摘 要：针对严寒地区、电网负荷率低、抽汽供热直接空冷凝汽器冬季运行防冻难的问题，对直接空冷凝汽器管束结冻的机理进行了深入的分析，并对原防冻保护及在实际运行中的效果进行了解析，将过冷度保护引入ACC逻辑控制，对防冻保护进行了创新，优化了空冷防冻保护，提高了空冷凝汽器的防冻能力，实现了供热期空冷凝汽器安全经济运行。
引言
华能白山煤矸石发电公司安装2×330MW循环流化床直接空冷供热机组。地处吉林省东南部，年平均气温4.5℃，历年最低气温达至-35.5℃，地处电网末端，肩负电网调压、调峰任务;吉林省范围内用电负荷低，火电机组负荷率在50%左右，排汽量相对减少，同时肩负着对外供热任务。该公司从投产至2016年1月历经四个供热期，前两个供热期在防冻保护投入的情况下多次发生顺流单元个别管束、逆流单元局部翅片管束变形、结冻，先采取回暖循环效果不明显，后采取提高背压加回暖循环措施，冻结管束缓慢化开。迫于空冷凝汽器防冻压力，背压控制较高，冬季运行存在如下问题：
1冬季对外供热，电负荷不变，随着环境温度的降低，供热抽汽增大，空冷岛进汽量减少，各列各单元蒸汽分配不均，局部翅片管冻结，严重威胁机组的安全性和供热的可靠性。
2为了空冷翅片管防冻，采取传统提高背压的方法，2012年度供热期背压平均在13.8KPa，2013年度供热期背压平均在13.0KPa，与厂家热力性能修正曲线中经济背压8.0 KPa比高5KPa，影响供电煤耗12.5 g/kwh，使得能耗水平比较高。
3真空严密性超标，最大在450Pa/min，为了减轻防冻压力，冬季运行两台真空泵，增大了厂用电率。
4凝结水过冷度大，2012、2013年度供热期平均为5.47℃，比正常湿冷机组高5℃左右，使凝结水溶氧超标，造成热力系统设备、管道氧腐蚀，严重威胁机组的安全。
因此如何控制凝结水过冷度，提高空冷凝汽器冬季防冻能力，在保证供热可靠性的前提下，保持低背压运行、降低能耗成为了首要任务。
1系统概述
空冷凝汽器由北京龙源冷却技术有限公司设计制造。每台空冷装置总共由30个单元组成，对应30台通风机。翅片管顺流总面积684390m2，翅片管逆流总面积154157m2，管束迎风面顺流面积5823m2，管束迎风面逆流面积999m2，空冷岛冷却系统有6列A形散热装置，每列A形散热装置有5个单元，其中4个顺流单元、1个逆流单元。空冷管束为单排管布置。额定背压13KPa，夏季工况背压30KPa，阻塞背压7.3KPa。风机采用变频电机驱动。抽真空系统配置三台真空泵，启动时运行三台真空泵，正常运行一台真空泵。空冷凝结水下联箱无保温设计。两台机组分别于2012年5月和2012年9月投入运行。
2 凝结水过冷度的定义和表示方法
2.1定义
凝结水过冷度表征了凝汽器热井中凝结水过度冷却程度，凝汽器热井出口凝结水温度与凝汽器在排汽压力下对应的饱和温度之差即称为过冷度。
2.2表示方法
△tn=ts-tc tn：凝结水过冷度;ts：排汽压力对应的饱和温度; tc：热井中凝结水温度。
2.3凝结水过度冷却的影响因素
2.3.1进入空冷凝汽器管束的冷却风量大，且冷却风的温度低。
2.3.2真空系统的严密性差。
2.3.3空冷翅片管结垢、翅片上附着杂物。
2.3.4真空泵效率低。
2.3.5翅片管束内蒸汽分配不均，局部管束内蒸汽量少。
2.3.6凝结水下联箱无保温，下联箱散热损失大。
2.3.7排汽装置水位过高。
3 空冷凝汽器容易冻结的部位及防冻原理分析
3.1散热管横截面结构的影响
以单排管空冷凝汽器管束截面的特点进行分析。
顺流管束内蒸汽和凝结的水同时向下流动，随着流动进程蒸汽越来越少，而凝结的水不断增多。冬季热负荷减少而环境温度较低时，由于空气的冷却能力较强，进入顺流管束的蒸汽有可能在上半部分就已经凝结完毕，顺流管束下端完全是凝结完毕后的凝结水，容易出现过冷，严重时就会发生冻结的可能。逆流管束的作用是用来凝结顺流管束内剩余的蒸汽，来自顺流管束的蒸汽从下端进入散热管自下而上流动，而凝结的水则从上向下流动，管束下端既有凝结的水同时也有蒸汽存在，蒸汽可以直接向凝结水加热，不宜出现过冷。如果逆流管束内的蒸汽在散热管下半部分就已经凝结完毕，逆流管束的上半部分不存在蒸汽，因此逆流管束的上半部分也因为没有蒸汽而不产生凝结水，逆流管束上端一般不会出现因凝结水过冷原因而发生的冻结和结冰现象。但是逆流管束上端而由于剩余的不凝气体中夹带有蒸汽，逆流上端常出现絮状结冰，即雪花形状的结冰。絮状结冰严重时也可造成管束堵塞，但是可以通过逆流风机反转回暖的方式融化，空冷系统设计了回暖循环和防冻保护。
4 防冻保护优化
4.1原防冻保护
4.1.1防冻保护1(顺流单元防冻保护)
该列任一凝结水温度<30℃(共六点)，整列切除自动，逆流风机转速保持不变，顺流风机转速以每分钟10%下降，当顺流风机降至最低转速(20%)时进行保持，如果凝结水温度仍然小于27℃，逆流风机再以每分钟10%的转速下降，当凝结水温度大于29℃，逆流风机以每分钟10%的转速增加，直到达到之前保持值时转速运行，如果凝结水温长时间仍然未达到目标值，可以手动增加背压+2kpa，当凝结水温度大于35℃时，整列风机恢复自动。
4.1.2防冻保护2(逆流单元防冻保护)
该列任一抽空气温度<25℃(共4点)，整列风机切除自动，顺流风机转速保持不变，逆流风机转速以每分钟10%下降，当逆流风机降至最低转速(20%)时且保持，如果抽真空气温度仍然小于22℃，顺流风机再以每分钟10%的转速下降，当抽真空温度大于24℃，顺流风机以每分钟10%的转速增加，直到达到之前保持时的转速运行，当抽真空温度大于32℃时，整列风机恢复自动。
4.1.3列回暖保护
列防冻保护未触发，列回暖按钮投入后，停列的逆流风机延时3min，选择风机反转，启动逆流风机，反转转速按照环境温度与风机转速的线性函数来进行调节：温度(-2，…-35℃)，转速(30%....60%)，反转时间8分钟，反转停止后延迟3分钟，选择正转，重新启动该逆流风机。
4.1.4防冻保护信号分布
4.2原防冻保护投入运行后暴露的突出问题：
防冻保护动作频繁，背压波动大，凝结水过冷度大。
4.3防冻保护优化分析思路：每列凝结水6个温度测点，任一测点温度低于30℃造成顺流防冻保护动作，联动四台风机降低转速，动态响应快，如果有两列顺流同时保护动作，会造成背压波动大;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，如果运行中控制背压7.5KPa，到顺流保护动作凝结水过冷度已达10.32℃，从这一点上分析防冻保护有具有迟滞性。因此优化防冻保护，应从根本上控制凝结水过度冷却，将过冷度作为防冻保护控制的对象，应该能解决防冻保护的有效性和及时性。
5 过冷度作为防冻保护的控制对象创新与实践
5.1凝结水过冷度控制对象的组成
因各列蒸汽分配管道上无压力测点，用进汽蝶阀后温度代替进汽压力下的饱和温度，以第一列为例说明：一列左侧凝结水下联箱上凝结水温度x0LCA10 CT301测点和一列右侧凝结水下联箱上凝结水温度x0LCA10 CT304对称，用进汽蝶阀后温度减左右侧凝结水温度的低值，作为过冷度控制点，用来控制一列一、二单元的两台风机转速;一列左侧凝结水下联箱上凝结水温度x0LCA10 CT303测点和一列右侧凝结水下联箱上凝结水温度x0LCA10 CT306对称，用进汽蝶阀后温度减左右侧凝结水温度的低值，作为过冷度控制点，用来控制一列四、五单元的两台风机转速;一列左侧凝结水下联箱引出水管道上凝结水温度x0LCA10 CT302测点和一列右侧凝结水下联箱引出水管上凝结水温度x0LCA10 CT304对称，用进汽蝶阀后温度减左右侧凝结水温度的低值，作为过冷度控制点，用来控制三单元的逆流风机转速。每列三个过冷度控制点，六列共18个过冷度控制点。(因四列无进汽蝶阀，进汽饱和温度用三、五列蝶阀后温度低选进行替代)。
5.2过冷度作为防冻保护控制对象的原理
背压控制原理图如下，控制回路采用两个PID调节器来实现。PID1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，经PID1运算后控制各风机转速;PID2为辅助调节回路分支，控制系统的过冷度，PID2的输出叠加到PID1回路中，作为风机的最终控制指令。
5.3控制过程
5.3.1单组风机自动控制
当过冷度大于3℃时，通过PID调节器按比列、积分调节规律将该风机转速降低。风机转速按20%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。
5.3.2背压自动控制
通过优化实现了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，在过冷度自动投入时，当过冷度大于5℃且小于9℃时背压设定值增加1KPa，过冷度小于5℃时恢复;当过冷度大于9℃且小于11℃时背压设定值再增加1KPa，过冷度小于9℃时恢复。在回路中加入速率限制，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。
6 优化成果
6.1优化前后曲线对比
2014年11月完成防冻保护优化，运行中背压控制较平稳，过冷度大大减小，2015年采暖期过冷度平均值为1.35℃，背压平均值为7.78 KPa，采暖期背压控制值稍高于相应负荷下的阻塞背压，空冷厂用电也有所减小，取得了良好的经济效益，同时也保证的空冷凝汽器安全越冬，2014、2015年度采暖期未发生过此片管冻结。详见下图
6.3优化前后效益对比
6.3.1经济效益
1)优化前后过冷度降低2.9℃，背压降低4.79 KPa。取2015年度背压与2013年度背压进行计算：供电煤耗降低bgd=(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)。
2)节省厂用电、增加售电收入11.25万元。
6.3.2社会效益
优化后2014年度、2015年度采暖期均未发生因空冷防冻出现问题减少供热、停供热事件，保证了江源区供热的可靠性，给千家万户送去了温暖，赢得了老百姓的赞许。
6.3.3减排效益
优化后不仅降低了机组供电煤耗，而且减少了对大气排放CO2、SO2 等污染气体，按照每吨标准煤燃烧需排放2 吨CO2 计算;实施后，燃烧23341.5t 标煤可减少CO2 排放量为：23341.5×2 =46683t。按照每吨标准煤燃烧需排放0.086 吨SO2;实施后，燃烧23341.5t 标煤可减少SO2 排放量为：23341.5×0.086=2007.36t。按照每吨标准煤燃烧需排放0.00853 吨NOX;实施后，燃烧23341.5t 标煤可减少NOX 排放量为：23341.5×0.00853= 199.1t。
7 结语
本文所述用凝结水过冷度作为控制对象并应用于空冷防冻保护逻辑，经过两个冬季的实践检验，防冻效果显著，并且有效降低了供电煤耗，在提高能源效率、减排增效方面也
常可观，技术成果在同类型机组具有很好的借鉴价值。
原标题：浅谈直接空冷凝汽器防冻创新与实践
