空分裝置配套空冷器的運行分析及故障處理

郭維維

（兗礦新疆煤化工有限公司空分車間)

眾所周知，我國水資源匱乏地區分布著豐富的煤炭資源。隨著煤化工行業的迅猛發展，因地制宜利用煤炭資源發展下游產業，提高煤炭附加值，已是大勢所趨。與此同時，如何解決水資源緊缺問題已成了發展的關鍵。目前，大型煤化工項目越來越多地選擇空氣冷凝器作為汽輪機乏汽冷凝裝置。兗礦新疆煤化工有限公司空分空冷器裝置是由常熟某公司負責設計并指導安裝的，用于曼恩機械有限公司生產的RIKT-160機組汽輪機乏汽的冷凝。該套空冷器裝置為常熟某公司在新疆啟用的首套裝置，目前已累計投入運行23個月，運行情況良好。

1 空氣冷凝器系統的組成和流程

空氣冷凝器 （簡稱空冷器）系統流程如圖1所示。空冷器系統主要由以下6個子系統組成。

圖1 空氣冷凝器系統流程

（1）排汽系統 排汽系統設1根主排汽管道，排汽管道疏水直接引入排汽裝置下的疏水罐，管道上不設閥門。

（2）空氣冷凝器系統 空氣冷凝器系統 （aircooled condenser system，簡稱ACC系統）通過蒸汽與空氣的熱交換來冷凝汽輪機排汽，以維持汽輪機的低背壓。整個空氣冷凝器系統按換熱介質不同可劃分為蒸汽系統和空氣系統。圖2為空冷器換熱管管束結構示意圖。

①蒸汽系統。整個ACC系統由3列換熱管束組成，管束受熱面均采用兩級冷凝布置，即先順流(蒸汽流向與凝結水流向相同)后逆流 （蒸汽流向與凝結水流向相反）。在低溫低負荷情況下，可以選擇性停運部分換熱管束，以減少整體換熱面積。在逆流換熱器上聯箱設有抽氣口，以便將不凝結氣體抽出。

②空氣系統。空氣系統主要指風機組，包括12臺軸流風機及風機變速箱、電動機、振動開關、變頻器等附屬設施。風機轉速通過變頻器可在20%～100%范圍內調節。在低溫低負荷情況下，通過改變風機的轉速或運轉風機臺數可以改變空氣流量以減少換熱量。

（3）抽真空系統 抽真空系統設置2臺真空抽氣器，1臺為正常運行時使用，1臺啟動抽氣器，用以汽輪機啟動時快速降低汽輪機背壓。真空抽氣器將逆流換熱管束上聯箱中的不凝結氣與很少量蒸汽一起抽出，不凝結氣經過抽氣器兩級水冷，最終排入大氣。

（4）凝結水系統 凝結水系統設置2臺凝結水泵，凝結水系統連續運行。ACC系統中的凝結水靠重力自流輸送到集液箱，由凝結水泵通過凝結水管輸出。

（5）啟動旁路裝置 由于汽輪機在暖機階段的流量非常低，在極端寒冷的情況下，不能滿足空冷器最小流量要求，因此必須使用ACC系統啟動旁路，以達到防凍的目的。旁路蒸汽系統包括一組隔離閥、減溫減壓裝置以及連接管道等。

（6）清洗系統 清洗系統配置1臺清洗水泵，水泵布置在室內，采用半自動清洗方式，即水平移動為手動，垂直運動為電動。清洗系統的控制完全獨立，由就地開關控制，不進DCS。

2 空冷器裝置凍管故障及原因分析

2.1 空冷器裝置凍管

2012年冬，該套裝置所處最低氣溫達-30℃，屬于極端惡劣環境。隨著氣溫降低，先采取了逐漸降低風機負荷、停運風機、減小空冷器的換熱面積等方法維持空冷器運行。后來，隨著氣溫進一步降低，選擇了蒸汽乏汽最遠端一列換熱管束，關閉該列蒸汽進氣隔離閥，停止該列運行。初期運行情況良好，在環境溫度達最低時也沒有出現異常情況。但運行約60天后，環境溫度開始回升，2013年1月17日發現汽輪機排壓突然持續上升。為維持汽輪機正常背壓，啟動主抽氣器維持運行約2 h，在此期間凝結水溫度大幅度波動，且相鄰列溫差大于5℃，判斷為蒸汽嚴重偏流。空冷器現場框架上，可聽到停運列管束發出明顯的漏氣聲，敲擊漏氣聲附近管束，聲音沉悶，因此可判斷為現場管束凍堵。

由于部分管束因凍堵而發生局部脹裂，隨著氣溫上升，凍堵處自然化凍，自裂縫處倒吸空氣進入空冷器，導致空氣進入空冷器系統，蒸汽發生嚴重偏流，抽氣器抽吸能力達不到要求，汽輪機背壓持續上升，最終汽輪機被迫停車。

2.2 凍管原因分析

根據此次故障的情況進行了以下分析。停運一列風機，關閉蒸汽進氣隔離閥，以降低空冷器換熱面積，但并沒有將停運的這列風機完全隔離。頂部抽取不凝氣的閥門處于打開狀態，同時底部冷凝液與運行列相通。在同一水平面上，停運列冷凝液底部下聯箱保持一定液位。由于進氣隔離閥關閉，沒有蒸汽進入停運列，頂部抽氣閥一直處于吸氣狀態，在停運列頂部與底部冷凝液產生了壓差，導致底部下聯箱的冷凝液被抽至一定高度。在極低環境溫度下，雖然管道脹裂，但由于凍堵并沒有發生泄漏。在環境溫度回升過程中，部分位置出現化凍現象，凍裂管道處開始出現漏氣，空冷器真空度難以維持，最終停車。

一般情況下導致凍管常見的有以下一些原因：蒸汽流量偏低；在意外情況下空氣進入系統的真空部分；由于長時間運行，系統中不凝氣體積聚太多；蒸汽分配不均導致某一列管束蒸汽量較少，風量過大，冷凝液過冷。而本次空冷器凍結是因為單獨停運了一列管束，又不能將該列管束完全隔離，所以最終導致部分管束凍管。

2.3 凍管處理措施

（1）快速處理，恢復系統運行。由于需要較大的換熱量，空冷器的管束一般管壁較薄，所以焊接堵漏方法不可行。對于凍裂管束暫時通過割斷處理方式，堵死有漏點管束，以便盡快恢復系統運行。此法為治標不治本，且可能導致蒸汽分配惡化，極易產生更為嚴重的凍管后果。因此，不建議大面積使用。

（2）更換管束，優化工藝流程。利用檢修機會對割斷管束進行更換，同時對原有設計進行改造，在單列冷凝液匯流進入冷凝液總管處增加手閥，閥前增加導淋，配合頂部抽氣閥對停運列進行完全隔離。在完全停運一列后，關閉蒸汽進氣閥、頂部不凝氣抽氣閥、底部新增手閥，打開手閥前導淋閥，排凈底部冷凝液，對停運列完全隔離。經試驗，可以完全隔離停運列，并且對機組運行沒有影響。

2.4 采取措施后的效果

2012年冬，采取快速處理的方法恢復了系統運行，但一直存在蒸汽偏流問題。2013年5月采取更換管束、優化工藝流程的方法從根本上解決了凍管和偏流問題。2013年冬季伊始，對優化后的工藝流程進行了試驗，完全達到了預期效果，可以徹底隔離停運列管束。從2014年的運行情況來看，空冷器運行情況良好，未再發生大面積凍管故障。

3 工藝參數異常情況處理

（1）不凝結氣體溫度低。當不凝結氣體溫度低時，檢查系統是否存在泄漏。通常情況下，如該溫度與排氣溫度的差值大于10℃，開啟主抽氣器以使系統外泄漏的空氣被抽出。但是使用主抽氣器以后應注意汽輪機排氣壓力不能過低，必須高于35 kPaA（經驗值），過冷度在3℃以內，不超過5℃，一旦汽輪機壓力低于35 kPaA，系統將會在運行一段時間以后產生偏流現象。

（2）排氣壓力高，冷凝液溫度低。如果出現這種狀況，一般為偏流的后期反應，即管束內可能發生凍結，導致管道內部結冰，換熱效率下降。若凍管情況在可接受范圍內，可采取在線化凍處理，即采用風機底部點火，人為營造溫熱環境，融化管束內部冰的方法恢復空冷器的正常運行。若凍管嚴重，應迅速停止汽輪機運行，停運所有風機和百葉窗，切斷旁路蒸汽，等待系統內的冰融化。再次啟動前，需要檢查ACC系統的真空嚴密性，做真空衰減試驗 （具體值應當參考廠家給定的設計值）。若真空度下降趨勢在廠家給定范圍內，證明系統無明顯泄漏點；若真空度下降趨勢明顯，則需現場排查，對不正常泄漏點進行處理。

4 日常監控運行措施

（1）巡檢人員務必要間隔一段時間檢查空冷器內部迎風面管道上部、中部以及下部的壁溫，通常情況壁溫高于45℃。當環境溫度低于-20℃時，管束壁溫會有明顯降低，此時應注意空冷島整體溫度的監控。若整體溫度均降低，則在條件允許范圍內，可以通過適當提高汽輪機排壓來提高乏汽冷凝溫度，以滿足防凍需要。

（2）由DCS通過迎風面管束測量壁溫趨勢及真空度、環境溫度、冷凝液溫度、排氣溫度、不凝氣溫度等相互關系，判斷風機的運行方式。

（3）在運行過程中應注意防止凝結水過冷、不凝氣過冷。防止凝結水過冷的目的是避免由于冬季抽真空系統在低背壓下抽吸能力下降或嚴重漏氣致使凝結水過冷繼而結冰。切記在凝結水過冷情況下不能通過增加風機負荷來降低汽輪機背壓。如果汽輪機排氣溫度高于冷凝液溫度15℃以上，可選擇啟動第二臺運行抽氣器；若汽輪機排氣溫度與冷凝液溫度溫差在6℃以內，系統運行平穩，則可以停第二臺運行抽氣器。

（4）當環境溫度降到0℃以下時，就要考慮防凍問題。如果進入空冷器的蒸汽流量很小，即使風機不運行，空冷器也可能因為自然換熱而結凍。特別是在汽輪機啟動階段，此時可以啟動旁路蒸汽，人為增加空冷器的蒸汽處理量。該蒸汽流量隨空冷器換熱面積的減少和環境溫度的升高而降低。

（5）管束的清潔程度對空冷器的性能影響很大。入夏前必須對管束進行清洗，否則可能因為高背壓導致機組不能滿負荷運行。

總之，在實際運行中，通過不斷優化工藝流程，改進操作方法，有效地提高了空冷器運行的可靠性。空冷設備的有效利用，大大降低了空分耗水量。