发电厂空冷系统及其控制

发电厂空冷系统及其控制1 概述空冷系统主要指汽轮机的排汽通过一定的装置被空气冷却为凝结水的系统，它与常规湿式冷却方式（简称湿冷系统）的主要区别是避免了循环冷却水在湿塔中直接与空气接触所带来的蒸发、风吹损失以及开式循环的排污损失，消除了蒸发热、水雾及排污水等对环境造成的污染。

由于空冷方式用空气直接冷却汽轮机排汽或用空气冷却循环水再间接冷却汽轮机排汽构成了密闭的系统，所以在理论上它没有循环冷却水的上述各种损失，从而使电厂的全厂总耗水量降低80%左右。

用于电厂机组末端冷却的空冷系统主要有直接空冷系统和间接空冷系统，间接空冷系统又分为带表面式凝汽器和带混合式凝汽器的两种系统。

三种空冷方式在国际上都得到广泛的应用，技术均成熟可靠，在国际上三种空冷方式单机容量均已达到600MW。

采用空冷机组大大减少了电厂耗水，为水源的落实和项目的成立提供了便利条件。

特别在富煤缺水地区大力发展大型空冷机组对节约水资源和电力工业可持续发展具有重大的战略意义。

内蒙古地区煤资源丰富，近几年投产的机组，基本都采用了空冷系统，而且大部分为直接空冷系统。

目前建设的电厂空冷控制系统大多直接纳入机组DCS系统，空冷系统采用独立的冗余DPU。

控制系统功能包括数据采集和处理系统（DAS）、顺序控制系统（SCS）、模拟量控制系统（MCS）。

空冷系统在集中控制室实现集中监控，由DCS的操作员站完成对其工艺系统的程序启/停、中断控制及单个设备的操作。

2 间接空冷系统间接空冷系统又分为带混合式凝汽器（海勒式）和带表面式凝汽器（哈蒙式）的两种系统。

2.1混合式间接空冷系统（海勒式）混合式间接空冷系统工艺流程是汽轮机尾部排汽排至安装在汽机房内的混合式凝汽器内与喷射成水膜的循环水直接接触冷却，混合的冷凝水一小部分经精处理后送至再热系统，其余的经循环水泵升压后回至室外的空冷塔，进入安装在塔底部的表面式空冷凝汽器内与空气进行表面式换热冷却，冷却后的循环水通过水轮机或节流阀调压后回至混合式凝汽器循环使用。

混合式凝汽器的间接空冷系统主要由喷射式凝汽器和空冷塔构成。

系统中的冷却水是高纯度的中性水，中性冷却水进入凝汽器直接与汽轮机排汽混合并将其冷凝，受热后的冷却水绝大部分由冷却水循环泵送至空冷塔散热器，经与空气对流换热冷却后通过调压水轮机将冷却水再送至喷射式凝汽器进入下一个循环。

空冷塔散热器外侧装有百叶窗，百叶窗的开度可调，可控制通风量，从而控制冷却性能。

当环境温度较低时，关闭百叶窗，防止散热器冻坏。

系统特点：两次换热、凝结水与循环水混合冷却、运行分正压和微正压两部分，因此，需要设大规模的精处理设备，与其它空冷方式相比增设了水轮机和调节阀大型设备，系统复杂，循环水泵必须紧靠凝汽器布置，为防止水泵汽蚀需设大型泵坑，需设大型冷却塔，因此，基建投资高，优点是年平均背压低。

带混合式凝汽器的间接空冷系统的优点是以微正压的低压水系统运行，较易掌握。

缺点是设备多、系统复杂、需要凝结水精处理装置、自动控制系统复杂、全铝制散热器的防冻性能差。

2.2表面式间接空冷系统（哈蒙式）表面式间接空冷系统与常规湿冷系统基本相同，不同的是空冷塔代替湿冷塔。

工艺流程为汽轮机尾部排汽排至安装在汽机房内的表面式凝汽器内，经与循环水换热后，由凝结水泵升压回至再热系统，换热后的循环水回至安装在室外空冷塔内的表面凝汽器内，与空气换热后经循环水泵升压，送回至汽机房内的表面式凝汽器循环使用。

该系统由表面式凝汽器与空冷塔构成。

与常规的湿冷系统基本相仿，不同之处是用表面式对流换热的空冷塔代替混合式蒸发冷却换热的湿冷塔，通常用不锈钢管凝汽器代替铜管凝汽器，用碱性除盐水代替循环水，用密闭式循环冷却水系统代替开敞式循环冷却水系统。

该系统采用自然通风方式冷却，将散热器装在自然通风冷却塔中。

系统特点：循环水与凝结水分为两个系统，两水质可按各自的要求分别处理，系统简单、设备少，缺点是因两次换热，热效率相对较低，需要大量的冷却面积、设大型冷却塔，因此基建投资高。

带表面式凝汽器的间接空冷系统类似于湿冷系统，其优点是节约厂用电，设备少，冷却水系统与汽水系统分开，两者水质可按各自要求控制。

缺点是空冷塔占地大，基建投资多，系统中需进行两次换热，且都属表面式换热，使全厂热效率有所降低。

2.3 间接空冷控制系统本文以2X200MW空冷机组为例，介绍海勒式间接空冷系统的控制。

1）主要监控测点：补水流量、凝汽器水位、凝汽器真空、贮水箱水位、凝汽器喷咀前后差压、循环水泵出口压力、水轮机入口、出口压力、扇形段顶部压力、扇形段出口水温、扇形段百叶窗开度、塔内温度、排汽温度。

2）主要监控内容：凝汽器水位控制：热力系统中的汽水损失、系统泄漏等，均可引起凝汽器水位的变化。

运行中要维持凝汽器水位在一定范围内。

系统总压力（或竖管压力）控制：海勒式间接空冷系统的特点是系统处于微正压运行状态。

在每一扇形段的顶部安装一根竖管。

正常运行时竖管的水位是通过水轮机（或节流阀）的调节来完成。

在调节水轮机（或节流阀）的同时，相应控制了凝汽器喷咀前后差压，即控制了进入凝汽器的冷却水量。

循环水泵的控制：循环水泵及其出口阀按照程序启停。

正常时两台循环水泵同时运行。

水轮机（或节流阀）的控制：水轮机的作用，一是回收能量，二是调节系统总压力（或竖管压力）及凝汽器喷咀前后差压。

节流阀作为备用，水轮机故障时切换至节流阀。

百叶窗控制：控制百叶窗的目的是改变其开度，从而调节散热器的通风量，达到调节冷却水温的作用。

在冬季，关闭百叶窗可以保护散热器免遭冻坏。

空冷塔扇形段控制：整个空冷塔中的散热器分成六个扇形段，运行中根据大气温度调整扇形段投入的数量，获得在不同负荷时的较好的冷却效果。

贮水箱水位控制：在空冷系统停运或凝汽器水位过高时，将扇形段冷却水排至贮水箱。

补水阀控制：当凝汽器水位低于设定值时，开启补水阀向凝汽器补水。

3 直接空冷系统电厂直接空冷系统是汽机的排汽直接用空气冷却，汽机排出的饱和蒸汽经排汽管道排至安置在室外的空冷凝汽器中，冷凝后的凝结水，经凝结水泵升压后送至汽机回热系统，最后送至锅炉。

电厂直接空冷系统主要包括以下系统：空冷凝汽器（ACC，Air cooled condenser）、空气供给系统、汽轮机排汽管道系统、抽真空系统、空冷凝汽器清洗系统、空冷凝汽器平台及土建支撑。

蒸汽从汽轮机出来，经过蒸汽管道流向空冷凝汽器，由蒸汽分配管道向空冷冷凝器分配蒸汽。

目前直接空冷凝汽器大多采用矩形翅片椭园管芯管的双排、三排管和大口径蛇形翅片的单排管。

空冷凝汽器由顺流管束和逆流管束两部分组成。

顺流管束是冷凝蒸汽的主要部分，可冷凝75%～80%的蒸汽，在顺流管束中，蒸汽和凝结水是同方向移动的。

设置逆流管束主要是为了能够比较顺畅地将系统内的空气和不凝结气体排出，避免运行中在空冷凝汽器内的某些部位形成死区、冬季形成冻结的情况，在逆流管束中，气体和凝结水是反方向移动的。

冷凝所需要的冷空气由轴流冷却风机从大气中吸入，并吹向换热器翅片。

风机采用变频控制，系统可通过控制启停风机台数和对风机转速进行调整来控制进风量，能灵活的适应机组变工况运行，并且起到很好的防冻作用。

抽真空系统由3X100%水环真空泵组成。

泵连接逆流管束的的顶部和主排汽管道。

在启动的时候，不凝气体在抽真空系统中被压缩，并排到大气中。

在部分排汽支管道上设置蒸汽隔离阀（启动排不设蒸汽隔离阀），当冬季汽轮机低负荷运行或启动时，切断某几个散热端的阀门，将热量集中在剩余的散热端中，增加热负荷达到防冻目的。

为防止灰尘附着凝汽器翅片影响系统散热效果，设立冲洗系统，冲洗系统由冲洗水泵以及管道阀门组成。

为减少系统容积，大型机组的空冷凝汽器一般布置在紧靠汽机房A列柱外的平台上。

为适应机组变工况运行和维护，空冷凝汽器被分为几组，每组由相同冷却单元组成，每个冷却单元由“人”型的冷却器排架构成，每个冷却单元下面设一台轴流风机。

直接空冷系统为一次冷却，直接空冷系统的主要优点有：不需中间换热介质，换热温差大，冷凝效果好；冬季防冻措施比较灵活可靠；占地少；节省投资。

不足之处是：汽轮机背压变幅大；真空系统庞大；风机群噪声大；厂用电高。

3.1直接空冷控制系统本文以2X300MW空冷机组为例，介绍直接空冷系统的控制。

1）主要监控测点：排汽压力、环境温度、大气压力、风速风向、凝结水温度、抽气温度、抽气压力、排汽管道凝结水收集装置液位、阀门位置显示和控制、空冷风机变频控制、抽真空系统、ACC清洗系统2）主要监控内容：控制系统通过控制启停风机台数和改变风机转速来改变通过冷凝器换热片的空气流量，从而控制ACC性能。

三个压力传感器测量排汽管道压力。

在正常运行时，排汽压力是主控制变量。

控制系统通过排汽压力控制变频风机，当排汽压力改变时，风机转速也改变，以确保提前设定的运行工况。

ACC的压力控制器和抽气温度控制器/凝结水温度控制器联合工作。

如果压力是主控变量，温度控制器最小选择器被启动。

一旦实际测得的温度降到设定值以下，这一排的温度控制器会覆盖压力控制器的信号，转为温度控制。

其他排只要是凝结水/抽气温度还没有到达设定值之下，仍然是压力控制。

每个覆盖行为都会显示在人机界面上。

当排汽压力是主控制变量时，只要其在设定值范围内，控制系统正常运行。

为了避免单个单元凝结水过冷，控制变量排汽压力能自动被凝结水温度/抽气温度取代。

在温度控制模式下，依据抽气温度和凝结水管道的凝结水温度来调节风机转速。

检测环境温度可以保护ACC不被冻结。

在更差的工况，风机全部关闭，然后关闭个别的蒸汽隔离阀以减少换热面积。

为了加强系统监控，在冬季寒冷期，系统运行必须为自动控制。

在冬季运行中如出现异常，控制系统及时发出指令，调整运行，同时发出警报，提请运行人员注意。

3）风机变频控制每台300MW机组共30台变频控制柜，负责控制空冷机组30台风机的启停和转速调节。

其中控制逆流管束单元风机变频柜6台，控制顺流管束单元风机变频柜24台。

该控制装置具有调节风机转速的功能，并具有自动、手动两种控制方式。

当在手动工作状态时，可以通过空冷平台的就地按钮对风机手动启停。

也可以通过控制柜上变频器操作面板对风机的运行进行控制以及变频器参数的设定。

当在自动工作状态时，变频器投入运行，在集中控制室可以自动控制风机的最佳运行状态。

由集中控制室输出频率控制信号对风机的转速进行控制，变频控制柜反馈电流和频率信号送入集中控制室。

3.2直接空冷系统运行在每种运行模式（手动/自动，夏季，冬季，压力控制，温度控制）下，ACC都有运行级别：启动准备、启动运行、正常运行、低负荷运行、关闭运行、非正常运行、紧急运行。

在“手动”模式下，整个系统完全手动运行，这种模式仅在调试和测试时使用，更经济的运行方式是自动运行。

1）启动准备ACC启动前提：管道伴热运行（仅在冬季）、汽轮机密封系统已运行、补水系统在运行、汽轮机旁路系统准备运行、汽轮机真空破坏阀关闭、抽气泵启动、主凝汽器系统启动2） ACC的启动（1）夏季启动夏季启动模式是环境温度高于+2℃。