直接空冷系统冬季运行调整技术探讨

崔亚明，王新苗，王雪峰

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001；2.山西漳泽电力股份有限公司漳泽发电分公司，山西长治 046021）

直接空冷系统冬季运行调整技术探讨

崔亚明1，王新苗2，王雪峰1

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原 030001；2.山西漳泽电力股份有限公司漳泽发电分公司，山西长治 046021）

针对山西大同某直接空冷机组运行过程中出现的问题做出了分析，采取了相应的调整方法，提高了空冷机组在冬季启动及运行过程的安全性，并给出了同类型机组调整的建议。

直接空冷；冬季防冻；运行调整

0 引言

电站直接空冷技术因其具有占地面积小，换热效率高，设备维护方便，运行可靠、节水的特点已经得到了广泛的认可。近年来在国内在建、投运的火电项目中，直接空冷占有很大比例，特别是在我国富煤贫水地区得到了广泛使用[1-2]。大型直接空冷机组的空冷凝汽器布置在环境大气中，其本身的性能和安全受环境因素的影响比较大，在冬季运行期间，最为突出的问题是空冷凝汽器容易发生冰冻[3-5]。

山西省大同市某电厂建设2台330MW汽轮发电机组，采用基于吸收式热泵的乏汽余热利用技术对外供热。当地冬季环境温度低，在严寒期最低汽温达-29.1℃，供热期间当热泵投入运行后，进入直接空冷系统冷却的乏汽量更少，空冷系统所面临的防冻问题就显得越来越突出。为此该机组在冬季启动、运行期间采取了一些防冻运行调整技术，取得了较好的效果。

1 空冷系统说明

该机组直接空冷系统由北京基伊埃能源技术有限公司（GEA）设计和制造，换热单元按照5× 6方式布置，总换热面积为978 085 m2。每台机组配置6台电动蝶阀（带有电伴热），采用真空密封形式，防止外界空气漏入真空系统。抽真空系统由3台水环真空泵组成。

2 空冷散热器冻结原因分析

寒冷地区的直接空冷系统在冬季低温运行时，虽然只有自然通风，迎面风速仍可达到约0.5～0.7 m/s[6]，空冷散热器翅片管内的饱和蒸汽等温冷凝段缩短，凝结水冷凝段增加，过冷度增大，若气温继续下降到一定限度，翅片管内就会出现冻结现象，随着流体不断向管壁放热，冻结程度不断加剧。当冻结现象发生以后,轻者会导致蒸汽流道变窄,空冷翅片管内流体出现流动速度慢的现象，减少换热面积，使传热性能大大降低；严重时会导致管内流动中止或断流，甚至使散热管束冻裂，从而真空下降使机组被迫停用。这种空冷散热元件冻结现象在冬季深夜气温较低且机组负荷也低时更易于发生，易产生结冰的部位是顺流换热管束下部、逆流换热管束的上部及管束接缝处[7]。空冷散热器在冬季冻结的原因主要有以下几个方面。

a）进入空冷散热器管束的蒸汽流量低于所需的最小防冻流量。

b）通过空冷散热器管束的冷却空气量过大。

c）空冷散热器内积聚了大量的不凝结气体。

3 空冷调整技术探讨

3.1 机组启动期间的调整技术

机组启动过程中由于产生的蒸汽量较少，即使空冷风机不运行，仅靠自然对流换热就可能使进入空冷扇区的蒸汽发生过冷进而冻结。所以根据环境温度不同，有相应的最小防冻流量的要求。通常的机组在启动过程中，在满足汽机、锅炉升温、升压的安全要求下，要求尽量加快燃烧，使产生的蒸汽量在最短的时间内大于最小防冻流量。

机组在启动期间充分利用所装设的余热回收热泵，将排汽导入热泵系统，蒸汽凝结成水回到排汽装置，热泵系统有管道与真空泵组联接，如图1所示。启动过程中关闭空冷凝汽器各列的蒸汽入口阀，不让蒸汽进入空冷凝汽器，而是导入热泵的冷凝器，由热泵冷凝器冷凝排汽，维持机组启动初期所需背压。这样在启动过程中，就不存在蒸汽流量小于最小防冻流量而发生空冷凝汽器冻结的问题，使锅炉可以按实际要求进行升温升压的操作，提高了设备的安全性。当锅炉燃烧稳定，蒸汽流量增大后，再视情况投入空冷运行。需要注意的是，在启动前，各列的进汽碟阀电动关闭后，要有专人到就地手动关严，保证各进汽阀关闭严密。在空冷投入运行之前再根据各列投入安排，就地手动稍开相应列的进汽碟阀，然后再电动全开，以防碟阀关闭不严，漏入少量蒸汽发生冻结。

图1 带热泵的空冷系统流程图

3.2 机组运行期间的调整技术

直接空冷机组庞大的散热系统在运行中不可避免地存在着热力和蒸汽流量分配不均匀的现象[8]。从理论上讲,直接空冷系统的6列应均等地分配汽轮机的排汽量，但由于设计、制造与安装的因素，同时也受空冷风机运行方式及环境因素变化等原因的影响，直接空冷系统的每一列并非均等地占有平均份额的蒸汽分配流量；尤其是在冬季供热运行关闭部分列的进汽电动真空隔离阀，且在低负荷运行期间，这种热力和流量的偏差会更大，导致个别列所分配的汽量将远低于厂家要求的最小热负荷。因此，在运行中进行调整时应注意以下几点。

3.2.1 空冷系统的运行监测

目前，直接空冷系统设计的温度监测点数量少，只用分散控制系统DCS（Distributed Control System） 数据监视凝结水温度和抽真空温度并不能真实反应每个冷却单元的实际情况，不能全面监测容易冻结的顺流区下部、逆流区上部以及各列翅片管的接缝部位，也就不能及时发现空冷凝汽器散热管束受冻情况。从实际运行经验看，如果等DCS数据反映出散热管束运行异常时，可能已经发生了大面积冻结。

空冷的一个冷却单元由1台风机和分列A、B两侧的散热管排组成。以该厂1号机组空冷第三列第二个冷却单元A侧为例，即302单元A侧。此单元属于逆流区。由16片管排组成，这些管排并非全部为逆流管排，面对A侧，从左向右第1、2排是顺流区，3到8排为逆流区，9到16排是顺流区，也就是说，16片管排中只有6片为纯逆流。运行表计显示背压为17 kPa，凝结水温度52℃，抽真空温度51℃，数据表明该空冷单元运行正常。现场监测顺流管下部温度，逆流管排上部温度分布如图2所示，表明302单元A侧逆流管排上部已出现低于0℃的部分。因此有条件的电厂可在易发生冻结部位加装温度测量系统，以便及时发现异常进行相应的调整，否则要安排运行人员定时利用红外成像仪对空冷散热器表面温度进行监测，就地测量各冷却单元的温度情况，以防局部管束温度过低，发生冻结。

3.2.2 运行中空冷风机的调整

3.2.2.1 顺、逆流空冷风机运行调整的问题

一般空冷凝汽器冷却单元以“顺—逆—顺—逆—顺”的方式布置。设置逆流部分主要是为了能够比较顺畅地将系统内的空气和不凝结气体排出，同时，也增强了整个管束内的工质的流动性。通常规定逆流区风扇转速必须高于顺流区风扇转速，以避免系统内的工质停滞在某些管束内不能及时排走。现场实际运行数据表明，在环境温度低且低负荷情况下，一列中多个风机同时低速运行，当逆流区的风机转速高于顺流区风机转速时，抽真空温度可能会低于排汽压力下的凝结水温度很多，存在冻结的风险。

图2 302冷却单元A侧温度分布

2013年11月9日2：30，1号机组负荷为112 MW，环境温度为-25℃，背压为25 kPa，低压缸排汽温度为65℃，空冷凝汽器第三、四列运行，顺流区空冷风机频率为11 Hz，逆流区空冷风机频率为15 Hz，此时402冷却单元A、B侧的纯逆流管排的实测温度数据见表1。

表1 402冷却单元A、B侧的纯逆流管排的实测温度（调整前）

由表1中数据可见，抽真空温度比排汽温度低32℃，实测温度中第6管排温度已在0℃以下。这是因为在机组负荷低、环境温度低的工况下，乏汽经过顺流管束时，绝大部分蒸汽已被凝结，当工质流至逆流管束时，需要它继续冷凝的蒸汽量大大减少，此时逆流风机的转速较高，就会产生局部过冷。

运行人员采取反转逆流风机和停运顺流风机的措施后未取得明显效果。为此将顺流区空冷风机频率调整为12 Hz，并将逆流区空冷风机频率调整为10 Hz后，在背压基本维持不变的前提下，抽真空温度逐渐回升到一个合理的水平，就地实测数据表明管排中过冷的部分也基本恢复正常，调整取得了良好的效果。既保证了整列管束中的流动顺畅，又使抽真空温度以及凝结水温度维持在一个较好的范围内。调整后402冷却单元A、B侧的纯逆流管排的实测温度数据见表2。

表2 402冷却单元A、B侧的纯逆流管排的实测温度数据（调整后）

3.2.2.2 同一列空冷风机转速偏差不宜太大

空冷列中正常的流动如图3所示。如果C1风机停运，D1风机转速较低，C2风机全速运行，则大量工质流经C1时冷凝的部分很少，D1风机转速又很低，所以仍有大量工质自下而上进入C2，这样在C2就形成了两端进汽的情况，工质中的不凝结气体就会停滞在管束中无法排出，形成冷区。在冷区内，蒸汽含量很小，凝结放热很小，很容易被冷却到环境温度，当凝结水流经这个区域时，就会被冷却，如果在冷区内冷却到冰点就会结冰。而且，由于其他管束仍可形成通路，冷却水收集管内温度不会出现过冷，结冰情况也就无法及时被发现。所以，一般情况下同一列的风机转速相差不宜过大，保证每个冷却单元管束内的工质流动均衡。在调整过程中要通盘考虑，避免对单个风机大幅度的增减转速。

图3 空冷管束内正常流动

3.2.3 真空严密性对空冷散热器安全运行的影响

在进行现场调整过程中，明显感觉空冷各列蒸汽分配不均，列与列之间风机转速偏差较大，调整起来难度较大。试验表明机组真空严密性为500 Pa/min以上，经现场查漏发现空冷散热管束中存在漏空点，造成部分列的管束中漏入空气，形成范围较大的冷区，只能通过多启1台真空泵来缓解。针对这种情况一般应及时对发现的漏点进行封堵，确保系统严密性在200 Pa/min以内运行。如果漏气比较大，从安全角度出发，应当适当提高背压运行。

3.2.4 运行中其他注意事项

a)运行人员要监测风机齿轮箱温度，注意电加热装置是否能正常工作，以确保风机可靠备用。

b)停机过程中，均匀降低各列风机转速，结合真空情况停运各列风机运行，先停温度偏差大的列。停运整列风机后，关闭蒸汽入口碟阀，并手动摇严，防止漏入蒸汽。

c)使用基于红外成像图谱的分析诊断技术可有效指导直接空冷系统的运行优化调整。

4 实际运行效果

该厂投运至今经过了冬季严寒的考验，直接空冷系统安全、稳定、可靠运行，没有发生严重的冻结现象，表明所采用的操作方式、防冻措施是有效的。

5 结束语

直接空冷凝汽器冬季冻结，在启动期间应充分利用所装设的余热回收热泵快速达到空冷系统最小防冻流量的措施，既能取得防冻效果又能回收大量的工质；对空冷系统在运行调整过程中出现的问题进行了分析处理，并取得了良好的效果。实践运行效果表明，这些运行调整技术在冬季严寒时期启动及正常运行过程中对空冷凝汽器的安全经济运行提供了有力的技术支持和保障，为同类型直接空冷供热机组提供了可借鉴的经验。

[1]王佩璋.我国火力发电厂直接空冷技术发展［J］.电力设备，2007（11）：52-56.

[2]马义伟.发电厂空冷技术的现状与进展［J］.电力设备，2006 （3）：5-7.

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Discussion on Ad justment Technology for the Operation of Direct Air Cooling System in W inter

CUIYam ing1,WANG Xinm iao2,WANG Xuefeng1

(1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China; 2.ShanxiElectric Power ZhangzeCo.,Ltd.ZhangzeGeneration Branch,Changzhi,Shanxi 046021,China)

In view of the problems appeared in the operation process of directair cooling unit in ShanxiDatong,analysis are done and correspondingadjustmentmeasuresareadopted,which have improved thesecurityofair coolingunitduring the start-up and operation process inwinter,and adjustmentsuggestionsare put forward for theunitsof the same type.

directair coolingunit;anti-freeze inwinter;operation adjustment

TK264.1

A

1671-0320（2016）03-0053-04

2016-02-02，

2016-03-27

崔亚明（1978），男，山西长治人，2010年毕业于华北电力大学热能工程专业，工程师，从事火电厂调整试验、节能诊断及故障诊断处理工作；

王新苗（1978），女，山西长治人，2004年毕业于太原理工大学热动专业，助理工程师，从事电厂运行工作；

王雪峰（1973），男，山西太原人，1996年毕业于武汉水利电力大学热能动力系，高级工程师，从事汽轮机研究及节能技术监督相关工作。