SCAL型间接空冷系统防冻研究

朱大宏，赵弦，冯璟

（中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京市 100120）

0 引 言

间接空冷系统在我国的应用始于20世纪80年代中期，当时从匈牙利引进带混合式凝汽器的间接空冷系统（海勒式）的专利技术和空冷设备，建成了大同第二发电厂5、6号机组海勒式间接空冷系统。随后丰镇电厂3、4、5、6号机组海勒式空冷系统的建成投运，标志着海勒式空冷系统国产化技术已成熟。20世纪90年代中期，我国自主开发设计的带表面式凝汽器的间接空冷系统（哈蒙式）在太原第二热电厂四期工程2台200MW机组上成功应用［1］。

2007年7月，国内首台600MW级间接空冷机组在山西阳城电厂正式建成投运，标志着拥有自主知识产权的SCAL型间接空冷系统技术已成熟。传统的哈蒙式系统的散热器需布置于塔内支撑环梁上，空冷塔占地大，基建投资多；海勒式系统需凝结水精处理，设备多、自动控制复杂；SCAL型间接空冷系统采用表面式凝汽器和垂直布置于塔外的铝制散热器，解决了空冷塔体型庞大、水质要求高、控制复杂等问题，满足了机组容量大型化对空冷系统的要求［2－4］。

作为发电厂热力系统的冷端，间接空冷系统容易受外界环境影响，尤其在冬季，空冷散热器管内常会发生冰冻现象。在已投运的间接空冷电厂中就发生过因冷却三角冰冻、破裂、泄漏而停机的事件。本文论述间接空冷机组冬季运行时的防冻问题，研究空冷散热器管内发生冰冻现象的原因，提出针对SCAL型间接空冷系统的防冻措施，为SCAL型间接空冷系统在北方寒冷地区的应用提供参考。

1 国内各种间接空冷系统的冰冻问题

1.1 海勒式空冷系统冰冻问题

安装海勒式空冷系统的大同第二发电厂5、6号机组和丰镇发电厂3、4、5、6号机组建成投运至今已有20多年，总结这些机组的建设、运行经验，归纳出以下海勒式空冷系统常见的冰冻问题。

1.1.1 设备选型方面

空冷散热器按逆流换热设计，最外排管束循环水温度最低，冬季易冰冻，据统计冬季冻坏的管束中，最外排管束占82%［5］。空冷散热器上水室排空气管直径小，且布置不合理，造成进排气不畅，延长充排水时间。排空气管与环管的连接为橡胶接管，冬季易变形结冰，影响空冷散热器进排气［6－7］。

1.1.2 控制系统方面

扇段仅设1个回水温度测点，无法检测每个空冷散热器的回水温度，据统计空冷散热器间的不平衡温差最大达16℃。扇段顶部未设压力测点，无法判断断流情况。扇段顶部排空管未设温度测点，无法判断排空管加热器工作是否正常。凝汽器液位测量装置选型不当，常误发信号［8］。扇段仅监测1组百叶窗开度，无法了解每个百叶窗的开度情况［6－7］。

1.1.3 实际运行方面

冬季因扇段平均出水温度控制较低，造成扇段内局部空冷散热器出水温度过低而发生冰冻［5－11］。将循环水泵出口母管水温大于35℃作为充水必要条件，使最后充水的扇段水温过低而发生冰冻；或水温超45℃，较大的热应力破坏了空冷散热器“O型”圈，造成泄漏致使冰冻［6－7］。因运行中循环水泵故障、系统泄漏、凝汽器水位过低、排空气管进排气不畅，导致空冷散热器管内流速过低而发生冰冻［9－10］。在充排水期间，因各阀门动作不正常或内漏而发生冰冻［11］。

1.2 哈蒙式空冷系统冰冻问题

安装哈蒙式空冷系统的太原第二热电厂7、8号机组建成投运至今已近20年，总结其经验，归纳出以下哈蒙式空冷系统常见冰冻问题。

1.2.1 设备选型方面

哈蒙式空冷系统采用表面式凝汽器，避免了混合式凝汽器液位控制的难题，且循环水泵与常规湿冷系统相同，相比海勒式空冷系统故障率小，降低了空冷系统发生冰冻的风险。

1.2.2 控制系统和实际运行方面

虽然借鉴了大同第二发电厂的经验，但仍发生过因阀门内漏造成空冷散热器管内流速降低，使管子冻裂；因百叶窗故障造成空冷散热器管内水温过低，使管子冻裂，最后导致真空破坏迫使机组停机等事故［12－13］。

1.3 SCAL型间接空冷系统冰冻问题

安装SCAL型间接空冷系统的阳城电厂7、8号机组建成投运至今已满5年，经受了当地最低气温达－20℃的考验，基本解决了SCAL型间接空冷系统冬季运行的冰冻问题，为该系统在北方寒冷地区的应用积累了经验。总结阳城电厂经验，归纳出以下SCAL型间接空冷系统冰冻问题。

1.3.1 设备选型方面

SCAL型间接空冷系统与哈蒙式空冷系统相同，采用表面式凝汽器，降低了凝汽器和循环水泵故障带来的空冷散热器冰冻风险；与海勒式空冷系统相同，空冷散热器垂直布置于塔外，虽然相比哈蒙式空冷系统塔内水平布置的方式，冬季更易受环境影响，但塔外垂直布置方式能满足空冷系统大型化的需要，大大降低初投资。

1.3.2 设计及运行方面

阳城电厂在设计阶段就吸取了大同第二发电厂、丰镇发电厂、太原第二热电厂的防冻经验，从设备选型、控制系统等方面解决了哈蒙式空冷系统和海勒式空冷系统存在的问题。另外，针对空冷散热器塔外垂直布置的特点，在运行中采取一系列措施有效地解决了冬季冰冻问题［14－16］。这些措施为：保证至少2台循环水泵运行，极端低温时运行3台循环水泵，从而提高散热器管束内流速；低温、大风时，迎风侧2个扇段泄水退出运行，且关闭相邻2个扇段百叶窗；若发现管束发生泄漏，关闭泄漏区域及相邻区域百叶窗；机组停机或掉机后，关闭各扇段百叶窗并及时泄水；对百叶窗、各阀门加强巡检，确保正常工作。

2 SCAL型间接空冷系统的防冻措施

随着国家西部大开发战略的深入实施，新疆地区将在今后几年内建设一批百万kW级空冷电厂。由于新疆地区气象条件十分恶劣，部分厂址极端情况下会出现－40℃以下低温，对于以空气为工作介质的间接空冷系统影响巨大。

近几年，华北电力设计院工程有限公司（简称华北院）根据新疆地区所承接项目的气候特点，结合神华准东五彩湾电厂的设计优化开展了多项间接空冷系统的防冻研究。五彩湾地区冬季寒冷（极端最低气温为－41.1 ℃），夏季炎热（极端最高气温为41.6℃），春夏季多风（最大风速达到24m／s），气象条件非常恶劣。为优化五彩湾电厂间接空冷系统和解决新疆工程所面临的防冻问题，神华神东电力公司、双良节能系统股份有限公司和华北电力设计院工程有限公司于2011年冬季在电厂现场联合开展了实地模拟间冷散热器防冻试验研究。试验包括冷却器采用顺向交叉流和逆向交叉流的对比试验、采用变片距和等片距垂直布置散热片的对比试验、百叶窗风阻特性试验和散热器防冻流量特性试验等，积累了若干SCAL型间接空冷系统防冻的设计、运行经验。

2.1 设计方面的防冻措施

根据阳城电厂的防冻设计经验，采取了以下常规设计措施。

（1）为防止空冷塔内的配水管和阀门受冻，宜将阀门布置在半地下或地下阀门井内，阀门前的配水管道埋地布置在冻土层下，阀门后的配水管道设置与地下水箱连通的排水系统，将阀后配水管道内和空冷散热器内部的循环水排空至地下水箱。

（2）每个空冷散热器设置独立的百叶窗和调节型电动执行机构，根据循环水回水温度由分散控制系统（distribution control system，DCS）自动控制百叶窗开度，调节进气量，在0%～30%开度范围内调节最为有效。

（3）空冷散热器分扇段布置，每个扇段设置独立的充、排水系统，与地下水箱连接。扇段根据回水温度独立投入或退出运行。

（4）塔内进水母管和回水母管末端设置旁路，配备调节型电动蝶阀。当机组冬季启动时，在低负荷小流量工况下循环水先通过旁路，待水温升高后，再进入空冷散热器；回水温度非常低时，旁路扇段，避免空冷散热器内循环水在低流速或低温下发生冰冻现象。

（5）为贮存扇段停运时的放水，设置地下贮水箱、排水管道及阀门，并设置扇段再次投入运行的充水系统。

（6）空冷散热器上部的排气管沿空冷塔内壁垂直设置，适当放大排气管的管径并增设电伴热设施，使充水、放水时能够迅速排气、补气，避免因充排水时间过长、水温过低而造成冰冻。

（7）在每个扇段末端或容易发生冰冻现象的空冷散热器处增设回水温度测点，避免局部空冷散热器水温过低而造成冰冻。

针对新疆地区气候特点，增加了以下可选择的设计措施。

（8）根据大同第二发电厂的经验，空冷散热器采用双流程系统运行，在每个扇段的进出水干管处设置切换阀，夏季为逆流运行方式，冬季通过切换阀改为顺流运行方式。

（9）针对间接空冷系统冬季扇段充水操作过程中，易使散热器翅片管束结冰或密封圈失效问题，设置预暖设备，向空冷塔内局部扇段送热风，既可预热空冷散热器管束，也可对冰冻管束进行融冰。

（10）在展宽平台上设置通风口，必要时打开，使部分空气旁路，控制空冷散热器的通风量。

2.2 运行方面的防冻措施

（1）冬季启动时，首先开启进、回水母管旁路上的调节阀，形成循环，待循环水温升高至一定温度时，开始对扇段充水，进入正常运行后随时监控充水扇段的进水温度。充水期间关闭百叶窗，待正常运行后根据水温调节百叶窗开度。

（2）冬季运行时保证空冷系统的回水温度不低于设定温度。当循环水系统的回水温度接近设定值时，应首先调节百叶窗开度。当百叶窗全关仍不能控制水温时，应关闭部分扇段，加快空冷散热器管道内流速。若水温继续降低，当等于或小于报警值时，应迅速放掉全部空冷散热器内的水，利用旁路保持循环。

（3）冬季运行时保持运行2台循环水泵，以提高空冷散热器的管内介质流速，减轻冰冻现象，极端恶劣环境下应运行全部循环水泵。

（4）冬季运行时应根据循环水回水温度情况，在接近阻塞背压的工况下运行，当回水温度过低时，应适当提高机组的运行背压。

（5）冬季主机停机后，循环水在运行一定时间后，当回水温度降至设定值时，必须迅速放空空冷散热器内的水至地下贮水箱。

2.3 其他需关注的防冻问题

（1）扇段阀门的严密性是防冻的关键，若应该关闭时而关闭不严，会导致空冷散热器管束发生冰冻现象。

（2）增加扇段末梢的回水温度测点，测量数据可供百叶窗开度调节时参考。

（3）在各冷却三角间设置密封条，可有效防止漏风，具有较好的防冻作用。

（4）在空冷散热器安装前，清理内部残留杂物，避免因杂物堵塞而降低管内流速，导致冬季低温时管束发生冰冻现象，造成空冷散热器损坏。

（5）冷却三角的百叶窗由电动执行机构驱动，由于电动执行机构数量较多，调整检查工作必须由运行人员到现场进行确认，只要有调整不到位之处，就会使百叶窗关闭不严，造成空冷散热器结冰冻坏。

神华五彩湾电厂2台350MW机组已于2012年12月通过168h运行，SCAL型间接空冷系统经受了当地极寒低温的考验，成为新疆地区间接空冷系统成功运行的典型案例。

3 结 论

（1）空冷散热器管束内发生冰冻现象的主要原因是：管内介质流速过低或停滞；回水温度控制过低且监测点数量不够；低温环境时，充、放水不畅；百页窗动作与环境条件不协调；阀门不严密引起内漏。

（2）针对SCAL型间接空冷系统提出的设计和运行方面的防冻措施，可为SCAL型间接空冷系统在“三北”地区的应用提供参考。

（3）设计之初必须认真收集、分析当地气象资料，结合低温时段气候特点，采取针对性的防冻措施。

［1］彭继业.表面式凝汽器间接空冷系统可靠性及优化设计探讨［J］.中国电力，1996，29（2）：18－21.

［2］冯璟，刘志刚.1000MW机组间接空冷系统设计研究［J］.电力建设，2009，30（12）：46－48.

［3］朱大宏，冯璟.SCAL型间接空冷系统设计技术研究［C］／／中国电机工程学会火电分会空冷专委会第五届学术年会论文集.贵阳：中国电机工程学会火电分会空冷专委会，2009：112－118.

［4］赵弦，冯璟.SCAL型间接空冷系统设计参数的优化［J］.电力建设，2012，33（2）：67－70.

［5］马新平，张汉卿.间接空冷机组防冻与经济运行试验研究［J］.华北电力技术，1995（9）：18－22.

［6］傅松，王福禄，王威士.海勒式空冷系统冬季运行防冻措施探讨［J］.华北电力技术，1996（2）：26－29.

［7］傅松，于淑梅，王立新.空冷电站冬季防冻措施［J］.东北电力技术，1998（8）：39－42.

［8］李国宝，满军，李江.国产海勒式空冷机组控制系统剖析［J］.中国电力，1996，29（2）：22－24.

［9］王清照，郑永刚.空冷机组散热器防冻研究［J］.中国电力，1997，30（4）：26－28.

［10］王修彦，张晓东，关广林.海勒式空冷散热器防冻问题研究［J］.现代电力，2001，18（3）：31－35.

［11］田亚钊，陈晓峰.直接空冷系统与海勒式间接空冷系统的比较［J］.华北电力技术，2006（1）：38－41.

［12］彭焕炳.表面式凝汽器间接空冷系统运行分析［J］.山西电力技术，1996（1）：27－32.

［13］安成贵，段东兴.表面式凝汽器间接空冷系统安全经济运行分析与改进措施［J］.电力科学与工程，2009，25（2）：75－78.

［14］梁振明，白志刚.600MW表凝式间接空冷系统冬季运行方式探讨［J］.山西电力，2010（1）：55－56.

［15］刘海军.600MW机组间接空冷系统的防冻与优化［J］.华电技术，2011，33（10）：42－44.

［16］孙志文，王平.国内首例600MW间接空冷机组防冻及节能改造［J］.现代电力，2011，28（6）：68－72.