0 引言

目前，直接空冷机组因具有良好的节水性在我国北方地区得到了广泛的应用。直接空冷系统采用机械强制通风，将环境空气作为冷却介质，利用换热翅片管束使管内的水蒸气与管外的空气发生热交换，将汽轮机内做完功的乏汽冷却至液态水，实现热功转换中冷端散热的目的。直接空冷机组运行几年后，大型冷端换热器——空冷岛的性能会逐渐下降，空冷岛翅片管冬季防冻、春秋季节防大风、夏季换热效果差等问题也逐渐显现。另外，我国北方地区火电机组常面临调峰任务重、发电负荷不足等问题，开展空冷机组冷端优化运行工作非常重要。

1 空冷机组防冻研究现状

我国北方冬季气温很低，像陕西省锦界镇冬季最低温度可达到-25 ℃，空冷岛低温区域很容易发生冻结现象。国内外关于空冷岛节能运行的文献有很多，但研究空冷机组防冻机理的文献较少。

文献[1]描述了1种用于解决多排管出口回流导致局部不凝结气体过高的装置。文献[2]介绍了多排管散热器的冻结原理，给出了防冻机理分析模型，并提出了改进措施。文献[3]研究了空冷凝汽器上游截止阀的使用和多排管的防冻机理。文献[4]同样研究了多排管的防冻问题。文献[5]基于模糊层次分析方法对直接空冷凝汽器的防冻性能进行了监测和预估。文献[6]总结运行经验，分析了大同第二发电厂空冷岛试运中出现的冻结事故，给出了效果良好的防冻措施，但并未实现防冻控制自动化。文献[7]介绍了国电内蒙古东胜热电有限公司直接空冷抽汽供热机组的防冻节能项目，给出了各排散热器结冰背压、机组最优经济运行背压，但没有采取防冻措施。文献[8]根据实际冻结风险，给出了增设温度测点的改造方案，为空冷凝汽器的防冻提供更多的数据支持。文献[9]介绍了国华呼伦贝尔发电有限公司的防冻经验，防冻技术具有很好的工程实用价值。文献[10]对空冷岛的防冻机理做了较详细的解释。

上述文献虽然对直接空冷机组冷端防冻的机理进行了一定程度的研究，但是兼顾冷端防冻与节能功能的自动调节方案很少。本文针对陕西国华锦界能源有限责任公司空冷机组的经济运行背压与防冻性能间的关系进行了研究。

2 防冻节能运行优化方案研究 2.1 研究方法

陕西国华锦界能源有限责任公司的4台600 MW汽轮发电机组每年冬季都会面临空冷系统运行背压高、经济性差的问题。以600 MW直接空冷机组冬季安全、经济运行为目标，结合历史运行数据、空冷岛温度分布规律、防冻控制方法，建立经济运行背压模型，给出防冻控制方法，最后制订出兼顾防冻及经济运行的优化控制策略。

2.2 机组的主要设计参数 2.2.1 汽轮机

陕西国华锦界能源有限责任公司的4台600 MW汽轮发电机组均为上海汽轮机有限公司生产的亚临界、单轴、三缸四排汽、中间再热、直接空冷凝汽式汽轮机，型号为N600-16.67/538/538。

2.2.2 凝汽器

每套汽轮发电机组配备1座空冷岛，每个空冷岛具有56个空冷单元，采用直径为9.144 m的风机进行强制通风，额定迎面风速为1.84 m/s。

2.3 经济运行背压的实现 2.3.1 经济运行背压模型

机组最佳背压是以机组功率、环境气温为自变量的目标函数，在数值上为净出力增量ΔP（机组功率的微增量与空冷风机耗功增量之差）为最大时的风机转速，即不同负荷和环境温度下，汽轮机背压与空冷风机运行转速的关系为：

式中p_k—机组背压，kPa；

t—环境温度，℃；

r—空冷岛风机运行转速，r/min；

P—机组负荷，MW。

汽轮机在不同负荷下排汽压力与出力变化关系为：

式中ΔP_T—机组出力变化量，MW；

Δp_k—机组背压变化量，kPa。

通过改变空冷风机运行方式，得出不同风机转速下风机能耗与风机转速的关系：

式中P_p—空冷风机能耗，kW。

基于测量的环境温度和发电负荷，自动调整风机运行转速，最大程度获得空冷机组运行收益：

上述模型的建立，还需要对空冷岛和汽轮机热力系统进行准确建模。

2.3.2 建立空冷岛模型

冬季低气温条件下，根据空冷岛背压、发电负荷、风机转速、环境温度、散热面积等因素之间的传热流动耦合机理，建立空冷岛计算模型^[10]，然后利用历史运行数据，对模型的具体参数进行优化计算。

2.3.3 建立汽轮机模型

根据电厂提供的热力系统平衡图、发电厂及汽轮机原理，建立汽轮机热力系统变工况模型。先结合主汽压定压-滑压运行方式、回热加热器变工况运行方式，依据弗留格尔公式建立汽轮机变工况运行动力学部分的模型；然后按照文献[10]提供的方法，根据热力系统平衡关系给出汽轮机热力系统的物质平衡方程和能量平衡方程，如汽水分布方程、吸热量方程、功率方程等；再利用这些方程对某一工况下汽轮机热力系统的物质和能量分布状态进行核算；若要分析核算另外1组工况，则可将汽轮机热力系统变工况的动力学方程和物质能量平衡方程进行耦合，即可得到该工况的状态分布；最后，利用历史运行数据对所有模型的有效性进行校核并适当修正。

2.3.4 经济运行背压的限制条件

汽轮机的极限运行背压称为阻塞背压，该背压下汽轮机末级叶片膨胀做功达到极限，为了保证安全，汽轮机运行背压不能低于阻塞背压。结合汽轮机制造厂和机组调试资料，给出在汽轮机设计阻塞背压基础上增加1 kPa保护值（防止汽轮机乏汽超温）的背压下限曲线，见图 1所示。

2.4 空冷系统防冻控制方法 2.4.1 空冷散热器冻结机理

实践经验和理论研究表明，不凝性气体的富集是空冷散热器冻结的唯一内因，集中处理不凝性气体的逆流区最易冻结。

（1）不同翅片管的出口压力不均匀，处于漏风位置翅片管的冷凝末端易成为不凝性气体的富集区域，环境温度较低时常发生冻结现象。

（2）真空泵性能下降将恶化逆流区的抽真空性能，引起逆流区冻结。

（3）空冷岛翅片管与下联箱的焊接之处，经常处于热胀冷缩状态，因膨胀不畅引起焊缝开裂时，大气中的空气漏入空冷岛，容易引起空冷岛局部气阻致翅片管内蒸汽不再流动，引发冻结现象。

2.4.2 空冷系统防冻控制策略

基于以上的机理，通过建立背压优化表，在项目实施中采用了“背压投自动—单排风机降转速—整体降风机转速（背压增加3 kPa）—请求停风机”的空冷防冻控制策略。

（1）背压投自动。该措施可以保证空冷岛风机在环境温度低或者发电负荷低时自动降低风机转速运行。

（2）单排风机降转速、手动增开真空泵。采用降低单排风机转速、手动增开真空泵的控制手段，可提高抽真空温度或凝结水温度。

（3）背压增加3 kPa。采用提高空冷岛运行背压的手段可提高真空泵的排空气能力，直接提高空冷岛的整体温度水平，运行人员可经常采用这种措施防冻，但机组能耗会略有增加。

（4）停风机。采用停风机的手段可在较大程度上提高空冷岛防冻能力。

3 经济运行背压相关模型计算结果

图 2为依据经济运行背压相关模型计算出的风机功率-转速曲线。

从图 2可以看出，风机电耗随风机转速的升高而增加，利用运行历史数据拟合得到的风机电耗与风机转速的函数关系为：

式中η—功率因数，一般取0.75~0.85。

风机能耗与转速呈近似线性关系，这与一般理论公式的三次方关系存在差异，说明该风机叶片的叶型较好，使风机运行曲线比较好。

图 3为汽轮机背压微增曲线。功率微增量为发电负荷、背压的函数。从图 3可以看出，功率微增量随背压的降低而增加，随负荷的降低而增加。在15 kPa附近，不同负荷在此背压下的功率增加量均很接近。

最优经济运行背压为发电负荷、环境温度的函数，综合考虑风机电耗和空冷机组冬季的功率微增量，给出汽轮机冬季防冻节能的背压曲线，如图 4所示。

从图 4可以看出，最优经济运行背压随环境温度的降低而下降，下降到一定程度后，有1个稳定过程，其后略有增加，该稳定区域就是汽轮机机组的极限背压。最优经济运行背压随发电负荷的降低而降低，特别需要指出的是，极限运行背压随发电负荷的降低而降低，意味着冬季空冷岛运行背压追求的是极限背压即阻塞背压，该参数随发电负荷的减小而减小。

4 空冷岛防冻节能运行控制策略的实施效果

根据直接空冷凝汽器背压和风机电耗之间的关系，通过分析实际运行数据得出了经济背压的变化规律。针对冬季防冻需求与低背压经济运行间的矛盾，通过总结空冷凝汽器的温度分布特征，结合空冷散热器防冻机理，制订出空冷系统防冻控制优化策略，并成功应用于陕西国华锦界能源有限责任公司的直接空冷机组。

陕西国华锦界能源有限责任公司的4台600 MW直接空冷机组实施空冷岛防冻节能优化运行控制策略后，冬季4个月背压平均降低了1 kPa，煤耗率平均降低了0.33 g/kWh，在提高空冷机组防冻能力的情况下，实现了节能降耗的目的。若汽轮机组冬季4个月平均发电负荷按500 MW计算，煤发热量以23 MJ/kg计，则全厂每年可节约燃煤1832 t，按照当地商品煤价640元/t计算，电厂每年可节约燃煤成本117.24万元，经济效益显著。

5 结语

为了兼顾直接空冷机组防冻运行的安全性和经济性，结合历史运行数据、空冷散热器温度分布规律及防冻控制方法，通过建立经济运行背压模型，制订了600 MW机组防冻节能运行优化控制策略。实践效果表明，基于背压自动控制的防冻控制策略可以实现直接空冷机组空冷系统冬季防冻节能运行目的，兼顾了空冷系统的防冻和节能要求。