CN104964577A - 一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置及其控制方法，包括换热装置、冷却塔及循环水泵，所述换热装置、冷却塔及循环水泵依次相连且循环水泵还与换热装置相连，换热装置的入口还与直接空冷系统中的汽轮机相连，循环水泵还与直接空冷系统中的空冷岛相连；换热装置将汽轮机排出的汽体与来自循环水泵的冷却水进行热交换降温，经过换热装置的冷却水再次经过冷却塔进行进一步的降温，循环水泵将冷却水再次输送至换热装置。本发明在发生恶劣天气工况下通过加强空冷系统中的辅助冷却装置的冷却效果来达到维持机组稳定运行的目的，同时针对极端恶劣工况下提高循环水泵的转速控制输出，从而最大限度的保证机组的安稳高效运行。

Description

一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及直接空冷式火力发电厂的辅助冷却装置，具体涉及辅助冷却装置的构成及其控制方法。

背景技术

随着国家建设资源节约型社会目标的确定，考虑到空冷机组相比湿冷机组在节水方面的巨大优势，近几年来空冷机组在建设数量及单机容量方面都得到了飞速的发展。由于空冷机组没有逸出水雾、不产生淋水噪音，减轻了对环境的污染，同时废水排放明显减少，甚至可以实现零排放，对当地水体的污染减少。在我国这样一个人均水资源低于世界平均水平的缺水国家发展空冷技术是解决水源短缺矛盾的较好方法。

目前，大部分直接空冷系统并未设计辅助冷却装置，但由于空冷机组大多位于位置偏僻的西北地区，外界环境多变，经常由于外界环境的恶化(如长时间的高温天气)引发空冷效果变差从而导致机组无法维持高负荷运行的情况，带辅助冷却装置的空冷系统是指在汽轮机排汽通向空冷岛之前先经过辅助冷却装置，然后再进入空冷岛进行冷却，利用辅助冷却装置的预冷却作用来应对外界极端环境对空冷系统的热负荷冲击，提高机组运行的经济性。

另外，辅助冷却系统相关优化控制是实现辅助冷却装置冷却效果的关键，但目前缺少相关的控制方案。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置及其控制方法。本发明针对直接空冷系统由于外界环境多变，环境恶化(如长时间的高温天气)导致空冷岛冷却效果变差机组无法维持高负荷运行的问题，通过在直接空冷系统中增加辅助冷却装置的方式来解决，提高了机组应对复杂工况的能力同时增加了机组调节的灵活性。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置，包括换热装置、冷却塔及循环水泵，所述换热装置、冷却塔及循环水泵依次相连且循环水泵还与换热装置相连，换热装置的入口还与直接空冷系统中的汽轮机相连，循环水泵还与直接空冷系统中的空冷岛相连；

所述换热装置将汽轮机排出的汽体与来自循环水泵的冷却水进行热交换降温，经过换热装置的冷却水再次经过冷却塔进行进一步的降温，循环水泵将冷却水再次输送至换热装置。

作为上述方案的进一步的改进，所述循环水泵还与变频装置相连，所述换热装置的进出口均设有温度测量元件，所述温度测量元件及变频装置均与控制器相连。本发明采用循环水泵为冷却水提供循环动力，冷却水在依次通过换热装置、冷却塔后再次被送入换热装置从而完成冷却水的循环流动。

在进一步的控制方案中，所述控制器根据换热装置出口的蒸汽温度，通过变频器控制循环水泵的转速从而控制冷却水循环流量达到调节辅助冷却装置换热负荷的目的。

优选的，所述换热装置为圆筒形或方形结构。

进一步的，利用上述辅助冷却装置的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将温度测量元件采集的换热装置的汽体出口处的温度测量值送入控制器进行处理；

步骤二：控制器处理后的温度测量值送入滞后模块进行滞后处理；

步骤三：温度设定值与经过滞后模块的温度测量值的偏差进入比例积分微分PID控制器进行处理；

步骤四：比例积分微分PID控制器经过计算后输出变频器转速指令，用于控制循环水泵的转速。

进一步的，所述步骤三中，当换热器出口温度高于温度设定值时，PID计算输出增大，加快循环水泵的转速，以达到提高换热效率的目的；

当换热器出口温度低于温度设定值时，PID计算输出减小，减小循环水泵的转速，达到提高辅助冷却装置经济性的目的。

若发生异常工况的情况下为了能够实现快速的调节作用，在异常工况出现的时候PID控制器的前馈环节启动加速调节的作用。因此，进一步的，所述步骤三中增加前馈信号作为比例积分微分PID控制器的前馈环节，当PID算法块接受到前馈信号时，加大辅助冷却系统中的循环水泵的转速输出。

更进一步的，所述前馈信号为外界条件满足室外温度高于设定温度且持续时间大于设定时间的信号。

当前馈环节触发判断条件满足时，判断条件输出真值“1”触发功能函数F(X)，功能函数的输出直接引入比例积分微分PID控制器的前馈环节。

所述功能函数F(X)具体为：输入真值为“0”时，功能函数F(X)为0，输入真值为“1”时，功能函数F(X)为15。

当外部运行条件持续恶化时，为了防止空冷岛冷凝效果下降、此时可以投入辅助冷却装置。但是当外界条件极度恶化而造成空冷岛及辅助冷却装置的冷却能力无法维持机组经济运行时必须加强辅助冷却装置的冷却效果。本方案针对不同的外界条件加入了根据外界条件所生成的前馈环节，确保了外部环境恶化工况下辅助冷却装置的冷却性能。

本发明的有益效果：

本发明针对直接空冷系统由于外界环境多变，环境恶化(如长时间的高温天气)导致空冷岛冷却效果变差机组无法维持高负荷运行的问题，通过在直接空冷系统中增加辅助冷却装置的方式来解决，提高了机组应对复杂工况的能力同时增加了机组调节的灵活性。

本发明在发生恶劣天气工况下通过加强空冷系统中的辅助冷却装置的冷却效果来达到维持机组稳定运行的目的，同时针对极端恶劣工况下提高循环水泵的转速控制输出，从而最大限度的保证机组的安稳高效运行。

附图说明

图1直接空冷系统的简略布置；

图2带有辅助冷却装置的空冷系统的简略布置；

图3带有辅助冷却装置的空冷系统工艺流程方案；

图4辅助冷却系统工作原理图；

图5辅助冷却系统的工作循环图；

图6换热装置示意图；

图7辅助冷却系统的控制方案示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，直接空冷系统是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝。其工艺流程为汽轮机排汽经排汽管道流向空冷凝汽器，排汽管道通过分支管流至空冷凝汽器的配汽联箱。配汽联箱位于空冷凝汽器的顶部，向翅片管束分配蒸汽，外界冷空气被空冷风机吸入后流过翅片管外表面，将汽轮机排汽所携带的热量带走，从而使排汽凝结为水。凝结水再经凝结水泵升压后作为机组给水，完成水汽的循环。直接空冷系统亦可以称为空气冷却凝汽器系统。它应用了直接空冷技术装备，将相关设备连接在一起，构成了火力发电厂热力系统的冷却系统。

带有辅助冷却装置的空冷系统的构成由常规的空冷系统和辅助冷却装置构成，带辅助冷却装置的空冷系统是指在汽轮机排汽通向空冷岛之前先经过辅助冷却装置，然后再进入空冷岛进行冷却。其简略的布置图如图2所示，工艺流程方案如图3所示。

如图4、图5、图6所示，辅助冷却装置的工作流程如下：汽轮机排汽首先进入辅助冷却装置，辅助冷却装置由换热装置、冷却塔、循环水泵及用于连接三者之间的相关管道、变频器构成。

所述换热装置用于完成蒸汽与冷却水的热交换。其工作原理是汽轮机排汽进入换热装置的壳程进而充满换热装置的内部空间，换热装置内部的换热管横穿前后基板，换热管内部流动冷却水，即冷却水流过换热装置的管程，通过换热管内冷却水的循环流动达到冷却换热装置内部蒸汽的目的。结构可采用圆筒形或方形结构，只要热负荷交换能力需要满足设计要求即可，并不固定某种具体形式，换热装置的进出口设有温度测量元件。循环水泵为冷却水的循环提供动力，冷却塔完成冷却水的放热过程，并将冷却完成后的冷却水重新汇合集结。温度测量元件及变频装置均与控制器相连，变频器信号输出与循环水泵相连接，完成对循环水泵转速的控制。

循环水泵为冷却水提供循环动力，冷却水在依次通过换热装置、冷却塔后再次被送入换热装置从而完成冷却水的循环流动。

变频装置控制循环水泵的转速，实现提高冷却效果及节能的目的。其控制方案为通过控制换热装置出口的蒸汽温度来实现变频输出，变频器控制冷却水泵的转速从而控制冷却水循环流量，即通过控制换热装置的蒸汽出口温度达到调节辅助冷却装置换热负荷的目的。

冷却塔完成冷却水的放热过程，并将冷却完成后的冷却水重新汇合集结。

当外部运行条件持续恶化时，为了防止空冷岛冷凝效果下降、此时可以投入辅助冷却装置。但是当外界条件极度恶化而造成空冷岛及辅助冷却装置的冷却能力无法维持机组经济运行时必须加强辅助冷却装置的冷却效果。本方案针对不同的外界条件加入了根据外界条件所生成的前馈作用，确保了外部环境恶化工况下辅助冷却装置的冷却性能。

辅助冷却装置的控制方案如图7所示：具体方案内容如下：

换热装置出口温度设定值与实际出口温度进行比较并求取偏差(偏差定义为：温度设定值减去实际温度)，将温度偏差引入PID控制器并计算输出，输出值控制循环水泵的转速。

当换热器出口温度高于温度设定值时，PID计算输出增大，加快循环水泵的转速，以达到提高换热效率的目的。

当换热器出口温度低于温度设定值时，PID计算输出减小，减小循环水泵的转速，达到提高辅助冷却装置经济性的目的。

同时若发生异常工况的情况下为了能够实现快速的调节作用，在异常工况出现的时候PID控制器的前馈环节启动加速调节的作用。

在换热装置的汽体出口处放置温度测量装置，用于测量换热装置出口处蒸汽温度，同时为了避免温度的不规则变动，在温度测量值引入DCS之后引入经过滞后模块(leadlag算法块)，引入比例积分微分(PID)功能算法块作为控制器的过程输入端，温度测量值与温度设定值的偏差进入PID算法块并经过计算后输出变频器转速指令，用于控制凝结水泵的转速。

整个逻辑状态的构成：

蒸汽温度测点模拟量信号引入滞后模块的输入端，滞后模块的输出端与比例积分微分(PID)控制器的过程输入端(PV)相连，温度设定信号与比例积分微分(PID)控制器的设定端(SP)相连；比例积分微分(PID)控制器的输出作为循环水泵的转速信号。

同时前馈信号作为比例积分微分(PID)控制器的前馈环节。前馈部分的组态内容为：为了避免外界恶劣环境因素降低了机组空冷效果，在这种情况下，当外界条件满足室外温度高于35℃且持续时间大于2h，则加大辅助冷却系统中的循环水泵的转速输出。

具体组态形式为当前馈触发判断条件(室外温度高于35℃且持续时间大于2h)满足时，判断条件输出真值“1”触发功能函数F(X)，功能函数的输出直接引入比例积分微分(PID)控制器的前馈环节。

功能函数F(X)具体数值如下表所示：

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置，其特征是，包括换热装置、冷却塔及循环水泵，所述换热装置、冷却塔及循环水泵依次相连且循环水泵还与换热装置相连，换热装置的入口还与直接空冷系统中的汽轮机相连，循环水泵还与直接空冷系统中的空冷岛相连；

所述换热装置将汽轮机排出的汽体与来自循环水泵的冷却水进行热交换降温，经过换热装置的冷却水再次经过冷却塔进行进一步的降温，循环水泵将冷却水再次输送至换热装置。

2.如权利要求1所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置，其特征是，所述循环水泵还与变频装置相连，所述换热装置的进出口均设有温度测量元件，所述温度测量元件及变频装置均与控制器相连。

3.如权利要求2所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置，其特征是，所述控制器根据换热装置出口的蒸汽温度，通过变频器控制循环水泵的转速从而控制冷却水循环流量达到调节辅助冷却装置换热负荷的目的。

4.如权利要求1或2所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置，其特征是，所述换热装置为圆筒形或方形结构。

5.利用如权利要求1所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置的控制方法，其特征是，具体包括以下步骤：

步骤一：将温度测量元件采集的换热装置的汽体出口处的温度测量值送入控制器进行处理；

步骤二：控制器处理后的温度测量值送入滞后模块进行滞后处理；

步骤三：温度设定值与经过滞后模块的温度测量值的偏差进入比例积分微分PID控制器进行处理；

步骤四：比例积分微分PID控制器经过计算后输出变频器转速指令，用于控制循环水泵的转速。

6.如权利要求5所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置的控制方法，其特征是，所述步骤三中，当换热器出口温度高于温度设定值时，PID计算输出增大，加快循环水泵的转速，以达到提高换热效率的目的；

当换热器出口温度低于温度设定值时，PID计算输出减小，减小循环水泵的转速，达到提高辅助冷却装置经济性的目的。

7.如权利要求5所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置的控制方法，其特征是，所述步骤三中增加前馈信号作为比例积分微分PID控制器的前馈环节，当PID算法块接受到前馈信号时，加大辅助冷却系统中的循环水泵的转速输出。

8.如权利要求7所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置的控制方法，其特征是，所述前馈信号为外界条件满足室外温度高于设定温度且持续时间大于设定时间的信号。

9.如权利要求7所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置的控制方法，其特征是，当前馈环节触发判断条件满足时，判断条件输出真值“1”触发功能函数F(X)，功能函数的输出直接引入比例积分微分PID控制器的前馈环节。

10.如权利要求9所述的一种应用于直接空冷系统中的辅助冷却装置的控制方法，其特征是，所述功能函数F(X)具体为：输入真值为“0”时，功能函数F(X)为0，输入真值为“1”时，功能函数F(X)为15。