直接空冷島啟動階段冬季防凍措施優化

蔣曉明，張來平，陳全明

(1.中國能源建設集團浙江火電建設有限公司，浙江 杭州 310016；2.中國能源建設集團華東電力試驗研究院有限公司，浙江 杭州 311200)

某熱電2×330 MW發電機組位于新疆石河子市，冬季氣候條件十分惡劣，晝夜溫差可達20℃，2011年曾出現極端天氣，最低氣溫達到－41.1℃。由于該機組空冷島系統冷卻機組排汽時采用的是空氣，因此機組排汽壓力控制受環境溫度影響很大，同時冬季低溫環境下，空冷島易發生結凍現象。空冷島結凍的最直接原因是進入空冷島的熱負荷小于最小防凍熱負荷，啟動階段，冷態啟機所需的時間最長，蒸汽參數最低蒸汽流量較小，是空冷島管束最容易發生結凍的工況，因此做好啟動階段防凍措施是機組能在冬季安全穩定調試運行的關鍵。

1 工程概況

該工程機組設計容量為2×330 MW亞臨界、中間再熱、空冷、抽汽供熱式汽輪機，配2臺1180 t/h亞臨界、中間再熱、自然循環汽包鍋爐和兩臺330 MW自并勵靜止勵磁系統、雙水內冷冷卻汽輪發電機，汽機旁路系統采用高、低壓串聯電動旁路，其容量按鍋爐最大連續出力的40%設置。

2 空冷系統及凍結機理簡介

該熱電機組空冷島采用的直接空冷系統包含下列主要部分：

主排汽管道系統：包括1個主排汽管道、6個蒸汽分配管道；冷凝器(Air Cooled Condenser，簡稱ACC)系統：包括6個冷凝器列，每個冷凝器列包括5個冷凝單元(其中4個順流單元、1個逆流單元)；5套通風系統(包括風機、減速機、電機、變頻器等裝置)；凝結水收集系統；抽真空系統(包括3臺100%水環真空泵)；擋風墻系統等。

圖1 空冷島冷凝單元示意圖

圖1為順流凝汽器和逆流凝汽器工作方式示意圖，由圖可知各排逆流凝汽單元的溫度最低，其空冷凝汽器管束也最容易發生凍結，當進入空冷島的蒸汽流量小于最小防凍流量時，空冷島最易發生凍結，出于防凍考慮，逆流單元冷卻風機有正轉和反轉兩種運行方式。

當環境溫度下降至2℃以下時，尤其是啟動階段，蒸汽流量較小，隨著氣溫的降低，逆流管束上半部有抽氣口的部位由于管徑較小容易形成細小的冰粒，隨著時間的積累，抽氣口部位的冰粒就會越積越多，以至于影響不凝結氣體的正常抽出；順流管束過冷時管束內的凝結水將結凍，一般先發生于管束的中下部，隨著時間的累積結凍部分將在冷卻風機持續冷卻下逐漸擴大直至充滿管束。北疆地區的冬季，氣溫長時間處于－20℃以下，空冷島若不采取合適的防凍措施將面臨巨大的結凍風險。

3 機組啟動防凍關鍵點及優化措施

3.1 防凍關鍵點

(1)空冷島管束本體保溫防寒。

(2)空冷島本體氣體嚴密性滿足設計要求。

(3)增大啟動初期的蒸汽流量，滿足防凍最小流量要求。

(4)風機序列啟動停止的控制，熱量的均勻分配。

(5)蒸汽流量的改變對空冷島背壓的影響，控制空冷島背壓在合適范圍。

(6)采取措施適當提高進入空冷島蒸汽溫度。

3.2 相關優化措施

3.2.1 物理措施

確認擋風墻系統已完備，否則外界大風天氣將對空冷島內部熱負荷分布造成偏移，系統將更難控制，易造成空冷島部分管束結凍；管束凝結水回水集箱、凝結水管道、抽真空管道增加保溫以減少這些管路結凍的可能性；蒸汽分配管電動蝶閥、空冷抽真空管道電動閥及其他暴露在室外低溫環境下的閥門加裝電伴熱以保證閥門可以正常操作；逆流管束通體加蓋棉被、順流管束底部四分之一至凝結水回水集箱處加蓋棉被。

3.2.2 蒸汽嚴密性試驗

確認空冷島本體氣密性試驗合格，本體無泄漏；確認各列蒸汽分配管電動蝶閥嚴密性符合要求，能做到不投用時不會發生蒸汽泄漏至未投入列導致結凍。為此啟動之前我們做了一系列查漏的工作，確保啟動之前本體無泄漏。在機組整套啟動或正常運行期間，應定期進行真空嚴密性試驗，以測試機組及空冷凝汽器內部的空氣泄漏程度。

3.2.3 啟動方式的改進

本機組汽機啟動主要有兩種方式：一種是不帶旁路的高壓缸啟動；另一種是帶旁路的高中壓缸聯合啟動。由于本機組汽機啟動過程處于冬季，為保證在沖轉過程中進入排氣裝置有足夠大流量的蒸汽以避免空冷島凍結，故沖轉方式選擇帶旁路啟動方式，即在沖轉過程中一部分蒸汽進入汽輪機用于做功，大部分蒸汽從旁路直接進入排氣裝置送至空冷島。

3.2.4 機組沖轉參數選擇及過程控制

根據圖2和表1選擇合適的沖轉參數。按沖轉曲線選擇主汽壓力5MPa，主汽溫度340℃，再熱蒸汽壓力0.8MPa，再熱蒸汽溫度320℃，達到最小熱負荷運行時間為3小時，因此在機組整個沖轉過程中必須保證空冷島進汽量在規定時間內達到對應環境溫度下的最小防凍流量，以防止空冷島因長時間小汽量進汽導致結凍。

表1 空冷島最小防凍流量

圖2 汽輪機高中壓缸帶旁路聯合啟動沖轉曲線

3.2.5 背壓的控制措施

空冷島的主要控制參數是空冷島的背壓，通常背壓的調整是通過改變流過ACC管束的冷空氣流量來實現的，冷空氣流量的改變是通過改變風機的轉速來實現的。通風系統的風機轉速控制是通過變頻器來實現無級調速的。通過改變流過管束冷空氣的速度來實現ACC系統壓力和溫度的變化是一個緩慢的過程，因此控制系統充分地考慮了這一滯后現象，避免控制器振蕩情況的出現。啟動及正常運行期間，機組背壓最好保持在18～25 kPa，2臺或3臺真空泵依據實際情況運行，并盡量保持同列中各風機的轉速相同。

4 機組啟動時空冷島運行情況

通過對空冷島防凍關鍵點的分析，以及采取對應的優化措施，進行機組的冷態啟動。

4.1 沖轉前準備

空冷島在蒸汽進入前需要提前預抽真空，保持真空破壞門在關閉狀態并注滿水，打開空冷島抽真空旁路閥，將排汽壓力抽至15 kPa(絕壓)，最高不得高于20 kPa(絕壓)，根據沖轉曲線和防凍流量表選擇合適的啟動參數，并盡量提高空冷島進汽溫度。

4.2 機組沖轉時空冷島的控制

采用高中壓缸聯合啟動模式，保證空冷島進汽量不小于最小防凍流量，以減少對空冷島熱負荷的沖擊；當空冷島30、40列空冷管束下聯箱凝結水溫度高于50℃并且抽空氣溫度高于40℃后開始投入風機運行，速度指令一般8～10 Hz(根據外界環境溫度降低可再提高)，空冷風機應先啟逆流單元，再啟順流單元，順序一般為3－2－4－1－5，停運時順序相反，轉速根據真空情況調整，背壓保持在28～35 kPa；空冷風機運行后，空冷島控制系統根據散熱器溫度反饋，停止風機運行或降低風機轉速，同時對未投運各列空冷島進汽蝶閥閥后溫度進行測溫，發現溫度升高超過+5℃則自動關閉進汽蝶閥，在流量滿足要求后投入相應列。

4.3 啟動運行過程中的問題

4.3.1 直接空冷機組冬季運行中參數控制表

機組冬季運行控制參數見表2。

表2 冬季運行參數控制表

4.3.2 啟動過程中存在的問題

(1)部分逆流散熱器的真空抽氣溫度最低至20℃，存在凍結風險。

(2)凝結水右側疏水溫度溫度最低至19℃，偏離控制參數，存在風險。

(3)切除列運行時，由于電動隔離閥關閉不嚴泄漏蒸汽，可能造成蒸汽在冷凝管排結冰和空氣抽出管結冰堵塞。

經過對防凍關鍵點的分析，和采取的防凍措施，啟動階段進行了一系列的驗證，未發生凍結事件，總體效果尚可，但是空冷島仍然存在著凍結的風險，因此，需要將以上幾項參數控制在安全區間，必須對控制系統作進一步的優化。

5 進一步優化措施

通過啟動過程中存在的問題，對控制系統的控制邏輯進行了相關防凍邏輯完善。

5.1 優化抽真空防凍保護模式

在冬季運行模式下(環境溫度＜2℃)，該列風機處于運行狀態，當該列的抽真空溫度監測值達到下列條件時，抽真空防凍模式被激活：

(1)抽氣支管溫度＜ 30℃，激活抽氣防凍保護模式1，執行下列操作：

① 發出抽氣防凍保護警報。

② 抽氣溫度監測點，對應的逆流風機的轉速將被降至0Hz，并按照預先設定的頻率執行反轉。延時10 min，抽氣溫度仍然沒有達到抽氣防凍保護模式1所設定的復位條件，系統將控制該列的順流風機溫度比例-積分-微分控制器(Proportion-Integral-Derivative Controller，簡稱PID)來代替主PID來控制順流風機的轉速，對利用更多量得蒸汽該列的逆流部分進行加熱。直到達到抽氣防凍保護模式1復位條件抽氣保護信號消失，該列的順逆流風機將恢復主PID的控制模式。

(2) 抽氣支管溫度＜ 25℃，激活抽氣防凍保護模式2，執行下列操作：

① 同時監視相應列的凝結水防凍保護模式2是否激活，判斷兩種防凍保護模式都已激活，程序自動延時10 min，如果是運行列，聯鎖關閉此列蒸汽隔離閥，并發出報警，該列被切除。

② 如果是啟動列，只發報警信號。

5.2 凝結水防凍保護模式優化

對每列的凝汽器左右側凝結水疏水溫度進行檢測，如果其中任一溫度達到下列情況時，激活凝結水防凍保護模式：

(1) 任何一列任一凝結水溫度＜30℃，激活凝結水防凍保護模式1，執行下列操作：

① 發出報警。

② 相應列的順流風機降速，直到停為止。

(2) 任何一列任一凝結水溫度＜25℃，激活凝結水防凍保護模式2，執行下列操作：

① 發出報警。

② 停止相應列順流風機運行。

③ 同時監視相應列的抽氣防凍保護模式2是否激活，判斷兩種防凍保護模式都已激活，程序自動延時10 min，如果是運行列，聯鎖關閉此列蒸汽隔離閥，并發出報警；該列切除運行。

④ 如果是啟動列，只發報警信號。

5.3 回暖保護模式邏輯優化

自動回暖保護模式可以利用管束內的熱蒸汽對管束進行回暖，所以要定期激活回暖保護模式，該模式是一列一列連續執行的，只要符合條件(環境溫度＜－2℃)，回暖運行模式就被激活，同時，其他任何一種防凍保護模式與此互不沖突。

只要回暖保護模式被激活，將會執行下列動作：

(1)發出該列回暖動作信號。

(2)該列的逆流風機(混流單元)按照提前設定的時間將自動減速并停止；然后按照設定好頻率進行反轉。

(3)該列順流風機仍按照控制器輸出速度運行。

(4)待回暖設定的時間一過，該列的逆流風機將恢復到原來的狀態，同時下一列將按照這個程序進行回暖，依次類推，按照順序周期執行下去。

(5)復位條件：環境溫度＞2℃。

6 結語

通過邏輯優化后，在啟動階段空冷島各項參數均符合表2的要求。通過對空冷島凍結機理的分析，分析總結出啟動階段空冷島防凍的有效措施。同時對啟動階段3中控制模式控制策略的優化，空冷機組在冬季效率及安全性明顯提升，有效地防止空冷島凍結。對寒冷地區直接空冷機組冬季防凍具有一定的參考借鑒意義。

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