直接空冷机组在我国富煤贫水的北方地区得到广泛应用，但在运行过程中存在较多问题，例如夏季背压高、真空严密性差、热风回流、受热面污染、冬季易发生冻结等，严重影响机组运行的安全性和经济性^{[1, 2, 3]}。内蒙古京隆发电有限责任公司（以下简称京隆公司）用现场试验的方法找出空冷风机群最佳的运行组合方式，以求机组运行经济效益的最大化。

京隆公司2×600 MW亚临界直接空冷机组，空冷凝汽器由斯必克斯冷却技术（北京）有限公司设计及供货，空冷凝汽器由8组“A”形翅片管排构成，每组管排包含7个模块（5个一次模块和2个混合模块），每个模块由10个翅片管束构成，共56个管束单元。屋顶结构下方布置轴流变频风机迫使空气流过翅片，风机采用变频调节，所有风机启动完毕共需13步，启动顺序为先启3列、6列的逆流风机，然后再启动其余5列顺流风机。空冷风机启动后电动机初始运行频率为10 Hz，风机未完全启动，电动机运行最高频率为25 Hz。

随着机组背压实际值与设定值偏差的增加，空冷风机转速逐步增大或减小，促使实际值接近设定值。当负荷或外界环境温度升高，机组的背压实际值就会升高，若要维持机组背压值为设定值，需要提高空冷风机运行频率；当全部空冷风机运行频率达到25 Hz后，当前已投运的风机所提供的风量已经无法满足运行需要，背压实际值就会继续升高，当实际值和设定值的比值大于1.1时，开始积分，当积分到+1000时，增加1步；反之若积分到-1000时，减少1步，计算方法见公式1所示。

式中 BP_实际值—机组背压实际值，kPa；

BP_设定值—机组背压设定值，kPa。

只有当全部风机运行后，电动机的运行频率才由25 Hz逐步增大。但这个积分时间会很长，所以增、减步时风机启停过程中存在较大的节能空间。由风机的相似定律得知，风机的功率变化与其转速比的三次方成正比，所以风机群如果以高速非全风机方式运行，其耗电量会高于全风机低频运行方式。

京隆公司空冷岛8排进汽，其中4排有进汽隔离阀，在4—8步时开启或关闭对应隔离阀，增步时为开启，减步时为关闭。当减步至7步及以下时，会关闭相应的进汽隔离阀，空冷风机的散热面积减少，机组背压实际值会高于设定值，这时运行的空冷风机转速增加，引起空冷风机耗电量增加。通过长期试验观察发现，环境温度在-17 ℃及以上时，无需关闭进汽隔离阀，空冷岛能够安全运行。

原有的风机启动逻辑为当机组背压实际值低于设定值1.1倍时，且积分达到-1000时，空冷风机自动减步，同时关闭对应管道的进汽隔离阀。此时由于散热面积的减小以及对流换热量的相对减少，汽轮机的排汽热量不能被及时带走，机组背压实际值会升高，要维持机组背压值为设定值，风机转速必会升高，因风机的功率与转速的三次方成正比，所以风机转速的升高，将使空冷风机耗电量急剧增大。从节能角度考虑兼顾冬季空冷防冻要求，取消了当空冷风机减步时关闭1、2、7、8排的入口蒸汽隔离阀的相关逻辑。通过长期观察，环境温度在-17 ℃及以上时，300 MW工况完全可以满足空冷防冻需求。

通过试验得出空冷风机群（全风机运行）在不同频率下每小时的耗电量，见图 1所示。

图 1

图 1 空冷风机电动机频率（全风机运行）与耗电量关系曲线

通过图 1可以看出，风机群耗电量随着转速的增加而明显增加^[4]。

由于空冷风机群的增、减步是以风机电动机频率25 Hz时为分界点，即风机群电动机频率达到25Hz，如果实际背压与设定背压有偏差，则根据逻辑进行相应的增、减步，所以只研究风机电动机频率在25Hz以下时的进汽排数与耗电量关系。

经长期试验，发现冬季西北风风速为3~5 m/s，环境温度为-20 ℃时，任何负荷下，风机群每增加1步，整体空冷风机电动机频率下降3 Hz。表 1为空冷风机电动机25 Hz运行列对应的每小时耗电量，图 2为空冷风机由25 Hz部分运行转为全部运行后每小时耗电量对比图。

表 1 (Table 1)

表 1 空冷风机电动机25 Hz运行列对应的每小时耗电量

表 1 空冷风机电动机25 Hz运行列对应的每小时耗电量

图 2

图 2 空冷风机由25 Hz部分运行转为全部运行后 每小时耗电量对比图

通过分析表 1、图 2可以看出，当空冷风机以25Hz部分运行方式改为全部风机运行方式后，风机群的频率会相应下降，同时每小时耗电量也会降低，由此证明风机运行台数越多越省电。当风机群以部分风机高频率运行时，其耗电量会大于全部风机以低频运行时的耗电量，所以日常运行调整中，应尽量避免出现风机停运现象，尽可能保证全风机运行。

当夏季高温时，机组背压值高于阻塞背压值较多，经济性较差，而高于阻塞背压值越多降低单位背压值所获得的经济价值越高^[5]，因此对夏季空冷风机群超频运行是否经济进行分析。这里的超频是指空冷风机电动机转速超过50 Hz运行，京隆公司的空冷风机超频幅度最高是60 Hz，大部分时间超频幅度为55 Hz。

空冷机组一般不可能在最佳真空状态下运行，例如夏天，环境温度30 ℃运行时，京隆公司机组背压会达到40 kPa，造成供电煤耗大幅增加。为了通过空冷风机超频运行达到降低机组背压的目的，同时要做到整体经济性良好，本文提出经济背压概念，其含义为：单位时间内降低背压所节约的能耗减去降低背压所增加的能耗等于0时的背压，称为经济背压。运行中只要实际背压大于经济背压即可。

经济背压的寻找方法以试验法和历史数据分析为主。节约电能通过公式（2）来确立，而风机群耗电量通过SIS系统电量采集系统统计。

式中ΔE—节约的电能，kWh；

η—汽轮机相对效率，%；

ΔD₁—背压调整后节约的主蒸汽流量，t/h；

h₁—汽轮机主蒸汽焓值，kJ/kg；

ΔD₂—外用蒸汽流量，t/h；

h₂—外用蒸汽焓值，kJ/kg。

京隆公司机组对各负荷段背压为接近阻塞背压而升高1 kPa后是否节能进行了试验，试验后将节约能量折算成每小时耗电量，机组各负荷段试验参数见表 2，折算机组各负荷段增加1 kPa背压后每小时耗电量见表 3所示。分析发现背压升高1 kPa，由于机组循环效率降低，致使每小时多耗电量最低约为2000 kWh，最高约为4500 kWh。说明机组背压每降低1 kPa时，每小时多消耗的电能小于表 3中的值即划算。

表 2 (Table 2)

表 2 机组各负荷段试验参数记录

表 2 机组各负荷段试验参数记录

表 3 (Table 3)

表 3 折算机组各负荷段增加1 kPa背压 每小时多消耗的电量

表 3 折算机组各负荷段增加1 kPa背压 每小时多消耗的电量

京隆公司在机组负荷500 MW，环境温度25 ℃时进行了试验，将空冷风机群电动机运行频率由50Hz升至55 Hz，机组背压随后降低2 kPa，参考表 3，计算出每小时节约的电量约为）7500 kWh，空冷风机增加能耗约为1488 kWh，每小时节约电量约6012 kWh，大大降低了耗电量，经济效益显著。

通过以上分析得出，要想使空冷风机群以节能且在经济背压方式下运行，需要保证以下几点：

（1） 尽可能保证多风机运行，避免出现单列或多列风机停运的方式，这样既节能又能避免由于局部风机转速过高而造成空冷风机的局部过冷，有利于冬季的空冷风机群防冻，使得空冷风机群运行的安全性和经济性得到兼顾^[6]。

（2） 保持机组背压尽可能地接近阻塞背压，而且机组运行背压越高，降低背压获得的经济效益越好。

（3） 冬季环境温度低，降低背压能使空冷风机耗电量小，只要能满足空冷风机的防冻要求，就可尽量降低背压运行。

（4） 夏季空冷风机超频运行，如将机组背压降低1 kPa，对于各负荷段均有很好的经济性。