350MW超臨界間接空冷機組冬季防凍策略分析

雷振

【摘 要】間接空冷機組的散熱裝置長期處于外部環境當中，在冬季嚴寒地帶工作的時候，散熱裝置的換熱元件很容易出現凍結情況，導致機組產生損壞情況，還可能導致出現停止運行的事故。散熱裝置換熱元件被凍裂之后的修復時間較長，同時工藝也相對復雜。導致機組凍結情況發生，將會為電廠帶來很大的經濟損失。本文將以350MW超臨界間接空冷機組為例，分析了表面式間接空冷機組散熱裝置凍結的原因，同時提出對應的防凍策略，增強了間接空冷機組在冬季嚴寒地帶的運行性能。

【關鍵詞】350WM超臨界；空冷機組；防凍措施

本文以某電廠機組間接空冷塔為研究對象，采用數值模擬對該間接空冷系統的散熱性能進行建模分析。針對散熱器翅片管束，研究和探討影響其凍結的原因，給出百葉窗的開度指令，提出間接空冷系統的防凍策略。在此基礎上，利用神經網絡對數值模擬結果進行建模，并結合凝汽器模型，提出了防凍策略的優化方案并給出算例。

350MW超臨界間接空冷機組的散熱裝置，是環形垂直分布在自然冷卻塔下面的進風口的地方。在冬季嚴寒地帶，散熱裝置換熱元件里面的循環冷卻水過冷度提高，因此，散熱裝置的換熱元件特別容易出現凍裂的情況。除此之外，因為調試過程當中空冷機組不帶熱負荷，在冬天實施系統注水、沖洗工作的時候，還需要考慮系統的防凍問題。所以，在嚴寒地帶，對間接空冷機組進行防凍策略具有一定的必要性。

1表面式間接空冷系統

隨著間接空冷技術的不斷發展，我國西部缺水地區電廠越來越多采用間接空冷技術，鋼筋混凝土間接空氣冷卻塔是間接空冷的主要冷卻構筑物，間接空冷塔內一般為干燥的自然環境，能減輕混凝土的腐蝕和凍融破壞程度，但由于鋼筋混凝土間接空氣冷卻塔的面積一般都比較大，施工周期較長，在寒冷地區甚至需要跨冬季施工，如何縮短冷卻塔的施工周期，已成為設計中的一個重要課題。

表面式間接空冷系統的工作原理，空冷機組的工作流程，是汽輪機排汽進入表面式凝汽器后，由循環冷卻水進行冷卻凝結。受熱后的循環水，經循環水泵升壓進入自然通風冷卻塔，然后由自然通風空冷塔吸入的空氣進行冷卻，冷卻后的循環水再流回表面式凝汽器，進行下一個閉路循環。

2空冷散熱裝置凍結的原因

依照長期以來空冷機組的運行情況來看，散熱裝置換熱元件里面冷卻介質被凍結的因素，重點有以下兩個問題。

2.1散熱裝置換熱元件里面流動速度太低

由相關研究成可以發現，假設循環冷卻水在換熱元件中的流體在管內低速流動狀態，同時大氣的環境氣溫不超過0℃的時候，也就會產生結冰的情況。由于換熱元件里面的水流速度越低，管徑越小，管內流體的雷諾數越小。假設不超過臨界雷諾數，也就是管內水流為流體在管內低速流動的狀態。這個時候，流體的放熱由原來的對流放熱為主，改變成傳導放熱為主，因為傳導放熱的速率不超過對流放熱的速度，和金屬直接接觸的表層流體溫度快速減少，進而會出現凍結情況。凍結問題使得管道阻力提高，流量不斷降低，在一定程度上加快了流體的凍結速度。

2.2環境溫度過低

當環境溫度太低的時候，百葉窗的調節角度不當，可能會造成散熱裝置的出水過冷度的提高。空冷散熱裝置分布在自然冷卻塔下面的進風口的地方，冷卻塔的進風是自然進風。在熱負荷一定的時候，其冷卻水平是由環境空氣的干球溫度所決定的。在冬季氣溫較低的時候，散熱裝置換熱元件里面的循環冷卻水過冷度提高。假設氣溫持續降低，散熱裝置換熱元件里面的循環水出現較大過冷度，因為自然冷卻塔進口的散熱裝置都處于大氣之中，就算運用了進風口百葉窗控制進風量，同時也無法預防寒風入侵，使得換熱元件管束里面產生凍結問題，導致換熱元件出現變形或凍裂的情況，導致裝置出現損壞的問題。運行過程中各扇形段百葉窗開度不均勻或和環境條件不相符，將導致扇形段的出水溫度不均衡，溫度差距在3～5℃。所以，在對散熱裝置進行設計的時候，不適合取太低的冷卻水出水溫度。

3防凍策略分析

3.1運行中的防凍策略和注意事項

3.1.1循環水泵運行方式調節策略

（1）循環水泵的啟動和停用與變頻調整需要結合扇區的投退實施，調節策略是為保障空冷管束不凍結的情況下實現最佳真空度運行。

（2）機組在運行的過程當中，循環水泵啟動和停運的相關規范是：在循環水泵工頻啟動，聯鎖開啟循環泵出口的液控蝶閥。當循環水泵停運，應在分布式控制系統控制屏畫面中關閉循環水泵出口的液控蝶閥。當分布式控制系統控制屏畫面提示循環水泵出口壓力提高的時候，停止循環水泵的運行。循環水泵為變頻啟動的時候，在分布式控制系統控制屏上，把循環水泵出口的液控蝶閥掛上“禁止操作”標志。變頻啟動循環水泵后，待循環水泵的頻率升至25Hz以上，解除控制屏上循環水泵出口液控蝶閥“禁止操作”標志，開啟循環水泵出口的液控蝶閥。停運變頻的循環水泵時，需待循環水泵頻率降至25Hz，再關閉循環水泵出口的液控蝶閥。隨著分布式控制系統控制屏畫面顯示循環水泵的出口壓力已開始上升，再關閉變頻循環水泵的運行。

（3）在冬季運行的過程當中，維持#1、#2循環水泵的正常運行。

（4）碰到嚴寒天氣的時候，閉合所有扇區百葉窗。

假設扇區的出水溫度還是不能超過22℃，需要馬上開啟第3臺循環水泵與提高機組負荷。

3.1.2空冷扇區的投運和退出

在冬季工作的情況下，空冷扇區的投入，需要在鍋爐點火旁路投入之后緩步實施。停止運行的時候，依照各冷卻扇區的出水溫度，慢慢退出整個扇區的工作，預防扇區出水溫度降低速度太快而產生管束的凍結的情況。在運行的過程中，假設其中一個扇區退出運行，對其兩側扇區的百葉窗，需要實施偏置設立，適當關小百葉窗，預防寒風產生扇區的局部過冷。

3.2機組停機后防凍措施

機組停運后，每天應定時啟動2臺補水泵，并列運行10min左右，將地下儲水箱的水，泵至膨脹水箱，讓膨脹水箱中的水溢流至地下儲水箱，以確保膨脹水箱內的水不會被凍結。啟動補水泵時，必須就地派人檢查。換水過程中，如有異常應立即停止操作。檢查空冷塔內的排水槽是否積水，防止排水槽凍裂。冬季停機后，應盡快停運所有的循環泵，并開啟冷熱水管道的緊急泄水閥，并將系統內地面上的水排入地下儲水箱。

3.3事故情況下的防凍措施

假設碰到機組跳閘，機組不能在短時間內恢復運行時，需要有專人監測扇區的出水溫度，并立即將所有扇區退出運行。如果發生循環泵跳閘，僅有1臺循環泵運行，應立即啟動備用循環泵。必要時，程控退出部分扇區運行。防止單臺循環泵過負荷跳閘或扇區冷卻管束內的水流速過緩，導致管束凍損。

4結束語

在分析間接空冷散熱裝置凍結機理的基礎上，提出了間接空冷機組在冬季運行時的防凍措施。事實說明，這些策略對空冷散熱裝置在冬季的正常運行，提供了有力的保障，對同類機組提供理論及借鑒價值，通過優化策略，明顯給冬季防凍工作帶來了好處，直接減少了電廠的經濟損失。

參考文獻：

[1]現場總線在660MW超臨界間接空冷機組上的應用[J].張懷文，張曉慧，丁建學，張慧峰.內蒙古電力技術.2015（04）

[2]350MW國產超臨界燃煤供熱機組間接空冷系統防凍分析與探討[J].武亭玉.內蒙古科技與經濟.2015（09）

[3]600MW火電機組間接空冷塔流動換熱特性數值研究[J].王為術，張雨飛，常娜娜.鄭州大學學報（工學版）.2014（01）

（作者單位：陜西清水川能源股份有限公司）