国产间接空冷系统控制策略及应用

高奎，辛军放，赵晖，安宗武，普建国，郭三虎，陈浩

(西安热工研究院有限公司，西安市710032)

0 引言

近年来，国产间接空冷系统已快速推广应用，然而其控制功能的组态设计基本是参照各个厂家提供的控制说明予以实现，不同的组态设计人员对于间接空冷系统所要求的控制功能及侧重点的理解难免有所区别，因此导致间接空冷系统的控制组态出现繁杂但不全面，不能突出控制重点的表现，在系统试运行阶段频繁进行大量修改，既耽误工程的进度，也增加了控制系统调试过程的工作量，浪费了人力资源。

针对以上问题，本文结合某电厂2台350MW超临界机组国产间接空冷控制系统的调试过程，在对间接空冷系统设备、流程及功能分析的基础上，就其控制功能进行划分及总结，利用国产间接空冷控制系统投运过程，对其控制策略进行实验测试，针对暴露的问题进行分析并予以修改完善。

1 间接空冷系统设备

单元机组间接空冷系统利用双曲线自然通风冷却塔内、外空气密度差形成的抽力，提供散热器冷却所需要的空气流量，在冬季可以调节百叶窗开度控制通过冷却扇区的空气流量。单元机组间接空冷系统冷却塔区域主要设备及工艺流程见图1。

单元机组配6段冷却扇区，每个扇区由11个冷却扇段组成，每个扇区设置1台循环水进水阀、1台循环水出水阀、2台扇区排水阀。每个扇段设置1台百叶窗执行机构。循环水进、出水阀及排水阀用于控制扇区充水运行或排水退出运行，通过调整百叶窗开度控制扇区的循环水出水温度。

为了满足冷却系统微正压运行，保证系统内水压稳定，维持正常的水循环，同时满足由于冷却水温度变化时系统内冷却水容积发生变化的要求，系统设置稳压补水系统，由补水泵、膨胀水箱以及连接管道组成。本工程设置2台补水泵，布置在地下储水箱内。当膨胀水箱低水位时，启动补水泵向系统补水;当膨胀水箱补至指定水位时，补水泵停运。

图1 间接空冷系统冷却塔区域工艺流程Fig.1 Cooling tower process of indirect cooling system

空冷系统投运前，需将其管道及散热器中充满水，停运、检修时需将系统水放空。排放的循环水储存在地下储水箱内。充水/排水系统由地下储水箱、充水泵、充水/排水系统管道和阀门组成。充水泵可向冷却塔内的膨胀水箱充水，进而对每个扇区的空冷散热器进行充水。扇区充水时，由充水泵向膨胀水箱充满水(指定水位)，然后由膨胀水箱逐个对扇区的空冷散热器依次进行充水。当系统或某个扇区停运、或冬季运行循环水温过低时，可通过排水系统，将一个或几个扇区内的水排入地下储水箱。

2 间接空冷系统控制功能结构

根据间接空冷系统运行要求，可将其控制功能划分为间冷总控、状态监视、联锁保护、顺序控制、模拟量控制这5个部分，间接空冷系统控制功能结构如图2所示。

状态监视系统对间接空冷系统各项运行状态及参数进行连续采集监视，通过逻辑判断产生扇区已充水、已排水、冬季工况运行、扇区运行状态等系统状态并提供运行人员或顺序控制、联锁保护、模拟量控制等控制逻辑，同时完成系统各项参数报警功能，为运行人员提供全面的系统状态监控。

图2 间接空冷系统控制功能结构Fig.2 Control function structure of indirect air cooling system

系统状态或参数危及安全运行时，联锁保护系统采取联锁动作、保护跳闸等措施将系统恢复至安全运行的状态，联锁保护主要功能包括防冻保护、扇区联锁保护、膨胀水箱水位控制、地下水箱水位控制、系统旁路阀控制、紧急排水阀控制等。顺序控制系统能够按照扇区充/排水工艺流程要求对扇区进水阀、回水阀、排水阀、百叶窗、充水泵等设备进行顺序操作及状态判断，自动完成每个扇区的充水及排水过程。

模拟量控制系统对凝汽器真空、循环水进/回水温度、环境温度等运行参数进行监视，采用前馈、变参数、闭环调节等手段自动对百叶窗开度大小进行调整，使流经间接空冷系统的空气量满足冷却循环水的需求，以保证经冷却后的循环水温度处于适当的范围，满足机组凝汽器真空处于安全、经济运行范围。

间冷总控系统对汽轮机排汽压力进行连续监视，在考虑机组负荷、环境温度、冷却扇区状态、防冻保护等多种因素的基础上，向模拟量控制系统、顺序控制系统派发指令，调整百叶窗开度及扇区运行数量，保证机组在启动、连续运行及停机的全过程中，间接空冷系统的冷却能力与机组需求相匹配。间冷总控系统是间接空冷控制系统的最高一级控制功能。

3 间接空冷系统控制策略及应用

3.1 状态监视

某电厂间接空冷系统在完成系统设备操作、顺控操作、联锁投退等多项功能的同时，提供运行参数/状态监视、参数报警、系统冰冻报警、顺控状态指示等多种功能，满足间接空冷系统在机组启停及运行过程中的各项监控要求。

在完成运行监控、报警等基本功能的同时，状态监视功能对扇区已充水、扇区已排水、冬季运行工况等系统运行状态进行判定并提供给顺序控制、模拟量控制、间冷总控等相应控制功能。

3.2 模拟量控制

间接空冷系统模拟量控制有以下2个目标:(1)机组启/停机、升/降负荷及正常运行期间控制汽轮机凝汽器真空在合理范围，保证机组安全运行及效率;(2)冬季工况下，控制间接空冷系统及各扇区水温在合理范围，不发生冻结危险，保证间接空冷系统安全运行。

达成以上目标的途径是调整间接空冷系统循环水出水温度在合理的范围内，既满足冷却机组排汽要求，同时满足冬季运行防冻要求。由于间接冷却塔循环水出水是由每个扇区冷却后的出水汇集而成，因此将每个扇区的出水温度控制在合理范围内就能保证间接冷却塔的出水温度满足控制要求。

间冷扇区出水温度采用单回路比例积分(proportion-integral，PI)控制器控制，扇区出水温度调节回路结构见图3。由于扇区出水温度受扇区进水温度及冷却空气温度影响显著，为保证调节效果，在单回路的基础上增加了扇区进水温度及环境温度的前馈作用。由于扇区百叶窗开度与空气流量不成线性关系，在0%～40%开度时空气风量变化明显，在40%开度以上空气量变化相对较小，因此根据调节器开度输出构造变增益调节回路。由于环境温度的变化直接影响冷却换热量，不同环境温度下百叶窗开度相同时冷却效果有所不同，因此根据环境温度对出水温度偏差进行变增益构造，以保证不同环境温度时调节效果的稳定。

图3 扇区出水温度调节回路结构Fig.3 Regulating loop structure of sector water temperature

间接空冷系统扇区出水温度控制经回路修改及参数整定后，进行了系统投入及扰动试验，控制效果满足机组各种工况下运行要求。扇区出水温度定值扰动效果见图4，机组变负荷过程中扇区出水温度控制效果见图5，环境温度变化过程中扇区出水温度控制效果见图6。

图4 扇区出水温度定值扰动效果Fig.4 Control effect of sector water temperature constant disturbance

图5 机组变负荷过程中扇区出水温度控制效果Fig.5 Control effect of sector water temperature in load change process

图6 环境温度变化时扇区出水温度控制效果Fig.6 Control effect of sector watertemperature in ambient temperature changing

3.3 顺序控制

间接空冷系统每个扇区设置有充水及排水程控，用于自动对单个扇区进行充水或排水。扇区程控充水步序见图7，扇区充水过程中主要参数变化情况见图8。

扇区程控充水过程需要说明以下几点:

(1)第1步“检测膨胀水箱水位”用于保证扇区进水前膨胀水箱内存有充满1个扇区所需的水量。扇区进水前，膨胀水箱水位应高于“充水水位”，如果水位不满足，本步将下发补水请求给膨胀水箱水位联锁逻辑，以启动充水泵进行补水，直至水位满足。2台充水泵的启动顺序及启停均由联锁控制逻辑实现，本步仅对膨胀水箱水位进行判断并下发补水请求，以此简化程控启动逻辑。

图7 扇区程控充水步序图Fig.7 Programmable sequence of filling off water in sector

图8 扇区充水过程主要参数变化情况Fig.8 Change of main parameters in sector fill wator process

(2)第2步“关闭所有百叶窗”的目的是防止冬季工况下充水过程中扇区内尚未建立水循环的情况下开启百叶窗的部位发生冻结，因此反馈判断中必须要求所有百叶窗关闭;非冬季工况下，对此无严格要求。

(3)第4步“开启进水及回水阀门”分2阶段进行，首先将进水及回水阀门开启至较小开度(10%左右)，以防止进水流量过大、过快导致扇区内空气无法及时排出引起剧烈振动。待扇区内空气基本排尽后将进水及回水阀门全开，扇区投入正常运行。考虑到冬季工况扇区充水过程中避免冻结的要求，总体充水时间尽量缩短，以保证扇区尽快建立循环。

(4)扇区投入正常运行的一项重要标志是扇区内水量充足且水循环正常建立，第5步“扇区满水检测”的作用是对扇区是否成功充水予以确认。基于扇区充水过程中监视参数的变化情况(见图8)，扇区满水情况可根据膨胀水箱水位变化趋势、扇区进水及出水母管压力建立、扇区排气立管液位进行判断。其中，采用排气立管液位作为判断依据最为直观，进水及出水母管压力建立条件也能正确反映扇区内液位高度情况，膨胀水箱水位的变化趋势是在将间冷扇区与膨胀水箱视为一个连通器的基础上通过膨胀水箱水位间接反映扇区内液位高度的判断方式。排气立管液位、扇区进水母管压力、扇区出水母管压力测点均为单支测点，由于该系统冬季试运时保温、伴热等措施不够完善，取样管路经常冻结导致无法准确测量，因此采用了3支膨胀水箱水位测点的变化趋势作为“扇区满水检测”的判断条件。从图8可以看出，扇区充水过程中，膨胀水箱水位从充水水位下降至正常运行水位后保持稳定且高于正常运行水位，利用这一特性进行逻辑组态，即可实现扇区满水检测。扇区程控排水步序见图9，根据运行需要，扇区程控排水可按照完全排水及水关闭2种方式进行。水关闭方式下排水时不开启扇区的泄水阀，仅关闭扇区进水阀及回水阀，即扇区退出间接空冷系统运行但不排水。采用这种方式可以快速投入退出运行的扇区，但扇区防冻保护、环境温度过低、循环水泵全停、紧急泄水阀开启、扇区充水过程故障、扇区排气管液位低等保护动作时，扇区必须进行完全排水以保证设备及系统安全。

图9 扇区程控排水步序图Fig.9 Programmable sequence of draining off water in sector

3.4 联锁保护

3.4.1 防冻保护

(1)扇区防冻保护。扇区防冻保护用于间接空冷系统在冬季工况运行时，保证间冷冷却单元不会因为温度过低发生冻结的危险。根据扇区出水管水温过低的程度，扇区防冻保护被划分为过冷报警、防冻保护、防冻排水这3个等级。与此同时，扇区冷却柱壁温过低时，超驰关闭百叶窗以减少进入扇区的冷空气，保证扇区处于安全的运行范围。冬季工况运行，已投入运行的扇区出水母管水温低于25℃时，该扇区进入“过冷报警”状态，在运行画面出现“过冷报警”提示，运行人员需根据扇区运行情况及时进行调整，防止水温继续降低。冬季工况运行，已投入运行的扇区出水母管水温低于18℃时，该扇区进入“防冻保护”状态，在运行画面上出现“防冻保护”提示，同时控制系统自动关闭扇区的所有百叶窗，减少进入扇区的冷空气以提高水温。冬季工况运行，已投入运行的扇区出水母管水温低于15℃时，该扇区进入“防冻排水”状态，在运行画面出现“防冻排水”提示，同时控制系统自动启动扇区排水程控将扇区中的水排放至地下水箱，防止扇区被冻结。夏季工况运行或扇区已完全排水或扇区出水母管水温高于30℃时，扇区“过冷报警”、“防冻保护”、“防冻排水”状态解除。冬季工况运行，已投入运行的扇区冷却柱壁温过低时，该扇区进入“百叶窗超驰关闭”状态，在运行画面出现“百叶窗超驰关闭”提示，扇区所有百叶窗自动关闭，防止扇区局部冻结。夏季工况运行或扇区冷却柱温度高于5℃或扇区已完全排水时，扇区“百叶窗超驰关闭”状态解除。

(2)整塔防冻保护。冬季工况运行且间接空冷系统循环水冷水母管温度低于15℃时，间接空冷系统发出“整塔防冻报警”信号，提示运行人员及时进行调整，防止系统冻结。“整塔防冻报警”仅作为报警使用，不进行任何联锁保护动作。

(3)膨胀水箱防冻保护。在冬季运行工况下，当膨胀水箱中的水过冷时，采用换水的方式将地下水箱的热水补充至膨胀水箱替换温度过低的冷水。间接空冷塔内温度低于2℃且膨胀水箱水温低于12℃时，膨胀水箱防冻保护动作。

3.4.2 扇区其他保护

在防冻保护功能的基础上，间接空冷系统每个运行扇区同时设置以下保护项目:

(1)冬季工况，3台循环水泵均停运且间接空冷系统冷水管线及热水管线紧急泄水阀处于关闭状态。

(2)间接空冷系统冷水管线紧急泄水阀开启或热水管线紧急泄水阀开启。

(3)扇区运行时排气管液位过低。

(4)扇区充水过程中满水检测失败。

(5)扇区充水过程中膨胀水箱水位过低。

3.4.3 膨胀水箱水位控制

间接空冷系统配置2台充水泵和2台补水泵，用于向间接空冷系统冷却扇区及循环水管线进行补水，冷却扇区及循环水管线水量满足运行要求的标志是膨胀水箱水位正常。充水泵用于扇区充水过程中对系统进行充水，补水泵用于扇区正常运行过程中对系统进行补水。充水泵同时可作为补水泵的备用。

首先，充水泵及补水泵根据膨胀水箱的水位进行联锁启停，其联锁启停分为以下3种情况:

(1)扇区准备充水前，要求膨胀水箱水位高于充水水位，如果水位不满足，则联锁启动充水泵向膨胀水箱充水，待膨胀水箱水位满足扇区充水要求后，联锁停止运行的充水泵。

(2)扇区充水过程中，要求膨胀水箱水位高于正常运行水位，如果水位不满足，则联锁启动充水泵向膨胀水箱充水，待膨胀水箱水位高于正常运行水位后，联锁停止运行的充水泵。

(3)间接空冷系统正常运行过程中，要求膨胀水箱水位高于正常水位，如果水位不满足，则首先联锁启动补水泵向膨胀水箱补水，待膨胀水箱水位满足后，联锁停止运行的补水泵。如果补水泵启动后补水量无法满足补水要求即膨胀水箱水位继续下降，则启动补水流量较大的充水泵向膨胀水箱补水，待水位满足后联锁停止充水泵。

其次，由于系统设置2台充水泵及2台补水泵，分别按照“一运一备”方式运行，因此2台充水泵或补水泵之间应设置主备选择功能，当联锁启动请求发出时，应首先启动主泵，如果主泵启动失败或者运行过程中主泵跳闸时应联锁启动备用泵。主备选择可由运行人员手动选择，为提高自动控制水平，也可根据泵的状态及运行时间进行自动选择，以保证2台充水泵或补水泵的使用寿命同步。

最后，作为充水泵及补水泵安全运行的保障，应设置地下水箱水位过低跳闸及出口阀门关闭跳闸的保护项目。

3.4.4 地下水箱水位控制

地下储水箱的水位由地下水箱补水阀及排放阀进行控制。

地下水箱水位低于“需求水位”时，联锁开启补水阀向水箱补水;地下水箱水位高于“需求水位”时，联锁关闭补水阀停止补水。地下水箱水位需求值由已投运的扇区数量决定，原则为:任一扇区充水前，地下水箱应储有充满1个扇区所需的水量;所有扇区放水时，地下水箱应能够容纳所有扇区排放的水量。扇区充水/排水期间闭锁补水阀联锁动作。

当选择排水方式后，任一补水泵或充水泵运行后，联锁开启排水阀向系统外排水。

3.4.5 系统旁路阀门联锁

机组启/停或运行期间因投运扇区的数量不足时，必须开启扇区旁路阀来保证循环水流量。扇区投运数量较多导致循环水压力过低时，必须关闭旁路阀来保证循环水压力。

系统配置2个扇区旁路阀。1、2、3扇区投入数量不少于2时，联锁开启3扇区旁路阀;1、2、3扇区投入数量少于2时，联锁关闭3扇区旁路阀;4、5、6扇区投入数量不少于2时，联锁开启4扇区旁路阀;4、5、6扇区投入数量少于2时，联锁关闭4扇区旁路阀。

3.4.6 紧急泄水阀控制

间接空冷系统在循环水冷水及热水管线上分别设置1台液压式快速开启阀，用于在紧急工况下(冰冻灾害、控制系统失效等)快速将系统中的循环水排放至地下水箱，确保系统安全。考虑到这2个阀任一开启即会产生机组停机的危险性，这2个阀门采用手动控制，暂不设置联锁保护功能。

4 注意事项及建议

间接空冷控制系统各项功能试运及投用过程中，以下问题需要引起注意:

(1)由于扇区进/出水管道管径不一致，为保证充水时进回水管路进水流量一致，原则上第1阶段开启时进/出水阀门开度应有所区别，如某电厂机组即采用“开启扇区进水阀14 s后中停，开启扇区回水阀18 s后中停，等待61 s后全开扇区进水阀，等待57 s后全开扇区回水阀”的方式完成第1阶段充水。

(2)测量信号的准确性直接影响模拟量控制、程序控制及联锁保护各项功能的正常投入及使用，特别是膨胀水箱水位、地下水箱水位、扇区排气管液位、扇区进/出水温度、扇区进/出水压力、母管进/出水温度等重要测点必须及时准确的投入。对于参与保护项目的重要测点，建议设置多个冗余测点进行三取中等处理后作为保护判断使用，以防止因测量回路问题导致的保护误动。

(3)扇区充水程控必须经实际的充水过程检验，充水阀门开启大小、等待时间等参数必须在实际充水过程的基础上重新进行选择，同时保证充水过程中扇区振动并且避免冬季寒冷工况下充水过程中发生冰冻情况。

(4)扇区进/出水阀门必须设置有中停功能，以满足充水使用要求。有些厂家提供的进/出水阀门带有模拟量开度反馈，可以采用开度反馈组态控制逻辑;有些厂家提供的进出水阀门无模拟量开度反馈，可以采用中停时间组态控制逻辑。采用中停时间组态时时间选择一定要与就地阀门实际开度相匹配。

(5)扇区保护排水条件中个别项目时间参数及判断条件需要根据实际运行情况进一步优化选择。

(6)冬季工况运行时，多个扇区出现“防冻排水”请求时，为避免多个扇区同时排水导致机组真空超越机组安全运行范围，可以考虑采用按照回水温度由低至高的优先顺序逐一放水，多个扇区放水设置一定的时间间隔。考虑到极力避免扇区冻结的需求，扇区“防冻排水”的温度定值应留有足够的裕量，同时可根据回水温度的水平选择不同的放水间隔时间。

(7)运行扇区因壁温过低将超驰关闭该扇区百叶窗，由于每个扇区安装的壁温测点有限，单点壁温仅能代表局部的温度情况，当单点壁温过低后关闭该扇区所有百叶窗是否合理仍值得商榷。目前情况下，采用关闭该扇区所有百叶窗的手段是一种较为稳妥的保护方式。

5 结语

国产间接空冷系统的控制策略已在实际系统的试运阶段及生产运行阶段投入使用，各项联锁保护功能投入正常、动作准确，扇区充水及排水程控执行过程顺畅，扇区出水温度控制指标满足机组运行要求，各项控制功能安全、实用、可靠。本文所述的控制策略及应用经验，为控制逻辑组态及系统调试提供了思路。

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