发电厂直接空冷凝汽器的新型防冻监测系统设计

国建刚，贾 杰，田振宇

（内蒙古电力勘测设计院，呼和浩特 010020）

0 引言

火力发电厂直接空冷机组经过近几年的快速发展，已成为山西、内蒙等富煤少水地区的主力机型，单机容量从几十兆瓦发展到现在的1000MW。直接空冷系统以其换热温差大、冷凝效果好、占地面积小、投资费用少等优点成为这些地区新建发电厂的首选。

但是根据目前直接空冷机组的冬季运行情况来看,由于我国北方冬季寒冷，加上空冷散热器露天布置，散热器冻结现象时有发生，而空冷散热器的主要部件都是进口部件，给发电厂带来很大的经济损失。空冷机组防冻问题的妥善解决，直接关系到机组运行的安全性和经济性，有必要设计一种适用于发电厂直接空冷凝汽器的新型防冻监测系统。

1 空冷凝汽器进/出口空气温度监测系统

1.1 温度监测的必要性

目前空冷机组监测的排汽压力、排汽温度、抽气温度、凝结水温度等参数都是蒸汽侧参数，而对空冷凝汽器进/出口空气温度几乎不作任何监控。

空冷凝汽器是把管外空气和管内蒸汽强制对流换热，使管内蒸汽冷凝的表面式换热器。根据传热学理论，管内蒸汽凝结放热的热量Qn为

式中：Dn为汽轮机排汽量；hn为汽轮机排汽焓；hsn为空冷凝汽器的凝结水焓。

管外空气吸收的热量Qa为

式中：Ga为空气流量；Cp为空气定压热容；t1为空冷凝汽器出口空气侧的温度；t2为空冷凝汽器入口空气侧的温度。

换热平衡时，有Qn=Qa。各种各样的换热器都需要测量其冷流体和热流体的进/出口温度，唯有大型空冷系统到目前为止没有进/出口空气温度的测量。之所以造成这种局面是因为空冷系统过于庞大，要想比较全面地测量空冷系统的空气温度，至少需要几千个测点，而用传统的温度测量元件如热电偶或热电阻成本太高。所以，采用具有现场总线技术的测温电缆监测直接空冷凝汽器的进/出口空气温度，是一种新型监测设计。

1.2 空冷凝汽器温度场在线监测系统

直接空冷凝汽器A型塔管束温度场在线监测系统，是以特制的测温电缆测量每个空冷凝汽器管束进/出口空气温度。测温电缆内含智能温度传感器，由智能温度传感器采集到的数据实时传到前置器，然后由前置器通过信号转换后利用现场总线技术上传到上位机或DCS（分散控制系统），由各个空冷凝汽器管束进/出口空气温度组成A型塔管束实时温度场。通过上位机或DCS对实时温度场数据的分析和整理，制定出最优化的防冻保护措施方案。直接空冷凝汽器A型塔管束温度场在线监测系统如图1所示。

图1 直接空冷凝汽器A型塔管束温度场在线监测系统

2 空冷凝汽器管束结构对防冻的影响

2.1 散热管截面结构对防冻的影响

空冷凝汽器管束截面有单排管（如图2所示）、双排管和三排管3种结构。3种管型结构间的流动特性不同，防冻原理也不同。因为单排管的大扁管截面形状是应用较多的一种形状，因此这里以单排管空冷管束的特点进行分析。

图2 单排管截面结构及汽水分布

冬季管束内蒸汽流动过程如图3所示。顺流管束内蒸汽和凝结的水同时向下流动，随着流动进程蒸汽越来越少，而凝结的水不断增多。冬季热负荷减少而环境温度较低时，由于空气的冷却能力较强，进入顺流管束的蒸汽有可能在上半部分就已经凝结完毕，顺流管束下端完全是凝结完毕后的凝结水，在空气冷却下容易出现过冷现象，严重时就会发生冻结。

图3 冬季管束内汽水流动过程

逆流管束内蒸汽从下端进入散热管，自下而上流动，而凝结的水则从上向下流动，蒸汽和凝结水反向流动使得蒸汽可以不断为凝结水加热，管束下端不宜出现过冷现象。如果逆流管束内的蒸汽在散热管下半部分就已经凝结完毕，此时逆流管束的上半部分没有蒸汽也没有凝结水，因此也不会出现过冷现象，所以逆流管束内不宜结冰。但由于剩余的不凝气体中夹带有蒸汽，逆流上端常出现絮状结冰，即雪花形状的结冰。絮状结冰严重时也可造成管束堵塞，可以通过逆流风机反转回暖的方式融化，空冷系统设计时考虑了这样防冻措施。

综上所述，顺流管束的下端比逆流管束更容易结冰，因此顺流管束下端是监测的重点，在顺流管束下部布置测点是非常必要的。

2.2 顺—逆流结构对防冻的影响

直接空冷系统的蒸汽先进入顺流管束（K）而后进入逆流管束（D）的设计方式称为顺—逆流结构，即K/D结构。而之所以采用K/D结构，是为为了在冬季更好地防冻。D与K之间的面积比是根据不同的防冻要求选择合适的值。一般越寒冷的地区逆流比例越大，环境温度较高的地区逆流比例越小。但也不能全部采用逆流管束，因为逆流区面积大，虽然防冻能力强，但是流动阻力大，不利于夏季降低背压，影响经济运行。

一般国产的300MW机组选择的“逆流面积/总面积”的面积比为16%～24%。逆流面积较小使得逆流区的防冻调节能力变弱，机组负荷减小和环境温度的降低使得逆流区的蒸汽迅速减少，机组负荷进一步减小或者环境温度进一步降低使得负温度区域迅速蔓延到顺流管束的下部，至顺流管束下端蒸汽已凝结完毕，顺流管束下端截面的下半部分完全由流动的凝结水构成，极容易产生过冷。而截面的上半部分少量的蒸汽不足以对凝结水加热，所以较小的“逆/顺”流面积比使得顺流管束下端的防冻任务变的十分艰巨。仅在逆流区布着温度监测测点是不够的。如表1所示为机组1号列2与3单元（顺、逆流单元）的温度监测。

表1 单排管管束低温下监测到的顺、逆流单元温度分布

由表1可知，逆流单元下部具有较高的温度，还有蒸汽，这是因为逆流单元下部汇集了所有顺流单元（1，2，4，5单元）管束没有凝结完的蒸汽。但是顺流单元（2单元）下部出现负温度状态，已无蒸汽，说明该顺流单元（2单元）热负荷较小，蒸汽到达下部就已经凝结完毕。所以仅仅监测逆流单元管束的状态，不能代替顺流单元管束下部的状态。逆流单元管束下部有蒸汽，并不代表所有顺流单元管束下部一定有蒸汽。

3 直接空冷凝汽器温度监测方案设计

根据以上防冻原理的分析考虑到逆流管束和顺流管束的流动情况，主要在A型塔散热器外侧上、下布置温度测点。温度测点要有一定的密度，并尽量覆盖到所有管束，以保证最容易结冰的区域能够实现安全准确的监测。

以300MW机组直接空冷系统为例，机组A形塔总长度约56 m，每列A形塔单侧总共由25片管束组成，其中4片逆流管束，21片顺流管束，每片管束平均宽度2.24 m。温度监测测点按照0.75～1.12 m的间隔计算，即保证每片管束横向分配3或2个测点。这样1列A型塔1排温度测点可达到50～75个测点。

每个A型塔单侧面下排距离管束下端约1.2 m布置1排温度测点，每个测点间隔0.75～1.12 m；从此排温度测点向上5 m布置第2排测点，如图4所示。

图4 温度测点布置示意

单侧面测点数量为：每排温度测点50～75个，单侧面布置2排测点，因此单侧面点数可达100～150个。300MW机组全部测点为1200～1800个。

4 测点安装方案

4.1 监测专用线缆的安装

监测专用线缆固定于空冷散热器的表面，按照上面设计的路径安装。先制作安装配件，采用厚铝合金板冲压成型，固定于翅片管的翅片上，然后用卡子将监测专用线缆固定于配件上，如图5所示。

安装配件与监测专用线缆均能承受喷水装置冲洗时的高压水冲击力。

图5 安装配件

4.2 智能采集器的安装

每列A型塔使用2～4个采集器，300MW机组共需要12～24个采集器。集中于1个采集器箱内，安装在A型塔端部挡风墙一侧，用支架固定在地板上或直接固定在挡风墙上。采集器箱采用不锈钢材料，采集器箱内每个采集器还有壳体，双层防护，满足防水防尘标准。

从A型塔到采集器用金属包塑软管、电缆槽盒等穿线过渡，采集器与采集器之间的连接使用已有的电缆槽盒。采集器的数据通过空冷岛的电缆竖井引到地面，进入电子间或主控室。

4.3 系统的安装及与DCS通信

系统需安装的设备包括采集器、通信线、电源线、主机、电源等。

空冷岛上需提供220 V电源，经转换模块转换成（24 V）安全电源向采集器供电。主控计算机可以安放在电子间，所有温度数据可以通过RS485通信的方式送入到DCS中。也可以将主控计算机直接安放到主控室控制台，温度数据不进入DCS系统。

监测系统能显示并存储数据、历史趋势，还能满足许多用户特定的需求：

（1）采用不同颜色以区分负温度、低温和正常温度，可供运行人员直观地判断死区位置；

（2）可计算顺流死区百分比和逆流充满度。

5 防冻措施制定

山西、内蒙古等地处海拔较高地带，冬季环境寒冷，空冷岛冬季运行容易出现管束过冷现象，若调整不及时将会发生管束冻结而损坏设备，冬季严寒期需要运行人员不间断巡视、手动测量，造成很大的工作量，所以，冬季运行时空冷凝汽器防冻成为一项重要的安全工作。

空冷凝汽器温度场自动测量为空冷冬季防冻带来极大的方便，运行人员在集中控制室就能了解空冷机组的运行状态；可以根据空冷温度场监测到的实时数据，即空冷凝汽器进/出口空气温度，提前判断哪组空冷散热器或空冷散热器的哪个部位存在防冻的可能，以便提前采取有针对性的防冻措施，如空冷风机减速或停转，在风机人口防护网上用帆布封堵，逆流风机倒转；采用电动真空隔绝阀停运一列或几列风机，使运行列满足最低蒸汽量限制的要求；空冷散热器局部保温等。

同时，设备管理人员也能每天及时了解空冷机组的运行情况，为冬季防冻、覆盖等提供有效指导。空冷温度场在线监测系统的运行，使运行人员随时都能了解空冷散热器所处的环境状况，为冬季防冻措施的制定提供准确的依据。

6 结语

直接空冷凝汽器A型塔管束温度场在线监测系统已在国内多个发电厂成功应用。例如，2010年10月在山西大唐国际云冈热电厂1，2号直接空冷机组投运；2011年8月在国电内蒙古东胜热电厂1号直接空冷机组投运；2011年10月在内蒙古京泰发电有限公司1，2号直接空冷机组投运等。

经过长时间的运行证明，该系统防冻效果明显，达到了预期的目标，受到各发电厂用户的好评。伴随着发电厂直接空冷技术的发展，直接空冷凝汽器A型塔管束温度场在线监测系统应用必将越来越广泛。

[1]朱大宏，雷平和.600MW直接空冷凝汽器的度夏与防冻能力探讨[J].电力建设，2009，27（9）∶35.

[2]尚立新.直接空冷系统冬季防冻措施研究[J].应用能源技术，2010（5）∶49-52.