三排管直接空冷凝汽器的冬季防凍技術探討

劉興華

摘 要：針對三排管直接空冷凝汽器的結構特點和管束結凍機理，本文通過與單排管空冷凝汽器進行對比，結合本廠三排管空冷凝汽器在設計、安裝、設備管理、運行調整方面的經驗，提出了三排管直接空冷凝汽器冬季防凍的建議。實際應用驗證了所提方法的有效性。

關鍵詞：直接空冷機組; 三排管空冷凝汽器; 凍結原因; 防凍

在我國已投運的直接空冷機組，其空冷凝汽器的型式經歷了由多排到三排，再到兩排管，最后至單排管的過程，其主要目的是基于空冷凝汽器冬季防凍、抗凍能力的提高。三排管空冷凝汽器與單排管相比，由于其管束構造方面的問題，冬季運行時比較容易發生凍結現象。本文分析了三排管空冷凝汽器管束特點和凍結原因，結合我廠三排管直接空冷凝汽器投運以來的運行情況和冬季防凍方面采取的措施，對機組運行中空冷防凍提出自己的建議。

1 三排管直接空冷凝汽器管束特點

三排管凝汽器管束的主要特點：由于翅片是纏繞在基管上，各處的翅片高度相等，翅片的換熱效率高，熱鍍鋅壽命長、防腐效果好、強度高;翅片之間定距爪，因此不易結垢，能長時間高效換熱;并適合風沙較大地區。三排管與單排管相比可提高迎面風速，提高傳熱系數，減少換熱面積，適合風速較高、風沙較大的地區。

目前投運的三排管直接空冷凝汽器系統的組成部分與單排管基本相同，其系統主要由排汽管道及配汽管道、凝汽器管束、凝結水系統、抽氣系統、疏水系統、強制通風系統等組成，一般配套設置包括ACC自控系統、高壓清洗裝置等。每組空冷凝汽器下部設置1臺軸流變頻調速冷卻風機，使空氣流過凝汽器管束外表面將排汽凝結成水，流回到排汽裝置熱井。為了防止冬季啟動或低負荷時凝汽器管束凍損，在其排汽支管上均設有隔離閥。每列空冷凝汽器分為2個冷卻單元，每個冷卻單元包含三臺順流凝汽器、一臺逆流凝汽器，順流凝汽器是冷凝蒸汽的主要部分，大約80%的蒸汽被冷凝。逆流凝汽器主要是為了將系統內空氣和不凝結氣體排出，防止運行中在管束內部的某些部位形成死區，避免冬季形成凍結的情況，其K/D結構（順、逆流凝汽器面積之比）為3/1。

2 三排管直接空冷凝汽器管束凍結的原因

圖1為三排管空冷凝汽器垂直面上的布置形式，從三排管管束的空氣流程來看，沿空冷流向看空冷凝汽器的冷卻空氣在三排翅片管中的傳熱量和凝結的蒸汽量是逐級遞減的。而且第二排接觸的是第一排出口的熱風迎風面，第三排接觸的是第二排出口的熱風，所以第一排管的蒸汽和空氣溫差較大，熱交換量最大，凝結的蒸汽量也多，管內壓力損耗最大，蒸汽出口壓力最小，第二、三排管的出口蒸汽會流入第一排的出口側，使蒸汽中的微量惰性氣體積蓄在第一排管的下部區域，造成該區域不僅不能進行熱交換，冬季環境溫度低于0℃時，第一排翅片管入口端的蒸汽凝結水流經該管段將結成冰，流經的凝結水隨時間的延續而不斷結冰，直至第一排翅片管完全結凍，嚴重時會凍壞翅片管。

機組低負荷時，進入空冷凝汽器的蒸汽流量小，當蒸汽進入凝汽器冷卻管束后，在由上而下的流動過程中，冷卻管束中的蒸汽與外界冷空氣進行熱交換后不斷凝結。凝結水在自身重力的作用下，沿管壁向下流動的過程中，其過冷度不斷增加，如果調整不當在冷卻空氣量過剩的情況下，凝結水未達到管束下聯箱時就達到結冰點，就會產生凍結現象。

圖1 三排管空冷凝汽器垂直面布置圖

3 三排管空冷凝汽器防凍措施

設計和設備管理方面，從設計方面來講，相比單排管空冷凝汽器而言，在進行空冷島選型時，在滿足夏季機組可以滿發的前提下，空冷凝汽器的冷卻面積選用相對較小，以此來降低空冷島冬季運行帶來的防凍壓力，例如常規600MW機組的空冷島翅片管總面積約為160萬㎡，而三排管空冷凝汽器的同類型機組空冷島翅片管總面積可以做到120萬㎡。在空冷凝汽器冷卻面積確定后，合理地布置順、逆流凝汽器的面積比，保證絕大部分的蒸汽在順流凝汽器中凝結成水。而逆流式凝汽器僅僅凝結少量的蒸汽，以最大限度地回收蒸汽。與單排管相比增大了逆流凝汽器的面積，有效防止凝結水在空冷凝汽器下部出現過冷而凍結。考慮到三排管空冷凝汽器運行中各排翅片管內易產生蒸汽流量不均衡現象，為增加凝汽器防凍性能，制造商還對翅片間距進行調整，一般做成5/3/3，使各排管的蒸汽流量趨于平衡，使各排翅片管的冷卻能力相近，不易形成過冷區，提高了冬天防凍抗凍、抗凍變形及凍裂能力。

總結三排管直接空冷機組運行經驗，發現直接空冷機組大多數是在機組啟動過程中造成大面積空冷凝汽器翅片凍結的，由以上空冷凝汽器的凍結原理可知：機組啟動時保證進入空冷凝汽器的蒸汽流量大于空冷凝汽器的最小防凍蒸汽流量是關鍵。機組啟動時背壓的選擇是關鍵，在冬季若選擇高背壓啟動，因為背壓高，進汽量就大，同時根據飽和水蒸汽壓力與飽和溫度關系可知，背壓高對應的凝結水溫度高，理論上空冷島暖機效果好。而實際并不是這樣，機組啟動時維持高背壓，背壓高就意味著汽輪機的排汽進入空冷島凝汽器的氣阻大，就造成汽輪機排汽和通過旁路過來的部分蒸汽由于氣阻大而無法進入空冷島凝汽器進行凝結，而進入空冷凝汽器的小部分蒸汽小于空冷凝汽器的最小防凍蒸汽流量，從而造成了空冷凝汽器的凍結。根據我廠直接空冷機組冬季啟動經驗來看，啟動要盡量選擇較低的背壓啟動（保持3臺真空泵運行，背壓不超過10kPa），以減少蒸汽進入空冷凝汽器的氣阻，使進入空冷凝汽器的蒸汽流量滿足空冷防凍的最小蒸汽流量，這樣有助于空冷的防凍。另外，冬季空冷機組要選擇中壓缸啟動方式，進入空冷系統的蒸汽既有汽輪機沖轉后的乏汽，也有旁路蒸汽。鍋爐點火后利用對空排汽方式升溫升壓，參數滿足后，投入旁路系統，高、低旁同時開啟（高旁開度大于60%，低旁保持全開），通過調節旁路的開度，就可以實現調節空冷系統的蒸汽流量，很容易滿足空冷系統的防凍流量。

機組正常運行時，運行人員要根據環境溫度變化，及時調整空冷風機轉速，調節空冷凝汽器的進風量，逆流冷卻單元的風機間斷反轉回暖。各列冷卻風機之間的轉速盡量同頻控制、成組啟停，減少人為原因造成的各排凝汽器之間蒸汽流量分配不均勻的現象。一方面根據背壓變化情況增減風機轉速，另一方面根據各列凝結水過冷度情況進行控制，當某列凝結水溫度低于排汽溫度5℃以上，此時的冷卻風機出力已大于凝汽器所需冷卻風量，應降低該列風機轉速。

4 實際應用效果

雖然較單排管空冷凝汽器相比，我廠機組由于其抗凍、防凍能力的先天不足，冬季運行背壓不能維持到10kPa以下。但是，通過從設計、設備管理、運行方面采取措施，我廠三排管空冷凝汽器在滿足冬季防凍的前提下，冬季機組運行背壓可以控制在11kPa左右，遠遠低于SPX廠家建議的空冷島冬季安全運行背壓22～25kPa的水平，在保證了機組安全性的同時，機組運行經濟性也得到了保證

5 結語

實際運行表明了本文提出防凍方法是有效的，非常實用，可為同類型機組三排管直接空冷凝汽器冬季防凍提供參考。三排管直接空冷凝汽器的冬季防凍經驗還有待完善，目前還無法避免極個別散熱管束表面溫度偏差較大的現象，遇到特殊的氣象條件（大風降溫期間）仍然是目前最難以確保空冷島安全的課題。

參考文獻：

[1] 段剛，耿真.直接空冷機組冷卻系統防寒防凍措施[J].吉林電力.

2006（05）：39-40.

[2] 徐傳海，劉剛，李晉鵬.三排管直接空冷凝汽器凍結原因[J].電力設備.2006（09）：51-54.