發電廠直接空冷凝汽器的新型防凍監測系統設計

國建剛，賈 杰，田振宇

（內蒙古電力勘測設計院，呼和浩特 010020）

0 引言

火力發電廠直接空冷機組經過近幾年的快速發展，已成為山西、內蒙等富煤少水地區的主力機型，單機容量從幾十兆瓦發展到現在的1000MW。直接空冷系統以其換熱溫差大、冷凝效果好、占地面積小、投資費用少等優點成為這些地區新建發電廠的首選。

但是根據目前直接空冷機組的冬季運行情況來看,由于我國北方冬季寒冷，加上空冷散熱器露天布置，散熱器凍結現象時有發生，而空冷散熱器的主要部件都是進口部件，給發電廠帶來很大的經濟損失。空冷機組防凍問題的妥善解決，直接關系到機組運行的安全性和經濟性，有必要設計一種適用于發電廠直接空冷凝汽器的新型防凍監測系統。

1 空冷凝汽器進/出口空氣溫度監測系統

1.1 溫度監測的必要性

目前空冷機組監測的排汽壓力、排汽溫度、抽氣溫度、凝結水溫度等參數都是蒸汽側參數，而對空冷凝汽器進/出口空氣溫度幾乎不作任何監控。

空冷凝汽器是把管外空氣和管內蒸汽強制對流換熱，使管內蒸汽冷凝的表面式換熱器。根據傳熱學理論，管內蒸汽凝結放熱的熱量Qn為

式中：Dn為汽輪機排汽量；hn為汽輪機排汽焓；hsn為空冷凝汽器的凝結水焓。

管外空氣吸收的熱量Qa為

式中：Ga為空氣流量；Cp為空氣定壓熱容；t1為空冷凝汽器出口空氣側的溫度；t2為空冷凝汽器入口空氣側的溫度。

換熱平衡時，有Qn=Qa。各種各樣的換熱器都需要測量其冷流體和熱流體的進/出口溫度，唯有大型空冷系統到目前為止沒有進/出口空氣溫度的測量。之所以造成這種局面是因為空冷系統過于龐大，要想比較全面地測量空冷系統的空氣溫度，至少需要幾千個測點，而用傳統的溫度測量元件如熱電偶或熱電阻成本太高。所以，采用具有現場總線技術的測溫電纜監測直接空冷凝汽器的進/出口空氣溫度，是一種新型監測設計。

1.2 空冷凝汽器溫度場在線監測系統

直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監測系統，是以特制的測溫電纜測量每個空冷凝汽器管束進/出口空氣溫度。測溫電纜內含智能溫度傳感器，由智能溫度傳感器采集到的數據實時傳到前置器，然后由前置器通過信號轉換后利用現場總線技術上傳到上位機或DCS（分散控制系統），由各個空冷凝汽器管束進/出口空氣溫度組成A型塔管束實時溫度場。通過上位機或DCS對實時溫度場數據的分析和整理，制定出最優化的防凍保護措施方案。直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監測系統如圖1所示。

圖1 直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監測系統

2 空冷凝汽器管束結構對防凍的影響

2.1 散熱管截面結構對防凍的影響

空冷凝汽器管束截面有單排管（如圖2所示）、雙排管和三排管3種結構。3種管型結構間的流動特性不同，防凍原理也不同。因為單排管的大扁管截面形狀是應用較多的一種形狀，因此這里以單排管空冷管束的特點進行分析。

圖2 單排管截面結構及汽水分布

冬季管束內蒸汽流動過程如圖3所示。順流管束內蒸汽和凝結的水同時向下流動，隨著流動進程蒸汽越來越少，而凝結的水不斷增多。冬季熱負荷減少而環境溫度較低時，由于空氣的冷卻能力較強，進入順流管束的蒸汽有可能在上半部分就已經凝結完畢，順流管束下端完全是凝結完畢后的凝結水，在空氣冷卻下容易出現過冷現象，嚴重時就會發生凍結。

圖3 冬季管束內汽水流動過程

逆流管束內蒸汽從下端進入散熱管，自下而上流動，而凝結的水則從上向下流動，蒸汽和凝結水反向流動使得蒸汽可以不斷為凝結水加熱，管束下端不宜出現過冷現象。如果逆流管束內的蒸汽在散熱管下半部分就已經凝結完畢，此時逆流管束的上半部分沒有蒸汽也沒有凝結水，因此也不會出現過冷現象，所以逆流管束內不宜結冰。但由于剩余的不凝氣體中夾帶有蒸汽，逆流上端常出現絮狀結冰，即雪花形狀的結冰。絮狀結冰嚴重時也可造成管束堵塞，可以通過逆流風機反轉回暖的方式融化，空冷系統設計時考慮了這樣防凍措施。

綜上所述，順流管束的下端比逆流管束更容易結冰，因此順流管束下端是監測的重點，在順流管束下部布置測點是非常必要的。

2.2 順—逆流結構對防凍的影響

直接空冷系統的蒸汽先進入順流管束（K）而后進入逆流管束（D）的設計方式稱為順—逆流結構，即K/D結構。而之所以采用K/D結構，是為為了在冬季更好地防凍。D與K之間的面積比是根據不同的防凍要求選擇合適的值。一般越寒冷的地區逆流比例越大，環境溫度較高的地區逆流比例越小。但也不能全部采用逆流管束，因為逆流區面積大，雖然防凍能力強，但是流動阻力大，不利于夏季降低背壓，影響經濟運行。

一般國產的300MW機組選擇的“逆流面積/總面積”的面積比為16%～24%。逆流面積較小使得逆流區的防凍調節能力變弱，機組負荷減小和環境溫度的降低使得逆流區的蒸汽迅速減少，機組負荷進一步減小或者環境溫度進一步降低使得負溫度區域迅速蔓延到順流管束的下部，至順流管束下端蒸汽已凝結完畢，順流管束下端截面的下半部分完全由流動的凝結水構成，極容易產生過冷。而截面的上半部分少量的蒸汽不足以對凝結水加熱，所以較小的“逆/順”流面積比使得順流管束下端的防凍任務變的十分艱巨。僅在逆流區布著溫度監測測點是不夠的。如表1所示為機組1號列2與3單元（順、逆流單元）的溫度監測。

表1 單排管管束低溫下監測到的順、逆流單元溫度分布

由表1可知，逆流單元下部具有較高的溫度，還有蒸汽，這是因為逆流單元下部匯集了所有順流單元（1，2，4，5單元）管束沒有凝結完的蒸汽。但是順流單元（2單元）下部出現負溫度狀態，已無蒸汽，說明該順流單元（2單元）熱負荷較小，蒸汽到達下部就已經凝結完畢。所以僅僅監測逆流單元管束的狀態，不能代替順流單元管束下部的狀態。逆流單元管束下部有蒸汽，并不代表所有順流單元管束下部一定有蒸汽。

3 直接空冷凝汽器溫度監測方案設計

根據以上防凍原理的分析考慮到逆流管束和順流管束的流動情況，主要在A型塔散熱器外側上、下布置溫度測點。溫度測點要有一定的密度，并盡量覆蓋到所有管束，以保證最容易結冰的區域能夠實現安全準確的監測。

以300MW機組直接空冷系統為例，機組A形塔總長度約56 m，每列A形塔單側總共由25片管束組成，其中4片逆流管束，21片順流管束，每片管束平均寬度2.24 m。溫度監測測點按照0.75～1.12 m的間隔計算，即保證每片管束橫向分配3或2個測點。這樣1列A型塔1排溫度測點可達到50～75個測點。

每個A型塔單側面下排距離管束下端約1.2 m布置1排溫度測點，每個測點間隔0.75～1.12 m；從此排溫度測點向上5 m布置第2排測點，如圖4所示。

圖4 溫度測點布置示意

單側面測點數量為：每排溫度測點50～75個，單側面布置2排測點，因此單側面點數可達100～150個。300MW機組全部測點為1200～1800個。

4 測點安裝方案

4.1 監測專用線纜的安裝

監測專用線纜固定于空冷散熱器的表面，按照上面設計的路徑安裝。先制作安裝配件，采用厚鋁合金板沖壓成型，固定于翅片管的翅片上，然后用卡子將監測專用線纜固定于配件上，如圖5所示。

安裝配件與監測專用線纜均能承受噴水裝置沖洗時的高壓水沖擊力。

圖5 安裝配件

4.2 智能采集器的安裝

每列A型塔使用2～4個采集器，300MW機組共需要12～24個采集器。集中于1個采集器箱內，安裝在A型塔端部擋風墻一側，用支架固定在地板上或直接固定在擋風墻上。采集器箱采用不銹鋼材料，采集器箱內每個采集器還有殼體，雙層防護，滿足防水防塵標準。

從A型塔到采集器用金屬包塑軟管、電纜槽盒等穿線過渡，采集器與采集器之間的連接使用已有的電纜槽盒。采集器的數據通過空冷島的電纜豎井引到地面，進入電子間或主控室。

4.3 系統的安裝及與DCS通信

系統需安裝的設備包括采集器、通信線、電源線、主機、電源等。

空冷島上需提供220 V電源，經轉換模塊轉換成（24 V）安全電源向采集器供電。主控計算機可以安放在電子間，所有溫度數據可以通過RS485通信的方式送入到DCS中。也可以將主控計算機直接安放到主控室控制臺，溫度數據不進入DCS系統。

監測系統能顯示并存儲數據、歷史趨勢，還能滿足許多用戶特定的需求：

（1）采用不同顏色以區分負溫度、低溫和正常溫度，可供運行人員直觀地判斷死區位置；

（2）可計算順流死區百分比和逆流充滿度。

5 防凍措施制定

山西、內蒙古等地處海拔較高地帶，冬季環境寒冷，空冷島冬季運行容易出現管束過冷現象，若調整不及時將會發生管束凍結而損壞設備，冬季嚴寒期需要運行人員不間斷巡視、手動測量，造成很大的工作量，所以，冬季運行時空冷凝汽器防凍成為一項重要的安全工作。

空冷凝汽器溫度場自動測量為空冷冬季防凍帶來極大的方便，運行人員在集中控制室就能了解空冷機組的運行狀態；可以根據空冷溫度場監測到的實時數據，即空冷凝汽器進/出口空氣溫度，提前判斷哪組空冷散熱器或空冷散熱器的哪個部位存在防凍的可能，以便提前采取有針對性的防凍措施，如空冷風機減速或停轉，在風機人口防護網上用帆布封堵，逆流風機倒轉；采用電動真空隔絕閥停運一列或幾列風機，使運行列滿足最低蒸汽量限制的要求；空冷散熱器局部保溫等。

同時，設備管理人員也能每天及時了解空冷機組的運行情況，為冬季防凍、覆蓋等提供有效指導。空冷溫度場在線監測系統的運行，使運行人員隨時都能了解空冷散熱器所處的環境狀況，為冬季防凍措施的制定提供準確的依據。

6 結語

直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監測系統已在國內多個發電廠成功應用。例如，2010年10月在山西大唐國際云岡熱電廠1，2號直接空冷機組投運；2011年8月在國電內蒙古東勝熱電廠1號直接空冷機組投運；2011年10月在內蒙古京泰發電有限公司1，2號直接空冷機組投運等。

經過長時間的運行證明，該系統防凍效果明顯，達到了預期的目標，受到各發電廠用戶的好評。伴隨著發電廠直接空冷技術的發展，直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監測系統應用必將越來越廣泛。

[1]朱大宏，雷平和.600MW直接空冷凝汽器的度夏與防凍能力探討[J].電力建設，2009，27（9）∶35.

[2]尚立新.直接空冷系統冬季防凍措施研究[J].應用能源技術，2010（5）∶49-52.