三排管直接空冷凝汽器的冬季防冻技术探讨

刘兴华

摘 要：针对三排管直接空冷凝汽器的结构特点和管束结冻机理，本文通过与单排管空冷凝汽器进行对比，结合本厂三排管空冷凝汽器在设计、安装、设备管理、运行调整方面的经验，提出了三排管直接空冷凝汽器冬季防冻的建议。实际应用验证了所提方法的有效性。

关键词：直接空冷机组; 三排管空冷凝汽器; 冻结原因; 防冻

在我国已投运的直接空冷机组，其空冷凝汽器的型式经历了由多排到三排，再到两排管，最后至单排管的过程，其主要目的是基于空冷凝汽器冬季防冻、抗冻能力的提高。三排管空冷凝汽器与单排管相比，由于其管束构造方面的问题，冬季运行时比较容易发生冻结现象。本文分析了三排管空冷凝汽器管束特点和冻结原因，结合我厂三排管直接空冷凝汽器投运以来的运行情况和冬季防冻方面采取的措施，对机组运行中空冷防冻提出自己的建议。

1 三排管直接空冷凝汽器管束特点

三排管凝汽器管束的主要特点：由于翅片是缠绕在基管上，各处的翅片高度相等，翅片的换热效率高，热镀锌寿命长、防腐效果好、强度高;翅片之间定距爪，因此不易结垢，能长时间高效换热;并适合风沙较大地区。三排管与单排管相比可提高迎面风速，提高传热系数，减少换热面积，适合风速较高、风沙较大的地区。

目前投运的三排管直接空冷凝汽器系统的组成部分与单排管基本相同，其系统主要由排汽管道及配汽管道、凝汽器管束、凝结水系统、抽气系统、疏水系统、强制通风系统等组成，一般配套设置包括ACC自控系统、高压清洗装置等。每组空冷凝汽器下部设置1台轴流变频调速冷却风机，使空气流过凝汽器管束外表面将排汽凝结成水，流回到排汽装置热井。为了防止冬季启动或低负荷时凝汽器管束冻损，在其排汽支管上均设有隔离阀。每列空冷凝汽器分为2个冷却单元，每个冷却单元包含三台顺流凝汽器、一台逆流凝汽器，顺流凝汽器是冷凝蒸汽的主要部分，大约80%的蒸汽被冷凝。逆流凝汽器主要是为了将系统内空气和不凝结气体排出，防止运行中在管束内部的某些部位形成死区，避免冬季形成冻结的情况，其K/D结构（顺、逆流凝汽器面积之比）为3/1。

2 三排管直接空冷凝汽器管束冻结的原因

图1为三排管空冷凝汽器垂直面上的布置形式，从三排管管束的空气流程来看，沿空冷流向看空冷凝汽器的冷却空气在三排翅片管中的传热量和凝结的蒸汽量是逐级递减的。而且第二排接触的是第一排出口的热风迎风面，第三排接触的是第二排出口的热风，所以第一排管的蒸汽和空气温差较大，热交换量最大，凝结的蒸汽量也多，管内压力损耗最大，蒸汽出口压力最小，第二、三排管的出口蒸汽会流入第一排的出口侧，使蒸汽中的微量惰性气体积蓄在第一排管的下部区域，造成该区域不仅不能进行热交换，冬季环境温度低于0℃时，第一排翅片管入口端的蒸汽凝结水流经该管段将结成冰，流经的凝结水随时间的延续而不断结冰，直至第一排翅片管完全结冻，严重时会冻坏翅片管。

机组低负荷时，进入空冷凝汽器的蒸汽流量小，当蒸汽进入凝汽器冷却管束后，在由上而下的流动过程中，冷却管束中的蒸汽与外界冷空气进行热交换后不断凝结。凝结水在自身重力的作用下，沿管壁向下流动的过程中，其过冷度不断增加，如果调整不当在冷却空气量过剩的情况下，凝结水未达到管束下联箱时就达到结冰点，就会产生冻结现象。

图1 三排管空冷凝汽器垂直面布置图

3 三排管空冷凝汽器防冻措施

设计和设备管理方面，从设计方面来讲，相比单排管空冷凝汽器而言，在进行空冷岛选型时，在满足夏季机组可以满发的前提下，空冷凝汽器的冷却面积选用相对较小，以此来降低空冷岛冬季运行带来的防冻压力，例如常规600MW机组的空冷岛翅片管总面积约为160万㎡，而三排管空冷凝汽器的同类型机组空冷岛翅片管总面积可以做到120万㎡。在空冷凝汽器冷却面积确定后，合理地布置顺、逆流凝汽器的面积比，保证绝大部分的蒸汽在顺流凝汽器中凝结成水。而逆流式凝汽器仅仅凝结少量的蒸汽，以最大限度地回收蒸汽。与单排管相比增大了逆流凝汽器的面积，有效防止凝结水在空冷凝汽器下部出现过冷而冻结。考虑到三排管空冷凝汽器运行中各排翅片管内易产生蒸汽流量不均衡现象，为增加凝汽器防冻性能，制造商还对翅片间距进行调整，一般做成5/3/3，使各排管的蒸汽流量趋于平衡，使各排翅片管的冷却能力相近，不易形成过冷区，提高了冬天防冻抗冻、抗冻变形及冻裂能力。

总结三排管直接空冷机组运行经验，发现直接空冷机组大多数是在机组启动过程中造成大面积空冷凝汽器翅片冻结的，由以上空冷凝汽器的冻结原理可知：机组启动时保证进入空冷凝汽器的蒸汽流量大于空冷凝汽器的最小防冻蒸汽流量是关键。机组启动时背压的选择是关键，在冬季若选择高背压启动，因为背压高，进汽量就大，同时根据饱和水蒸汽压力与饱和温度关系可知，背压高对应的凝结水温度高，理论上空冷岛暖机效果好。而实际并不是这样，机组启动时维持高背压，背压高就意味着汽轮机的排汽进入空冷岛凝汽器的气阻大，就造成汽轮机排汽和通过旁路过来的部分蒸汽由于气阻大而无法进入空冷岛凝汽器进行凝结，而进入空冷凝汽器的小部分蒸汽小于空冷凝汽器的最小防冻蒸汽流量，从而造成了空冷凝汽器的冻结。根据我厂直接空冷机组冬季启动经验来看，启动要尽量选择较低的背压启动（保持3台真空泵运行，背压不超过10kPa），以减少蒸汽进入空冷凝汽器的气阻，使进入空冷凝汽器的蒸汽流量满足空冷防冻的最小蒸汽流量，这样有助于空冷的防冻。另外，冬季空冷机组要选择中压缸启动方式，进入空冷系统的蒸汽既有汽轮机冲转后的乏汽，也有旁路蒸汽。锅炉点火后利用对空排汽方式升温升压，参数满足后，投入旁路系统，高、低旁同时开启（高旁开度大于60%，低旁保持全开），通过调节旁路的开度，就可以实现调节空冷系统的蒸汽流量，很容易满足空冷系统的防冻流量。

机组正常运行时，运行人员要根据环境温度变化，及时调整空冷风机转速，调节空冷凝汽器的进风量，逆流冷却单元的风机间断反转回暖。各列冷却风机之间的转速尽量同频控制、成组启停，减少人为原因造成的各排凝汽器之间蒸汽流量分配不均匀的现象。一方面根据背压变化情况增减风机转速，另一方面根据各列凝结水过冷度情况进行控制，当某列凝结水温度低于排汽温度5℃以上，此时的冷却风机出力已大于凝汽器所需冷却风量，应降低该列风机转速。

4 实际应用效果

虽然较单排管空冷凝汽器相比，我厂机组由于其抗冻、防冻能力的先天不足，冬季运行背压不能维持到10kPa以下。但是，通过从设计、设备管理、运行方面采取措施，我厂三排管空冷凝汽器在满足冬季防冻的前提下，冬季机组运行背压可以控制在11kPa左右，远远低于SPX厂家建议的空冷岛冬季安全运行背压22～25kPa的水平，在保证了机组安全性的同时，机组运行经济性也得到了保证

5 结语

实际运行表明了本文提出防冻方法是有效的，非常实用，可为同类型机组三排管直接空冷凝汽器冬季防冻提供参考。三排管直接空冷凝汽器的冬季防冻经验还有待完善，目前还无法避免极个别散热管束表面温度偏差较大的现象，遇到特殊的气象条件（大风降温期间）仍然是目前最难以确保空冷岛安全的课题。

参考文献：

[1] 段刚，耿真.直接空冷机组冷却系统防寒防冻措施[J].吉林电力.

2006（05）：39-40.

[2] 徐传海，刘刚，李晋鹏.三排管直接空冷凝汽器冻结原因[J].电力设备.2006（09）：51-54.