100MW直接空冷機組防凍措施探析

楊爽

摘要：大唐克旗煤制氣自備電廠，兩臺100MW抽凝式直接空冷機組，空冷凝汽器為江蘇雙良供貨。文中根據(jù)機組歷年冬季運行經(jīng)驗對直接空冷系統(tǒng)防凍事宜進行總結(jié)、分析，探析了空冷機組冬季運行的防凍措施及注意事項等。

關(guān)鍵詞：直接空冷;冬季運行;防凍。

1.直接空冷凝汽器基本概況

內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司自備電廠（以下簡稱“克旗電廠”），采用7*470t/h高壓、單鍋筒、自然循環(huán)、褐煤鍋爐及2*100MW抽凝式直接空冷機組。

克旗電廠空冷凝汽器為江蘇雙良公司供貨，采用單排橢圓管橢圓翅片結(jié)構(gòu)。每臺機組空冷凝汽器成4列×3排布置，共12個冷卻單元，每個順流冷卻單元由8片管束組成，每個逆流冷卻單元由10片管束組成，逆流單元設(shè)置在每列的第二單元。順、逆流單元迎風面面積（單個）均為201.35㎡，迎風面流速均為2.38m/s，空冷凝汽器順、逆流單元總散熱面積分別186459m2 、116537m2。選配直徑8.91m 風機，全部采用變頻調(diào)速，電機功率132kW，風機風量479m3/s。

空冷凝汽器設(shè)計主要氣象條件：典型年環(huán)境溫度-33.2℃～37.8℃，年平均汽溫2.8℃，年平均大氣壓90kPa。選取夏季滿發(fā)環(huán)境溫度28℃，外界自然風風速為3.0m/s。

2.直接空冷系統(tǒng)的流程及原理

空冷凝汽器由“A”屋頂型翅片管排構(gòu)成。每組空冷列包含3個冷卻單元（2個順流單元和1個逆流單元）。空冷平臺下方布置的軸流風機強制冷卻空氣流過翅片進行換熱，空冷平臺外圍由擋風墻包圍，將熱空氣出口與冷空氣入口分開，阻止熱風回流。

機組排汽通過蒸汽分配管進入順流冷凝管束頂部的翅片管束。蒸汽在管束下行過程中被部分冷凝（約80%蒸汽），凝結(jié)水和部分未凝蒸汽通過凝結(jié)水下聯(lián)箱收集，并在重力作用下排入汽輪機排汽裝置，再由凝結(jié)水泵送至除氧器。剩余蒸汽通過與凝結(jié)水下聯(lián)箱底部連接的逆流冷凝管束逆向流動冷凝，不凝氣體在逆流冷凝管束頂部附近匯集，被吸入逆流冷凝管束頂部布置的抽空氣管道，再由真空泵組抽吸并最終排至大氣。

3.直接空冷凝汽器冬季凍結(jié)原因

由于空冷凝汽器散熱面積大，冬季運行尤其機組處于空負荷或低負荷時，當流量較小的蒸汽進入空冷凝汽器管束后，在由上而下的流動過程中，管束中的蒸汽與外界冷空氣進行熱交換后不斷凝結(jié)，其凝結(jié)水在自身重力的作用下，沿管壁向下流動的過程中，即使將全部風機停運，由于環(huán)境溫度遠低于水的冰點溫度，導(dǎo)致其過冷度不斷增加，并不斷在冷卻管束的下部凍結(jié)，從而造成冷卻管束內(nèi)的蒸汽發(fā)生滯流，最終使空冷管束凍壞。

另外，機組空冷系統(tǒng)在正常運行中，如果調(diào)整不當或負壓系統(tǒng)泄漏量過大時，在冷卻空氣量過剩的情況下，空冷系統(tǒng)中漏入的過量空氣在管束內(nèi)對熱蒸汽形成阻滯，降低了管束內(nèi)熱蒸汽的流動速度直至形成阻塞，從而導(dǎo)致管束局部過冷，導(dǎo)致出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。

可見直接空冷凝汽器冬季凍結(jié)程度與外界氣象條件、空冷凝汽器的進汽參數(shù)（汽量、溫度、時長等）、空冷風機的運行調(diào)控、空冷系統(tǒng)真空漏點等方面因素有關(guān)。

4.直接空冷系統(tǒng)冬季啟動的控制

直接空冷機組冬季啟動面臨最大困難就是空冷凝汽器管束的防凍，主要原因是汽輪機沖轉(zhuǎn)之前，有部分蒸汽不可避免地進入空冷凝汽器管束且進汽量非常小，這部分蒸汽進入空冷凝汽器管束內(nèi)會不同程度的凝結(jié)結(jié)冰。

所以機組啟動過程中是無法保證空冷凝汽器管束不發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象的，關(guān)鍵是在結(jié)冰不嚴重的情況下盡快將機組帶到一定負荷，使結(jié)冰情況不再發(fā)展，然后隨著機組負荷的增加并通過合理調(diào)控空冷風機，對整個空冷凝汽器管束進行解凍。因此，需要合理安排機組啟動的各項工作。

4.1啟動前準備工作

入冬前完善空冷系統(tǒng)各抽空氣管道、凝結(jié)水管道及相關(guān)閥門的保溫和伴熱系統(tǒng)。

空冷平臺漏風治理：對空冷平臺、空冷風機室、擋風墻、各表計接口等進行全面檢查，對漏風點進行封堵，預(yù)防冷風短路。

準備若干苫布，在異常情況下當風機停用仍然不能滿足防凍要求時，用苫布將風機口封住，避免冷風對流凍結(jié)。同時準備合適尺寸的棉被，用于空冷散熱器局部過冷時防凍。

機組啟動前的試驗中，必須進行對空冷島抽空氣閥、抽汽隔離蝶閥、凝結(jié)水回水閥進行開關(guān)活動試驗，保證正常，開關(guān)到位、動作靈活。

4.2直接空冷機組冬季啟動

4.2.1冬季啟動遵循的一般原則

安排白天啟動。利用相對高的環(huán)境溫度和日照條件，進行機組冬季啟動;

退出部分空冷凝汽器散熱器，只保留啟動列。啟動前關(guān)閉空冷凝汽器配汽管道進汽隔離閥及相關(guān)抽真空閥、凝結(jié)水閥。

4.2.2直接空冷機組冬季啟動操作

冬季機組啟動時，盡可能縮短汽機抽真空的時間。為減少軸封漏汽進空冷島的量，要盡可能晚投軸封。機組背壓不宜保持過低，一般保持30～40kPa即可。

主汽管道暖管時，需控制主汽疏水閥門開度并間斷開啟，避免疏水開啟過大，在保證充分疏水的情況下，盡可能減少空冷島的進汽量。

汽機參數(shù)滿足沖轉(zhuǎn)要求后應(yīng)盡快沖轉(zhuǎn)，同時保證電氣系統(tǒng)滿足機組并網(wǎng)條件，一旦沖轉(zhuǎn)定速正常后立即進行機組并網(wǎng)操作，盡量減少暖機環(huán)節(jié)，縮短沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)時間，機組并網(wǎng)后根據(jù)缸溫盡快接帶高負荷以滿足空冷島進汽要求。

空冷島進汽以后，必須設(shè)專人對空冷島各列冷凝器下聯(lián)箱及冷凝器管束進行就地溫度實測，同時嚴密監(jiān)視凝結(jié)水溫度及抽氣溫度，保證各處溫度穩(wěn)步升高，如發(fā)現(xiàn)某處溫度長時間不變或有降低趨勢時，必須立即增加空冷島進汽量，同時就地檢查溫度異常空冷列進汽隔離閥、抽真空閥、凝結(jié)水閥實際開關(guān)狀態(tài)。

并網(wǎng)前盡可能只投運啟動列，確需投入其他列時應(yīng)投運排汽隔離閥最不嚴密的（應(yīng)限制空冷列在并網(wǎng)前全部投運）。風機需要投入運行，應(yīng)就地實測各列下聯(lián)箱凝結(jié)水溫度全部高于50℃，且抽空氣溫度均已大于35℃后，方可允許投入風機，風機應(yīng)按序啟動即2號→3號→1號。風機啟動后應(yīng)限制其最高轉(zhuǎn)速（≯20Hz），防止冷卻風機轉(zhuǎn)速無限制升高后空冷凝汽器容易局部過冷而受凍。

隨著進入空冷島排汽量的增加，根據(jù)真空情況逐漸投入其它排散熱器運行，投入順序為先投入中間空冷列，根據(jù)負荷、真空再投入其它空冷列，當已投入的空冷列管束表面、凝結(jié)水溫度均大于50℃以上時且風機啟動正常后，方可投入下一排空冷列。

機組并列后，根據(jù)脹差、凝結(jié)水指標等情況盡快帶至最小防凍流量所對應(yīng)的負荷（ACC最小熱負荷參考下表）。

4.3直接空冷機組冬季運行期間防凍

冬季機組正常運行時，應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度和機組負荷變化，關(guān)閉蒸汽分配閥和空氣抽出閥，停運部分空冷島空冷列，滿足空冷島最低防凍流量。當風機轉(zhuǎn)速降至20Hz，真空仍較高時，按由外到內(nèi)的順序停運空冷風機。當散熱器或聯(lián)箱外表面溫度低于0℃時，停運相應(yīng)空冷風機運行。

機組正常運行時，調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速并密切監(jiān)視空冷凝汽器各抽氣口溫度。正常情況下抽氣溫度比本排下聯(lián)箱凝結(jié)水溫度低1-5℃，但在任何時候都不得低于15℃。運行中若發(fā)現(xiàn)抽氣口溫度下降，應(yīng)降低對應(yīng)排的逆流風機轉(zhuǎn)速或停止風機運轉(zhuǎn)，若溫度沒有回升，則應(yīng)適當降低本排順流風機轉(zhuǎn)速，同時風機反轉(zhuǎn)進行回暖。在上述調(diào)整的基礎(chǔ)上還可啟動備用真空泵，通過增加抽氣口的空氣流速來提高溫度。

注意檢查空冷凝汽器各排兩側(cè)凝結(jié)水聯(lián)箱任意連接位置溫度均不得低于35℃，且各排南北兩側(cè)溫度偏差不得大于5℃。若發(fā)現(xiàn)有偏差大于5℃時，應(yīng)及時降低本排所有風機轉(zhuǎn)速。運行中空冷散熱器凝結(jié)水的任一溫度降至35℃以下，應(yīng)及時查找原因，調(diào)整該列的風機的轉(zhuǎn)速，一般這種情況的出現(xiàn)是該列的個別散熱區(qū)域出現(xiàn)了低溫，甚至個別管束的溫度已在零下，要及時降低該區(qū)域的風機轉(zhuǎn)速。

進入嚴冬空冷系統(tǒng)要加強就地實測，做好空冷島巡檢記錄，掌握每臺風機對應(yīng)區(qū)域散熱器的溫度差異。特別是當風向變化、負荷變化、風機轉(zhuǎn)速變化時要隨時實測散熱器的溫度。順流區(qū)重點監(jiān)測底部溫度，逆流區(qū)重點監(jiān)測頂部溫度。

當逆流凝汽器管束上部出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象時（由于不凝氣過冷，阻礙不凝汽排出導(dǎo)致），則管束可能已發(fā)生冰凍。此時逆流風機必須在一定時間間隔內(nèi)反轉(zhuǎn)回暖，還應(yīng)降低相鄰順流段風機的轉(zhuǎn)速，必要時應(yīng)延長逆流冷卻風機反轉(zhuǎn)時間，以便逆流凝汽管束回暖加熱，緩解并融化冰凍，同時及時安排專人對結(jié)霜區(qū)域進行真空查漏并在線處理。

風機回暖需根據(jù)機組真空條件、負荷、環(huán)境變化等因素，不斷進行摸索嘗試。如環(huán)境溫度低于-10℃、機組負荷在50MW以下時，逆流風機可逐排停運并進行反轉(zhuǎn)，每排回暖20-30分鐘后，再對下一排進行反轉(zhuǎn);環(huán)境溫度低于-20℃時，可嘗試隔排啟動兩列逆流風機同時反轉(zhuǎn)。但需注意由于受溫度場的影響，逆流風機不宜相鄰兩列同時反轉(zhuǎn)且反轉(zhuǎn)時應(yīng)限制轉(zhuǎn)速不可過高，否則不僅起不到回暖的作用，而且會加速散熱器的冷卻。

逆流風機回暖宜作為一項定期日常操作，不僅是逆流區(qū)域出現(xiàn)冰凍時作為緊急處理的臨時手段，只有不斷積累運行操作經(jīng)驗，才能總結(jié)出合適的回暖操作。

另外，要把空冷系統(tǒng)的查漏及處理作為一項長期工作與空冷系統(tǒng)防凍結(jié)合起來。運行人員日常巡檢時要對易涼管束進行標注，然后組織專人定期對這些區(qū)域采用超聲測漏儀等查漏設(shè)備進行真空漏點查找并及時在線處理，以達到減少真空泄漏點目的，避免空冷系統(tǒng)中漏入過量空氣，否則為維持機組正常背壓空冷風機將不得以高轉(zhuǎn)速運行，造成整個空冷系統(tǒng)過冷。

機組因故降負荷時，應(yīng)及時降低各列空冷風機轉(zhuǎn)速，避免機組背壓過低。當負荷降至50MW以下時，立即退出最外側(cè)空冷列（迎風面?zhèn)龋⑼＿\該列所有風機，關(guān)閉隔離閥、抽真空閥及凝結(jié)水閥;其后機組每降低10MW負荷則退出一列空冷列運行，直至機組負荷降至30MW以下時，僅保留啟動列以滿足空冷島最小防凍負荷，同時用啟動列（沒有進汽蝶閥）的風機調(diào)整背壓。

對進汽隔離閥不嚴的空冷列派專人對蝶閥后的溫度和各排散熱器頂部監(jiān)測，如有結(jié)冰現(xiàn)象及時將該列投入運行。當該列充分加熱后，可以再次解列，投入不嚴的另一列。期間風機要配合調(diào)整。各列散熱器分別切換投入。

空冷系統(tǒng)運行時必須保證空冷各冷卻單元門關(guān)閉，避免相鄰風機出風相互干擾，使底部冷卻風和熱排汽分布失衡。

4.4空冷機組停機防凍要求

停機時間宜選擇天氣溫度較高的時間段進行。停機過程中機組可適當維持較高背壓運行

隨著機組負荷降低，根據(jù)真空情況，按照先停運邊緣空冷列，再根據(jù)實際負荷、環(huán)境溫度，參照空冷最小防凍負荷停運其他空冷列的順序，停運空冷風機并關(guān)閉相應(yīng)的排汽隔離閥。

機組打閘停機后，立即關(guān)閉所有至排汽裝置的疏水，關(guān)閉所有空冷島進汽隔離閥，待30分鐘左右后關(guān)閉逆流區(qū)抽空氣門，凝結(jié)水閥保持全開。真空泵停運后，應(yīng)打開真空泵入口蝶閥，使入口管內(nèi)疏水倒流回真空泵并排入地溝，防止真空泵入口管道發(fā)生凍結(jié);機組停運后，要定期對真空泵進行啟動運行，防止真空泵入口結(jié)冰而影響啟動或凍壞設(shè)備。

冬季工況汽輪機事故跳閘，應(yīng)立即停運真空泵和所有空冷風機，關(guān)閉各列進汽蝶閥，保持凝結(jié)水閥開啟狀態(tài)，投運所有電伴熱。

進入嚴寒期間，對長期停用列風機，在每個換熱單元進風口用苫布遮蓋，避免冷風對流凍結(jié)管束。

停運空冷列應(yīng)每日檢查凝結(jié)水管及下聯(lián)箱電伴熱投運情況，確保電伴熱可靠投運;定期檢查凝結(jié)水管積水情況，如有積水及時排放。

5.結(jié)語

直接空冷機組如何安全、穩(wěn)定越冬，是極寒天氣下北方多數(shù)電廠一直在不斷摸索、總結(jié)的一項重要課題。從國內(nèi)首臺直接空冷機組投產(chǎn)至今的三十幾年內(nèi)，國內(nèi)各個電廠不斷優(yōu)化機組啟、停及事故處理等各種工況下的防凍措施，基本上是大同小異的，從根本上的措施都是如何最大程度消除真空系統(tǒng)漏點，提高空冷凝汽器換熱效率，優(yōu)化空冷防凍操作等。所以要確保機組冬季運行安全，首要的工作是如何“冬病夏治”，即在夏季要通過從不斷規(guī)范空冷島沖洗、噴淋，真空查漏處理，空冷系統(tǒng)漏風治理，保溫、伴熱系統(tǒng)完善等方面著手，不斷加強空冷機組的冷端管理，切實有效保障機組經(jīng)濟、安全運行。

參考文獻

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