国华锦能直接空冷系统的构成及控制策略.doc

国华锦能直接空冷系统的构成及控制策略王伟杰，郭志军神华陕西国华锦界能源有限责任公司，陕西 神木 719319Program control strategies for the direct air-cooling system of GUOHUA JINJIE ENERGYWANG Wei-jie，GUO Zhi-junSHENHUA Shanxi GUOHUA Jinjie Energy Corporation Power Plant，Shanxi Shenmu 719319ABSTRACT:Based on specific environment and climate conditions,the structure and automatic control strategies for the direct air-cooling system in Shenhua Guohua Jinjie Power Plant were studied.Focusing on the control schemes during start-up,shutdown and operation of power units,the special protect program in winter has been designed, Thus for direct air-cooling technology in large-scale firepower aircrew especially north alpine region, the popularization and application of the water provides reference.KEY WORD:direct air-cooling system;control strategies;frost protection measure;control program摘要：以神华陕西国华锦界电厂为例，就所处的环境和气候条件，对其空冷系统的结构及自动控制策略进行研究，对大型直接空冷机组在冬季启停和运行过程中防冻问题的解决方案进行探讨，提出有针对性的控制方案，从而为直接空冷技术在大型火力发电机组尤其是北方缺水高寒地区的推广应用提供借鉴意义。关键词：直接空冷系统；控制策略；防冻措施；控制程序1 引言神华陕西国华锦界能源有限责任公司一期4600MW机组已于2008年全部投入商业运行，三期41000MW机组正在前期筹划中。厂址地处陕西省东北端中低纬度内陆区域，属于中温带干旱半干旱大陆性季风区，该地区气候热点表现为冬季寒冷，时间长，夏季炎热，干燥多风，时间短，冬春干旱少雨雪，由于深居内陆，流域降水受东南沿海季风影响，故降水量少，属于水资源匮乏地区，为保护当地脆弱的生态环境和稀缺的水资源，所有机组的冷却方式均采用直接空冷技术。2 直接空冷系统的工艺流程特点直接空冷系统亦称为ACC（Air Cooled Condencer）系统，它是指汽轮机的排汽引入室外空冷凝汽器内直接用空气来冷凝。其工艺流程图如图1所示，汽轮机排汽通过大直径的排汽管道引至室外的空冷凝汽器内，布置在空冷凝汽器下方的轴流冷却风机驱动空气流过冷却器外表面，将排汽冷凝为凝结水，凝结水再经泵送回汽轮机的回热系统。基于防冻的要求，直接空冷系统一般需设置顺流凝汽器和逆流凝汽器，直接空冷系统中大部分的蒸汽在顺流凝汽器中被冷凝，剩余的小部分蒸汽再通过逆流凝汽器被冷凝。在逆流凝汽器中，由于蒸汽和凝结水的运动方向相反，凝结水不易冻结。在逆流凝汽器的顶部设有抽真空系统，可将系统内的空气和不凝结气体抽出。直接空冷系统与其它空冷方式和湿冷机组相比，具有冷却效率高、占地面积小、投资省、节约水资源、系统调节灵活，冬季运行防冻性能好等优点。图1直接空冷系统工艺流程Fig.1 Technical flow chart of direct air-cooling control system3 直接空冷系统构成直接空冷系统的基本单元称为冷却段，它是指一台风机与数组翅片管束的总成。风机与安装其上呈A型布置的翅片管束组成一个冷却三角，翅片管束布置的顶角约为60。国华锦能空冷凝汽器布置在主厂房A排外高架平台上，平台高45米，共设冷却段56个，分8排7列布置，每排由5个顺流冷却段和2各逆流冷却段组成，散热面积1440216m2,，顺流面积1124987 m2,，逆流面积315229 m2,。每个冷却段由8块翅片管束组成接近60的A型框架，每块管束宽1.875m，顺流管束长9.72m，逆流管束长9.5m，每个冷却段配一台直径9.14m的轴流变频风机，采用变频风机可以实现风机转速的无级调速，具有当低负荷只有少量风机运行时，可以连续调节汽轮机的排汽压力，避免大的压力波动的优点，另外还具有节约厂用电，减少风机能耗的优点。空冷凝汽器抽真空系统配置有三台50%容量的机械真空泵，机组启动时，三台真空泵同时投入运行，以加快抽真空的过程，正常运行时，两台运行，一台备用。另外根据本地区多风、多灰尘的情况，考虑每年应冲洗空冷凝汽器外表面12次，将沉积在空冷凝汽器翅片间的灰、泥垢清洗干净，保持空冷凝汽器良好的散热性能，本工程采用高压水冲洗方式，每台机组配置移动式冲洗装置一套，清洗水压为150bar。4 直接空冷系统的控制功能直接空冷系统控制的功能包括数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）。（1）数据采集系统（DAS）：根据系统的构成，主要需要监视的参数包括各冷却单元的排汽温度、环境温度，风机的运行状态及风机电流、风机的振动信号、风机的润滑油温度、压力、凝结水箱液位信号，汽轮机背压，空冷凝汽器顺逆流管束凝结水温度、疏水温度等。（2）模拟量控制系统（MCS）：直接空冷系统主要的模拟量控制参数包括：汽轮机背压控制、空冷凝汽器出口凝结水量控制、空冷凝汽器凝结水箱水位控制。汽轮机背压是空冷机组重要的控制参数，通过机组DCS将汽轮机背压控制在允许范围内，控制汽轮机背压是在不同环境温度条件下，通过控制变频风机转速调节通过顺流冷却单元和逆流冷却单元的空气流量，从而达到控制汽轮机背压的目的，确保汽轮机安全、经济运行；空冷凝汽器出口凝结水量通过再循环阀来控制；凝结水箱水位通过控制凝结水泵来控制，保证凝结水箱有足够的容量适应启动、变负荷及低负荷工况。（3）顺序控制系统（SCS）：本工程直接空冷系统作为一个顺序功能组在DCS中实现，完成空冷系统的启动、停止、低负荷运行以及防冻保护等运行过程。直接空冷系统顺序控制按组和子组及驱动级控制设计，一个子组项被定义为某个设备组，如：每组冷却风机及相关设备分别构成一个子组；SCS通过联锁、联跳和保护跳闸功能来保证被控对象的安全。对逻辑规律性不强，但需远方操作的辅机、阀门等也纳入SCS系统，只设驱动级控制。（4）直接空冷系统的保护：主要包括汽轮机背压高跳机保护和空冷凝汽器的防冷冻保护，具体内容包括：a.运行过程中汽机背压设有高报警值、跳机值；b.空冷凝汽器凝结水温度控制，如果某个冷却单元或管束排出凝结水的温度低于某个设定值，则这个单元或管束的风机就会自动的减速或停机，直至凝结水温度回升。5 直接空冷系统的程序控制方案5.1 直接空冷程序控制系统结构直接空冷系统在电厂的整个控制中由主控室的DCS实行远程操作，在集控室可以实现对所有真空泵、56台风机等主要辅机设备及系统的控制、监测、联锁、保护等功能。图2是直接空冷系统的控制系统结构。图2 直接空冷控制系统结构Fig.2 Configuration of ACC control system直接空冷控制系统设计为功能组级、子功能组级、子回路和驱动级多级控制的层次结构，分别对风机群、凝结水泵、真空泵、排液泵进行分组控制。功能组接受上级或同级控制系统的命令自动或以手动方式启动。功能组决定什么时间哪个功能子组需投运或进入备用状态，运行本功能区内的设备“启动”和“停机”程序。功能子组（SGC）接受来自功能组的激励信号，决定什么时间哪个子回路需投运或进入备用状态，运行本功能子组内所控设备的“启动”和“停机”程序。功能子回路（SLC）接受功能子组来的命令，将子回路控制设定为要求的运行方式，运行设备的“启动”和“停机”程序。功能组控制的操作方式可选择自动也可选择手动。单个设备控制驱动级接受功能组或功能子组控制级来的命令，与生产过程直接联系。它的任务是：接受生产过程的各种模拟量和开关量信号，并进行信号处理和分配，进行报警等限制的监视、计算功能，单个设备的控制功能，包括开环控制和闭环控制、过程和设备的保护及联锁、所有控制操作信号的产生和转换等。采用此分层控制方式，每层的任务是确定的，层与层之间的接口界限明确，同时三层之间的联系密切可靠。5.2 防冻保护控制策略直接空冷系统配置的风机在转速控制上设计了完整的控制程序，如冬季专用的保护程序，分别为逆流风机加热保护、顺流散热器保护、逆流散热器保护、风机的反转功能，以及冬季锅炉、汽轮机的联合启动功能。在冬季，利用机组的旁路系统进行锅炉、汽轮机的联合启动，保证直接空冷系统需要的最小防冻热量。在机组真空严密性较差时，注意对凝结水温度、抽空气温度的控制，使机组在空冷凝汽器系统不发生冻结的情况下尽量降低背压。对空冷风机的控制设计了完整的防冻保护程序并纳入DCS，具体防冻程序如下：（1）逆流风机回热保护。当环境空气温度下降到-2以下时，逆流散热器加热循环将被启动，第1列逆流风机将被切断10min,20min后第2列逆流风机也被切断直至切断第6列逆流风机。即在2h30min(630min)后，6个逆流风机分别停运10min。如果环境空气温度仍然低于-2，加热循环将再次启动。（2）顺流散热器的冬季保护。当逆流散热器的冬季保护未触发，本列的任一个凝结水温度信号小于20，且环境温度小于3时保护程序动作。动作过程：本列逆流风机被闭锁在当时的转速不变；本列顺流风机的转速以10%/min的速度下降，只有当本列的凝结水温度都大于30后，顺流风机转速才停止下降，并以10%/min的速度上升到已被闭锁的控制器的输出值；否则将使顺流风机转速降到0。如果凝结水温度仍然低于17，逆流风机将以10%/min降低转速，直至凝结水温度高于19。（3）逆流散热器的冬季保护。当顺流散热器的冬季保护未触发，本列的任一个抽空气温度信号小于20，且环境温度小于3时保护程序动作。动作过程：本列顺流风机被闭锁在当时的转速不变；本列逆流风机转速以10%/min的速度下降，只有当本列的抽空气温度都大于30后，逆流风机转速才停止下降，并以10%/min的速度上升至已被闭锁的控制器的输出值；否则将使逆流风机转速降到0。如果抽空气温度仍然低于17，顺流风机将以10%/min降低转速，直至抽空气温度高于19。（4）逆流风机反转功能。在环境空气温度极低的情况下，如果逆流散热器的冬季保护动作后仍然不能满足要求，可将逆流风机由运行人员手动控制使其反转，反转转速为额定转速的25%。5.3 直接空冷系统程控启动策略图3、4分别为直接空冷系统夏季和冬季启动模式程序示意。当有程控启动命令输入，程序启动后，首先启动下一级功能子组投入真空泵的自动投运控制，启动3台真空泵，快速建立真空。当下述条件均具备时执行下一步：（1）3台真空泵运行；（2）真空泵自动投运；（3）排汽装置压力（背压）小于16Kpa。如果大气温度高于2，则执行夏季启动模式（如图3），第4步先开空冷第1、2、7、8排进汽阀，当汽轮机挂闸且高压旁路开度大于定值时，发出如下命令：（1）投入真空系统自动投运程序；（2）启动3台真空泵，当凝结水温度温度大于35且与大气温度偏差大时，启动变频风机自动投运程序，在第8步发出投运变频风机自动投运的命令，等到变频风机处于自动投运状态且全部2、6列变频风机运行后，第9步发出停2台真空泵的命令，当只有1台真空泵运行时空冷系统程控启动结束。图3 夏季启动模式控制程序Fig.3 Control program of summer start-up mode图4 冬季启动模式控制程序Fig.4 Control program of winter start-up mode如果大气温度低于2，则执行冬季启动模式，进入冬季空冷系统启动程序（如图4所示），直接跳到第10步。当汽轮机挂闸且高压开度大于定值时发出如下指令：运行真空系统自动投运程序；（2）启动3台真空泵，当凝结水温度大于35且与大气温度偏差大时，运行变频风机自动投运程序。最后发出停2台真空泵的命令，当只有1台真空泵运行时，空冷系统程控启动结束。6 结语国华锦能一期4600MW机组自2008年投入商业运行以来，机组运行稳定，直接空冷系统及控制系统运行良好，保护动作正确率达100%，空冷系统MCS、SCS功能全部投入。与湿冷机组相比节约用水量约为70%，