CN106225501B - 一种直接空冷机组防冻系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种直接空冷机组防冻系统及方法，包括汽轮机、发电机和空冷岛系统，汽轮机和发电机通过联轴器连接，汽轮机排汽口与空冷岛系统相连；空冷岛系统包括6列结构相同的空冷凝汽器系统。本发明通过压力测点和温度测点实现凝结水过冷度对空冷风机的自动控制，从而有效控制机组背压，利用PID控制器控制风机转速后，不仅能够满足机组背压要求、空冷岛防冻保护要求，同时还能够降低风机耗电率，降低电厂用电率，在保证机组安全可靠的前提下，实现节能增效的目的。

Description

一种直接空冷机组防冻系统及方法

技术领域

本发明涉及一种防冻系统，具体涉及一种直接空冷机组防冻系统及方法。

背景技术

目前，由于火电机组负荷率普遍偏低，且参与调峰调压，使得机组运行工况进一步恶化，对于直接空冷机组，冬季低负荷工况下，排汽量的减少使空冷岛防冻保护越来越重要，在目前的空冷防冻保护逻辑下，国内很多直接空冷机组空冷换热单元发生管束冻裂、翅片变形等事故，采取回暖循环等方式效果未能有效缓解空冷岛冻裂结冰的情况，现有防冻保护具有迟滞性，迫于空冷岛防冻的压力，直接空冷机组冬季背压控制较高，机组经济性下降较为明显。具体为：空冷防冻保护动作频繁，背压波动大，凝结水过冷度大。

发明内容

为克服现有技术中的缺点，本发明的目的在于提供一种直接空冷机组防冻系统及方法，该系统能够实现空冷岛系统中换热单元独立调节的功能，引入凝结水过冷度的控制逻辑，有效进行机组背压控制，防止换热单元过冷结冰冻裂的现象，同时，该系统和方法实现了对空冷换热单元风机的及时、精确、灵活控制，降低了机组运行背压(接近相应负荷下的阻塞背压)、提高了机组经济性的同时有效降低了风机耗电率，使厂用电率进一步降低，从长远看发挥了空冷机组节能的优势。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种直接空冷机组防冻系统，包括汽轮机、发电机和空冷岛系统，汽轮机和发电机通过联轴器连接，汽轮机排汽口与空冷岛系统相连；空冷岛系统包括6列结构相同的空冷凝汽器系统。

本发明进一步的改进在于，每列空冷凝汽器系统包括四个顺流换热单元和一个逆流换热单元，每个换热单元均包括若干换热管束和一台空冷风机。

本发明进一步的改进在于，每列空冷凝汽器系统包括蒸汽分配管，蒸汽分配管下方左侧设置有左侧凝结水下联箱，右侧设置有右侧凝结水下联箱，蒸汽分配管下方且左侧凝结水下联箱与右侧凝结水下联箱之间依次设置有第一排空冷风机、第二排空冷风机、第三排空冷风机、第四排空冷风机以及第五排空冷风机。

一种直接空冷机组防冻方法，通过采用两个PID调节器的控制回路来实现，第一PID为主调节回路，经过过冷度修正后的排汽压力设定作为背压设定值，具体的过冷度修正为：通过每一列空冷凝汽器系统中凝结水温度测点对空冷凝汽器系统凝结水温度的实时监控，用凝结水过冷度作为修正因子，对原有的背压进行修正作为机组设定背压，经第一PID运算后控制各风机转速，即当某列空冷凝汽器系统过冷度高于定值时，通过第一PID调节器实现空冷风机转速控制，降低该列风机转速，使该列风机过冷度减小；在常规背压自动控制的基础上，增加了过冷度自动调节第二PID环节和排汽压力设定值修正环节，第二PID为辅助调节回路分支，控制系统的过冷度，第二PID的输出叠加到第一PID回路中，作为风机的最终控制指令。

本发明进一步的改进在于，过冷度自动调节第二PID环节为：过冷度与过冷度设定值偏差经过各自空冷凝汽器系统的第二PID比例积分运算，利用第二PID的负输出特性，使输出设定为-20～0％，并将该输出叠加到第一PID输出回路中，作为该风机最终控制指令，从而降低风机转速，使过冷度回到设定值，其它风机也是如此，达到过冷度自动调节目的，实现空冷防冻和节能。

本发明进一步的改进在于，排汽压力设定值修正环节为：通过过冷度对背压设定值进行修正，当任一空冷凝汽器系统的过冷度大于5℃且小于9℃时背压设定值增加1kPa，过冷度小于5℃时恢复至背压设定值；当任一过冷度大于9℃且小于11℃时背压设定值再增加1kPa，过冷度小于9℃时恢复至背压设定值。

本发明进一步的改进在于，在增加1kPa的回路中加入速率限制，保证压力增加速度，进而确保设定值变化时系统的平稳。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明结构简单，通过设置若干温度测点和压力测点，实现凝结水过冷度的实时监控，防止换热单元过冷结冰冻裂的现象，同时，该系统实现了对空冷换热单元风机的及时、精确、灵活控制，降低了机组运行背压(接近相应负荷下的阻塞背压)、提高了机组经济性的同时有效降低了风机耗电率，使厂用电率进一步降低，从长远看发挥了空冷机组节能的优势。并且结构简单，易于实现。

由于现有的空冷防冻系统保护动作比较频繁，机组背压波动大，且厂用电率也偏高，凝结水过冷度偏离设计值较多，对系统构成一定安全隐患，本发明注重对机组凝结水过冷度的实时监控，从根本上控制机组凝结水过冷度和空冷岛防冻逻辑，在保护机组安全性的同时最大程度地提高机组经济性。具体优点如下：

现有防冻保护逻辑是用每列顺流换热单元中蒸汽凝结后凝结水下联箱水温测点、逆流换热单元上联箱抽空气温度测点作为保护动作的控制点，该控制点反映的是蒸汽凝结后的结果量，不能反映蒸汽凝结的过程，一般来说防冻保护动作时凝结水的过冷度在10℃左右，显然这种防冻保护具有迟滞性(凝结水温度30℃，对应的饱和压力为4.24KPa，凝结水温度40.32℃，对应的饱和压力为7.5KPa)，在生产实际中防冻效果不佳，而且在凝结水过冷度10℃时空冷风机的运行转速相对比较高，冷却风过量易使换热管束结冻并且造成空冷风机电率偏大，浪费能源。本发明从空冷翅片管冻结的根本上控制冷却空气过量的问题，将凝结水的过冷度作为防冻保护的控制对象，能够反映蒸汽在顺流、逆流控制单元的凝结过程，是一个过程量，该过程量是用每列进汽增加的等压力测点引入饱和蒸汽软件计算的温度值减去每个控制单元的凝结水温度，一般将其限定在3～5℃，而每列进汽增加的压力测点引入饱和蒸汽软件计算的温度值能够真实的反映进入空冷凝汽器系统的蒸汽实时温度数值，解决了测点温度滞后压力变化的问题，因此本发明用凝结水过冷度作为防冻保护的控制参数具有及时、准确性。

本发明通过压力测点和温度测点实现凝结水过冷度对空冷风机的自动控制，从而有效控制机组背压，利用PID控制器控制风机转速后，不仅能够满足机组背压要求、空冷岛防冻保护要求，同时还能够降低风机耗电率，降低电厂用电率，在保证机组安全可靠的前提下，实现节能增效的目的。

进一步的，本发明将每列分解为三个控制单元，六列共计18个控制单元，每个控制单元的过冷度保护动作时，引起的背压波动较现有技术小一倍，通过两年冬季的实际运行，过冷度控制在1.5℃左右，排汽压力均值较设计背压降低4.79KPa，供电煤耗降低b_gd＝(13-8.21)×2.5＝11.97g/kWh。采暖期月上网电量平均按月平均1.3亿kWh计算，一个采暖期(按6个月)可以节约标煤约23341.5吨，节省燃料成本约1167万元(标煤单价按500元/吨)。空冷风机厂用电率下降0.02％，一个采暖期增加售电12万元收入。因此本发明用凝结水过冷度作为防冻保护的控制参数的有效性和节能性非常突出。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中一列空冷系统的结构示意图。

图3为本发明防冻系统的背压控制原理图。

图中，1为第一列蒸汽分配管入口蝶阀，2为第二列蒸汽分配管入口蝶阀，3为第三列蒸汽分配管入口蝶阀，4为第四列蒸汽分配管入口管，5为第五列蒸汽分配管入口蝶阀，6为第六列蒸汽分配管入口蝶阀，7为第一压力测点，8为第二压力测点，9为第三压力测点，10为第四压力测点，11为第五压力测点，12为第六压力测点，13为第一温度测点，14为第二温度测点，15为第三温度测点，16为第四温度测点，17为第五温度测点，18为第六温度测点，19为第一列换热单元管束，20为第二列换热单元管束，21为第三列换热单元管束，22为第四列换热单元管束，23为第五列换热单元管束，24为第六列换热单元管束，25为第一列空冷风机，26为第二列空冷风机，27为第三列空冷风机，28为第四列空冷风机，29为第五列空冷风机，30为第六列空冷风机，31为汽轮机，32为发电机，33为蒸汽分配管，34为逆流换热单元上联箱，35为左侧凝结水下联箱，36为右侧凝结水下联箱，37为第一排空冷风机，38为第二排空冷风机，39为第三排空冷风机，40为第四排空冷风机，41为第五排空冷风机，42为逆流换热单元上联箱抽真空阀，43为空冷入口联箱压力测点，44为左侧第一二排换热单元凝结水温度测点，45为右侧第一二排换热单元凝结水温度测点，46为左侧第四五排换热单元凝结水温度测点，47为右侧第四五排换热单元凝结水温度测点，48为左侧第三排逆流换热单元凝结水温度测点，49为右侧第三排逆流换热单元凝结水温度测点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。本发明适用于电站直接空冷机组，尤其适用于直接空冷供热机组。本发明中每列空冷凝汽器系统包括四个顺流换热单元和一个逆流换热单元，换热单元包括若干换热管束和一台空冷风机。

参见图1，图1为本发明整体结构的示意图。本发明包括汽轮机31、发电机32和空冷系统，汽轮机31和发电机32通过联轴器直接连接，汽轮机31排汽口与若干列空冷凝汽器系统相连；空冷岛系统包括6列空冷凝汽器系统，分别为第一列空冷凝汽器系统、第二列空冷凝汽器系统、第三列空冷凝汽器系统、第四列空冷凝汽器系统、第五列空冷凝汽器系统以及第六列空冷凝汽器系统。具体的数量可以根据实际情况进行调整。

第一列空冷凝汽器系统包括第一列蒸汽分配管入口蝶阀1、第一列换热单元管束19和用于对第一列换热单元管束19进行冷却的第一空冷风机25，其中，第一列换热单元入口蝶阀1与第一列换热单元管束19入口之间设置有第一压力测点7和第一温度测点13。

第二列空冷凝汽器系统包括第二列蒸汽分配管入口蝶阀2、第二列换热单元管束20和用于对第二列换热单元管束20进行冷却的第二空冷风机26，其中，第二列换热单元入口蝶阀2和第二列换热单元管束20入口之间设置有第二压力测点8和第二温度测点14。

第三列空冷凝汽器系统包括第三列蒸汽分配管入口蝶阀3、第三列换热单元管束21以及用于对第三列换热单元管束21进行冷却的第三空冷风机27，其中，第三列换热单元入口蝶阀3与第三列换热单元管束21入口之间设置有第三压力测点9和第三温度测点15。

第四列空冷凝汽器系统为整个空冷岛系统的启动列，包括第四列换热单元管束22和用于对第四列换热单元管束22进行冷却的第四空冷风机28，其中，第四列空冷凝汽器系统入口蒸汽分配管4与第四列换热单元管束22入口之间设置有第四压力测点10和第四温度测点16。

第五列空冷凝汽器系统包括第五列蒸汽分配管入口蝶阀5、第五列换热单元管束23和用于对第五列换热单元管束23进行冷却的第五空冷风机29，其中，第五列换热单元入口蝶阀5、第五列换热单元管束23入口之间设置有第五压力测点11和第五温度测点17。

第六列空冷凝汽器系统包括第六列蒸汽分配管入口蝶阀6、第六列换热单元管束24以及用于对第六列换热单元管束24进行冷却的第六列空冷风机30，其中，第六列换热单元入口蝶阀6与第六列换热单元管束24入口之间设置有第六压力测点12和第六温度测点18。

汽轮机31排汽口与第一列蒸汽分配管入口蝶阀1、第二列蒸汽分配管入口蝶阀2、第三列蒸汽分配管入口蝶阀3、第四列空冷凝汽器系统入口蒸汽分配管4、第五列蒸汽分配管入口蝶阀5以及第六列蒸汽分配管入口蝶阀6均相连。

参见图2，每一列空冷系统的结构相同，均包括蒸汽分配管33，蒸汽分配管下方左侧设置有左侧凝结水下联箱35，右侧设置有右侧凝结水下联箱36，蒸汽分配管33下方且左侧凝结水下联箱35与右侧凝结水下联箱36之间依次设置有第一排空冷风机37、第二排空冷风机38、第三排空冷风机39、第四排空冷风机40以及第五排空冷风机41。蒸汽分配管33、左侧凝结水下联箱35、右侧凝结水下联箱36呈A型架分布。图2中的折线表示翅片。

逆流换热单元上联箱34位于蒸汽分配管33下方，并且逆流换热单元上联箱34入口与左侧凝结水下联箱、36为右侧凝结水下联箱相连，逆流换热单元上联箱34出口经逆流换热单元上联箱抽真空阀42与主机真空泵相连。利用主机真空泵将没有冷凝的气体抽出。

参见图3，本发明的控制方法具体过程如下：本发明通过采用两个PID调节器的控制回路来实现。第一PID为主调节回路，经过过冷度修正后的排汽压力设定作为背压设定值，具体的过冷度修正为通过每一列空冷系统中凝结水温度测点对空冷凝汽器系统凝结水温度的实时监控，用凝结水过冷度作为修正因子，对原有的背压进行修正作为机组设定背压，经第一PID运算后控制各风机转速，即当某列空冷系统过冷度高于定值时，通过第一PID调节器实现空冷风机转速控制，降低该列风机转速，使该列风机过冷度减小；在常规背压自动控制的基础上，增加了过冷度自动调节第二PID环节和排汽压力设定值修正环节，第二PID为辅助调节回路分支，控制系统的过冷度，第二PID的输出叠加到第一PID回路中，作为风机的最终控制指令，如图3。

过冷度自动调节第二PID环节：过冷度与过冷度设定值偏差经过各自空冷系统的第二PID比例积分运算，利用第二PID的负输出特性，使输出设定为-20～0％，并将该输出叠加到第一PID输出回路中，作为该风机最终控制指令，从而降低风机转速，使过冷度回到设定值，其它风机也是如此，达到过冷度自动调节目的，实现空冷防冻和节能。

排汽压力设定值修正环节：通过过冷度对背压设定值进行修正，当任一过冷度控制点的过冷度大于5℃且小于9℃时背压设定值增加1kPa，过冷度小于5℃时恢复至背压设定值；当任一过冷度大于9℃且小于11℃时背压设定值再增加1kPa，过冷度小于9℃时恢复至背压设定值。在增加1kPa的回路中加入速率限制，保证压力增加速度，进而确保设定值变化时系统的平稳，使机组始终在安全经济背压下运行，同时降低了空冷风机的电耗，实现了节能增效的目的。

当过冷度大于3℃时，通过第二PID调节器按比列、积分调节规律将相应风机转速降低。风机转速按最多降低20％的比例降低，该信号作为背压主控的偏置值，主回路始终按背压设定值进行自动调节，以维持排汽压力在允许范围内。

本发明通过对背压设定值进行自动校正，在排汽压力主控回路加入过冷度辅控回路，使得第一排空冷风机37、第二排空冷风机38、第三排空冷风机39、第四排空冷风机40以及第五排空冷风机41，能够自动跟随机组凝结水过冷度的变化，从而改变风机转向和频率，实现冬季工况下第一列换热单元管束19、第二列换热单元管束20、第三列换热单元管束21、第四列换热单元管束22、第五列换热单元管束23以及第六列换热单元管束24的防冻要求。

以任意一列空冷凝汽器系统为例进行说明，如图3所示，防冻方法具体实施过程为：利用每一列蒸汽入口管压力测点43计算出对应的饱和温度Ts，左侧第一二排换热单元凝结水温度测点44(测得温度记为T1)、右侧第一二排换热单元凝结水温度测点45(测得温度记为T1')取低值(即T1、T1'中的较小值)后与Ts做差值引入空冷逻辑中控制第一排空冷风机37和第二排空冷风机38的转速，左侧第三排逆流换热单元凝结水温度测点48(测得温度记为T3)、右侧第三排逆流换热单元凝结水温度测点49(测得温度记为T3')取低值后与Ts做差值引入空冷逻辑中控制第三排空冷风机39转速，左侧第四五排换热单元凝结水温度测点46(测得温度记为T2)、右侧第四五排换热单元凝结水温度测点47(测得温度记为T2')取低值后与Ts做差值引入空冷逻辑中控制第四排空冷风机40、第五排空冷风机机41转速，从而实现对所有空冷风机转速的实时、精确控制。

本发明能够根据第一列换热单元管束19、第二列换热单元管束20、第三列换热单元管束21、第四列换热单元管束22以及第五列换热单元管束23、第六列换热单元管束24内蒸汽顺流、逆流的不同流动方向实现可靠的防冻保护逻辑和方案。

Claims (2)

1.一种直接空冷机组防冻方法，其特征在于，基于直接空冷机组防冻系统，该系统包括汽轮机(31)、发电机(32)和空冷岛系统，汽轮机(31)和发电机(32)通过联轴器连接，汽轮机(31)排汽口与空冷岛系统相连；空冷岛系统包括6列结构相同的空冷凝汽器系统；每列空冷凝汽器系统包括四个顺流换热单元和一个逆流换热单元，每个换热单元均包括若干换热管束和一台空冷风机；每列空冷凝汽器系统包括蒸汽分配管(33)，蒸汽分配管(33)下方左侧设置有左侧凝结水下联箱(35)，右侧设置有右侧凝结水下联箱(36)，蒸汽分配管(33)下方且左侧凝结水下联箱(35)与右侧凝结水下联箱(36)之间依次设置有第一排空冷风机(37)、第二排空冷风机(38)、第三排空冷风机(39)、第四排空冷风机(40)以及第五排空冷风机(41)；

通过采用两个PID调节器的控制回路来实现，第一PID为主调节回路，经过过冷度修正后的排汽压力设定作为背压设定值，具体的过冷度修正为：通过每一列空冷凝汽器系统中凝结水温度测点对空冷凝汽器系统凝结水温度的实时监控，用凝结水过冷度作为修正因子，对原有的背压进行修正作为机组设定背压，经第一PID运算后控制各风机转速，即当某列空冷凝汽器系统过冷度高于定值时，通过第一PID调节器实现空冷风机转速控制，降低该列风机转速，使该列风机过冷度减小；在常规背压自动控制的基础上，增加了过冷度自动调节第二PID环节和排汽压力设定值修正环节，第二PID为辅助调节回路分支，控制系统的过冷度，第二PID的输出叠加到第一PID回路中，作为风机的最终控制指令；

过冷度自动调节第二PID环节为：过冷度与过冷度设定值偏差经过各自空冷凝汽器系统的第二PID比例积分运算，利用第二PID的负输出特性，使输出设定为-20～0％，并将该输出叠加到第一PID输出回路中，作为该风机最终控制指令，从而降低风机转速，使过冷度回到设定值，其它风机也是如此，达到过冷度自动调节目的，实现空冷防冻和节能；

排汽压力设定值修正环节为：通过过冷度对背压设定值进行修正，当任一空冷凝汽器系统的过冷度大于5℃且小于9℃时背压设定值增加1kPa，过冷度小于5℃时恢复至背压设定值；当任一过冷度大于9℃且小于11℃时背压设定值再增加1kPa，过冷度小于9℃时恢复至背压设定值。

2.根据权利要求1所述的一种直接空冷机组防冻方法，其特征在于，在增加1kPa的回路中加入速率限制，保证压力增加速度，进而确保设定值变化时系统的平稳。