影響直接空冷器穩定運行因素分析

韓斌(遼寧大唐國際阜新煤制天然氣有限責任公司，遼寧 阜新 123000)

0 引言

“富煤、缺油、少氣”的資源條件，決定了中國能源結構以煤為主，對作為我國能源大頭的煤，不能簡單一棄了之，一方面，要打造煤炭清潔高效轉化與利用系統，努力實現煤基能源的綠色低碳化和高效集約化發展。另一方面，隨著工業化的深入發展，水資源需求持續增長，如何有效利用地球現有的資源，成為現代的課題。空冷器的出現，大大的減少了煤基能源項目的用水量，與傳統的管殼式水冷卻器相比，空冷器無疑是理想的替代品。

1 直接空冷器系統組成

直接空冷凝汽器系統(英文Air Cooled Condenser System，縮寫為ACC)是指汽輪機的排氣直接與空氣進行熱交換，用空氣來冷凝排氣的系統。所需冷卻空氣，一般由機械通風供應。直接空冷的凝汽設備稱為空冷凝汽器，簡稱空冷器[1]。

空冷系統流程如圖1所示，主要由以下6個系統組成：

圖1 空冷系統流程圖

1.1 排氣管道系統

指從汽輪機的排氣出口到各空冷凝汽器的蒸汽分配管之間的管道以及在排汽管道上設置的滑動和固定支座、隔離閥、導流板、膨脹補償器等。

1.2 空冷凝汽器系統

直接空冷凝汽器由單排扁圓管或圓管組成的成塊管束組合而成，管束布

置成“A”字型，乏汽自上而下進入管束與風機來的空氣進行錯流換熱，通過改變風機運行轉速或運行風機臺數改變逆流空氣流量，乏汽在遇冷后凝結成水，體積極具縮小，這樣在原來由蒸汽占據的空間形成了高度的真空。

1.3 凝結水系統

管束內凝結水在重力作用下匯集在一起，通過下聯箱及管道進入熱井，然后通過冷凝液泵及控制閥送出界區。

1.4 抽真空系統

為維持空冷系統真空穩定，防止因空氣漏入系統，破壞真空，設置了射汽式抽氣器。蒸汽通過抽氣器噴嘴，壓力降低，流速增加，在噴嘴出口擴壓管處形成高度真空，該處與空冷管束抽氣口相連，可不斷將空冷器內不凝氣抽走，保持系統的真空狀態。

1.5 減溫減壓裝置

在北方及氣候寒冷地區，凝氣式汽輪機啟動或停機階段，蒸汽流量小，空冷系統極易出現過冷狀態，出現管束凍堵現象，減溫減壓裝置可及時對空冷系統進行補汽，保證空冷系統穩定運行最小流量。

1.6 清洗系統

設置清洗系統的目的是為了防止落在空冷器表面的灰塵影響其散熱效果和腐蝕作用[2]。

2 危險因素分析

危險源是潛在的可能引起意外的，并且對人、設備以及環境造成傷害的因素[3]。主要危險因素有夏季炎熱高溫、冬季天氣寒冷、真空系統嚴密性差、運行誤操作、凝結水管凍堵、不凝氣管溫度低、蒸汽偏流等。

下面以某公司251000m3/h空壓機組配套直接空冷系統設計中存在危險因素進行分析。

2.1 問題分析一

設計基礎：最熱月最高平均氣溫：29.5℃(ACC設計工況),歷年最高氣溫：40.9℃,歷年最低氣溫：-30.9℃,年均大氣壓：99.58kPa。

設計參數：汽輪機排汽壓力：0.02MPaA，汽輪機排汽流量：129t/h,設計環境溫度：29.5℃。

本套直接空冷器設計中選取最熱月最高平均氣溫29.5℃為ACC設計工況。此設計點溫度選擇偏低，依照項目當地最熱月最高平均氣溫作為設計點溫度，如夏季多日氣溫高于設計點溫度，則壓縮機組將無法滿負荷運行，裝置被迫降低產能。

設計點溫度指設計空冷器時選用的當地空氣入口干球溫度。通常設計點溫度的選取有以下幾種方法：

(1)保證每年不超過5天的最高氣溫，即其出現時間約占全年時間的1.3%。

(2)按當地最熱月的日最高氣溫的月平均值加3～4℃。

(3)7、8月的日最高氣溫的月平均值，并乘以1.10。

(4)不超過一年的最熱三個月中或最熱月期間日平均氣溫5%時間的溫度。

2.2 問題分析二

本項目所在地區氣候特點：春季干旱多風、夏季干燥、秋季降溫較快、冬季嚴寒少雪，最低氣溫可達-30.9℃。防凍將成為本裝置冬季生產運行首要問題。在冬季啟動或負荷低的情況下，空冷器調節方式主要為降低風機負荷，選擇性停運風機，或切除某列管束，減小實際換熱面積。

本裝置乏汽管線上設有電動隔離閥，“屋頂A”與“屋頂B”不凝氣管線匯總后進入射汽抽氣器，“屋頂A”隔離閥302前設置單獨冷凝液管線，“屋頂A”隔離閥后與“屋頂B”下聯箱凝液管線互相連通匯總后進入熱井，凝液管線未設置切斷閥。

在冬季啟機情況下，可通過關閉“屋頂A”“屋頂B”隔離閥進行管束隔離，防止汽輪機啟動暖機過程中，乏汽流量少，管束內凝液出現過冷狀態，同時本系統設置了旁路減溫減壓裝置，以便在冬季啟機情況下，對空冷器補汽，保證進汽量。

在冬季低負荷運行中，可操作方式有降低風機轉速、選擇性停運風機。當風機停運后，系統長期運行，可能會因部分風機停運而造成系統出現偏流，局部過冷或過熱。如將“屋頂A”隔離閥302關閉，由于頂部不凝氣管線無閥門切斷，直接連通射汽抽氣器，而隔離閥302后管束與“屋頂B”冷凝液系統相連，隔離閥302關閉后，頂部不凝氣系統一直運行，隔離閥302后停運管束頂部與底部產生壓差，導致底部聯箱的冷凝液被抽到停運管束內一定高度，當環境溫度很低時，停運管束將會凍裂。

2.3 問題分析三

本空冷系統基本流程如圖1所示，設計中在空冷器“屋頂A”與“屋頂B”不凝氣匯總管線設置有U型彎及導淋閥，不凝氣經U型彎后進入射汽抽氣器，空冷器運行中，在順流管束中，蒸汽從乏汽總管向下流動，冷凝水的流動方向與蒸汽的流動方向一致，冷凝液將隨蒸汽流入下聯箱中。但是在逆流管束中，蒸汽由翅片管底部進入，蒸汽流動方向與凝結水流動方向相反，如空冷系統負荷增加，管束布汽不均，將造成不凝氣帶液，則凝液會集中在U型彎處，隨著運行時間的增加，環境溫度降低，大量凝液集聚，將產生液封現象，造成機組排汽壓力及排汽溫度增大，不凝氣溫度降低，空冷系統管束熱量分布不均，嚴重時產生偏流，造成管束凍堵現象。

3 建議解決措施

3.1 問題一建議解決措施

(1)考慮到工藝和經濟上的合理性及我國大多數地區的氣候條件，空冷器設計階段，設計點溫度要充分考慮最熱月最高平均氣溫，并留有一定余值。本項目建議設計點溫度應選擇32℃。

(2)設計階段空冷器實際換熱面積應在汽輪機考核工況的排氣量、排汽壓力計算所需的換熱面積的基礎上增加不小于10%的設計余量，留有一定的換熱余量。

(3)實際運行中，如環境溫度高，空冷系統風機已最大負荷運行，可增加噴淋水，沖刷管束表面，降低管束溫度，增大換熱能力。

3.2 問題二建議解決措施

在每列凝液匯流進入凝液總管處增加手閥，閥前增加導淋，可切離運行管束凝液系統；屋頂不凝氣抽氣管線匯總前增設手閥，保證不凝氣系統真空正常；當運行管束系統需切除，可關閉電動隔離閥、不凝氣及凝液支管手閥，打開凝液手閥前導淋閥，排凈底部冷凝液，可實現停運管束完全隔離。

3.3 問題三建議解決措施

(1)將不凝氣U型彎取消，由不凝氣匯流總管直接引致射汽抽氣器，由于不凝氣總管高于射汽抽氣器進口，如管內出現冷凝液，液體將隨不凝氣一同流入射汽抽氣器中。

(2)將U型管低點處導淋就近引入汽輪機排汽總管，如冬季運行中出現不凝氣溫度過低，汽輪機排壓及排溫變高，逆流管束溫度低等現象，則U型管內可能存有液體，造成系統不凝氣無法及時抽出，可打開U型管導淋閥，將凝液排出。

4 結語

直接空冷技術作為一項既經濟又環保的技術，在實際應用過程中，往往因地域不同，氣候不同，工藝不同等諸多因素，出現了各種問題。本文以某公司251000m3/h空壓機組配套直接空冷系統為例，總結分析空冷系統在設計階段存在的問題，深入剖析設計缺陷存在的潛在危害，供設計、安裝、調試、運行、維護有關單位參考。