600 MW直接空冷机组背压飞升保护逻辑优化

王天堃

(神华国能集团有限公司，北京 100033)

0 引言

直接空冷技术是一种节水、环保的发电技术，可实现对水资源的循环利用，在煤电一体化项目中应用较多。600 MW直接空冷机组的背压值是重要的控制与保护参数，在夏季高温时段，背压参数不同程度地限制了空冷机组负荷。受自然大风影响，空冷岛会出现热风回流现象，可导致背压飞升、机组跳闸，南非马廷巴电厂、山西漳山电厂、大同第二发电公司均发生过因背压大幅波动造成保护动作停机的事件，严重制约了空冷机组的经济性和稳定性。因此，避免空冷机组背压飞升造成保护动作停机，成为亟待解决的课题[1]。

1 背压保护问题分析

神华国能集团有限公司的600 MW直接空冷机组多分布在山西、陕西、宁夏、内蒙古等偏远地区，全年温度、风速、风向变化较大。受多种因素影响，直接空冷汽轮机的背压频繁大幅变化，在夏季高温、大风时尤为突出[2]。目前，国内直接空冷机组普遍采用在背压达报警值之前限制或降低机组出力的控制方式，导致机组频繁限负荷运行。在高背压、低负荷时，汽轮机末级叶片的蒸汽体积流量和排汽速率大大下降，末级叶片供汽不足，动应力急剧增大，可能超过叶片材料的疲劳强度，造成叶片损坏；夏季运行时在自然大风的作用下，空冷凝汽器散热片排出的热空气又返回到风机入口，导致散热器入口空气温度升高，传热温差减小，严重降低散热器传热效率，造成空冷岛出现热风回流现象[3]，当环境风速达6～9 m/s。风向角为180°时，空冷岛热回流对机组背压的影响最大，严重时可导致背压高保护动作停机。为避免上述现象发生，有2种方法可以尝试。

(1)提高空冷岛风机平均转速。直接空冷机组多采用变频技术来控制轴流风机转速，以调节汽轮机背压。从经济运行角度来看，提高风机转速可使汽轮机背压降低，但需对背压降低多发的电量与提高风机转速多耗的电量进行经济性比较[2]。

(2)减少空冷岛乏汽进汽量。当出现空冷岛热风回流现象时，机组背压升高幅度大、速度快，降低进入空冷岛的乏汽量，可以平衡空冷岛瞬间失去的冷却能力，防止背压快速升高。但因机组背压的升高有延迟，当运行人员发现背压升高时，一般已经失去了降负荷的最佳时机，所以当机组背压升高到一定值时需要通过快减负荷(RB)来减少汽轮机排汽量，快速降低背压，使汽轮机恢复到安全运行区域，避免机组跳闸。

2 背压保护策略优化

针对空冷机组背压飞升问题，按照快速降低空冷岛乏汽进汽量来控制背压值的技术思路，选定某公司600 MW亚临界直接空冷机组开展背压保护优化工作。

2.1 优化监测与报警功能

(1)风速、风向监测。原来安装在空冷岛散热翅片部位的风速及风向测量装置高度偏高，受自然大风引起的热风回流影响，未能真实反映出实际的风向、风速信息。根据该公司所处的地理环境特点，将测量装置移至炉顶上部，以便能及时监测到自然风向的变化；同时在集控室操作员画面中增加环境风速、风向报警页面，自然风向变化较快且风速变化速率达到一定值时发出预警。

(2)背压报警、预警。该600 MW直接空冷机组原设定的背压报警值与跳机保护值间隔较小，报警后运行人员必须在较短的时间内做出反应并正确处理，非常容易出现操作不当的情况。试验人员根据该机组日常运行情况，对监测和报警功能进行改进，重新设定报警条件，给运行人员创造应急处理的时间和机会。参考该机组实际运行工况，在背压大于46 kPa时增设报警，提前预警以保证运行人员有足够的操作时间降低机组负荷，减少空冷岛乏汽进汽量；增设背压变化速率报警，通过背压变化速率判断功能逻辑，背压值在1 min内增量大于2 kPa即触发光子牌声光报警，运行人员提前按照事故预想及应急处理程序进行人工干预。

2.2 设计背压飞升RB功能

为消除自然大风引起的背压飞升影响，最有效的方法就是降低空冷岛的乏汽进汽量，背压速率变化较快并达到设定值时RB动作，快速调减机组负荷[4]。控制策略为：当机组背压超过设定值，同时背压飞升速率超过设定值时机组RB动作，快速减少乏汽进汽量，避免汽轮机背压值上升太快，造成机组跳闸。通过分析历史数据和试验验证，将机组各工况下的背压值与相应的背压飞升速率作为定值组，用于逻辑判断，相应RB条件触发后及时甩负荷。

将空冷岛排气管道两侧的数据信号按照三选中原则进行选择后，再选取两者中的较大值，然后进行测点质量判断，作为背压飞升RB逻辑判断值，RB控制逻辑如图1所示。控制逻辑基于空冷背压值在不同区间距离跳闸值的风险程度，设置了不同的判断速率。主要依据空冷系统的数学模型，对不同工况下的历史数据进行分析计算而得到判断速率。以该600 MW直接空冷机组背压飞升RB为例，其触发条件如下。

图1 空冷机组背压飞升RB控制逻辑

(1)机组大于RB动作负荷设定值：在负荷大于410 MW时触发RB动作，RB动作后的目标值设定为300 MW，负荷小于300 MW时复位。

(2)空冷背压为48～55 kPa，背压飞升变化速率大于5 kPa/min；空冷背压为56～59 kPa，背压飞升变化速率大于3 kPa/min；空冷背压大于60 kPa。满足上述3个条件中的任一条件时触发RB动作。

2.3 逻辑设计技术要点

为保证空冷机组运行的稳定性，必须避免误动和拒动，需对引入逻辑运算的背压值模拟量信号进行测点数据质量判断，如果信号的质量有问题，将闭锁此功能，防止因信号质量问题造成空冷机组RB误动；排气管道两侧背压值要经过比选，选择最大背压值作为逻辑判断依据。因汽轮机排气管道两侧的背压值可能出现较大偏差，要避免汽轮机背压高保护已动作但背压飞升RB未动作的情况发生[5]。

不同机组背压飞升RB动作的负荷设定值、背压变化速率设定值需根据机组运行特性区别对待，通过对机组历史运行数据的分析，寻找当环境急剧恶化时，背压上升较快的负荷临界点，审慎选择相关设定值。

3 保护优化应用效果

某年春季，陕西区域某亚临界600 MW空冷机组背压飞升RB动作前，机组负荷为560 MW，背压为38 kPa，由于自然大风使风向、风速变化较快，机组背压值异常波动，背压迅速攀升至48 kPa，触发背压飞升RB动作，机组快速减负荷，稳定在298 MW，背压稳定在28 kPa。背压飞升RB动作历史曲线如图2所示。

图2 空冷机组背压飞升RB动作历史曲线

从历史数据库中分析该时间段内的相关参数曲线，如未设计空冷飞升RB功能，约3.5 min机组背压就会达到背压保护动作值，因此背压飞升RB动作避免发生了一次机组非计划停运。

另外，经电厂运行人员反馈，在机组运行监盘过程中，空冷背压增量速率报警功能简单实用，机组背压达到飞升RB动作值之前，能够及时发出预警信号，提醒运行人员提前进行相关操作，调整机组运行，避免机组背压进一步恶化。

4 结束语

直接空冷机组背压飞升RB功能的应用从控制策略角度降低了由于自然大风、热风回流造成机组背压值急剧上升而导致机组非计划停运的风险。夏季可将空冷机组背压提高到接近报警值运行，及时提醒运行人员提前干预，有效减少机组限负荷次数；也适用于直接空冷系统多台风机同时出现故障等导致机组背压突然上升的情况。神华国能集团有限公司多台直接空冷机组均已开展背压飞升RB逻辑优化工作，投入少、效益明显。

参考文献：

[1]陈小强，罗志浩，尹峰.超超临界1 000 MW机组RB控制策略分析及优化[J].热力发电，2010，39(7)：72-74.

[2]王琪，刘文平，孙建国，等.600 MW直接空冷机组RB试验控制策略优化与试验措施完善[J].内蒙古电力技术,2008,26(4)：20-23.

[3]罗建平，张长青，王小成.国华锦界能源有限公司#3机组RB控制策略及试验[J]. 热力发电，2009,38(1)：92-95.

[4]罗志浩，王达峰，姚文伟.600 MW机组RB功能试验及其分析[J].热力发电，2007,36(7)：62-65.

[5]李华东.超临界与亚临界机组RB控制策略比较[J].热力发电，2009,38(7)：14-17.