直接空冷機組冷端溫度場監測及防凍措施

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013)

0 引 言

經過近年來的快速發展，直接空冷機組已成為我國北方富煤缺水地區火力發電廠的主力機型[1]。國內大量在運的直接空冷機組，普遍存在各種運行問題，例如：機組最佳運行背壓難以確定；冬季運行時防凍壓力大，空冷風機運行方式不合理；機組真空系統嚴密性較差；空冷系統翅片管清洗頻次不合理；噴霧增濕系統缺乏運行指導等[2-4]。空冷散熱器直接在大氣環境中工作，由于冬季采暖負荷增加，需要冷卻的蒸汽流量變少，此時風機處于接近停機狀態，空冷平臺的溫度分布及其不均，容易造成停機事故的發生。散熱器表面的污垢增大了散熱器冷卻空氣流通阻力，使冷卻風量減小，并增加了換熱熱阻使傳熱性能下降。最終汽輪機的排汽壓力升高，機組運行經濟性下降。空冷系統性能下降使機組運行經濟性下降二者之間存在優化選擇。散熱器清洗應根據空冷凝汽器翅片管束外表面的臟污程度和周圍的環境狀況，決定清洗次數。空冷系統形成熱回流，使機組背壓產生波動。不僅會影響空冷機組的經濟性，嚴重時也會引起機組停機。春秋季節如果根據地區自然風向規律，調整風機運行可以起到維持相同背壓時降低風機電耗的目的。夏季時則有必要對熱回流進行預警。直接空冷系統春、夏、秋、冬運行工況變化很大，且北方地區冬、夏兩季環境溫度差高達70 ℃，為了防止冷卻器凍損事故，冬季大部分電廠人為將機組排汽背壓控制在18～20 kPa，排汽溫度高達60 ℃左右，使機組熱耗和煤耗大幅增加，嚴重影響了全廠運行經濟性[5]。因此，如何在保證安全防凍的前提下，提高冬季直接空冷系統的冷卻效果，成為亟待解決的問題。

1 空冷機組凍結成因

1.1 環境溫度過低

在通風量一定的情況下，空冷凝汽器的散熱量主要由環境溫度決定。實際運行中，空氣經過風機后通過翅片間隙，帶走母管內蒸汽凝結釋放的熱量。使得管束內蒸汽和翅片管外的冷空氣進行對流換熱。當冬季環境溫度較低時，單位質量空氣的冷卻能力增加，蒸汽可能在下降管上半部分已經冷凝，下半部分則完全是冷凝水。當凝結水向下流動時，會繼續被管外空氣冷卻，導致凝結水過冷度增加。翅片管中冷凝水可能會發生凍結，導致蒸汽在管束中停滯。此外，由于冷凝水溫度較低，下聯箱也可能出現凍結。管內蒸汽流動如圖1所示。

1.2 蒸汽流量分配不均

空冷凝汽器運行過程中會出現熱、汽流量分布不均的現象。從理論上講，汽輪機排汽應該均勻分布到各個管束。但由于設計、制造、安裝、風冷風機運行方式、環境溫度、風速等因素的影響，導致蒸汽流量分布出現不均。特別是在機組低負荷運行時，流量偏差可達5%[6]。隨著進入空冷島的蒸汽流量的減小，蒸汽流量分配逐漸增大。在機組低負荷運行期間，單個冷卻單元分配的蒸汽量將遠遠低于設計值。因此，冬季低負荷運行時應特別考慮冷熱不均和流量不均引起的冷卻管束表面溫度偏差。

1.3 不凝性氣體

不凝性氣體積聚是空冷系統翅片管內冷凝水凍結的主要內在原因。翅片管內不凝氣體的密度一般高于蒸汽，但是其傳熱系數較低。如果空冷凝汽器內有不凝氣體，會影響管內蒸汽流量，導致單個翅片管內蒸汽流量和管壁溫度降低，使凝結水溫度過低時出現凍結現象。因此，空冷機組不凝性氣體的聚集區往往會形成冰點，冰點的分布如圖2所示。冰點主要位置為：翅片管冷凝端、上下游管束相鄰部位、翅片管與下集箱焊接部位。空氣漏入汽側后會造成局部阻力增加，使蒸汽不再流動，易造成結冰現象。

1.4 真空泄露

直接空冷系統排氣管直徑大，焊縫長，接頭多，密封困難，因此施工難度較大。整個真空系統體積大，因此容易出現真空泄漏。翅片結構復雜，數量多，翅片與母管的連接過程也較為復雜，如果在運輸或安裝過程中，翅片與母管的連接因變形而損壞，也會發生泄漏。隔離閥和膨脹節密封性不良也是導致真空泄漏的主要原因[7-8]。這些真空漏點在嚴寒環境下容易導致管道結冰。

2 冷端溫度監測系統

2.1 系統組成

系統主要有4部分組成，包括：數字式溫度傳感器，智慧前端采集器，數據傳輸及處理服務器，DCS優化控制模塊，如圖3所示。系統的工作原理如下：數字式溫度傳感器實時監測空冷散熱器的各項溫度參數，由智慧前端采集器將這些參數匯集，經數據傳輸及處理服務器傳輸，最終傳給DCS優化控制模塊，由DCS優化控制模塊判斷空冷島內部是否出現運行問題，并給出最佳解決方案。例如：系統由數字式溫度傳感器實時監測散熱管束溫度，由智慧前端采集器采集空冷島四周的風速風向氣壓等參數，再將數字式溫度傳感器和智慧前端采集器測量的數據參數由數據傳輸及處理服務器裝置傳輸到DCS優化控制模塊中，由DCS優化控制模塊判斷空冷島四周是否出現熱風回流現象等各種問題的發生，并給出最優處理措施。另外，該系統還可通過在空冷島內布置溫濕度測點，實現空冷島噴霧增濕系統的實時在線控制和優化。通過在散熱器空氣進出口側布置風速儀，在線監測散熱器積灰狀態。

2.2 測溫電纜

本系統中，溫度傳感器采用數字式溫度傳感器，其溫度測量范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃,溫度傳感器采用電纜方式封裝，具有防水功能，可全天候使用，并不影響測量精度和靈敏度。內部根據需要特定距離集成測溫傳感器，測溫電纜采用工業級橡膠制作，耐低溫，防腐蝕，耐高壓，內部含有一根高強度的鋼絲，防止測溫線纜的斷裂。測溫電纜安裝方案如圖4所示。由于空冷島的外部環境條件不同，內部流動又分逆流與順流，從理論研究與實際運行經濟看，各個單元的可能結冰情況不一樣，通常逆流單元比順流單元更容易結冰，邊緣處的單元比內部單元更容易結冰。積累歷史數據后可做適當調整，保留關鍵區域測點密度，適當降低次要區域測點密度。

3 防凍措施

3.1 設計時的防凍措施

常規的防凍設計措施是采用大直徑扁管蛇形翅片單排管、采用合理的順逆流比、設置自動控制裝置、擋風墻、擋風網、動真空隔離閥、變頻風機等。大直徑的單排管使空冷單元的蒸汽側壓力降低，有助于蒸汽的汽液分離和防凍；采用合理的順逆流比，適當增加空冷機組逆流區域的冷卻面積，可有效防凍；機組冬季運行時，設置相關的防凍自動控制裝置；環境風較大的地區，可設置擋風墻或擋風網，避免環境風直接吹響凝汽器，造成凝水管兩側溫差過大；設置電動真空隔離閥，當機組冬季低溫啟動時，關閉部分空冷單元，從而避免凝結水過冷；采用變頻風機，根據空冷機組熱負荷，自動調節風機轉速，防止凝結水溫過低而凍結[9]。

特殊的防凍設計措施包括：合理地選擇散熱器翅片管束長度、臨時封閉等。合理地選擇散熱器翅片管束長度。縮短排汽的冷卻路徑，可相應降低散熱器管束內的蒸汽流速，保證空冷機組的正常運行。同時還可與真空隔離閥配合使用，關閉真空隔離閥，調節排汽量和空冷機組的冷卻性能。極嚴寒時期臨時封閉措施。根據實際運行的歷史數據和數值模擬分析，確定冬季空冷單元易凍區域。易凍區域的部門風機出口設置掛鉤。當空冷機組處于低熱負荷或環境溫度過低時，封蓋部分風機的出風口，減弱風機的冷卻能力，保證易凍區域的安全運行。此外，還可對空冷管束開展冷凍試驗。通過對空冷管束進行現場冷凍試驗，獲得環境溫度、進汽量、排汽量、排氣溫度等因素與散熱器凍結現象的關系，為機組的安全經濟運行提供運行依據。

3.2 正常運行時的防護措施

當機組正常運行時，盡量保證運行初期的機組背壓高于15 kPa；當凝結水溫度過低時，應適當減小風機的轉速，或使部分風機停運，實際情況需要時還可進行定期手動回暖；當某列空冷機組逆流區的抽空氣溫度低于20 ℃時，應考慮使該列逆流風機反轉運行；保證各列散熱器區域的溫度差不高于5 ℃；為了避免凝集水管凍結，應加強監測排氣裝置的水位和補水量，以及真空抽氣口的溫度變化；正常運行時，盡量保證同列風機中的運轉頻率相同；加強電廠和電網的調度溝通，協調好汽輪機負荷和空冷機組的最低熱負荷之間的關系。

3.3 啟動時的防護措施

當機組冬季啟動時，應在一天中氣溫最高時進行；若啟動時的環境低于2 ℃，應使伴熱裝置等提前運行，并開啟逆流區的抽空氣閥；應保證空冷機組的蒸汽進汽量大于機組的最小防凍流量；在鍋爐點火的初期，當背壓低于30 kPa時，應嚴格控制疏水進入，并注意排氣缸的溫度變化；時刻關注凝結水及抽空氣管的溫度走勢；投入新的空冷單元運行時，應保證以投入的空冷單元的凝結水溫度高于45 ℃；由機組負荷變化確定風機啟動時間和蒸汽流量的分配，逆流區的風機在機組初啟動時不可逆轉[10]。

3.4 停機時的防護措施

當機組冬季停機時，應在一天中氣溫最高時進行；盡可能的縮短空冷機組的滑停時間，使機組在高負荷的時候也可打閘停機；應時刻保證空冷機組的最小防凍流量，當機組處于低負荷時，可根據實際情況投入機組的旁路系統；為了避免蒸汽流入空冷排氣設備，應使疏水直接匯入鍋爐疏水箱，并關閉直接空冷機組的近汽蝶閥；進行切低速、停風機的操作時，應保證凝結水溫度不低于45 ℃；為了防止疏水閥不嚴，造成低壓排汽缸的排氣溫度過高，應使凝結水泵不間斷運行6～8 h，至排汽室的溫度低于50 ℃為止；機組跳閘時，如果空冷機組暫時不能啟動，則以正常停機的情況進行處理。

4 結束語

如何在保證安全防凍的前題下，提高空冷系統的冷卻效果至關重要。散熱器易凍問題一直是空冷機組冬季運行過程中，影響機組效率的主要問題。文中通過分析空冷機組出現凍結的成因，設計了冷端溫度監測系統，并在此基礎上提出了空冷機組設計、運行、啟停等各個階段的防凍措施，有效地避免機組凍冰現象的產生。為了保證直接空冷機組的安全經濟運行，還需要根據現場的實際情況進行不斷調整的完善，減少設備故障，增加企業效益。