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★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(guó)華錦界能源有限責(zé)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(jī)；分區(qū)優(yōu)化；控制方法

1 引言

針對(duì)不同環(huán)境空冷風(fēng)耦合作用下的直接空冷通風(fēng)機(jī)組，受熱空冷風(fēng)的抽回流和直接軸流風(fēng)機(jī)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(jī)的直接冷卻通風(fēng)能力在不同通風(fēng)區(qū)域內(nèi)會(huì)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(jī)控制策略風(fēng)機(jī)耗電量大幅增大，能效水平下降。獲得機(jī)組軸流風(fēng)機(jī)群陣列，根據(jù)布局下面的空氣泵風(fēng)流場(chǎng)和機(jī)組溫度場(chǎng)，計(jì)算得到不同軸流風(fēng)機(jī)機(jī)樣轉(zhuǎn)速下單元機(jī)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(jì)算方法，分析空冷泵與轉(zhuǎn)速壓調(diào)節(jié)對(duì)單元機(jī)組部件背壓用度影響的幾個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，并從單個(gè)空冷泵和單元機(jī)組工作效率兩個(gè)角度深入考慮機(jī)組調(diào)壓用度問(wèn)題。研究結(jié)果表明，并不是軸流風(fēng)機(jī)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(dá)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(jī)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(yàn)實(shí)踐基礎(chǔ)^[1]。

2 直接空冷機(jī)組物理模型

2.1 直接空冷汽器機(jī)組直接空氣式冷凝汽器結(jié)構(gòu)布置使用方式

針對(duì)高溫環(huán)境中熱風(fēng)對(duì)流作用下的直接空冷熱風(fēng)機(jī)組，受熱空冷風(fēng)機(jī)的回流和背壓軸流效應(yīng)風(fēng)機(jī)群的群流和抽軸流效應(yīng)的相互帶動(dòng)作用，使得空冷風(fēng)機(jī)的軸流冷卻控制能力在不同通風(fēng)區(qū)域內(nèi)會(huì)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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)和軸流風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)提供科學(xué)理論和節(jié)能試驗(yàn)實(shí)踐基礎(chǔ)。

2.2 直接空冷系統(tǒng)分類(lèi)

（1）順流式

順流式指從蒸汽輪機(jī)內(nèi)部排出的大量水汽，通過(guò)直接配置蒸汽機(jī)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(jié)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(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(jìn)入水箱時(shí)很可能出現(xiàn)溫度過(guò)冷過(guò)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(guò)程完成后的液體凝結(jié)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(xiàn)象和高壓冰凍冷卻現(xiàn)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(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(méi)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(gè)聯(lián)箱里，而沒(méi)有冷凝的任何凝結(jié)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(nèi)的所有凝結(jié)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(tǒng)又可以將泄漏或進(jìn)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(zhuān)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(chē)行走機(jī)構(gòu)等清洗裝置部分組成。

2.3 直接空冷機(jī)組數(shù)學(xué)模型

對(duì)直接空冷壓縮機(jī)組的流動(dòng)溫度場(chǎng)和流動(dòng)速度場(chǎng)分別進(jìn)行測(cè)量數(shù)值分析計(jì)算，將直接空氣環(huán)流視為一種不可逆的壓縮理想流體，計(jì)算過(guò)程中分別采用了不同計(jì)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(guò)程格式采用一級(jí)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(dòng)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(guò)軟件設(shè)計(jì)完成，凝汽器模型主體結(jié)構(gòu)部分與空冷汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(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(tǒng)方法，該控制方法主要包括實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)空冷冷卻機(jī)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(jī)的蒸汽量、凝結(jié)的含水量和出口散熱溫度，計(jì)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(jié)熱量、在進(jìn)入空熱水冷凝汽器加熱冷卻后各單元風(fēng)機(jī)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(duì)度變大而凝結(jié)為空冷水所要釋放出的熱量、計(jì)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(guò)空冷散熱量溫度計(jì)算器得出空冷凝結(jié)的含水量，計(jì)算每臺(tái)空冷冷卻單元供暖風(fēng)機(jī)散熱功耗和凝結(jié)風(fēng)量、空冷冷卻單元風(fēng)機(jī)傳熱器的工作效率，以島陣列的控制形式實(shí)時(shí)調(diào)高高溫低效率空冷風(fēng)機(jī)散熱轉(zhuǎn)速、降低低溫高效率空冷風(fēng)機(jī)散熱轉(zhuǎn)速，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)每臺(tái)空冷風(fēng)機(jī)的合理散熱出力，從而有效實(shí)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(jī)的最佳工作狀態(tài)，是解決空冷島需節(jié)省大量電能問(wèn)題的關(guān)鍵，該控制系統(tǒng)的工作控制性能問(wèn)題一直是多年來(lái)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(wèn)題，它的最佳工作控制性能將對(duì)空冷機(jī)組的工作安全性和生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性發(fā)展產(chǎn)生直接的重要影響。

3.1 系統(tǒng)自動(dòng)控制要求

在一些傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)控制制冷系統(tǒng)中，空冷控制單元中的軸流風(fēng)機(jī)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(dòng)控制測(cè)量方法，是通過(guò)對(duì)機(jī)組背壓偏差測(cè)量基準(zhǔn)值和背壓設(shè)定值之間的背壓偏差進(jìn)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(jī)組的背壓測(cè)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(jìn)而根據(jù)其背壓偏差程度來(lái)連續(xù)對(duì)空冷風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的臺(tái)數(shù)、角速度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，將空冷汽輪機(jī)組的背壓測(cè)量控制在確保機(jī)組安全和高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的合理范圍內(nèi)。

3.2 風(fēng)振控制與負(fù)壓差

從風(fēng)機(jī)控制器的邏輯流程中可知，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)速度主要由主風(fēng)機(jī)控制器通過(guò)自動(dòng)控制整個(gè)風(fēng)機(jī)和發(fā)電機(jī)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(jī)設(shè)定值的壓力速度保持相對(duì)一致，該計(jì)算方法主要采用純自動(dòng)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(shí)，對(duì)其風(fēng)機(jī)執(zhí)行程序直接跳過(guò)，然而通過(guò)調(diào)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)該蒸汽輪機(jī)組的背部負(fù)壓在整個(gè)調(diào)節(jié)的執(zhí)行過(guò)程中，超調(diào)和負(fù)壓波動(dòng)都比較大，不能很好地達(dá)到滿足實(shí)際風(fēng)機(jī)生產(chǎn)中的要求，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行程序中的跳步，從而致使整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程偏差很大并容易同時(shí)產(chǎn)生風(fēng)機(jī)振蕩^[3]。

3.3 冷風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度關(guān)系

空冷軸流機(jī)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(jī)組正常運(yùn)行時(shí)的背壓過(guò)高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響空冷機(jī)組安全以及經(jīng)濟(jì)高效正常運(yùn)行，尤其是在全部空冷軸流風(fēng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速已無(wú)法達(dá)到最高額定轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)不能再通過(guò)提速進(jìn)行降壓時(shí)，為了安全必須考慮。機(jī)組不得不通過(guò)降低大負(fù)荷繼續(xù)運(yùn)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(jī)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(guò)對(duì)直接空冷渦流機(jī)組單元數(shù)值分析模擬方法研究，特別針對(duì)大型高速軸向渦流風(fēng)車(chē)單機(jī)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(jī)組島單元所處外部速度場(chǎng)和內(nèi)部溫度場(chǎng)，同時(shí)結(jié)合聚類(lèi)分析模擬方法，根據(jù)大型軸流風(fēng)機(jī)單元壓升、軸流風(fēng)機(jī)單元垂直旋轉(zhuǎn)風(fēng)速、充冷機(jī)組單元的出入口通風(fēng)溫度、軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部通風(fēng)量、伸縮管束風(fēng)機(jī)通風(fēng)量和確定伸縮管束風(fēng)機(jī)換風(fēng)發(fā)熱量等相關(guān)參數(shù)，將空冷發(fā)風(fēng)機(jī)組內(nèi)部軸流風(fēng)機(jī)群有效地組合進(jìn)行節(jié)能分區(qū)，并通過(guò)研究確定軸流風(fēng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速可在達(dá)到最大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速要求值時(shí)，通過(guò)有效降低某些特定使用區(qū)域軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)空冷機(jī)組內(nèi)部進(jìn)行減速調(diào)壓，從而有效達(dá)到風(fēng)機(jī)降速的高節(jié)能和低降壓利用目的。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值流場(chǎng)模擬，可以有效地準(zhǔn)確模擬空冷空熱島軸流運(yùn)行時(shí)的軸向溫度場(chǎng)和軸向流速場(chǎng)，為復(fù)雜的空冷空熱島大型軸向渦流風(fēng)組在機(jī)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(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，降低軸流機(jī)組的風(fēng)背壓力的研究，通過(guò)不同轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)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(shì)與通過(guò)通風(fēng)管束的實(shí)際通風(fēng)散熱趨勢(shì)互相吻合效果較好，軸流風(fēng)機(jī)的實(shí)際空冷通風(fēng)量散熱趨勢(shì)與通過(guò)翅片通風(fēng)管束的實(shí)際通風(fēng)散熱趨勢(shì)不一致，并不是軸流風(fēng)機(jī)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)電廠的建設(shè)投產(chǎn)及其建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)使用提供了強(qiáng)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(hù)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(jiǎn)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(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(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(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司，從事火力發(fā)電自動(dòng)控制控制系統(tǒng)維護(hù)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(guó)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(dòng)化技術(shù)研究工作。

李戎 （1975-），男，陜西西安人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任杭州和利時(shí)自動(dòng)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(tái)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(xiàn)：

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[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(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2021,(01):90-95.

[3]萬(wàn)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(dòng)化博覽》2022年7月刊