1空冷电厂及直接空冷技术简介
发电厂采用翅片管式的空冷散热器，直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机的排汽，称为发电厂空冷。采用空冷技术的冷却系统成为空冷系统。采用空冷系统的汽轮机机组成为空冷机组。采用空冷技术的发电厂称为空冷电厂。
发电厂空冷系统也称干冷系统。它是相对于常规发电厂的湿冷系统而言。常规发电厂的湿冷冷却塔（凉水塔）是把塔内的循环水以“淋雨”方式与空气直接接触进行热交换的，其整个过程处于“湿”的状态，其冷却过程称为湿冷系统。空冷发电厂的冷却塔，其循环水与空气是通过散热器间接进行热交换的，整个过程处于“干”的状态，所以空冷塔又成为干式冷却塔或干冷塔。
发电厂空冷技术是一种节水型的火电发电技术。
电站空冷系统有三种冷却形式：一种是直接空冷系统，冷却元件主要是大口径椭圆管套片型翅片管（简称双排管）和大口径扁管型翅片管（简称单排管）；第二种是混合凝汽式间接空冷系统，简称海勒式间接空冷系统，冷却元件是福哥（Forgo）型翅片管；第三种是表面凝汽式间接空冷系统，简称哈蒙式间接空冷系统，冷却元件是小口径椭圆管套片型翅片管。
随着我国西部大开发、西电东送北通道的开通，我国北部地区的晋、陕、宁、蒙四省区的电力工业得到迅猛发展，而建设大型火力发电厂需要充足的冷却水源。这些地区的优势是煤炭资源丰富，而劣势是水资源匮乏，利用丰富的煤炭资源和有限的水资源发展火电工业，就需要采用新的冷却方式来排除废热，直接空冷系统因其技术逐渐成熟，节水效果显著，可调效果好，因此在我国山西、内蒙古等产煤区所新建单机容量为300MW以上机组的电厂均采用空冷技术。
直接空冷系统，又称空气冷凝系统。直接空冷是指汽轮机的排汽直接用空气来冷凝，空气与蒸汽间进行热交换。所需冷却空气，通常由机械通风方式供应。直接空冷的凝汽设备称为空气凝汽器，它是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的，这些管束亦称为散热器。
直接空冷系统的流程图如图1所示。汽轮机排汽通过粗大的排汽管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回汽轮机的回热系统。
图1 直接空冷系统的流程图
空冷系统建筑规模庞大，一般称为空冷岛。包括凝结水系统（凝结水箱）、真空疏水系统（包括疏水泵）、排气/抽气系统（水环泵单元）、空冷凝汽器（ACC）等四套系统。通过DCS集散控制系统，实现对这四套系统的自动检测、自动调节、顺序控制、自动保护等自动控制功能。
2直接空冷系统变频风机系统的组成
空冷凝汽器系统（简称ACC）是由若干台空冷凝汽器构成，每台空冷凝汽器配置一台轴流风机，建筑在高耸的空冷平台上，1台600MW国产空冷机组工程空冷系统的典型配置为8个单元共56台空冷凝汽器，对应轴流冷却风机配置：共有8个风机单元，每个风机单元有7台132kW风机，风机直径为8.7m左右，共56台轴流冷却风机，其中每个风机单元有两台为可逆风机，共16台可逆风机。轴流冷却风机在一个水平平面内布置，形成了庞大的轴流冷却风机群。
风机电机均为变频控制，电厂设有空冷器变频间，庞大的变频控制柜（以下称变频控制装置）矩阵布置在空冷器变频间。变频控制柜通过硬接线和通讯与主DCS或空冷系统DCS相连接，DCS能根据不同的蒸汽负荷和环境温度控制风机启停及转速，使汽轮机的排汽压力保持恒定。
风机电机均采用变频控制除节能原因外，变频调速控制还可以实现电动机“软启动”，即电动机在很低地频率下（3～5Hz)和电压下启动，逐渐提高电源的频率和电压，控制电动机在小于1.1倍额定电流下无冲击启动，以这种方式经常启动是风机所允许的。另外风机的转速可以在（30％～110％）额定转速运行，调节方便，满足在各种气象条件下机组运行工况的要求。风机经常在需要的低转速下运行，噪声和磨损都比额定转速低，有利于环境保护，降低维修费用并延长了空冷器的寿命。
3风机变频控制装置的设计选型要求
（1）变频器频率范围在旋转速度的0%～110%之内。要将满足完全风机驱动系统的运行和由电机、齿轮箱、电缆及滤波器导致的功率损失考虑在内。
（2）变频器的设计考虑风机和电机的反向旋转，通过正反转切换端子实现风机和电机的正向和反向旋转。
（3）变频器安置在一个就地控制柜内，柜体型号为标准GGD柜改型。柜内包括主回路和控制回路与控制装置（DCS）连接的用户接线端子、输入输出滤波器、保险丝、电流接触器、控制电路变压器及所有提供必要功能的设备。
（4）机柜的外壳防护等级，控制室内为IP32，机柜门采用一定的措施，以提高射频干扰（RFI）能力，机柜设计满足电缆由柜底或柜顶引入的要求，机柜内端子排布置在易于安装接线的地方。
（5）在就地控制室变频器操作板上可对电机进行就地控制。LED屏和LCD屏同时显示，LCD屏可进行中英文显示切换。
（6）就地控制柜的设计时要考虑到由功率损失会引起的冷却和散热，且保证气流不被内置的装置阻隔。在控制柜的上部安装轴流风机，每小时换气次数不少于为400次。
（7）变频器选型考虑风机的二次力矩曲线。
（8）风机电机装有2个正温度系数热敏电阻(PTC)用于电机的热保护。PTC由变频器检查,且当高温时电机的运行被切断。
（9）考虑变频器与风机驱动电机之间电缆的类型及长度等局部情况。变频控制装置在任何情况下都能满足风机驱动轴上的总机械扭矩及功率值。
（10）采用直流制动方式，能够使风机的转动随变频器启动( 在两方向上飞速重启)。采用磁通控制技术，通过控制磁通电流和输出频率，动态控制剩磁的释放，使正向运行风机平稳、无冲击迅速反方向重启。
（11）局部操作及仪表板功能
在就地控制柜给出的局部操作仪表板提供交流电机调试的修改键。
所有有关电的数值，构造参数，输入/输出赋值, 应用及行为功能的入口，故障局部控制，调试储存，自检及诊断都以操作员语言及简明的英语表示。
控制柜具备以下专用操作员控制装置：
●手动-切断-自动转换器
●手动速度电位器
●电源接通指示器
●变频器运行指示器
●变频器故障指示器
（12）自动模式或手动运行指示器到中央控制系统的接口（见表1）
表1 变频器提供的输入/输出控制接口表
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序号
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接口名称
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类型
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数量
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备注
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1
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变频器运行开状态信号
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DO
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1
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|
|
2
|
变频器运行开状态信号
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DO
|
1
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|
|
3
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变频器远方/就地状态信号
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DO
|
1
|
|
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4
|
变频器故障反馈信号
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DO
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1
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|
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5
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变频器反转状态信号
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DO
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1
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限于逆流风机16台/每机组
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|
6
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DCS至变频器启动指令信号
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DI
|
1
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7
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DCS至变频器停止指令信号
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DI
|
1
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8
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DCS至变频器额外命令100%指令信号
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DI
|
1
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|
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9
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DCS正反转预选指令信号
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DI
|
1
|
限于逆流风机16台/每机组
|
|
10
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变频器转速信号至DCS
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AO
|
1
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4~20MA
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11
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变频器电流信号至DCS
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AO
|
1
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4~20MA
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|
12
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DCS至变频器调速信号
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AI
|
1
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4~20MA对应电机额定转速0~110%
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交流电机在自动模式中通过中央控制系统控制。这样在正常运行模式中无需任何局部操作。
启动、运行模式及停车顺序等所有功能都由中央控制室操纵。为满足这些要求，变频器控制柜提供以下相关的交换信号。
数字输入输出的控制电源为24VDC。
模拟信号，用于给定频率和实际频率，为4～20mA。
补充及任选的信号交换由profibus、MODEBUS等系统的接口通信系统执行。
所有的信号都为绝缘(独立电位)。保护内部电源供应，可防不正确的连接或短路。
（13）抑制谐波的措施
变频器系统的设计适用于工业环境且不影响其他用电设备。可把谐波电流排除或减小到最低。使风电机电流非常接近正弦波。满足国际电工委员会制定的IEC61800-3标准。
3.1为防护电源对变频器的影响，保护变频器和抑制高次谐波，在下列情况下，应配置直流电抗器。
●当给变频器供电的同一电源节点上有开关式无功补偿电容器屏或带有可控硅相控负载时，因电容器屏开关切换引起的无功瞬变致使网压突变和相控负载造成的谐波和电网波形缺口，有可能对变频器的输入整流电路造成损害。
●当变频器供电三相电源的不平衡度超过3％时。
●当要求提高变频器输入端功率因数到0.93以上时。
●当变频器接入大容量变压器时，变频器的输入电源回路流过的电流有可能对整流电路造成损害。一般情况下，当变频器供电电源的容量大于550kVA以上时，或者供电电源大于变频器容量的10倍时，变频器需要配置直流电抗器。
3.2交流输入电抗器
当电网波形畸变严重，或变频器在配置直流电抗器后，变频器和电源之间高次谐波的相互影响还不能满足需求时，可增设交流输入电抗器。交流输入电抗器还可提高变频器输入侧的功率因数。
3.3交流输出电抗器
当变频器到电机的连线超过80米时，建议采用多绞线并安装可抑制高频振荡的交流输出电抗器。避免电机绝缘损坏、漏电流过大和变频器频繁保护。
3.4输入侧EMI滤波器
可选配EMI滤波器来抑制从变频器电源线发出的高频噪声干扰。
3.5输出侧EMI滤波器
可选配EMI滤波器来抑制变频器输出侧产生的干扰噪声和导线漏电流。
3.6接地干线安装一个干线侧RFI滤波器(CE 滤波器)。在变换器附近,电机, 电机屏蔽及滤波器元件之间, 一个好的HF (高频)对于CE滤波器的生效是非常必要的。
3.7在风机电机上由变频器运行引起的附加噪声辐射, 与直接电机运行模式比较小于3dB。变频器出口到电机的专用滤波器在容许的声能级增长的范围之内。在运行频率的整个范围(0～110%等于0～55Hz)及所有负载条件下满足这个条件。
4空冷风机控制逻辑及转速级配置表
空冷凝汽器(ACC)系统的自动控制是以优化的热力计算结果为依据，按发电机组热力计算的研究结果，以及工艺管道的布置结构，对风机的控制进行合理的风机转速级配置。根据风机转速级配置图，通过调节风机转速，使汽轮机的排汽压力保持在一个设定值的范围内。
一个最低转速设定值(当风机由变频器控制时)是用来保护风机的电机的。通过变频器的控制，风机会在最低和最高转速之间以无级变速运行，或者在低蒸汽负荷的条件下停机。
4.1风机排列配置图见图2
4.1风机排列配置图见图2
图2 风机排列配置图
图中，A为在第A排配汽管道上的隔离阀；B为在第B排配汽管道上的隔离阀；C为在第C排配汽管道上的隔离阀；D为在第D排配汽管道上的隔离阀；E为在第E排配汽管道上的隔离阀；F为在第F排配汽管道上的隔离阀；G为在第G排配汽管道上的隔离阀；H为在第H排配汽管道上的隔离阀；C为顺流凝汽管束/风机；D为逆流凝汽管束/风机。
4.2控制逻辑及转速级配置表（见表2、3）
表2 隔离阀的闸板位置
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开启
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关闭
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第A排凝汽器的风机单元
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第B排凝汽器的风机单元
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第C排凝汽器的风机单元
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第D排凝汽器的风机单元
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转速
级别
|
|
A B
C D
|
10－50
Hz
|
10－50
Hz
|
10－50
Hz
|
10－50
Hz
|
6
|
|
|
A B
C
|
D
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
5
|
|
B
C D
|
A
|
0
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
4
|
|
B
C
|
A
D
|
0
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
0
|
3
|
|
C
|
A B
D
|
0
|
0
|
10－25
Hz
|
0
|
2
|
|
C
|
A B
D
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
表3 隔离阀的闸板位置
|
开启
|
关闭
|
第E排凝汽器的风机单元
|
第F排凝汽器的风机单元
|
第G排凝汽器的风机单元
|
第H排凝汽器的风机单元
|
转速
级别
|
|
E F
G H
|
10－50
Hz
|
10－50
Hz
|
10－50
Hz
|
10－50
Hz
|
6
|
|
|
E F
G
|
H
|
0
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
5
|
|
F
G H
|
A
|
0
|
0
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
4
|
|
F
G
|
E
H
|
0
|
0
|
10－25
Hz
|
10－25
Hz
|
3
|
|
G
|
E F
H
|
0
|
0
|
0
|
10－25
Hz
|
2
|
|
G
|
E F
H
|
0
|
0
|
0
|
0
|
1
|
风机转速级变化的条件：
在正常运行期间，当环境温度不低于+2℃时，ACC是在第6转速级运行的。风机的转速将根据实际的汽轮机排汽压力与设定值之间的偏差进行调整。
仅当环境温度低于+2℃时，风机转速才会按照风机转速级配置表进行调整。
4.3特殊运行工况
防冻（仅当环境温度低于+2℃时实施）保护的设置：
条件：当环境温度<+2℃时，并且，当某风机排的凝结水温度<+20℃时；满足条件后，该排的顺流风机将被停机此时，在操作台上将显示“防冻保护启动”。
设置到正常运行方式：
条件：当环境温度>+5℃时，或者，当某风机排的凝结水温度>35℃时；满足条件后，该排的顺流风机将被启动，其转速将按照逆流风机的转速进行调整。
此时，在操作台上的“防冻保护启动”的显示将消失。
4.4逆流凝汽管束的回暖
在正常运行期间并且当环境温度低于某一结霜（在从水蒸气变成固态时形成的松散的冰颗粒）点时，在逆流凝汽管束的上部会发现结霜，这是由于那里有不可凝气体的过冷现象发生。
如果这种状况持续一段时间，就可能会逐渐地堵塞逆流凝汽管束的下端，并且妨碍不凝气体的排出。
回暖作为一种保护措施，逆流凝汽管束的风机必须在一定的运行时间间隔内停机5分钟，以便逆流凝汽管束被再次回暖，从而融化可能已经形成的冰冻。
当“防冻保护”功能被投入时，逆流凝汽管束回暖功能将不被投入。
5结束语
因空冷风机变频控制系统中变频器应用环境及性能要求较为苛刻，能否长期稳定运行关系到电厂能否正常发电，建议选用国际技术领先品牌高端产品，如ABB、AB、丹佛斯、欧陆、SEW等品牌产品。
作者简介
吴君达(1974-) 男高级工程师，总经理，1997年毕业于哈尔滨工程大学通讯工程学院，现任职于哈尔滨思科科技有限责任公司，从事变频器及其它工业自动化产品应用设计工作。
参考文献（略）
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