SCAL型間接空冷系統防凍研究

朱大宏，趙弦，馮璟

（中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司，北京市 100120）

0 引 言

間接空冷系統在我國的應用始于20世紀80年代中期，當時從匈牙利引進帶混合式凝汽器的間接空冷系統（海勒式）的專利技術和空冷設備，建成了大同第二發電廠5、6號機組海勒式間接空冷系統。隨后豐鎮電廠3、4、5、6號機組海勒式空冷系統的建成投運，標志著海勒式空冷系統國產化技術已成熟。20世紀90年代中期，我國自主開發設計的帶表面式凝汽器的間接空冷系統（哈蒙式）在太原第二熱電廠四期工程2臺200MW機組上成功應用［1］。

2007年7月，國內首臺600MW級間接空冷機組在山西陽城電廠正式建成投運，標志著擁有自主知識產權的SCAL型間接空冷系統技術已成熟。傳統的哈蒙式系統的散熱器需布置于塔內支撐環梁上，空冷塔占地大，基建投資多；海勒式系統需凝結水精處理，設備多、自動控制復雜；SCAL型間接空冷系統采用表面式凝汽器和垂直布置于塔外的鋁制散熱器，解決了空冷塔體型龐大、水質要求高、控制復雜等問題，滿足了機組容量大型化對空冷系統的要求［2－4］。

作為發電廠熱力系統的冷端，間接空冷系統容易受外界環境影響，尤其在冬季，空冷散熱器管內常會發生冰凍現象。在已投運的間接空冷電廠中就發生過因冷卻三角冰凍、破裂、泄漏而停機的事件。本文論述間接空冷機組冬季運行時的防凍問題，研究空冷散熱器管內發生冰凍現象的原因，提出針對SCAL型間接空冷系統的防凍措施，為SCAL型間接空冷系統在北方寒冷地區的應用提供參考。

1 國內各種間接空冷系統的冰凍問題

1.1 海勒式空冷系統冰凍問題

安裝海勒式空冷系統的大同第二發電廠5、6號機組和豐鎮發電廠3、4、5、6號機組建成投運至今已有20多年，總結這些機組的建設、運行經驗，歸納出以下海勒式空冷系統常見的冰凍問題。

1.1.1 設備選型方面

空冷散熱器按逆流換熱設計，最外排管束循環水溫度最低，冬季易冰凍，據統計冬季凍壞的管束中，最外排管束占82%［5］。空冷散熱器上水室排空氣管直徑小，且布置不合理，造成進排氣不暢，延長充排水時間。排空氣管與環管的連接為橡膠接管，冬季易變形結冰，影響空冷散熱器進排氣［6－7］。

1.1.2 控制系統方面

扇段僅設1個回水溫度測點，無法檢測每個空冷散熱器的回水溫度，據統計空冷散熱器間的不平衡溫差最大達16℃。扇段頂部未設壓力測點，無法判斷斷流情況。扇段頂部排空管未設溫度測點，無法判斷排空管加熱器工作是否正常。凝汽器液位測量裝置選型不當，常誤發信號［8］。扇段僅監測1組百葉窗開度，無法了解每個百葉窗的開度情況［6－7］。

1.1.3 實際運行方面

冬季因扇段平均出水溫度控制較低，造成扇段內局部空冷散熱器出水溫度過低而發生冰凍［5－11］。將循環水泵出口母管水溫大于35℃作為充水必要條件，使最后充水的扇段水溫過低而發生冰凍；或水溫超45℃，較大的熱應力破壞了空冷散熱器“O型”圈，造成泄漏致使冰凍［6－7］。因運行中循環水泵故障、系統泄漏、凝汽器水位過低、排空氣管進排氣不暢，導致空冷散熱器管內流速過低而發生冰凍［9－10］。在充排水期間，因各閥門動作不正常或內漏而發生冰凍［11］。

1.2 哈蒙式空冷系統冰凍問題

安裝哈蒙式空冷系統的太原第二熱電廠7、8號機組建成投運至今已近20年，總結其經驗，歸納出以下哈蒙式空冷系統常見冰凍問題。

1.2.1 設備選型方面

哈蒙式空冷系統采用表面式凝汽器，避免了混合式凝汽器液位控制的難題，且循環水泵與常規濕冷系統相同，相比海勒式空冷系統故障率小，降低了空冷系統發生冰凍的風險。

1.2.2 控制系統和實際運行方面

雖然借鑒了大同第二發電廠的經驗，但仍發生過因閥門內漏造成空冷散熱器管內流速降低，使管子凍裂；因百葉窗故障造成空冷散熱器管內水溫過低，使管子凍裂，最后導致真空破壞迫使機組停機等事故［12－13］。

1.3 SCAL型間接空冷系統冰凍問題

安裝SCAL型間接空冷系統的陽城電廠7、8號機組建成投運至今已滿5年，經受了當地最低氣溫達－20℃的考驗，基本解決了SCAL型間接空冷系統冬季運行的冰凍問題，為該系統在北方寒冷地區的應用積累了經驗。總結陽城電廠經驗，歸納出以下SCAL型間接空冷系統冰凍問題。

1.3.1 設備選型方面

SCAL型間接空冷系統與哈蒙式空冷系統相同，采用表面式凝汽器，降低了凝汽器和循環水泵故障帶來的空冷散熱器冰凍風險；與海勒式空冷系統相同，空冷散熱器垂直布置于塔外，雖然相比哈蒙式空冷系統塔內水平布置的方式，冬季更易受環境影響，但塔外垂直布置方式能滿足空冷系統大型化的需要，大大降低初投資。

1.3.2 設計及運行方面

陽城電廠在設計階段就吸取了大同第二發電廠、豐鎮發電廠、太原第二熱電廠的防凍經驗，從設備選型、控制系統等方面解決了哈蒙式空冷系統和海勒式空冷系統存在的問題。另外，針對空冷散熱器塔外垂直布置的特點，在運行中采取一系列措施有效地解決了冬季冰凍問題［14－16］。這些措施為：保證至少2臺循環水泵運行，極端低溫時運行3臺循環水泵，從而提高散熱器管束內流速；低溫、大風時，迎風側2個扇段泄水退出運行，且關閉相鄰2個扇段百葉窗；若發現管束發生泄漏，關閉泄漏區域及相鄰區域百葉窗；機組停機或掉機后，關閉各扇段百葉窗并及時泄水；對百葉窗、各閥門加強巡檢，確保正常工作。

2 SCAL型間接空冷系統的防凍措施

隨著國家西部大開發戰略的深入實施，新疆地區將在今后幾年內建設一批百萬kW級空冷電廠。由于新疆地區氣象條件十分惡劣，部分廠址極端情況下會出現－40℃以下低溫，對于以空氣為工作介質的間接空冷系統影響巨大。

近幾年，華北電力設計院工程有限公司（簡稱華北院）根據新疆地區所承接項目的氣候特點，結合神華準東五彩灣電廠的設計優化開展了多項間接空冷系統的防凍研究。五彩灣地區冬季寒冷（極端最低氣溫為－41.1 ℃），夏季炎熱（極端最高氣溫為41.6℃），春夏季多風（最大風速達到24m／s），氣象條件非常惡劣。為優化五彩灣電廠間接空冷系統和解決新疆工程所面臨的防凍問題，神華神東電力公司、雙良節能系統股份有限公司和華北電力設計院工程有限公司于2011年冬季在電廠現場聯合開展了實地模擬間冷散熱器防凍試驗研究。試驗包括冷卻器采用順向交叉流和逆向交叉流的對比試驗、采用變片距和等片距垂直布置散熱片的對比試驗、百葉窗風阻特性試驗和散熱器防凍流量特性試驗等，積累了若干SCAL型間接空冷系統防凍的設計、運行經驗。

2.1 設計方面的防凍措施

根據陽城電廠的防凍設計經驗，采取了以下常規設計措施。

（1）為防止空冷塔內的配水管和閥門受凍，宜將閥門布置在半地下或地下閥門井內，閥門前的配水管道埋地布置在凍土層下，閥門后的配水管道設置與地下水箱連通的排水系統，將閥后配水管道內和空冷散熱器內部的循環水排空至地下水箱。

（2）每個空冷散熱器設置獨立的百葉窗和調節型電動執行機構，根據循環水回水溫度由分散控制系統（distribution control system，DCS）自動控制百葉窗開度，調節進氣量，在0%～30%開度范圍內調節最為有效。

（3）空冷散熱器分扇段布置，每個扇段設置獨立的充、排水系統，與地下水箱連接。扇段根據回水溫度獨立投入或退出運行。

（4）塔內進水母管和回水母管末端設置旁路，配備調節型電動蝶閥。當機組冬季啟動時，在低負荷小流量工況下循環水先通過旁路，待水溫升高后，再進入空冷散熱器；回水溫度非常低時，旁路扇段，避免空冷散熱器內循環水在低流速或低溫下發生冰凍現象。

（5）為貯存扇段停運時的放水，設置地下貯水箱、排水管道及閥門，并設置扇段再次投入運行的充水系統。

（6）空冷散熱器上部的排氣管沿空冷塔內壁垂直設置，適當放大排氣管的管徑并增設電伴熱設施，使充水、放水時能夠迅速排氣、補氣，避免因充排水時間過長、水溫過低而造成冰凍。

（7）在每個扇段末端或容易發生冰凍現象的空冷散熱器處增設回水溫度測點，避免局部空冷散熱器水溫過低而造成冰凍。

針對新疆地區氣候特點，增加了以下可選擇的設計措施。

（8）根據大同第二發電廠的經驗，空冷散熱器采用雙流程系統運行，在每個扇段的進出水干管處設置切換閥，夏季為逆流運行方式，冬季通過切換閥改為順流運行方式。

（9）針對間接空冷系統冬季扇段充水操作過程中，易使散熱器翅片管束結冰或密封圈失效問題，設置預暖設備，向空冷塔內局部扇段送熱風，既可預熱空冷散熱器管束，也可對冰凍管束進行融冰。

（10）在展寬平臺上設置通風口，必要時打開，使部分空氣旁路，控制空冷散熱器的通風量。

2.2 運行方面的防凍措施

（1）冬季啟動時，首先開啟進、回水母管旁路上的調節閥，形成循環，待循環水溫升高至一定溫度時，開始對扇段充水，進入正常運行后隨時監控充水扇段的進水溫度。充水期間關閉百葉窗，待正常運行后根據水溫調節百葉窗開度。

（2）冬季運行時保證空冷系統的回水溫度不低于設定溫度。當循環水系統的回水溫度接近設定值時，應首先調節百葉窗開度。當百葉窗全關仍不能控制水溫時，應關閉部分扇段，加快空冷散熱器管道內流速。若水溫繼續降低，當等于或小于報警值時，應迅速放掉全部空冷散熱器內的水，利用旁路保持循環。

（3）冬季運行時保持運行2臺循環水泵，以提高空冷散熱器的管內介質流速，減輕冰凍現象，極端惡劣環境下應運行全部循環水泵。

（4）冬季運行時應根據循環水回水溫度情況，在接近阻塞背壓的工況下運行，當回水溫度過低時，應適當提高機組的運行背壓。

（5）冬季主機停機后，循環水在運行一定時間后，當回水溫度降至設定值時，必須迅速放空空冷散熱器內的水至地下貯水箱。

2.3 其他需關注的防凍問題

（1）扇段閥門的嚴密性是防凍的關鍵，若應該關閉時而關閉不嚴，會導致空冷散熱器管束發生冰凍現象。

（2）增加扇段末梢的回水溫度測點，測量數據可供百葉窗開度調節時參考。

（3）在各冷卻三角間設置密封條，可有效防止漏風，具有較好的防凍作用。

（4）在空冷散熱器安裝前，清理內部殘留雜物，避免因雜物堵塞而降低管內流速，導致冬季低溫時管束發生冰凍現象，造成空冷散熱器損壞。

（5）冷卻三角的百葉窗由電動執行機構驅動，由于電動執行機構數量較多，調整檢查工作必須由運行人員到現場進行確認，只要有調整不到位之處，就會使百葉窗關閉不嚴，造成空冷散熱器結冰凍壞。

神華五彩灣電廠2臺350MW機組已于2012年12月通過168h運行，SCAL型間接空冷系統經受了當地極寒低溫的考驗，成為新疆地區間接空冷系統成功運行的典型案例。

3 結 論

（1）空冷散熱器管束內發生冰凍現象的主要原因是：管內介質流速過低或停滯；回水溫度控制過低且監測點數量不夠；低溫環境時，充、放水不暢；百頁窗動作與環境條件不協調；閥門不嚴密引起內漏。

（2）針對SCAL型間接空冷系統提出的設計和運行方面的防凍措施，可為SCAL型間接空冷系統在“三北”地區的應用提供參考。

（3）設計之初必須認真收集、分析當地氣象資料，結合低溫時段氣候特點，采取針對性的防凍措施。

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