摘 要 ：目前國(guó)內(nèi)大型火力發(fā)電廠的排汽冷卻系統(tǒng)大部分采用空冷系統(tǒng)進(jìn)行冷卻?？绽淇梢源蠓冉档碗姀S耗水量，在節(jié)水方面有顯著的效果，因而空冷機(jī)組得到了越夾越多的應(yīng)用。而空冷又分為直接空冷和間接空冷兩種方式。本文以2×30OMW機(jī)組為例介紹了直接空冷系統(tǒng)及其控制;以2×2OOMW機(jī)組為例介紹了間接空冷系統(tǒng)及其控制。

　　關(guān)鍵詞 ：空冷,凝汽器,風(fēng)機(jī)變頻,防凍

　　1. 概述

　　空冷系統(tǒng)主要指發(fā)電廠汽輪機(jī)的排汽，即做完功的蒸汽，排入一定的裝置被空氣或水為介質(zhì)進(jìn)行冷卻為凝結(jié)水的系統(tǒng)。它與常規(guī)濕式冷卻方式(簡(jiǎn)稱濕冷系統(tǒng))的主要區(qū)別是避免了循環(huán)冷卻水在濕塔中直接與空氣接觸所帶來(lái)的蒸發(fā)、風(fēng)吹損失以及開式循環(huán)的排污損失，消除了蒸發(fā)熱、水霧及排污水等對(duì)環(huán)境造成的污染。由于空冷方式用空氣直接冷卻汽輪機(jī)排汽或用空氣冷卻循環(huán)水再間接冷卻汽輪機(jī)排汽構(gòu)成了密閉的系統(tǒng)，所以在理論上它沒有循環(huán)冷卻水的上述各種損失，從而使電廠的全廠總耗水量降低80%左右。

　　用于電廠機(jī)組末端冷卻的空冷系統(tǒng)主要有直接空冷系統(tǒng)和間接空冷系統(tǒng)，間接空冷系統(tǒng)又分為帶表面式凝汽器和帶混合式凝汽器的兩種系統(tǒng)。三種空冷方式在國(guó)際上都得到廣泛的應(yīng)用，技術(shù)均成熟可靠，在國(guó)內(nèi)外以上三種空冷方式單機(jī)容量均已達(dá)到600MW。我國(guó)目前己有60OMW直冷機(jī)組和間冷機(jī)組投運(yùn)。

　　采用空冷機(jī)組大大減少了火力發(fā)電廠的耗水量，為水源的落實(shí)和項(xiàng)目的成立提供了便利條件。特別對(duì)缺水地區(qū)，有著重要的意義。內(nèi)蒙古地區(qū)煤資源豐富，近幾年投產(chǎn)的機(jī)組，基本都采用了空冷系統(tǒng)，而且大部分為直接空冷系統(tǒng)。

　　2. 空冷系統(tǒng)

　　2.1直接空冷系統(tǒng)

　　電廠直接空冷系統(tǒng)是汽輪機(jī)的排汽直接用空氣冷卻，汽機(jī)排出的飽和蒸汽經(jīng)排汽管道排至安置在室外的空冷凝汽器中，冷凝后的凝結(jié)水，經(jīng)凝結(jié)水泵升壓后送至汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，最后送至鍋爐。電廠直接空冷系統(tǒng)主要包括以下系統(tǒng):空冷凝汽器(ACC，Air cool dcondenser)，空氣供給系統(tǒng)、汽輪機(jī)排汽管道系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、空冷凝汽器清洗系統(tǒng)、空冷凝汽器平臺(tái)及土建支撐。

　　蒸汽從汽輪機(jī)出來(lái)，經(jīng)過蒸汽管道流向空冷凝汽器，由蒸汽分配管道間的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橢圓管芯管的雙排、三排管和大口徑蛇形翅片的單排管?？绽淠饔身樍鞴苁湍媪鞴苁鴥刹糠纸M成。順流管束是冷凝蒸汽的主要部分，可冷凝75%—80%的蒸汽，在順流管束中，蒸汽和凝結(jié)水是同方向移動(dòng)的。設(shè)置逆流管束主要是為了能夠比較順暢地將系統(tǒng)內(nèi)的空氣和不凝結(jié)氣體排出，避免運(yùn)行中在空冷凝汽器內(nèi)的某些部位形成死區(qū)、冬季形成凍結(jié)的情況，在逆流管束中，汽體和凝結(jié)水是反方向移動(dòng)的。

　　冷凝所需要的冷空氣由軸流冷卻風(fēng)機(jī)從大氣中吸入，并吹向換熱器翅片。冷卻風(fēng)機(jī)采用變頻控制，系統(tǒng)可通過控制啟停風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)和對(duì)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整來(lái)控制進(jìn)風(fēng)量，從而控制冷卻效果。該方式能靈活的適應(yīng)機(jī)組變工況運(yùn)行，并且起到很好的防凍作用。

　　抽真空系統(tǒng)由3×1O0%容量的水環(huán)真空泵組成。泵連接逆流管束的頂部和主排汽管道。在啟動(dòng)的時(shí)候，不凝氣體在抽真空系統(tǒng)中被壓縮，并排到大氣中。在部分排汽支路管道上設(shè)置蒸汽隔離閥，當(dāng)冬季汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行或啟動(dòng)時(shí)，切斷某幾個(gè)散熱端的閥門，將熱量集中在剩余的散熱端中，增加熱負(fù)荷達(dá)到防凍目的。為防止灰塵附著凝汽器翅片影響系統(tǒng)散熱效果，設(shè)立沖洗系統(tǒng)，沖洗系統(tǒng)由沖洗水泵以及管道閥門組成。

　　為減少系統(tǒng)容積，大型機(jī)組的空冷凝汽器一般布置在緊靠汽機(jī)房外的平臺(tái)上。為適應(yīng)機(jī)組變工況運(yùn)行相維護(hù)，空冷凝汽器被分為幾組，每組由相同冷卻單元組成，每個(gè)冷卻單元由"人"型的冷卻器排架構(gòu)成，每個(gè)冷卻單元下面設(shè)一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)。

　　直接空冷系統(tǒng)為一次冷卻，直接空冷系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有：不需中間換熱介質(zhì)，換熱溫差大，冷凝效果好。冬季防凍措施比較靈活可靠，占地少，節(jié)省投資。不足之處是：汽輪機(jī)背壓變幅大，真空系統(tǒng)龐大，風(fēng)機(jī)群噪聲大，廠用電高。直接空冷機(jī)組原則性汽水系統(tǒng)見圖1。

　　1、鍋爐;2、過熱器;3、汽輪機(jī);4、發(fā)電機(jī):5、凝結(jié)水泵;6、凝結(jié)水精處理裝置;7、凝結(jié)水升壓泵;8、低壓加熱器;9、除氧器;10、給水泵;11、高壓加熱器;12、汽輪機(jī)排汽管道;13、軸流冷卻風(fēng)機(jī);14、凝結(jié)水箱;15、空冷凝汽器。

　　2×600MW直接空冷機(jī)組共兩套空冷凝汽器(ACC)，每臺(tái)機(jī)組ACC共有6排冷凝器，每排冷凝器包括4個(gè)順流管束和1個(gè)逆流管束以及5個(gè)單元空氣供應(yīng)系統(tǒng)(包括變頻風(fēng)機(jī))。共計(jì)24個(gè)順流管束、6個(gè)逆流管束和30臺(tái)風(fēng)機(jī)。

　　2.2 間接空冷系統(tǒng)

　　間接空冷系統(tǒng)又分為帶混合式凝汽器(海勒式)和帶表面式凝汽器(哈蒙式)兩種系統(tǒng)。

　　2.2.1 混合式間接空冷系統(tǒng)(海勒式)

　　混合式間接空冷系統(tǒng)工藝流程是汽輪機(jī)尾部排汽排至安裝在汽機(jī)房?jī)?nèi)的混合式凝汽器內(nèi)與噴射減溫水膜的循環(huán)水直接接觸冷卻，混合的冷凝水一小部分經(jīng)精處理后送至再熱系統(tǒng)，其余的經(jīng)循環(huán)水泵升壓后回至室外的空冷塔，進(jìn)入安裝在塔底部的表面式空冷凝汽器內(nèi)與空氣進(jìn)行表面式換熱冷卻，冷卻后的循環(huán)水通過水輪機(jī)或節(jié)流閥調(diào)壓后回送至混合式凝汽器循環(huán)使用。

　　混合式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)主要由噴射式凝汽器和空冷塔構(gòu)成。系統(tǒng)中的冷卻水是高純度的中性水，中性冷卻水進(jìn)入凝汽器直接與汽輪機(jī)排汽混合并將其冷凝，受熱后的冷卻水絕大部分由冷卻水循環(huán)泵送至空冷塔散熱器，經(jīng)與空氣對(duì)流換熱冷卻后通過調(diào)壓水輪機(jī)將冷卻水再送至噴射式凝汽器進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)?？绽渌崞魍鈧?cè)裝有百葉窗，百葉窗的開度可調(diào)，可控制通風(fēng)量，從而控制冷卻性能。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，關(guān)閉百葉窗，防止散熱器凍壞。

　　系統(tǒng)特點(diǎn)：兩次換熱、凝結(jié)水與循環(huán)水混合冷卻、運(yùn)行分正壓和微正壓兩部分，因此，需要設(shè)大規(guī)模的精處理設(shè)備，與其它空冷方式相比增設(shè)了水輪機(jī)和調(diào)節(jié)閥這樣的大型設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，循環(huán)水泵必須緊靠凝汽器布置，為防止水泵汽蝕需設(shè)大型泵坑，需設(shè)大型冷卻塔，因此，基建投資高，優(yōu)點(diǎn)是年平均背壓低。

　　帶混合式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是以微正壓的低壓水系統(tǒng)運(yùn)行，較易掌握。缺點(diǎn)是設(shè)備多、系統(tǒng)復(fù)雜、需要凝結(jié)水精處理裝置、自動(dòng)控制系統(tǒng)復(fù)雜、全鋁制散熱器的防凍性能差。

　　1、鍋爐;2、過熱器;3、汽輪機(jī);4、噴射式凝汽器;5、凝結(jié)水泵;6、凝結(jié)水精處理裝置;7、凝結(jié)水升壓泵;8、低壓加熱器;9、除氧器:10、給水泵;11、高壓加熱器;12、冷卻水循壞泵;13、調(diào)壓水輪機(jī);14、全鋁制散熱器;15、空冷塔;16、旁路截流閥;17、發(fā)電機(jī)。

　　2.2.2 表面式間接空冷系統(tǒng)(哈蒙式)

　　表面式間接空冷系統(tǒng)與常規(guī)濕冷系統(tǒng)基本相同，不同的是空冷塔代替濕冷塔。工藝流程為汽輪機(jī)尾部排汽排至安裝在汽機(jī)房?jī)?nèi)的表面式凝汽器內(nèi)，經(jīng)與循環(huán)水表面換熱后，排汽冷凝成凝結(jié)水，由凝結(jié)水泵升壓回送至熱力系統(tǒng)。換熱后的循環(huán)水靠循環(huán)水泵壓力送至安裝在室外空冷塔內(nèi)的表面式空冷換熱器內(nèi)，與空氣換熱后經(jīng)循環(huán)水泵升壓，送回至汽機(jī)房?jī)?nèi)的表面式凝汽器循環(huán)使用。

　　該系統(tǒng)由表面式凝汽器和空冷塔構(gòu)成。與常規(guī)的濕冷系統(tǒng)基本相仿，不同之處是用表面式對(duì)流換熱的空冷塔代替混合式蒸發(fā)冷卻換熱的濕冷塔，通常用不銹鋼管凝汽器代替銅管凝汽器，用堿性除鹽水代替循環(huán)水，用密閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)代替開敞式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)采用自然通風(fēng)方式冷卻，將散熱器裝在自然通風(fēng)冷卻塔中。

　　系統(tǒng)特點(diǎn)：循環(huán)水與凝結(jié)水分為兩個(gè)系統(tǒng)，兩水質(zhì)可按各自的要求分別處理，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、設(shè)備少，缺點(diǎn)是因兩次換熱，熱效率相對(duì)較低，需要大量的冷卻面積、設(shè)大型冷卻塔，因此基建投資高。帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)類似于濕冷系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約廠用電，設(shè)備少，冷卻水系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)分開，兩者水質(zhì)可按各自要求控制。缺點(diǎn)是空冷塔占地大，基建投資多，系統(tǒng)中需進(jìn)行兩次換熱，且都屬表面式換熱，使全廠熱效率有所降低。

　　1、鍋爐;2、過熱器;3、汽輪機(jī):4、表面式凝汽器;5、凝結(jié)水泵;6、凝結(jié)水精處理裝置;7、凝結(jié)水升壓泵;8、低壓加熱器;9、除氧器;10、給水泵;11、高壓加熱器;12、循環(huán)水泵;13、膨脹水箱; 14、全鋼制散熱器;15、空冷塔;16、發(fā)電機(jī);

　　3. 空冷控制系統(tǒng)

　　目前建設(shè)的火力發(fā)電廠空冷系統(tǒng)的控制大多直接納入機(jī)組DCS系統(tǒng)，采用獨(dú)立的冗余DPU(過程處理器)單元?？刂葡到y(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)(DAS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)。

　　空冷系統(tǒng)在集中控制室實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，由DCS的操作員站完成對(duì)其工藝系統(tǒng)的程序啟/停、中斷控制及單個(gè)設(shè)備的操作。

　　3.1 直接空冷控制系統(tǒng)

　　本文以2×3OOMW空冷機(jī)組為例，介紹直接空冷系統(tǒng)的控制。

　　3.1.1 主要監(jiān)控測(cè)點(diǎn)：

　　(1)排汽壓力

　　(2)環(huán)境溫度

　　(3)大氣壓力

　　(4)風(fēng)速風(fēng)向

　　(5)凝結(jié)水溫度

　　(6)抽氣溫度

　　(7)抽氣壓力

　　(8)排汽管道凝結(jié)水收集裝置液位

　　(9)閥門位置顯示和控制

　　(10)空冷風(fēng)機(jī)變頻控制

　　(11)抽真空系統(tǒng)

　　(12)ACC清洗系統(tǒng)

　　3.1.2 主要監(jiān)控內(nèi)容：

　　控制系統(tǒng)通過控制啟/停風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)和改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變通過冷凝器換熱片的空氣流量，從而控制ACC性能。三個(gè)壓力傳感器測(cè)量排汽管道壓力。在正常運(yùn)行時(shí)，排汽壓力是主控制變量。控制系統(tǒng)通過排汽壓力控制變頻風(fēng)機(jī)，當(dāng)排汽壓力改變時(shí)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也改變，以確保提前設(shè)定的運(yùn)行工況。

　　ACC的壓力控制器和抽氣溫度控制器/凝結(jié)水溫度控制器聯(lián)合工作。如果壓力是主控變量，溫度控制器最小選擇器被啟動(dòng)。一旦實(shí)際測(cè)得的溫度降到設(shè)定值以下，這一排的溫度控制器會(huì)覆蓋壓力控制器的信號(hào)，轉(zhuǎn)為溫度控制。其他排只要是凝結(jié)水/抽氣溫度還沒有到達(dá)設(shè)定值之下，仍然是壓力控制。每個(gè)覆蓋行為都會(huì)顯示在人機(jī)界面上。

　　當(dāng)排汽壓力是主控制變量時(shí)，只要其在設(shè)定值范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)就能正常運(yùn)行。為了避免單個(gè)單元凝結(jié)水過冷，控制變量排汽壓力能自動(dòng)被凝結(jié)水溫度/抽氣溫度取代。在溫度控制模式下，依據(jù)抽氣溫度和凝結(jié)水管道的凝結(jié)水溫度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　檢測(cè)到環(huán)境溫度很低時(shí)，防凍保護(hù)程序可以保護(hù)ACC不被凍結(jié)。在更差的工況，風(fēng)機(jī)全部關(guān)閉，然后關(guān)閉個(gè)別的蒸汽隔離閥以減少換熱面積。為了加強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)控，在冬季寒冷期，系統(tǒng)運(yùn)行必須為自動(dòng)控制。在冬季運(yùn)行中如出現(xiàn)異常，控制系統(tǒng)及時(shí)發(fā)出指令，調(diào)整運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出警報(bào)，提請(qǐng)運(yùn)行人員注意。

　　3.1.3 風(fēng)機(jī)變頻控制

　　每臺(tái)300MW機(jī)組共30臺(tái)變頻控制柜，負(fù)責(zé)控制空冷機(jī)組30臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。其中控制逆流管束單元風(fēng)機(jī)變頻柜6臺(tái)，控制順流管束單元風(fēng)機(jī)變頻柜24臺(tái)。

　　該控制裝置具有調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能，并具有自動(dòng)、手動(dòng)兩種控制方式。當(dāng)在手動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，可以通過空冷平臺(tái)的就地按鈕對(duì)風(fēng)機(jī)手動(dòng)啟停。也可以通過控制柜上變頻器操作面板對(duì)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制以及變頻器參數(shù)的設(shè)定。當(dāng)在自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，變頻器投入運(yùn)行，在集中控制室可以自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)。由集中控制室輸出頻率控制信號(hào)對(duì)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，變頻控制柜反饋電流和頻率信號(hào)送入集中控制室。

　　變頻控制柜與集中控制室交換的相關(guān)信號(hào):風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)方/就地、風(fēng)機(jī)變頻器故障、風(fēng)機(jī)己運(yùn)行、風(fēng)機(jī)已停止、啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、停止風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)速度給定、風(fēng)機(jī)頻率輸出、風(fēng)機(jī)電流輸出。

　　3.2 間接空冷控制系統(tǒng)

　　本文以2×200MW空冷機(jī)組為例，介紹海勒式間接空冷系統(tǒng)的控制。

　　3.2.1 主要監(jiān)控測(cè)點(diǎn):

　　(1)補(bǔ)水流量

　　(2)凝汽器水位

　　(3)凝汽器真空

　　(4)貯水箱水位

　　(5)凝汽器噴咀前后差壓

　　(6)循環(huán)水泵出口壓力

　　(7)水輪機(jī)人口、出口壓力

　　(8)扇形段頂部壓力

　　(9)扇形段出口水溫

　　(10)扇形段百葉窗開度

　　(11)塔內(nèi)溫度

　　(l2)排汽溫度

　　3.2.2 主要監(jiān)控內(nèi)容：

　　凝汽器水位控制：熱力系統(tǒng)中的汽水損失，系統(tǒng)泄漏，均可引起凝汽器水位的變化。運(yùn)行中共中要維持凝汽器水位在一定范圍內(nèi)。

　　系統(tǒng)總壓力(或豎管壓力)控制：海勒式間接空冷系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)處于微正壓運(yùn)行狀杰。在每一扇形段的頂部安裝一根豎管。正常運(yùn)行時(shí)豎管的水位是通過水輪機(jī)(或節(jié)流閥)的調(diào)節(jié)來(lái)完成。在調(diào)節(jié)水輪機(jī)(或節(jié)流閥)的同時(shí)，相應(yīng)控制了凝汽器噴咀前后差壓，即控制了進(jìn)入凝汽器的冷卻水量。

　　循環(huán)水泵的控制：循環(huán)水泵及其出口閥按照程序啟停。正常時(shí)兩臺(tái)循環(huán)水泵同時(shí)運(yùn)行。水輪機(jī)(或節(jié)流閥)的控制：水輪機(jī)的作用，一是回收能量，二是調(diào)節(jié)系統(tǒng)總壓力(或豎管壓力)及凝汽器噴咀前后差壓。節(jié)流閥作為備用，水輪機(jī)故障時(shí)切換至節(jié)流閥。百葉窗控制：控制百葉窗的目的是改變其開度，從而調(diào)節(jié)散熱器的通風(fēng)量，達(dá)到調(diào)節(jié)冷卻水溫的作用。在冬季，關(guān)閉百葉窗可以保護(hù)散熱器免遭凍壞?？绽渌刃味慰刂?整個(gè)空冷塔中的散熱器分成六個(gè)扇形段，運(yùn)行中根據(jù)大氣溫度調(diào)整扇形段投入的數(shù)量，獲得在不同負(fù)荷時(shí)的較好的冷卻效果。貯水箱水位控制:在空冷系統(tǒng)停運(yùn)或凝汽器水位過高時(shí)，將扇形段冷卻水排至貯水箱。補(bǔ)水閥控制:當(dāng)凝汽器水位低于設(shè)定值時(shí)，開啟補(bǔ)水閥向凝汽器補(bǔ)水。

　　4. 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著電廠直接空冷技術(shù)的發(fā)展，電廠直接空冷技術(shù)在我國(guó)北方地區(qū)的應(yīng)用越越多，也積累了豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，特別是嚴(yán)寒季節(jié)的防凍問題也得到了很好的解決。直接空冷可通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或停運(yùn)風(fēng)機(jī)或使風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)節(jié)空冷凝汽器的進(jìn)風(fēng)量或直至吸熱風(fēng)采防止空冷凝汽器凍結(jié)，調(diào)節(jié)相對(duì)靈活，效果好，并己有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。隨著空冷設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，空冷技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。