★湯保明（杭州和利時自動化有限公司，浙江杭州310018）

★曹耀武，李庭瑜（神華國華錦界能源有限責(zé)任公司，陜西神木719300）

★李戎（杭州和利時自動化有限公司，浙江杭州310018）

關(guān)鍵詞：直接空冷機；分區(qū)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(yīng)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(qū)域內(nèi)會發(fā)生不同程度變化，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)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(jù)布局下面的空氣泵風(fēng)流場和機組溫度場，計算得到不同軸流風(fēng)機機樣轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速壓調(diào)節(jié)對單元機組部件背壓用度影響的幾個關(guān)鍵性指標(biāo)，并從單個空冷泵和單元機組工作效率兩個角度深入考慮機組調(diào)壓用度問題。研究結(jié)果表明，并不是軸流風(fēng)機系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)提供科學(xué)理論和技術(shù)試驗實踐基礎(chǔ)^[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(jié)構(gòu)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(yīng)風(fēng)機群的群流和抽軸流效應(yīng)的相互帶動作用，使得空冷風(fēng)機的軸流冷卻控制能力在不同通風(fēng)區(qū)域內(nèi)會發(fā)生不同程度變化，導(dǎo)致采用傳統(tǒng)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(jié)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(jié)能控制目的，為深入學(xué)習(xí)研究空冷式渦島機和軸流風(fēng)機設(shè)計優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)提供科學(xué)理論和節(jié)能試驗實踐基礎(chǔ)。

2.2 直接空冷系統(tǒng)分類

（1）順流式

順流式指從蒸汽輪機內(nèi)部排出的大量水汽，通過直接配置蒸汽機的管道從凝汽器的上方快速進入，然后向下方快速流入后再進行直接冷凝，而冷凝過程完成后的蒸汽凝結(jié)物和水的實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(jié)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(fù)荷操作工況下，凝結(jié)后的水在快速凝結(jié)進入水箱時很可能出現(xiàn)溫度過冷過熱現(xiàn)象，導(dǎo)致水箱凝結(jié)水中的水體含氧量急劇升高。

（2）逆流式

逆流式指冷凝過程完成后的液體凝結(jié)蒸汽水的實際流向恰恰與冷凝蒸汽水的流向完全相反。過高壓冷卻凝汽現(xiàn)象和高壓冰凍冷卻現(xiàn)象雖然通常不會在各種逆流式高壓凝汽器中同時發(fā)生，但是凝汽管內(nèi)的冷卻液膜較厚，管內(nèi)汽阻較大。直接空冷排汽分配式蒸汽空氣管道輸送系統(tǒng)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(jié)式排水管三聯(lián)箱上方的直接蒸汽空氣流通空間組成。其中沒有導(dǎo)流凝結(jié)的液體蒸汽則由導(dǎo)流凝結(jié)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(jié)式排水汽的收集處理系統(tǒng)主要由大型凝結(jié)式排水箱、凝結(jié)式排水箱三聯(lián)箱、凝結(jié)式排水泵和各收集裝置間的聯(lián)結(jié)排水管道系統(tǒng)組成。順流凝汽器中冷凝的所有凝結(jié)飽和水將全部匯集輸送到一個聯(lián)箱里，而沒有冷凝的任何凝結(jié)水或飽和水的蒸汽則自然會通過連接聯(lián)箱上部的下空間管道流入一個逆流式的凝汽器，聯(lián)箱內(nèi)的所有凝結(jié)飽和水則通過連接聯(lián)箱中部的下水管道直接流入。該系統(tǒng)又可以將泄漏或進入真空系統(tǒng)的多余空氣和位于逆流器的凝汽器中凝結(jié)后的氣體全部抽出除掉，凝汽器專用清洗裝置系統(tǒng)主要由清洗高壓水泵、清洗排水管道和汽車行走機構(gòu)等清洗裝置部分組成。

2.3 直接空冷機組數(shù)學(xué)模型

對直接空冷壓縮機組的流動溫度場和流動速度場分別進行測量數(shù)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(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)環(huán)流模型，離散制冷過程格式采用一級二階標(biāo)準(zhǔn)迎風(fēng)環(huán)流格式。直接應(yīng)用空氣式冷凝氣蒸汽發(fā)動器系統(tǒng)模型網(wǎng)格建立和應(yīng)用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分均可以通過軟件設(shè)計完成，凝汽器模型主體結(jié)構(gòu)部分與空冷汽輪發(fā)動機房和空冷鍋爐房之間的部分區(qū)域四面為立體非柱式結(jié)構(gòu)化模型網(wǎng)格，其他部分區(qū)域內(nèi)的空間則全部采用六面體式非結(jié)構(gòu)化模型網(wǎng)格。

在直接空冷空調(diào)系統(tǒng)控制器的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，重點提出一種基于固定溫度場和基于流速場的空冷冷卻島散熱陣列性能控制系統(tǒng)方法，該控制方法主要包括實時自動監(jiān)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(jié)的含水量和出口散熱溫度，計算在進入空熱水冷凝汽器各散熱單元的空冷蒸汽含水量和凝結(jié)熱量、在進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(jié)為空冷水所要釋放出的熱量、計算空冷凝結(jié)后的水繼續(xù)加熱降溫所要釋放出的熱量，并通過空冷散熱量溫度計算器得出空冷凝結(jié)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(jié)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時調(diào)高高溫低效率空冷風(fēng)機散熱轉(zhuǎn)速、降低低溫高效率空冷風(fēng)機散熱轉(zhuǎn)速，達到實時調(diào)節(jié)每臺空冷風(fēng)機的合理散熱出力，從而有效實現(xiàn)空冷散熱島的最佳和優(yōu)化性能控制。

3 直接空冷系統(tǒng)背壓控制邏輯

如何做好控制分配、如何調(diào)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(jié)省大量電能問題的關(guān)鍵，該控制系統(tǒng)的工作控制性能問題一直是多年來空冷控制設(shè)備工程界普遍關(guān)注而又一直未很好得到解決的問題，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(tǒng)自動控制要求

在一些傳統(tǒng)風(fēng)機控制制冷系統(tǒng)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(zhuǎn)速，向空冷散熱器的翅片和風(fēng)管束系統(tǒng)提供制冷空氣，不能有效地節(jié)約系統(tǒng)電能。目前直接空冷的背壓自動控制測量方法，是通過對機組背壓偏差測量基準(zhǔn)值和背壓設(shè)定值之間的背壓偏差進行調(diào)節(jié)，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(shè)定值所允許的合理范圍之內(nèi)，進而根據(jù)其背壓偏差程度來連續(xù)對空冷風(fēng)機高速運行時的臺數(shù)、角速度進行自動調(diào)節(jié)，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(nèi)。

3.2 風(fēng)振控制與負(fù)壓差

從風(fēng)機控制器的邏輯流程中可知，風(fēng)機的振動速度主要由主風(fēng)機控制器通過自動控制整個風(fēng)機和發(fā)電機的振動頻率速度來進行改變，使得實際值的壓力與風(fēng)機設(shè)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積分器件增加負(fù)壓偏差消除的方式，當(dāng)負(fù)壓偏差很大時，對其風(fēng)機執(zhí)行程序直接跳過，然而通過調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該蒸汽輪機組的背部負(fù)壓在整個調(diào)節(jié)的執(zhí)行過程中，超調(diào)和負(fù)壓波動都比較大，不能很好地達到滿足實際風(fēng)機生產(chǎn)中的要求，實現(xiàn)執(zhí)行程序中的跳步，從而致使整個調(diào)節(jié)過程偏差很大并容易同時產(chǎn)生風(fēng)機振蕩^[3]。

3.3 冷風(fēng)機轉(zhuǎn)速和溫度關(guān)系

空冷軸流機組背壓受其所在處地區(qū)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(dǎo)致空冷機組正常運行時的背壓過高，嚴(yán)重時會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(zhuǎn)速已無法達到最高額定轉(zhuǎn)速，風(fēng)機不能再通過提速進行降壓時，為了安全必須考慮。機組不得不通過降低大負(fù)荷繼續(xù)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(nèi)的背壓，已逐漸成為現(xiàn)如今直接空冷重要技術(shù)研究關(guān)鍵技術(shù)之一。通過對直接空冷渦流機組單元數(shù)值分析模擬方法研究，特別針對大型高速軸向渦流風(fēng)車單機群在夏季大風(fēng)高溫下或大風(fēng)炎熱天氣時，模擬空冷機組島單元所處外部速度場和內(nèi)部溫度場，同時結(jié)合聚類分析模擬方法，根據(jù)大型軸流風(fēng)機單元壓升、軸流風(fēng)機單元垂直旋轉(zhuǎn)風(fēng)速、充冷機組單元的出入口通風(fēng)溫度、軸流風(fēng)機內(nèi)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(shù)，將空冷發(fā)風(fēng)機組內(nèi)部軸流風(fēng)機群有效地組合進行節(jié)能分區(qū)，并通過研究確定軸流風(fēng)機最大轉(zhuǎn)速可在達到最大風(fēng)機轉(zhuǎn)速要求值時，通過有效降低某些特定使用區(qū)域軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速對空冷機組內(nèi)部進行減速調(diào)壓，從而有效達到風(fēng)機降速的高節(jié)能和低降壓利用目的。

4 結(jié)論

通過數(shù)值流場模擬，可以有效地準(zhǔn)確模擬空冷空熱島軸流運行時的軸向溫度場和軸向流速場，為復(fù)雜的空冷空熱島大型軸向渦流風(fēng)組在機群中的流場模擬分析工作提供一種便利模擬條件，有利于進行優(yōu)化冷島軸流風(fēng)機運行轉(zhuǎn)速，降低軸流機組的風(fēng)背壓力的研究，通過不同轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機的起動轉(zhuǎn)速，通風(fēng)管束的實際通過空冷換風(fēng)散熱量通風(fēng)趨勢與通過通風(fēng)管束的實際通風(fēng)散熱趨勢互相吻合效果較好，軸流風(fēng)機的實際空冷通風(fēng)量散熱趨勢與通過翅片通風(fēng)管束的實際通風(fēng)散熱趨勢不一致，并不是軸流風(fēng)機實際通風(fēng)的熱量越大，空冷通風(fēng)單元通過翅片通風(fēng)管束的實際換風(fēng)散熱效率越高。從根本上為大型民用綜合火力發(fā)電廠的建設(shè)投產(chǎn)及其建設(shè)以及運營使用提供了強有力的基礎(chǔ)工程技術(shù)支持。為有效節(jié)約當(dāng)?shù)靥烊凰Y源，保護當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境，走健康和諧可持續(xù)發(fā)展的水產(chǎn)業(yè)化的道路。

作者簡介：

湯保明 （1981-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，從事火力發(fā)電自動控制及智能系統(tǒng)研究工作。

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

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

李戎 （1975-），男，陜西西安人，高級工程師，現(xiàn)任杭州和利時自動化有限公司數(shù)字工廠應(yīng)用部經(jīng)理，從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)研究、智能工廠應(yīng)用及智能工廠建設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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能發(fā)熱電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟分析[J].太陽能學(xué)報,2021,(01):90-95.

[3]萬華杰.火電廠直接空冷節(jié)能技術(shù)分析[J].能源與節(jié)能,2021,(06):64-65.

摘自《自動化博覽》2022年7月刊