汽轮发电机组的空冷系统主要分直接和间接2种型式,型式不同,控制策略也不同。1.1 直接空冷

系统利用空气直接冷却汽轮机的排汽,空气与排汽之间进行表面热交换。低压缸排汽通过大直径排汽管道进入空冷凝汽器,配套轴流风机强制冷却散热器内的蒸汽,将机组排汽冷却为凝结水。1.2 间接空冷1.2.1 海勒式间接空冷

汽轮机内做完功的排汽进入混合式凝汽器后,与从空冷塔来的循环水进行混合,将汽轮机排汽冷却为水。1.2.2 哈蒙式间接空冷

汽轮机排汽进入表面式凝汽器,通过大量循环水将其冷却为凝结水,而循环水则通过间冷塔来冷却。1.3 直接、间接空冷系统比较

直接空冷不需要中间冷却介质,初始温差较大,系统调节较灵活,但对环境温度、风速、风向等气象条件较为敏感。特别是在高气温条件下,汽轮机运行背压已很高,不利风向造成的热风回流及散热不畅会导致使汽轮机背压突然升高,出力下降。

海勒式间接空冷系统汽轮机排汽与空冷塔来的循环水直接混合,循环水水质与凝结水水质相同;哈蒙式间接空冷系统冷却水与汽轮机排汽不混合,系统中的循环水为除盐水。相比于直接空冷系统,间接空冷系统有以下优点^{[1, 2]}:

(1) 间接空冷系统对环境气象条件的敏感性较小。由于间接空冷系统一般均采用自然通风冷却塔,虽然环境风的风向及风速等气象因素对冷却塔会产生影响,但影响明显小于直接空冷系统,不会形成热风回流现象。

(2) 相同容量的同类型机组相比较,采用间接空冷系统比直接空冷系统的厂用电率和煤耗率有更大的优势。2 直接空冷系统控制策略2.1 系统简介

直接空冷系统主要组成示意图如图 1所示^[3]。直接空冷系统主要由进汽管道、冷凝器、轴流式冷却风机、抽真空系统、凝结水系统以及相应的阀门等组成。以300 MW机组直接空冷系统为例,一般每台机组配置6列、每列5台风机,其中顺流风机布置于两侧,逆流风机布置于中间。各风机均由变频器控制转速,实现对机组背压的调节。

图 1(Figure 1)

图 1 直接空冷系统示意图

直接空冷控制系统通过调整风机运行数量和转速来改变冷凝器的冷却空气流量,从而控制ACC (Air Cooled Condenser,空冷凝汽器)性能,控制流程如图 2所示。

图 2(Figure 2)

图 2 ACC系统控制流程图

根据环境温度的变化情况,直接空冷控制系统的控制方式分夏季工况和冬季工况2种,控制对象有机组排汽压力、凝结水温度和抽气管道凝结水过冷度(即抽气压力对应的凝结水饱和温度与该列抽气温度的温差)等^[4]。

正常运行工况下,控制系统中的排汽压力调节器根据背压的动态偏差来调整风机的运行数量和运行频率。系统中的防冻保护被触发后,系统的排汽压力调节功能退出,转而调节凝结水温度;在抽气管道凝结水的过冷度超限后,ACC系统会触发抽气管道的防冻保护动作,ACC控制系统会自动将温差作为调整对象^[5]。

ACC控制系统的控制对象主要包括:

(1) 排汽压力控制;

(2) 凝结水防冻保护;

(3) 抽气管道防冻保护;

(4) 风机、真空泵、阀门等单体设备的连锁保护等。2.3 汽轮机排汽压力控制2.3.1 工作原理

机组排汽压力控制器的工作原理见图 3。ACC启动后,当系统中的设定背压与检测背压之差超出死区后,背压主控制器的输出将逐渐增大;主控制器的输出作为本列逆流风机子控制器(cfc)和顺流风机子控制器(Pfc)的输入,再按照各个顺/逆流风机的启动特性曲线逐渐增加变频器的输出,从而实现对风机转速的控制。

图 3(Figure 3)

图 3 机组排汽压力控制器原理

(1) 在ACC自动控制投入前,先将各列风机变频器投入自动。ACC自动投入后,随着实测背压的增加,风机转速逐步增加,从而促使实测值逼近设定值。随着排汽流量的增加,已运行的风机达到最大转速(额定转速80%左右)后,如果当前已投运风机提供的风量无法满足需要,实测背压就会继续升高。当实测背压与设定值的比值 > 1.1(可调整),并且排汽压力有上升趋势(排汽压力的微分 > 0)时,步序会自动跳转到下一步,启动本列的后续风机或下一列的风机,以维持机组背压在设定值附近。

(2) 当实测背压与设定值之比 < 0.9(可调整),且背压有下降趋势(排汽压力的微分 < 0)时,步序就会自动跳转至上一步,停运本列部分列或上一列风机。

(3) 实测背压与设定值之比为0.9~1.1时,该区间为步序的切换死区。

(4) 随着背压控制器输出的改变,各列风机按照设定好的启动顺序自动启动。2.4 ACC系统凝结水防冻保护

直接空冷防冻保护功能一般分为凝汽器凝结水防冻保护和抽气管道凝结水防冻保护,用于防止设备运行期间发生冻结^[6]。在测量的环境温度持续低于设定温度一段时间后,防冻保护被激活。环境温度持续高于设定温度5 min时,保护功能关闭。2.4.1 防冻保护的触发条件

环境温度低于5℃,且某1列只要有1个凝结水温度 < 25℃,凝结水防冻保护即被触发。2.4.2 防冻保护的动作内容

控制系统发出防冻保护动作报警的同时,会按照一定的幅度和时间间隔逐渐提高排汽压力PID的设定值,系统根据背压设定值调节风机的转速;如果间隔一段时间后凝结水温度仍然偏低,则再次提高设定值,直至凝结水温度升至复位温度。在凝结水温度高于防冻保护的复位温度之前,顺流风机的转速会持续降低(直至为0),同时逆流风机的转速会维持在凝结水防冻保护动作之前的转速值。2.5 抽气管道防冻保护

如果某列抽气管道凝结水的过冷度大于定值,且该列的抽真空温度低于25℃,则抽气管道防冻保护被触发,具体动作内容如下:

(1) 顺流风机的转速被闭锁,转速维持在抽气管道防冻保护动作前的转速值;

(2) 逆流风机的转速将以设定速率缓慢下降;

(3) 如果逆流风机转速降至程序设定的最低转速,抽气防冻保护仍然无法复位,则逆流风机将直接停运,随后启动逆流风机反转程序。2.6 ACC升温循环控制

ACC系统在冬季运行时,随着时间的推移,逆流管束上方的细小冰粒将逐渐变大,阻碍不凝结气体的正常抽出,甚至堵塞整个抽气管道^[6]。因此当环境温度低于-2℃时,ACC系统会自动激活升温循环,步序如下。

(1) 第1列的逆流风机按照一定的速率降速,直至停止;同时本列的顺流风机按照固定频率运行。

(2) 3 min后,第1列的逆流风机开启,并保持3 min的低速反转运行;反转3 min后自动停止,随后本列的顺流和逆流风机将再次与背压调节器对接,恢复至原运行状态。

(3) 第1列的逆流风机低速反转命令停止20 min后,第2列的逆流风机按照上述步序再次运行。

(4) 升温循环程序会自动跳开处于防冻保护动作的列。升温程序运行1轮后,如果环境温度仍然低于-2℃,那么第1列中逆流冷凝单元的升温循环将再次启动,直至环境温度高于0℃,升温循环才自动复位终止。升温循环触发后,顺流风机将以固定频率运行。3 间接空冷系统控制策略3.1 系统组成

以哈蒙式间接空冷系统为例,间接空冷机组的原则性热力系统示意图见图 4。

图 4(Figure 4)

图 4 哈蒙式间接空冷机组的原则性热力系统

图 4中,循环冷却水在循环水泵的作用下,通过表面式凝汽器与汽轮机排汽进行热交换后,再通过回水管返回间冷塔。间冷塔分若干扇段,每个扇段均设置了进水阀、回水阀,疏水阀及百叶窗执行机构。单元机组的间冷塔内还设置有地下储水箱,传输泵,膨胀水箱(高位水箱),循环水泵等辅助设备。

间接空冷系统利用双曲线自然通风冷却塔内、外空气的密度差形成抽力,从而提供冷却散热器所需的空气^{[1, 2]}。运行中可以根据间冷塔每个扇段的需要,调整百叶窗开度,改变流经该扇段的冷却空气流量。3.2 控制功能

空冷系统投入运行前,需要利用扇段进水阀将相应扇段的管道及散热器充满水;退出运行时,需通过放空阀排空系统内的水。扇段的充水和排水由地下储水箱、传输泵及充(排)水阀共同完成。当系统或某个扇段停运,或冬季运行循环水温度过低时,可通过排水系统将部分扇段内的水排入地下储水箱。哈蒙式间接空冷系统的工艺控制流程如图 5所示,具体控制功能有:

(1) 系统状态监视及参数报警;

(2) 系统的防冻保护及单体设备的联锁保护;

(3) 各扇段的充水及排水程序控制;

(4) 凝汽器真空、回水温度的模拟量控制。

图 5(Figure 5)

图 5 哈蒙式间接空冷系统的工艺流程

如图 5所示,间接空冷控制系统由扇段充(排)水程控、系统状态监视及参数报警、联锁保护及模拟量控制等4部分组成。3.3.1 扇段的充(排)水程控

间接空冷系统每个扇段都设置了充水、排水自动控制,图 6为间接空冷系统的充水程控步序。充水程控主要步序分析如下^[5]:

(1) 第1步:为了保证水箱内储有满足1个扇段的充水量,对膨胀水箱的水位进行检测。如果水箱水位不满足充水要求,系统会自动发出膨胀水箱补水请求。如果在一定的时间内膨胀水箱的水位依然没有达到扇段充水水位,程序会发出"膨胀水箱再充水故障"的报警信号,同时扇段的充水程序中断,系统自动启动扇段的排水程序。

(2) 第2步:关闭所有百叶窗。在冬季运行尚未建立水循环的情况下,可防止因百叶窗开启引发间冷塔冻结,而机组在夏季运行工况则没有此要求。

(3) 可根据现场的实际情况,进行扇段充水成功与否判据的灵活组态。例如,可以综合考虑扇段的进水/回水压力与进水/回水温度来判断扇段是否已建立正常水循环,也可以采用扇段排空管的液位来直观判断扇段充水成功与否。

(4) 扇段的排水程控分为事故自动排水和正常排水,同时,扇段排水又分为部分排水的"水关闭"方式和完全排水方式。水关闭方式下,系统不开启扇段的排水阀,只将扇段的进水/回水阀关闭,将扇段退出运行,这种方式可以缩短扇段再次投运时间。但是,在防冻保护触发等事故情况下,扇段必须进行完全排水。

图 6(Figure 6)

图 6 间接空冷系统充水程控步序

除了满足设备、系统的正常启、停要求外,间接空冷控制系统还要对机组运行期间的各项参数进行监视,对危及系统和设备安全的重要信息进行及时报警。同时,间接空冷的监视及报警功能还承担着对机组和系统的运行状态做出分析判断的作用,为程控、模拟量控制及机组总控提供必要的判据。3.3.3 联锁保护3.3.3.1 水平衡控制

间接空冷系统水平衡控制的主要作用^[5]:维持膨胀水箱(高位水箱)、地下储水箱的运行水位正常,保证系统压力能够满足机组运行要求;当水位异常时,发出报警信号和控制系统动作信号。

间接空冷系统配置2台传输泵和2台补水泵。传输泵的作用是在扇段启动充水过程中对系统进行补水;补水泵作为传输泵的补充,负责正常运行期间对系统进行补水。控制系统将膨胀水箱和地下储水箱的水位划分为若干等级,根据水位情况发出相应的报警和控制信号。控制系统水平衡分为充水前、充水中和充水完毕正常运行3个阶段。3.3.3.2 充水水位检测

在扇段充水前,系统会检测膨胀水箱的水位是否满足扇段的充水要求,如果不满足则自动启动传输泵对系统进行充水,膨胀水箱水位达到高水位值后则传输泵自动停止运行。

扇段启动充水过程中,如果膨胀水箱水位低于缺水水位,则系统自动启动传输泵进行补水,高于缺水水位后传输泵自动停止运行。

系统正常运行期间,系统水位若低于缺水水位,补水泵自动启动;若膨胀水箱水位继续下降至低水位,则启动传输泵;水位恢复至正常水位后,传输泵和补水泵停止运行。3.3.4 防冻保护

防冻保护功能可保证空冷系统在冬季运行时,各冷却单元不会因为温度过低而发生冻结。间接空冷系统的防冻保护分为以下3部分。3.3.4.1 扇段防冻保护

根据扇段出水管水温低的程度,扇段防冻保护被划分为过冷报警、防冻保护、防冻排水3个级别。

(1) 在扇段已经充水完毕后一定时间内,如果扇段的出水温度 < 12℃,同时环境温度低于2℃,则扇段的过冷报警被触发,系统会自动关闭扇段所有百叶窗。

(2) 若百叶窗关闭指令发出2.5 min后,环境温度和出水温度依然过低,则启动自动排水程序。

(3) 如果环境温度高于6℃,则程序会按照之前运行人员手动选择的方式执行"完全排水"程序或"水关闭"程序;反之,环境温度低于6℃时,程序自动执行"完全排水"方式。同时,如果环境温度低于2℃,扇段的排空管液位低于210 mm,则程序会自动执行排水程序。3.3.4.2 空冷塔防冻保护

冬季工况下,如果环境温度低于2℃,同时至少有1组扇段内存有水,且所有循环泵电动机均已跳闸,系统会自动打开空冷塔的热、冷水紧急泄水阀,防止因系统循环不畅而造成管路迅速冻结。3.3.4.3 膨胀水箱防冻保护

冬季工况下,当塔内温度低于2℃,且膨胀水箱水温低于12℃时,程序会自动发出膨胀水箱过冷报警。程序自动打开传输泵至膨胀水箱的补水阀和膨胀水箱至地下储水箱的溢水阀,启动传输泵将地下储水箱的热水输送至膨胀水箱,将膨胀水箱的冷水回流至地下储水箱。3.3.5 模拟量控制

百叶窗关断门执行机构有连续可调式和两位式,二者的控制对象和控制策略存在差别。3.3.5.1 可调式关断门

间冷塔可调式关断门的模拟量控制分为冬季工况和夏季工况2种方式。

(1) 冬季工况下,为了保证凝汽器正常压力及扇段不发生冻结,间冷塔模拟量控制系统的被控对象主要是扇段回水温度^[5]。冬季运行系统以防冻为主要任务,通过调整每个扇段的回水温度来间接控制机组背压。扇段的回水温度与环境温度、进水温度存在很强的相关性,所以在单回路PI调节器回路中可以将环境温度和扇段的进水温度作为前馈作用引入,调节器的输出经过增益变换和平衡器的作用后,通过调整百叶窗开度来调节扇段回水温度。

(2) 夏季工况时,由于系统不存在防冻风险,所以可以将机组背压作为被调量,将背压设定值与实际背压值之差作为单回路PI控制器的输入,背压调节器的输出经过平衡器作用后用以调整百叶窗开度,维持机组的背压在正常范围内^[5]。3.3.5.2 两位式关断门

两位式关断门接受脉冲指令,程序以一定的时间间隔检测是否满足阀门动作条件,条件满足即发出相应的动作指令脉冲,脉冲宽度和执行时间间隔由系统自动计算得出。下面以某330 MW间接空冷机组为例,说明控制原理。

模拟量控制系统以机组的主热水管水温为调节对象,通过改变已投入自动控制的扇段百叶窗开度,从而调节机组的主热水温度^{[4, 5]}。当主热水温度高于设定值与温度调节死区之和时,系统每隔8 min发出1次开百叶窗脉冲指令;当水温高于设定值与3倍死区之和时,系统每隔4 min发出开百叶窗的脉冲指令。同理,当温度低于设定值与死区之差,系统会执行关门指令。百叶窗的开、关脉冲指令的脉冲宽度由公式(1)、公式(2)得出^{[4, 5]}。

式中T₁-热水温度的梯度为正值(升温)时,百叶窗的开脉冲指令的脉冲宽度,min;

P-温度偏差,℃;

H-环境温度系数;

K-百叶窗开度均值,%。

式中T₂-热水温度的梯度为负值(降温)时,百叶窗的开脉冲指令的脉冲宽度,min。

从公式(1)、公式(2)可以看出,温度偏差越大,执行周期越短,动作越频繁。温度偏差与温度梯度(1 min内的变化率)的方向一致(正负相同),则加长脉冲指令的宽度,反之则缩短脉冲宽度。

凝汽器的背压与主机循环水热水温度存在很强的关联性,将循环水热水温度控制在合理范围即可实现对机组凝汽器背压的有效控制,因此,该机组的控制系统未将凝汽器背压作为控制对象,而是通过调节循环水热水温度间接调整凝汽器背压。4 结束语

与湿冷机组相比,空冷机组设备、系统更为繁杂,控制方法、对象及策略均存在很大区别。空冷机组对控制系统的要求更高,在满足机组正常运行对背压控制要求外,还需具有冬季运行防冻功能。随着空冷系统应用的深入开展,空冷机组控制策略将日趋完善,为空冷机组在不同气候、地域条件下的推广应用奠定基础^[7]。