直接空冷岛启动阶段冬季防冻措施优化

蒋晓明，张来平，陈全明

(1.中国能源建设集团浙江火电建设有限公司，浙江 杭州 310016；2.中国能源建设集团华东电力试验研究院有限公司，浙江 杭州 311200)

某热电2×330 MW发电机组位于新疆石河子市，冬季气候条件十分恶劣，昼夜温差可达20℃，2011年曾出现极端天气，最低气温达到－41.1℃。由于该机组空冷岛系统冷却机组排汽时采用的是空气，因此机组排汽压力控制受环境温度影响很大，同时冬季低温环境下，空冷岛易发生结冻现象。空冷岛结冻的最直接原因是进入空冷岛的热负荷小于最小防冻热负荷，启动阶段，冷态启机所需的时间最长，蒸汽参数最低蒸汽流量较小，是空冷岛管束最容易发生结冻的工况，因此做好启动阶段防冻措施是机组能在冬季安全稳定调试运行的关键。

1 工程概况

该工程机组设计容量为2×330 MW亚临界、中间再热、空冷、抽汽供热式汽轮机，配2台1180 t/h亚临界、中间再热、自然循环汽包锅炉和两台330 MW自并励静止励磁系统、双水内冷冷却汽轮发电机，汽机旁路系统采用高、低压串联电动旁路，其容量按锅炉最大连续出力的40%设置。

2 空冷系统及冻结机理简介

该热电机组空冷岛采用的直接空冷系统包含下列主要部分：

主排汽管道系统：包括1个主排汽管道、6个蒸汽分配管道；冷凝器(Air Cooled Condenser，简称ACC)系统：包括6个冷凝器列，每个冷凝器列包括5个冷凝单元(其中4个顺流单元、1个逆流单元)；5套通风系统(包括风机、减速机、电机、变频器等装置)；凝结水收集系统；抽真空系统(包括3台100%水环真空泵)；挡风墙系统等。

图1 空冷岛冷凝单元示意图

图1为顺流凝汽器和逆流凝汽器工作方式示意图，由图可知各排逆流凝汽单元的温度最低，其空冷凝汽器管束也最容易发生冻结，当进入空冷岛的蒸汽流量小于最小防冻流量时，空冷岛最易发生冻结，出于防冻考虑，逆流单元冷却风机有正转和反转两种运行方式。

当环境温度下降至2℃以下时，尤其是启动阶段，蒸汽流量较小，随着气温的降低，逆流管束上半部有抽气口的部位由于管径较小容易形成细小的冰粒，随着时间的积累，抽气口部位的冰粒就会越积越多，以至于影响不凝结气体的正常抽出；顺流管束过冷时管束内的凝结水将结冻，一般先发生于管束的中下部，随着时间的累积结冻部分将在冷却风机持续冷却下逐渐扩大直至充满管束。北疆地区的冬季，气温长时间处于－20℃以下，空冷岛若不采取合适的防冻措施将面临巨大的结冻风险。

3 机组启动防冻关键点及优化措施

3.1 防冻关键点

(1)空冷岛管束本体保温防寒。

(2)空冷岛本体气体严密性满足设计要求。

(3)增大启动初期的蒸汽流量，满足防冻最小流量要求。

(4)风机序列启动停止的控制，热量的均匀分配。

(5)蒸汽流量的改变对空冷岛背压的影响，控制空冷岛背压在合适范围。

(6)采取措施适当提高进入空冷岛蒸汽温度。

3.2 相关优化措施

3.2.1 物理措施

确认挡风墙系统已完备，否则外界大风天气将对空冷岛内部热负荷分布造成偏移，系统将更难控制，易造成空冷岛部分管束结冻；管束凝结水回水集箱、凝结水管道、抽真空管道增加保温以减少这些管路结冻的可能性；蒸汽分配管电动蝶阀、空冷抽真空管道电动阀及其他暴露在室外低温环境下的阀门加装电伴热以保证阀门可以正常操作；逆流管束通体加盖棉被、顺流管束底部四分之一至凝结水回水集箱处加盖棉被。

3.2.2 蒸汽严密性试验

确认空冷岛本体气密性试验合格，本体无泄漏；确认各列蒸汽分配管电动蝶阀严密性符合要求，能做到不投用时不会发生蒸汽泄漏至未投入列导致结冻。为此启动之前我们做了一系列查漏的工作，确保启动之前本体无泄漏。在机组整套启动或正常运行期间，应定期进行真空严密性试验，以测试机组及空冷凝汽器内部的空气泄漏程度。

3.2.3 启动方式的改进

本机组汽机启动主要有两种方式：一种是不带旁路的高压缸启动；另一种是带旁路的高中压缸联合启动。由于本机组汽机启动过程处于冬季，为保证在冲转过程中进入排气装置有足够大流量的蒸汽以避免空冷岛冻结，故冲转方式选择带旁路启动方式，即在冲转过程中一部分蒸汽进入汽轮机用于做功，大部分蒸汽从旁路直接进入排气装置送至空冷岛。

3.2.4 机组冲转参数选择及过程控制

根据图2和表1选择合适的冲转参数。按冲转曲线选择主汽压力5MPa，主汽温度340℃，再热蒸汽压力0.8MPa，再热蒸汽温度320℃，达到最小热负荷运行时间为3小时，因此在机组整个冲转过程中必须保证空冷岛进汽量在规定时间内达到对应环境温度下的最小防冻流量，以防止空冷岛因长时间小汽量进汽导致结冻。

表1 空冷岛最小防冻流量

图2 汽轮机高中压缸带旁路联合启动冲转曲线

3.2.5 背压的控制措施

空冷岛的主要控制参数是空冷岛的背压，通常背压的调整是通过改变流过ACC管束的冷空气流量来实现的，冷空气流量的改变是通过改变风机的转速来实现的。通风系统的风机转速控制是通过变频器来实现无级调速的。通过改变流过管束冷空气的速度来实现ACC系统压力和温度的变化是一个缓慢的过程，因此控制系统充分地考虑了这一滞后现象，避免控制器振荡情况的出现。启动及正常运行期间，机组背压最好保持在18～25 kPa，2台或3台真空泵依据实际情况运行，并尽量保持同列中各风机的转速相同。

4 机组启动时空冷岛运行情况

通过对空冷岛防冻关键点的分析，以及采取对应的优化措施，进行机组的冷态启动。

4.1 冲转前准备

空冷岛在蒸汽进入前需要提前预抽真空，保持真空破坏门在关闭状态并注满水，打开空冷岛抽真空旁路阀，将排汽压力抽至15 kPa(绝压)，最高不得高于20 kPa(绝压)，根据冲转曲线和防冻流量表选择合适的启动参数，并尽量提高空冷岛进汽温度。

4.2 机组冲转时空冷岛的控制

采用高中压缸联合启动模式，保证空冷岛进汽量不小于最小防冻流量，以减少对空冷岛热负荷的冲击；当空冷岛30、40列空冷管束下联箱凝结水温度高于50℃并且抽空气温度高于40℃后开始投入风机运行，速度指令一般8～10 Hz(根据外界环境温度降低可再提高)，空冷风机应先启逆流单元，再启顺流单元，顺序一般为3－2－4－1－5，停运时顺序相反，转速根据真空情况调整，背压保持在28～35 kPa；空冷风机运行后，空冷岛控制系统根据散热器温度反馈，停止风机运行或降低风机转速，同时对未投运各列空冷岛进汽蝶阀阀后温度进行测温，发现温度升高超过+5℃则自动关闭进汽蝶阀，在流量满足要求后投入相应列。

4.3 启动运行过程中的问题

4.3.1 直接空冷机组冬季运行中参数控制表

机组冬季运行控制参数见表2。

表2 冬季运行参数控制表

4.3.2 启动过程中存在的问题

(1)部分逆流散热器的真空抽气温度最低至20℃，存在冻结风险。

(2)凝结水右侧疏水温度温度最低至19℃，偏离控制参数，存在风险。

(3)切除列运行时，由于电动隔离阀关闭不严泄漏蒸汽，可能造成蒸汽在冷凝管排结冰和空气抽出管结冰堵塞。

经过对防冻关键点的分析，和采取的防冻措施，启动阶段进行了一系列的验证，未发生冻结事件，总体效果尚可，但是空冷岛仍然存在着冻结的风险，因此，需要将以上几项参数控制在安全区间，必须对控制系统作进一步的优化。

5 进一步优化措施

通过启动过程中存在的问题，对控制系统的控制逻辑进行了相关防冻逻辑完善。

5.1 优化抽真空防冻保护模式

在冬季运行模式下(环境温度＜2℃)，该列风机处于运行状态，当该列的抽真空温度监测值达到下列条件时，抽真空防冻模式被激活：

(1)抽气支管温度＜ 30℃，激活抽气防冻保护模式1，执行下列操作：

① 发出抽气防冻保护警报。

② 抽气温度监测点，对应的逆流风机的转速将被降至0Hz，并按照预先设定的频率执行反转。延时10 min，抽气温度仍然没有达到抽气防冻保护模式1所设定的复位条件，系统将控制该列的顺流风机温度比例-积分-微分控制器(Proportion-Integral-Derivative Controller，简称PID)来代替主PID来控制顺流风机的转速，对利用更多量得蒸汽该列的逆流部分进行加热。直到达到抽气防冻保护模式1复位条件抽气保护信号消失，该列的顺逆流风机将恢复主PID的控制模式。

(2) 抽气支管温度＜ 25℃，激活抽气防冻保护模式2，执行下列操作：

① 同时监视相应列的凝结水防冻保护模式2是否激活，判断两种防冻保护模式都已激活，程序自动延时10 min，如果是运行列，联锁关闭此列蒸汽隔离阀，并发出报警，该列被切除。

② 如果是启动列，只发报警信号。

5.2 凝结水防冻保护模式优化

对每列的凝汽器左右侧凝结水疏水温度进行检测，如果其中任一温度达到下列情况时，激活凝结水防冻保护模式：

(1) 任何一列任一凝结水温度＜30℃，激活凝结水防冻保护模式1，执行下列操作：

① 发出报警。

② 相应列的顺流风机降速，直到停为止。

(2) 任何一列任一凝结水温度＜25℃，激活凝结水防冻保护模式2，执行下列操作：

① 发出报警。

② 停止相应列顺流风机运行。

③ 同时监视相应列的抽气防冻保护模式2是否激活，判断两种防冻保护模式都已激活，程序自动延时10 min，如果是运行列，联锁关闭此列蒸汽隔离阀，并发出报警；该列切除运行。

④ 如果是启动列，只发报警信号。

5.3 回暖保护模式逻辑优化

自动回暖保护模式可以利用管束内的热蒸汽对管束进行回暖，所以要定期激活回暖保护模式，该模式是一列一列连续执行的，只要符合条件(环境温度＜－2℃)，回暖运行模式就被激活，同时，其他任何一种防冻保护模式与此互不冲突。

只要回暖保护模式被激活，将会执行下列动作：

(1)发出该列回暖动作信号。

(2)该列的逆流风机(混流单元)按照提前设定的时间将自动减速并停止；然后按照设定好频率进行反转。

(3)该列顺流风机仍按照控制器输出速度运行。

(4)待回暖设定的时间一过，该列的逆流风机将恢复到原来的状态，同时下一列将按照这个程序进行回暖，依次类推，按照顺序周期执行下去。

(5)复位条件：环境温度＞2℃。

6 结语

通过逻辑优化后，在启动阶段空冷岛各项参数均符合表2的要求。通过对空冷岛冻结机理的分析，分析总结出启动阶段空冷岛防冻的有效措施。同时对启动阶段3中控制模式控制策略的优化，空冷机组在冬季效率及安全性明显提升，有效地防止空冷岛冻结。对寒冷地区直接空冷机组冬季防冻具有一定的参考借鉴意义。

[1]张峰峰，等.极度寒冷地区直接空冷机组空冷岛的防冻措施.内蒙古电力技术[J].2011，29(4).

[2]王忠，等.内蒙古上都电厂2*660 MW空冷机组防冻措施[J].内蒙古电力技术，2005，23(4).

[3]孙立国，田亚钊，孙康明.600 MW直接空冷机组的防冻及解冻[J].电力设备，2007，8(5).

[4]阳卫伟.浅析火力发电直接空冷技术防冻措施[J].中国科技博览，2010(31).

[5]孙永斌，等.极寒地区空冷机组防冻优化分析[J].东北电力技术，2017，38(1).