跳步。根據對陜西榆林周邊地區眾多ACC運行情況的統計，無論哪個季節，運行背壓受風速影響都比較嚴重，無論哪個方向的來風，只要風速達到8 m/s時，機組背壓都會產生幾何級倍增，因此都要隨時修改PID整定參數來保證自動運行。同列軸流風機均速運行 （逆流風機除外），可起到有效的防凍作用，在冬季啟動時必須控制最小蒸汽進量和有效溫升，以確保安全啟動。1.5 ACC的調試、維護優化

對ACC所涉及的電氣、儀控回路和絕緣齒輪箱油位等進行檢查，一切都完好后對風機進行分步試運，重點檢查參數為風機啟動30 min內的轉動方向、逆流單元風機正反轉功能、振動和反饋等。為了縮短熱沖洗時間和節約除鹽水，筆者建議：ACC安裝結束后，應對管道進行人工和機械除銹并用吸塵器進行吸塵，然后再進行熱沖洗；為保證沖洗過程中凝結水溫度受控，需要頻繁開關各排風機來調溫；盡量集中蒸汽對準某一排散熱器進行吹掃；如沖洗后的凝結水很臟，無法回收，需要排入廢水井時，為了維持機組的真空，必須接臨時管道和臨時水箱；在冬季整套裝置啟動并空負荷試驗時，必須保證空冷散熱器內不結冰，因此機組高中壓缸必須聯合啟動，通過旁路加大散熱器的蒸汽量。

對ACC真空參數的定期試驗是判斷ACC性能是否完好的直接依據。日常巡檢時一定要關注DCS上所顯示的參數是否正確，一切依據以現場實測參數為準。筆者建議，齒輪箱的油脂每運行800 h更換一次 （可過濾后重新利用），每隔半年對所涉及的設備進行一次二級保養。特別應當注意，空冷機組避免采用變頻風機，因采用變頻風機后，夏季運行過程中若變頻器散熱出現故障 （發生頻率很高），變頻器會立即停止工作，致使風機停止運行。這時機組運行背壓會突然增加，致使機組降負荷運行，嚴重時還會造成停機。為了加強冬季防凍觀測，應在每一束逆流管的回流凝結水收集管口處設凝結水溫度測點，并安裝雙金屬溫度計。

2 結束語

通過對ACC優化控制和精心調試，ACC及其所屬透平機組從自動啟動、重轉、并網、帶負荷一直到停機，整個過程都可實現自動調節且效果良好，既減輕了操作人員的勞動強度，又保證了機組的安全經濟運行，特別是為北方富煤缺水地區企業的節能減排開辟了新的成功之路。

[1] 白守軍.大型汽輪機直接空冷技術報告.德陽：東方汽輪機有限公司，2008.

[2] 付長亮.現代煤化工生產技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

[3] 江蘇雙良空調設備股份有限公司技術組.空冷凝汽器安裝手冊[M].江陰：2008.

Optimal Control of ACC

Xue Lingfei Liu Yonglin Wang Jian Lv Junge Ren Dongyang

Through the systematic and comprehensive analysis of the optimal control of direct air-cooling condenser (ACC)，this paper proposed solutions to the targeted problems during the optimal control of ACC and described successful commissioning cases.

ACC；Counter flow；Parallel flow；Optimization control;Fan

TQ 273

*薛凌飛，男，1974年生，工程師。榆林市，719000。

2011-02-19）