摘 要 ：目前國內大型火力發電廠的排汽冷卻系統大部分采用空冷系統進行冷卻。空冷可以大幅度降低電廠耗水量，在節水方面有顯著的效果，因而空冷機組得到了越夾越多的應用。而空冷又分為直接空冷和間接空冷兩種方式。本文以2×30OMW機組為例介紹了直接空冷系統及其控制;以2×2OOMW機組為例介紹了間接空冷系統及其控制。
關鍵詞 ：空冷,凝汽器,風機變頻,防凍
1. 概述
空冷系統主要指發電廠汽輪機的排汽，即做完功的蒸汽，排入一定的裝置被空氣或水為介質進行冷卻為凝結水的系統。它與常規濕式冷卻方式(簡稱濕冷系統)的主要區別是避免了循環冷卻水在濕塔中直接與空氣接觸所帶來的蒸發、風吹損失以及開式循環的排污損失，消除了蒸發熱、水霧及排污水等對環境造成的污染。由于空冷方式用空氣直接冷卻汽輪機排汽或用空氣冷卻循環水再間接冷卻汽輪機排汽構成了密閉的系統，所以在理論上它沒有循環冷卻水的上述各種損失，從而使電廠的全廠總耗水量降低80%左右。
用于電廠機組末端冷卻的空冷系統主要有直接空冷系統和間接空冷系統，間接空冷系統又分為帶表面式凝汽器和帶混合式凝汽器的兩種系統。三種空冷方式在國際上都得到廣泛的應用，技術均成熟可靠，在國內外以上三種空冷方式單機容量均已達到600MW。我國目前己有60OMW直冷機組和間冷機組投運。
采用空冷機組大大減少了火力發電廠的耗水量，為水源的落實和項目的成立提供了便利條件。特別對缺水地區，有著重要的意義。內蒙古地區煤資源豐富，近幾年投產的機組，基本都采用了空冷系統，而且大部分為直接空冷系統。
2. 空冷系統
2.1直接空冷系統
電廠直接空冷系統是汽輪機的排汽直接用空氣冷卻，汽機排出的飽和蒸汽經排汽管道排至安置在室外的空冷凝汽器中，冷凝后的凝結水，經凝結水泵升壓后送至汽輪機回熱系統，最后送至鍋爐。電廠直接空冷系統主要包括以下系統:空冷凝汽器(ACC，Air cool dcondenser)，空氣供給系統、汽輪機排汽管道系統、抽真空系統、空冷凝汽器清洗系統、空冷凝汽器平臺及土建支撐。
蒸汽從汽輪機出來，經過蒸汽管道流向空冷凝汽器，由蒸汽分配管道間的空冷冷凝器分配蒸汽。目前直接空冷凝汽器大多采用矩形翅片橢圓管芯管的雙排、三排管和大口徑蛇形翅片的單排管。空冷凝汽器由順流管束和逆流管束兩部分組成。順流管束是冷凝蒸汽的主要部分，可冷凝75%—80%的蒸汽，在順流管束中，蒸汽和凝結水是同方向移動的。設置逆流管束主要是為了能夠比較順暢地將系統內的空氣和不凝結氣體排出，避免運行中在空冷凝汽器內的某些部位形成死區、冬季形成凍結的情況，在逆流管束中，汽體和凝結水是反方向移動的。
冷凝所需要的冷空氣由軸流冷卻風機從大氣中吸入，并吹向換熱器翅片。冷卻風機采用變頻控制，系統可通過控制啟停風機臺數和對風機轉速進行調整來控制進風量，從而控制冷卻效果。該方式能靈活的適應機組變工況運行，并且起到很好的防凍作用。
抽真空系統由3×1O0%容量的水環真空泵組成。泵連接逆流管束的頂部和主排汽管道。在啟動的時候，不凝氣體在抽真空系統中被壓縮，并排到大氣中。在部分排汽支路管道上設置蒸汽隔離閥，當冬季汽輪機低負荷運行或啟動時，切斷某幾個散熱端的閥門，將熱量集中在剩余的散熱端中，增加熱負荷達到防凍目的。為防止灰塵附著凝汽器翅片影響系統散熱效果，設立沖洗系統，沖洗系統由沖洗水泵以及管道閥門組成。
為減少系統容積，大型機組的空冷凝汽器一般布置在緊靠汽機房外的平臺上。為適應機組變工況運行相維護，空冷凝汽器被分為幾組，每組由相同冷卻單元組成，每個冷卻單元由"人"型的冷卻器排架構成，每個冷卻單元下面設一臺軸流風機。
直接空冷系統為一次冷卻，直接空冷系統的主要優點有：不需中間換熱介質，換熱溫差大，冷凝效果好。冬季防凍措施比較靈活可靠，占地少，節省投資。不足之處是：汽輪機背壓變幅大，真空系統龐大，風機群噪聲大，廠用電高。直接空冷機組原則性汽水系統見圖1。
1、鍋爐;2、過熱器;3、汽輪機;4、發電機:5、凝結水泵;6、凝結水精處理裝置;7、凝結水升壓泵;8、低壓加熱器;9、除氧器;10、給水泵;11、高壓加熱器;12、汽輪機排汽管道;13、軸流冷卻風機;14、凝結水箱;15、空冷凝汽器。
2×600MW直接空冷機組共兩套空冷凝汽器(ACC)，每臺機組ACC共有6排冷凝器，每排冷凝器包括4個順流管束和1個逆流管束以及5個單元空氣供應系統(包括變頻風機)。共計24個順流管束、6個逆流管束和30臺風機。
2.2 間接空冷系統
間接空冷系統又分為帶混合式凝汽器(海勒式)和帶表面式凝汽器(哈蒙式)兩種系統。
2.2.1 混合式間接空冷系統(海勒式)
混合式間接空冷系統工藝流程是汽輪機尾部排汽排至安裝在汽機房內的混合式凝汽器內與噴射減溫水膜的循環水直接接觸冷卻，混合的冷凝水一小部分經精處理后送至再熱系統，其余的經循環水泵升壓后回至室外的空冷塔，進入安裝在塔底部的表面式空冷凝汽器內與空氣進行表面式換熱冷卻，冷卻后的循環水通過水輪機或節流閥調壓后回送至混合式凝汽器循環使用。
混合式凝汽器的間接空冷系統主要由噴射式凝汽器和空冷塔構成。系統中的冷卻水是高純度的中性水，中性冷卻水進入凝汽器直接與汽輪機排汽混合并將其冷凝，受熱后的冷卻水絕大部分由冷卻水循環泵送至空冷塔散熱器，經與空氣對流換熱冷卻后通過調壓水輪機將冷卻水再送至噴射式凝汽器進入下一個循環。空冷塔散熱器外側裝有百葉窗，百葉窗的開度可調，可控制通風量，從而控制冷卻性能。當環境溫度較低時，關閉百葉窗，防止散熱器凍壞。
系統特點：兩次換熱、凝結水與循環水混合冷卻、運行分正壓和微正壓兩部分，因此，需要設大規模的精處理設備，與其它空冷方式相比增設了水輪機和調節閥這樣的大型設備，系統復雜，循環水泵必須緊靠凝汽器布置，為防止水泵汽蝕需設大型泵坑，需設大型冷卻塔，因此，基建投資高，優點是年平均背壓低。
帶混合式凝汽器的間接空冷系統的優點是以微正壓的低壓水系統運行，較易掌握。缺點是設備多、系統復雜、需要凝結水精處理裝置、自動控制系統復雜、全鋁制散熱器的防凍性能差。
1、鍋爐;2、過熱器;3、汽輪機;4、噴射式凝汽器;5、凝結水泵;6、凝結水精處理裝置;7、凝結水升壓泵;8、低壓加熱器;9、除氧器:10、給水泵;11、高壓加熱器;12、冷卻水循壞泵;13、調壓水輪機;14、全鋁制散熱器;15、空冷塔;16、旁路截流閥;17、發電機。
2.2.2 表面式間接空冷系統(哈蒙式)
表面式間接空冷系統與常規濕冷系統基本相同，不同的是空冷塔代替濕冷塔。工藝流程為汽輪機尾部排汽排至安裝在汽機房內的表面式凝汽器內，經與循環水表面換熱后，排汽冷凝成凝結水，由凝結水泵升壓回送至熱力系統。換熱后的循環水靠循環水泵壓力送至安裝在室外空冷塔內的表面式空冷換熱器內，與空氣換熱后經循環水泵升壓，送回至汽機房內的表面式凝汽器循環使用。
該系統由表面式凝汽器和空冷塔構成。與常規的濕冷系統基本相仿，不同之處是用表面式對流換熱的空冷塔代替混合式蒸發冷卻換熱的濕冷塔，通常用不銹鋼管凝汽器代替銅管凝汽器，用堿性除鹽水代替循環水，用密閉式循環冷卻水系統代替開敞式循環冷卻水系統。
該系統采用自然通風方式冷卻，將散熱器裝在自然通風冷卻塔中。
系統特點：循環水與凝結水分為兩個系統，兩水質可按各自的要求分別處理，系統簡單、設備少，缺點是因兩次換熱，熱效率相對較低，需要大量的冷卻面積、設大型冷卻塔，因此基建投資高。帶表面式凝汽器的間接空冷系統類似于濕冷系統，其優點是節約廠用電，設備少，冷卻水系統與汽水系統分開，兩者水質可按各自要求控制。缺點是空冷塔占地大，基建投資多，系統中需進行兩次換熱，且都屬表面式換熱，使全廠熱效率有所降低。
1、鍋爐;2、過熱器;3、汽輪機:4、表面式凝汽器;5、凝結水泵;6、凝結水精處理裝置;7、凝結水升壓泵;8、低壓加熱器;9、除氧器;10、給水泵;11、高壓加熱器;12、循環水泵;13、膨脹水箱; 14、全鋼制散熱器;15、空冷塔;16、發電機;
3. 空冷控制系統
目前建設的火力發電廠空冷系統的控制大多直接納入機組DCS系統，采用獨立的冗余DPU(過程處理器)單元。控制系統功能包括數據采集和處理系統(DAS)、順序控制系統(SCS)、模擬量控制系統(MCS)。
空冷系統在集中控制室實現集中監控，由DCS的操作員站完成對其工藝系統的程序啟/停、中斷控制及單個設備的操作。
3.1 直接空冷控制系統
本文以2×3OOMW空冷機組為例，介紹直接空冷系統的控制。
3.1.1 主要監控測點：
(1)排汽壓力
(2)環境溫度
(3)大氣壓力
(4)風速風向
(5)凝結水溫度
(6)抽氣溫度
(7)抽氣壓力
(8)排汽管道凝結水收集裝置液位
(9)閥門位置顯示和控制
(10)空冷風機變頻控制
(11)抽真空系統
(12)ACC清洗系統
3.1.2 主要監控內容：
控制系統通過控制啟/停風機臺數和改變風機轉速來改變通過冷凝器換熱片的空氣流量，從而控制ACC性能。三個壓力傳感器測量排汽管道壓力。在正常運行時，排汽壓力是主控制變量。控制系統通過排汽壓力控制變頻風機，當排汽壓力改變時，風機轉速也改變，以確保提前設定的運行工況。
ACC的壓力控制器和抽氣溫度控制器/凝結水溫度控制器聯合工作。如果壓力是主控變量，溫度控制器最小選擇器被啟動。一旦實際測得的溫度降到設定值以下，這一排的溫度控制器會覆蓋壓力控制器的信號，轉為溫度控制。其他排只要是凝結水/抽氣溫度還沒有到達設定值之下，仍然是壓力控制。每個覆蓋行為都會顯示在人機界面上。
當排汽壓力是主控制變量時，只要其在設定值范圍內，控制系統就能正常運行。為了避免單個單元凝結水過冷，控制變量排汽壓力能自動被凝結水溫度/抽氣溫度取代。在溫度控制模式下，依據抽氣溫度和凝結水管道的凝結水溫度來調節風機轉速。
檢測到環境溫度很低時，防凍保護程序可以保護ACC不被凍結。在更差的工況，風機全部關閉，然后關閉個別的蒸汽隔離閥以減少換熱面積。為了加強系統監控，在冬季寒冷期，系統運行必須為自動控制。在冬季運行中如出現異常，控制系統及時發出指令，調整運行，同時發出警報，提請運行人員注意。
3.1.3 風機變頻控制
每臺300MW機組共30臺變頻控制柜，負責控制空冷機組30臺風機的啟停和轉速調節。其中控制逆流管束單元風機變頻柜6臺，控制順流管束單元風機變頻柜24臺。
該控制裝置具有調節風機轉速的功能，并具有自動、手動兩種控制方式。當在手動工作狀態時，可以通過空冷平臺的就地按鈕對風機手動啟停。也可以通過控制柜上變頻器操作面板對風機的運行進行控制以及變頻器參數的設定。當在自動工作狀態時，變頻器投入運行，在集中控制室可以自動控制風機的最佳運行狀態。由集中控制室輸出頻率控制信號對風機的轉速進行控制，變頻控制柜反饋電流和頻率信號送入集中控制室。
變頻控制柜與集中控制室交換的相關信號:風機遠方/就地、風機變頻器故障、風機己運行、風機已停止、啟動風機、停止風機、風機速度給定、風機頻率輸出、風機電流輸出。
3.2 間接空冷控制系統
本文以2×200MW空冷機組為例，介紹海勒式間接空冷系統的控制。
3.2.1 主要監控測點:
(1)補水流量
(2)凝汽器水位
(3)凝汽器真空
(4)貯水箱水位
(5)凝汽器噴咀前后差壓
(6)循環水泵出口壓力
(7)水輪機人口、出口壓力
(8)扇形段頂部壓力
(9)扇形段出口水溫
(10)扇形段百葉窗開度
(11)塔內溫度
(l2)排汽溫度
3.2.2 主要監控內容：
凝汽器水位控制：熱力系統中的汽水損失，系統泄漏，均可引起凝汽器水位的變化。運行中共中要維持凝汽器水位在一定范圍內。
系統總壓力(或豎管壓力)控制：海勒式間接空冷系統的特點是系統處于微正壓運行狀杰。在每一扇形段的頂部安裝一根豎管。正常運行時豎管的水位是通過水輪機(或節流閥)的調節來完成。在調節水輪機(或節流閥)的同時，相應控制了凝汽器噴咀前后差壓，即控制了進入凝汽器的冷卻水量。
循環水泵的控制：循環水泵及其出口閥按照程序啟停。正常時兩臺循環水泵同時運行。水輪機(或節流閥)的控制：水輪機的作用，一是回收能量，二是調節系統總壓力(或豎管壓力)及凝汽器噴咀前后差壓。節流閥作為備用，水輪機故障時切換至節流閥。百葉窗控制：控制百葉窗的目的是改變其開度，從而調節散熱器的通風量，達到調節冷卻水溫的作用。在冬季，關閉百葉窗可以保護散熱器免遭凍壞。空冷塔扇形段控制:整個空冷塔中的散熱器分成六個扇形段，運行中根據大氣溫度調整扇形段投入的數量，獲得在不同負荷時的較好的冷卻效果。貯水箱水位控制:在空冷系統停運或凝汽器水位過高時，將扇形段冷卻水排至貯水箱。補水閥控制:當凝汽器水位低于設定值時，開啟補水閥向凝汽器補水。
4. 結束語
隨著電廠直接空冷技術的發展，電廠直接空冷技術在我國北方地區的應用越越多，也積累了豐富的運行經驗，特別是嚴寒季節的防凍問題也得到了很好的解決。直接空冷可通過改變風機轉速或停運風機或使風機反轉來調節空冷凝汽器的進風量或直至吸熱風采防止空冷凝汽器凍結，調節相對靈活，效果好，并己有成熟的運行經驗。隨著空冷設備的國產化，空冷技術在我國的應用將越來越廣泛。
