★湯保明（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，浙江杭州310018）

★曹耀武，李庭瑜（神華國華錦界能源有限責任公司，陜西神木719300）

★李戎（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，浙江杭州310018）

關(guān)鍵詞：直接空冷機；分區優(yōu)化；控制方法

1 引言

針對不同環(huán)境空冷風(fēng)耦合作用下的直接空冷通風(fēng)機組，受熱空冷風(fēng)的抽回流和直接軸流風(fēng)機群的群聚和抽回流效應的直接耦合相互作用，軸流風(fēng)機的直接冷卻通風(fēng)能力在不同通風(fēng)區域內會(huì )發(fā)生不同程度變化，導致采用傳統的軸流背壓風(fēng)機控制策略風(fēng)機耗電量大幅增大，能效水平下降。獲得機組軸流風(fēng)機群陣列，根據布局下面的空氣泵風(fēng)流場(chǎng)和機組溫度場(chǎng)，計算得到不同軸流風(fēng)機機樣轉速下單元機組部件背壓的溫度變化影響情況，提出建議采用一種微分和增量法的用度計算方法，分析空冷泵與轉速壓調節對單元機組部件背壓用度影響的幾個(gè)關(guān)鍵性指標，并從單個(gè)空冷泵和單元機組工作效率兩個(gè)角度深入考慮機組調壓用度問(wèn)題。研究結果表明，并不是軸流風(fēng)機系統通風(fēng)散熱量越大，空冷換暖單元帶有散熱管束的散熱效率越高，合理充分發(fā)揮高效空冷換暖單元的換熱作用，能夠有效控制改善空冷換暖島的換熱能效，達到良好節能環(huán)保目的，為深入探討研究空冷換熱島采用軸流風(fēng)機系統優(yōu)化節能控制技術(shù)提供科學(xué)理論和技術(shù)試驗實(shí)踐基礎^[1]。

2 直接空冷機組物理模型

2.1 直接空冷汽器機組直接空氣式冷凝汽器結構布置使用方式

針對高溫環(huán)境中熱風(fēng)對流作用下的直接空冷熱風(fēng)機組，受熱空冷風(fēng)機的回流和背壓軸流效應風(fēng)機群的群流和抽軸流效應的相互帶動(dòng)作用，使得空冷風(fēng)機的軸流冷卻控制能力在不同通風(fēng)區域內會(huì )發(fā)生不同程度變化，導致采用傳統的熱風(fēng)背壓軸流控制策略風(fēng)機耗電量大幅增大，能效水平下降。研究結果表明，并不是空冷風(fēng)機快速通風(fēng)的熱量越大，空冷通風(fēng)單元島的翅片通風(fēng)管束的快速換風(fēng)散熱效率就越高，合理充分發(fā)揮高效空冷通風(fēng)單元的換熱作用，能夠有效率地改善空冷單元島的換熱能效。達到優(yōu)化節能控制目的，為深入學(xué)習研究空冷式渦島機和軸流風(fēng)機設計優(yōu)化節能控制技術(shù)提供科學(xué)理論和節能試驗實(shí)踐基礎。

2.2 直接空冷系統分類(lèi)

（1）順流式

順流式指從蒸汽輪機內部排出的大量水汽，通過(guò)直接配置蒸汽機的管道從凝汽器的上方快速進(jìn)入，然后向下方快速流入后再進(jìn)行直接冷凝，而冷凝過(guò)程完成后的蒸汽凝結物和水的實(shí)際流向恰恰與蒸汽器的流向相同。順流式空氣冷凝汽器的傳熱冷卻效果突出，凝結在熱水的液體隔膜很薄，水汽也較小。但是在這種低溫低壓大負荷操作工況下，凝結后的水在快速凝結進(jìn)入水箱時(shí)很可能出現溫度過(guò)冷過(guò)熱現象，導致水箱凝結水中的水體含氧量急劇升高。

（2）逆流式

逆流式指冷凝過(guò)程完成后的液體凝結蒸汽水的實(shí)際流向恰恰與冷凝蒸汽水的流向完全相反。過(guò)高壓冷卻凝汽現象和高壓冰凍冷卻現象雖然通常不會(huì )在各種逆流式高壓凝汽器中同時(shí)發(fā)生，但是凝汽管內的冷卻液膜較厚，管內汽阻較大。直接空冷排汽分配式蒸汽空氣管道輸送系統主要由直接蒸汽空氣分配輸送管道、排汽輸送管道和空冷凝結式排水管三聯(lián)箱上方的直接蒸汽空氣流通空間組成。其中沒(méi)有導流凝結的液體蒸汽則由導流凝結后的水從并聯(lián)箱上方的高壓通道直接流入裝有逆流器的凝汽器中^[2]。

（3）聯(lián)合式

凝結式排水汽的收集處理系統主要由大型凝結式排水箱、凝結式排水箱三聯(lián)箱、凝結式排水泵和各收集裝置間的聯(lián)結排水管道系統組成。順流凝汽器中冷凝的所有凝結飽和水將全部匯集輸送到一個(gè)聯(lián)箱里，而沒(méi)有冷凝的任何凝結水或飽和水的蒸汽則自然會(huì )通過(guò)連接聯(lián)箱上部的下空間管道流入一個(gè)逆流式的凝汽器，聯(lián)箱內的所有凝結飽和水則通過(guò)連接聯(lián)箱中部的下水管道直接流入。該系統又可以將泄漏或進(jìn)入真空系統的多余空氣和位于逆流器的凝汽器中凝結后的氣體全部抽出除掉，凝汽器專(zhuān)用清洗裝置系統主要由清洗高壓水泵、清洗排水管道和汽車(chē)行走機構等清洗裝置部分組成。

2.3 直接空冷機組數學(xué)模型

對直接空冷壓縮機組的流動(dòng)溫度場(chǎng)和流動(dòng)速度場(chǎng)分別進(jìn)行測量數值分析計算，將直接空氣環(huán)流視為一種不可逆的壓縮理想流體，計算過(guò)程中分別采用了不同計算法，淌風(fēng)環(huán)流制冷模型格式采用二階標準迎風(fēng)環(huán)流模型，離散制冷過(guò)程格式采用一級二階標準迎風(fēng)環(huán)流格式。直接應用空氣式冷凝氣蒸汽發(fā)動(dòng)器系統模型網(wǎng)格建立和應用網(wǎng)格結構劃分均可以通過(guò)軟件設計完成，凝汽器模型主體結構部分與空冷汽輪發(fā)動(dòng)機房和空冷鍋爐房之間的部分區域四面為立體非柱式結構化模型網(wǎng)格，其他部分區域內的空間則全部采用六面體式非結構化模型網(wǎng)格。

在直接空冷空調系統控制器的技術(shù)應用領(lǐng)域中，重點(diǎn)提出一種基于固定溫度場(chǎng)和基于流速場(chǎng)的空冷冷卻島散熱陣列性能控制系統方法，該控制方法主要包括實(shí)時(shí)自動(dòng)監測空冷冷卻機組的工作環(huán)境空氣溫度、迎風(fēng)和仰面風(fēng)速、給料的水流量、主機的蒸汽量、凝結的含水量和出口散熱溫度，計算在進(jìn)入空熱水冷凝汽器各散熱單元的空冷蒸汽含水量和凝結熱量、在進(jìn)入空熱水冷凝汽器加熱冷卻后各單元風(fēng)機散熱裝置的出口蒸汽量和入口散熱溫度、由于空冷水蒸氣相對度變大而凝結為空冷水所要釋放出的熱量、計算空冷凝結后的水繼續加熱降溫所要釋放出的熱量，并通過(guò)空冷散熱量溫度計算器得出空冷凝結的含水量，計算每臺空冷冷卻單元供暖風(fēng)機散熱功耗和凝結風(fēng)量、空冷冷卻單元風(fēng)機傳熱器的工作效率，以島陣列的控制形式實(shí)時(shí)調高高溫低效率空冷風(fēng)機散熱轉速、降低低溫高效率空冷風(fēng)機散熱轉速，達到實(shí)時(shí)調節每臺空冷風(fēng)機的合理散熱出力，從而有效實(shí)現空冷散熱島的最佳和優(yōu)化性能控制。

3 直接空冷系統背壓控制邏輯

如何做好控制分配、如何調整空冷控制單元以及軸流風(fēng)機的最佳工作狀態(tài)，是解決空冷島需節省大量電能問(wèn)題的關(guān)鍵，該控制系統的工作控制性能問(wèn)題一直是多年來(lái)空冷控制設備工程界普遍關(guān)注而又一直未很好得到解決的問(wèn)題，它的最佳工作控制性能將對空冷機組的工作安全性和生產(chǎn)經(jīng)濟性發(fā)展產(chǎn)生直接的重要影響。

3.1 系統自動(dòng)控制要求

在一些傳統風(fēng)機控制制冷系統中，空冷控制單元中的軸流風(fēng)機不能全部保持同樣的額定轉速，向空冷散熱器的翅片和風(fēng)管束系統提供制冷空氣，不能有效地節約系統電能。目前直接空冷的背壓自動(dòng)控制測量方法，是通過(guò)對機組背壓偏差測量基準值和背壓設定值之間的背壓偏差進(jìn)行調節，采用純背壓器和外加背壓偏差器的控制方式，從而可以使空冷汽輪機組的背壓測量值始終能夠維持在背壓設定值所允許的合理范圍之內，進(jìn)而根據其背壓偏差程度來(lái)連續對空冷風(fēng)機高速運行時(shí)的臺數、角速度進(jìn)行自動(dòng)調節，將空冷汽輪機組的背壓測量控制在確保機組安全和高效經(jīng)濟運行的合理范圍內。

3.2 風(fēng)振控制與負壓差

從風(fēng)機控制器的邏輯流程中可知，風(fēng)機的振動(dòng)速度主要由主風(fēng)機控制器通過(guò)自動(dòng)控制整個(gè)風(fēng)機和發(fā)電機的振動(dòng)頻率速度來(lái)進(jìn)行改變，使得實(shí)際值的壓力與風(fēng)機設定值的壓力速度保持相對一致，該計算方法主要采用純自動(dòng)積分器件增加負壓偏差消除的方式，當負壓偏差很大時(shí)，對其風(fēng)機執行程序直接跳過(guò)，然而通過(guò)調試結果發(fā)現該蒸汽輪機組的背部負壓在整個(gè)調節的執行過(guò)程中，超調和負壓波動(dòng)都比較大，不能很好地達到滿(mǎn)足實(shí)際風(fēng)機生產(chǎn)中的要求，實(shí)現執行程序中的跳步，從而致使整個(gè)調節過(guò)程偏差很大并容易同時(shí)產(chǎn)生風(fēng)機振蕩^[3]。

3.3 冷風(fēng)機轉速和溫度關(guān)系

空冷軸流機組背壓受其所在處地區環(huán)境因素等的影響較大，特別是夏季高溫和大風(fēng)天氣導致空冷機組正常運行時(shí)的背壓過(guò)高，嚴重時(shí)會(huì )影響空冷機組安全以及經(jīng)濟高效正常運行，尤其是在全部空冷軸流風(fēng)機最高轉速已無(wú)法達到最高額定轉速，風(fēng)機不能再通過(guò)提速進(jìn)行降壓時(shí)，為了安全必須考慮。機組不得不通過(guò)降低大負荷繼續運行。因此，如何在熱循環(huán)培風(fēng)的作用影響下，有效地大幅降低空冷機組內的背壓，已逐漸成為現如今直接空冷重要技術(shù)研究關(guān)鍵技術(shù)之一。通過(guò)對直接空冷渦流機組單元數值分析模擬方法研究，特別針對大型高速軸向渦流風(fēng)車(chē)單機群在夏季大風(fēng)高溫下或大風(fēng)炎熱天氣時(shí)，模擬空冷機組島單元所處外部速度場(chǎng)和內部溫度場(chǎng)，同時(shí)結合聚類(lèi)分析模擬方法，根據大型軸流風(fēng)機單元壓升、軸流風(fēng)機單元垂直旋轉風(fēng)速、充冷機組單元的出入口通風(fēng)溫度、軸流風(fēng)機內部通風(fēng)量、伸縮管束風(fēng)機通風(fēng)量和確定伸縮管束風(fēng)機換風(fēng)發(fā)熱量等相關(guān)參數，將空冷發(fā)風(fēng)機組內部軸流風(fēng)機群有效地組合進(jìn)行節能分區，并通過(guò)研究確定軸流風(fēng)機最大轉速可在達到最大風(fēng)機轉速要求值時(shí)，通過(guò)有效降低某些特定使用區域軸流風(fēng)機轉速對空冷機組內部進(jìn)行減速調壓，從而有效達到風(fēng)機降速的高節能和低降壓利用目的。

4 結論

通過(guò)數值流場(chǎng)模擬，可以有效地準確模擬空冷空熱島軸流運行時(shí)的軸向溫度場(chǎng)和軸向流速場(chǎng)，為復雜的空冷空熱島大型軸向渦流風(fēng)組在機群中的流場(chǎng)模擬分析工作提供一種便利模擬條件，有利于進(jìn)行優(yōu)化冷島軸流風(fēng)機運行轉速，降低軸流機組的風(fēng)背壓力的研究，通過(guò)不同轉速來(lái)調節軸流風(fēng)機的起動(dòng)轉速，通風(fēng)管束的實(shí)際通過(guò)空冷換風(fēng)散熱量通風(fēng)趨勢與通過(guò)通風(fēng)管束的實(shí)際通風(fēng)散熱趨勢互相吻合效果較好，軸流風(fēng)機的實(shí)際空冷通風(fēng)量散熱趨勢與通過(guò)翅片通風(fēng)管束的實(shí)際通風(fēng)散熱趨勢不一致，并不是軸流風(fēng)機實(shí)際通風(fēng)的熱量越大，空冷通風(fēng)單元通過(guò)翅片通風(fēng)管束的實(shí)際換風(fēng)散熱效率越高。從根本上為大型民用綜合火力發(fā)電廠(chǎng)的建設投產(chǎn)及其建設以及運營(yíng)使用提供了強有力的基礎工程技術(shù)支持。為有效節約當地天然水資源，保護當地自然生態(tài)環(huán)境，走健康和諧可持續發(fā)展的水產(chǎn)業(yè)化的道路。

作者簡(jiǎn)介：

湯保明 （1981-），男，內蒙古呼和浩特人，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，從事火力發(fā)電自動(dòng)控制及智能系統研究工作。

曹耀武 （1987-），男，陜西榆林人，工程師，學(xué)士，現就職于神華國華錦界能源有限責任公司，從事火力發(fā)電自動(dòng)控制控制系統維護工作。

李庭瑜 （1974-），男，陜西榆林人，工程師，學(xué)士，現就職于神華國華錦界能源有限責任公司，從事火力發(fā)電廠(chǎng)熱控儀表及自動(dòng)化技術(shù)研究工作。

李戎 （1975-），男，陜西西安人，高級工程師，現任杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司數字工廠(chǎng)應用部經(jīng)理，從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)研究、智能工廠(chǎng)應用及智能工廠(chǎng)建設工作。

參考文獻：

[1]江偉.淺談熱電站直接空冷的施工[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2020,(15):125-126.

[2]侯宏娟,崔浩,黃暢,宋紅,李安然,趙錦.直接空冷型槽式太陽(yáng)能發(fā)熱電系統技術(shù)經(jīng)濟分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報,2021,(01):90-95.

[3]萬(wàn)華杰.火電廠(chǎng)直接空冷節能技術(shù)分析[J].能源與節能,2021,(06):64-65.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年7月刊