空冷机组背压变化对系统参数及协调控制影响

周忠伟，王利涛，怀玉明，刘月正，邱敬国，李华东

（1.陕西德源府谷能源有限公司，陕西榆林719407；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250002）

空冷机组背压变化对系统参数及协调控制影响

周忠伟1，王利涛1，怀玉明1，刘月正1，邱敬国1，李华东2

（1.陕西德源府谷能源有限公司，陕西榆林719407；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250002）

随着空冷技术在发电机组的广泛应用，其控制系统的研究越来越重要。以直接空冷为研究对象，重点阐述空冷背压的控制，尤其背压变化时，对系统参数以及协调控制所造成的影响。结合实际运行机组的背压控制特点，从背压影响因素出发，逐一分析其控制难点，探讨相应控制策略。表明可以通过各因素分析，制定措施，最终消除背压变化对系统的影响。

空冷机组；背压控制；协调控制

0 引言

随着电力工业的快速发展和节约水资源的考虑，我国600～1000 MW空冷火力发电机组在电网中所占的比例愈来愈大，机组控制系统的稳定与可靠成为机组应用的关键环节。空冷机组的特点是真空系统容积非常庞大，背压普遍比湿冷机组高约10～20 kPa。空冷机组的背压由于受环境因素，如环境温度、风速和风向、灰尘等影响，非常难于控制。尤其在夏季，背压会因环境温度及风向、风速的变化而变得不稳定，成为制约直接空冷机组正常带满负荷运行的重要因素。在协调控制系统自动方式下，背压的变化会造成主汽压力、负荷、汽温及氧量等较大波动。需要找到参数影响规律，才能做好直接空冷机组系统控制。

1 外界环境对背压变化影响

直接空冷机组的背压控制主要是依靠变频器调整运转风机转速，通过风机转速变化调整背压。转速增加会使背压降低，反之亦然。需要限制背压差变化率以避免背压控制器输出过快变化。

以某电厂亚临界600 MW直接空冷机组为例，机组共配备7排8列共56台风机控制背压，分A、B两侧。根据不同工况不断地改变运转风机的数量，通过14个步序调整背压。

由于风机设备及控制影响因素较多，会直接对背压参数影响，导致背压变化，主要表现在以下几方面。

1）环境温度。散热效率直接影响风机效率与背压值，环境温度越高，散热效率相对差，背压容易恶化。温度过低会影响设备安全，要通过防冻保护措施，保证设备可靠稳定。温度控制一般分夏季工况与冬季工况，设置以环境温度30℃和3℃为界，30℃以上为夏季工况，环境温度3℃以下为冬季工况。冬季工况背压控制9～16 kPa，夏季工况时，背压控制25～40 kPa。环境温度在一定时间内的过快变化也会造成背压波动，如昼夜温差大的区域或时段在一天之内的变化会造成背压不稳定，从而对系统造成影响。在夏季工况时，背压在35 kPa以上，会造成整个控制系统不稳定，运行人员必须密切关注，有时不得不采取降负荷方式保证机组安全稳定运行。

2）风向。直接作用在风机的风会严重影响风机效率，从而影响背压。凡是在风机周围产生对流的横向风或炉后风，都会对风机产生影响，更为严重的是热风回流造成背压急剧升高。

3）风速。风速大小会直接影响风机效率，并造成背压不稳定。风速在4 m/s以下时影响较小，但大于此值，影响较明显。

4）粉尘。灰尘、煤粉造成散热设备的脏污会影响散热器散热效果，从而影响背压，尤其在春季风沙天气或扬尘大的区域，对背压的影响较明显。

5）空冷散热器设备质量的好坏会直接影响散热效果，散热效果差直接影响背压。

2 背压变化对系统效率和蒸汽参数影响

外界环境对背压的影响是难以控制的，而背压变化对系统供电煤耗及主蒸汽参数影响较大，从而影响系统的效率与运行稳定。

1）对效率影响。根据初步估算空冷机组背压每变化1 kPa约影响供电煤耗率1.52 g/kWh［1］。

2）对蒸汽参数影响。背压变化会对蒸汽流量、主汽压力等参数造成影响。

以600 MW亚临界空冷机组为例，额定负荷600 MW，最大连续蒸发量（BMCR）为2 070 t／h，额定蒸发量（THA）为1 852.7 t/h。在500 MW、550 MW、600 MW 3种不同负荷下蒸汽流量随背压的变化如表1所示。

表1 不同负荷蒸汽流量随背压的变化

通过表1可以看出，在高于额定背压的状态下，背压的变化与功率、流量曲线并非直线［2］。背压变化时，蒸汽流量随之变化，机组背压升高，蒸汽流量在不同负荷下呈现不均匀变化，其影响较为明显。

需要注意的是，夏季工况高温天气时，在所有风机额定转速时，背压难以稳定的情况下，加上其他因素的耦合影响，会造成蒸汽流量大幅变化。

3 背压变化对协调控制及机组安全影响

空冷机组背压变化对机组自动控制，特别是对协调控制的子系统控制影响非常大。协调控制投入情况下，机炉参数互相影响。背压变化会对蒸汽流量产生较大影响，而蒸汽流量变化势必引起主汽压力波动。主汽压力变化，对于煤量、调速汽门直接产生影响，从而影响风、煤、水各子系统的稳定。主要包括以下几个方面。

1）背压变化影响到协调调节品质。对于亚临界机组、蓄热量相对较小的超临界和超超临界机组来说，背压变化会直接影响到蒸汽流量变化，从而引起主汽压力变化。

2）背压变化对送风控制不利。常规的控制方案是风量设定取自负荷的函数。但在负荷不变背压变化时，会引起煤量变化，而风量不变，送风调整就出现滞后问题。

另外，背压对空冷机组安全也会造成直接影响。

背压瞬时的大幅度变化直接影响机组安全。背压影响机组的理想焓降、机组效率和带负荷能力。背压参数过于频繁的变化，严重影响机组安全［3］。直接空冷机组由于空冷岛的运行效率与环境温度密切相关，在夏天昼夜温差大时，机组背压可由10 kPa变化至40 kPa，背压的瞬间剧烈变化会造成机组参数剧烈波动，甚至引起机组跳闸［4］。以上举例的空冷机组曾因风速较大，造成背压不稳定（风速达到10 m/s以上），最终引起机组跳闸。

4 控制策略

根据背压影响因素及对系统影响的分析，对于背压的精确控制，在环境温度变化时是可行的，但在环境风速、风向剧烈变化时，不可能实现。针对空冷机组控制的难点，提出了解决方法。

4.1 保证最小背压

为最大限度保证机组安全，必须保证背压一定的限度值。以在难以排除外界因素干扰背压控制的情况下，维持机组的最低控制低限。同时可提高发电机组经济性，降低供电煤耗。

控制系统将保持背压设定点在一定的范围内，最小背压设定点可手动（由操作员）选择或经一个系统内的运算法则自动选择。

最小背压设定值算法，不同的设备及使用条件会有个别差异，以下是某600 MW亚临界机组采用德国SPX空冷设备的厂家提供的最小背压设定算法公式

式中：X为系数，一般取值0.4～1.2；Y为最小背压设定值，范围为-10.026 24～27.978 24 kPa。

由于设备及使用环境条件不同，具体设定范围及算法要根据具体机组情况或调整经验确定。

以600 MW亚临界机组为例，在系统达到阻塞背压工况（一般为5.5～6 kPa）时，蒸汽流量达到阻塞状态工况参数，按T-MCR工况考虑［5］。为了确保真空系统有效地移走空气，背压最低限则设置比阻塞背压高出6～8 kPa，即大于阻塞背压6～8 kPa。夏季高温时段，需将设定最小背压值要比实际值低3～5 kPa，即小于实际值3～5 kPa。

4.2 空冷系统散热器定期清洗

为防止空冷系统散热器被粉尘污染，采用定期清洗的方式，可有效降低因粉尘污染造成对散热效果的影响。

4.3 在协调控制中增加背压补偿

鉴于背压对协调控制系统各参数的影响，在协调控制系统中加入背压的控制逻辑，在协调控制系统中减少背压变化对主汽压力的影响，从而保证协调控制系统的稳定并提高系统抗干扰能力。

1）由于蒸汽流量与背压是相互影响的参数，且对协调控制影响较大，如果补偿不当会造成较大误差，必须采用合适的补偿方式，将误差消除或降低［6］。在协调控制系统中采用公式进行蒸汽流量补偿

式中：K为补偿系数；Q为实际背压所对应的机组满负荷时的蒸汽流量，为背压的函数；Qe为额定背压所对应的机组满负荷时的蒸汽流量，Qe为定值，Q和Qe的确定以汽轮机厂家的热力计算书或性能试验测得的数值为准。

2）实现背压的闭环调节。在满足变频调节速率限制的前提下，尽量提高背压的控制速度，将背压控制在一定范围之内。

3）消除背压控制对送风控制不利影响。常规的控制方案是风量设定取负荷的函数。在负荷不变背压变化时，只有煤量的变化而风量不变。只有氧量变化时，送风指令才改变。为此，我们将风量的设定改为DEB指令的函数。

4）逻辑实现。根据以上情况，在原协调控制逻辑中进行以下模块完善，主要有以下内容：设置锅炉主控PID1，其设定值是压力设定，被调量是主汽压力；设置锅炉主控前馈1为压力偏差的微分；设置锅炉主控前馈2为负荷设定的微分；设置锅炉主控前馈3为负荷设定；将负荷设定用公式K＝Q／Qe进行背压修正，以克服背压变化对协调控制系统的影响；设置煤质校正回路PID3，其设定值为当前负荷所对应的蒸汽流量经公式K=Q／Qe修正后的值，其被调量为实际燃料量乘以PID3的输出值；设置燃料主控PID2，其设定值为锅炉主控PID1的输出，其被调量为实际燃料量乘以PID3的输出值；将送风自动的设定值设为DEB指令的函数乘以氧量校正的输出。

完善后的系统控制图如图1所示。

图1 完善后控制逻辑图

4.4 消除背压剧变的影响

背压的瞬间剧烈变化会造成机组参数剧烈波动，甚至引起机组跳闸。通过增加一级报警、空冷RB逻辑防范大风天气空冷背压波动造成机组跳闸。背压变化一般设置55 kPa报警，65 kPa机组跳闸。根据此情况，改为45 kPa报警，设计55 kPa空冷RB，65 kPa跳机值不变。空冷RB虽然不是常规试验项目，对此也未见有关规定，但对于防止机组机组跳闸是非常有用的。

5 结语

就直接空冷机组的背压参数变化对系统其他参数及协调控制影响展开分析，证明背压变化对机组负荷、蒸汽流量等系统参数及协调控制子系统都会产生直接影响，说明在运行机组中系统任何参数都不是孤立独岛，而是互相牵涉影响的。需通过现象，找出主要因素，制定出相应的控制策略。根据背压影响作用的一般规律分析，制定了最小背压控制策略，在协调控制中增加背压补偿，增加一级报警、空冷RB逻辑等一系列措施，通过方案实施，解决了空冷机组安全、经济运行的难题。

［1］孙克学.直接空冷机组背压影响因素分析及其处理措施［J］.山东电力技术，2010（1）：25-27.

［2］杨海生，郭江龙.汽轮机背压修正曲线计算的简化方法［J］.汽轮机技术，2007，49（1）：32-34.

［3］王利杰，曹颖.超临界机组背压变化引起协调控制调节品质变差问题的优化［J］.科技信息，2010（35）：244-245.

［4］李海涛，宁国睿.背压变化对国产600 MW汽轮机组经济性与安全性的影响［J］.中国电力，2007，40（9）：73-75.

［5］王佩章.国产600 MW空冷汽轮机与直接空冷系统现代技术［J］.山西电力，2003（1）：54-57.

［6］汪里迈，纪纲.蒸汽流量测量中温压补偿实施方案的讨论［J］.石油化工自动化，1998（3）：5-7.

式中：ω（FCd）为干基灰分质量分数，%；其余字母意义同式（1）。

表10 干基灰分、干基挥发分、干基固定碳对干基高位发热量逐步回归分析结果（Vd＞15.60%,N=107）

5 结语

对2009—2012年期间山东省内燃煤电厂1 898个煤质样本进行工业分析，统计水分、灰分、挥发分及固定碳等指标的分布情况，通过相关性分析以及采用回归分析方法进行理论研究，得出了灰分、挥发分、固定碳与发热量的计算规律，从而发现了可以采用工业分析来预测煤质发热量的方法。采用煤质工业分析方法来预测发热量具有简单、可行，试验条件要求相对较低的优势，可以实现与热量计测定方法的相互验证。为煤质监督与检测提供了一种简单、快捷的验证方法，对于指导燃煤电厂安全经济运行具有重要的参考价值。

参考文献

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［6］李英华.煤质分析应用指南［M］.北京：中国标准出版社，2009.

［7］方文沐，杜惠敏，李天荣.燃料分析技术问答［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［8］卢纹岱，吴喜之.SPSS for Windows统计分析（第三版）［M］.北京：电子工业出版社，2006.

收稿日期：2014-01-13

作者简介：

李莉（1977—），女，工程师，从事火力发电厂水质、煤质分析工作。

Effects of ACC Back Pressure on the System Parameters and Coordination Control

With the wide application of ACC in power units，the research on the control system becomes more and more important.This paper focuses on the control of air cooling back pressure，especially when the pressure changes，the effects on the system parameter and coordinated control.According to the actual control characteristics and influence factors of back pressure，difficulty and corresponding cortrol strategy are analyzed.The influence of the change of back pressure on the system can be eliminated by analyzing the influencing factors and making measures.

ACC unit；back pressure control；coordination control

TM621.3

：B

：1007-9904（2014）03-0074-04

2013-10-29

周忠伟（1973—），男，高级工程师，从事电厂热工管理工作。