100MW直接空冷机组防冻措施探析

杨爽

摘要：大唐克旗煤制气自备电厂，两台100MW抽凝式直接空冷机组，空冷凝汽器为江苏双良供货。文中根据机组历年冬季运行经验对直接空冷系统防冻事宜进行总结、分析，探析了空冷机组冬季运行的防冻措施及注意事项等。

关键词：直接空冷;冬季运行;防冻。

1.直接空冷凝汽器基本概况

内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司自备电厂（以下简称“克旗电厂”），采用7*470t/h高压、单锅筒、自然循环、褐煤锅炉及2*100MW抽凝式直接空冷机组。

克旗电厂空冷凝汽器为江苏双良公司供货，采用单排椭圆管椭圆翅片结构。每台机组空冷凝汽器成4列×3排布置，共12个冷却单元，每个顺流冷却单元由8片管束组成，每个逆流冷却单元由10片管束组成，逆流单元设置在每列的第二单元。顺、逆流单元迎风面面积（单个）均为201.35㎡，迎风面流速均为2.38m/s，空冷凝汽器顺、逆流单元总散热面积分别186459m2 、116537m2。选配直径8.91m 风机，全部采用变频调速，电机功率132kW，风机风量479m3/s。

空冷凝汽器设计主要气象条件：典型年环境温度-33.2℃～37.8℃，年平均汽温2.8℃，年平均大气压90kPa。选取夏季满发环境温度28℃，外界自然风风速为3.0m/s。

2.直接空冷系统的流程及原理

空冷凝汽器由“A”屋顶型翅片管排构成。每组空冷列包含3个冷却单元（2个顺流单元和1个逆流单元）。空冷平台下方布置的轴流风机强制冷却空气流过翅片进行换热，空冷平台外围由挡风墙包围，将热空气出口与冷空气入口分开，阻止热风回流。

机组排汽通过蒸汽分配管进入顺流冷凝管束顶部的翅片管束。蒸汽在管束下行过程中被部分冷凝（约80%蒸汽），凝结水和部分未凝蒸汽通过凝结水下联箱收集，并在重力作用下排入汽轮机排汽装置，再由凝结水泵送至除氧器。剩余蒸汽通过与凝结水下联箱底部连接的逆流冷凝管束逆向流动冷凝，不凝气体在逆流冷凝管束顶部附近汇集，被吸入逆流冷凝管束顶部布置的抽空气管道，再由真空泵组抽吸并最终排至大气。

3.直接空冷凝汽器冬季冻结原因

由于空冷凝汽器散热面积大，冬季运行尤其机组处于空负荷或低负荷时，当流量较小的蒸汽进入空冷凝汽器管束后，在由上而下的流动过程中，管束中的蒸汽与外界冷空气进行热交换后不断凝结，其凝结水在自身重力的作用下，沿管壁向下流动的过程中，即使将全部风机停运，由于环境温度远低于水的冰点温度，导致其过冷度不断增加，并不断在冷却管束的下部冻结，从而造成冷却管束内的蒸汽发生滞流，最终使空冷管束冻坏。

另外，机组空冷系统在正常运行中，如果调整不当或负压系统泄漏量过大时，在冷却空气量过剩的情况下，空冷系统中漏入的过量空气在管束内对热蒸汽形成阻滞，降低了管束内热蒸汽的流动速度直至形成阻塞，从而导致管束局部过冷，导致出现冻结现象。

可见直接空冷凝汽器冬季冻结程度与外界气象条件、空冷凝汽器的进汽参数（汽量、温度、时长等）、空冷风机的运行调控、空冷系统真空漏点等方面因素有关。

4.直接空冷系统冬季启动的控制

直接空冷机组冬季启动面临最大困难就是空冷凝汽器管束的防冻，主要原因是汽轮机冲转之前，有部分蒸汽不可避免地进入空冷凝汽器管束且进汽量非常小，这部分蒸汽进入空冷凝汽器管束内会不同程度的凝结结冰。

所以机组启动过程中是无法保证空冷凝汽器管束不发生结冰现象的，关键是在结冰不严重的情况下尽快将机组带到一定负荷，使结冰情况不再发展，然后随着机组负荷的增加并通过合理调控空冷风机，对整个空冷凝汽器管束进行解冻。因此，需要合理安排机组启动的各项工作。

4.1启动前准备工作

入冬前完善空冷系统各抽空气管道、凝结水管道及相关阀门的保温和伴热系统。

空冷平台漏风治理：对空冷平台、空冷风机室、挡风墙、各表计接口等进行全面检查，对漏风点进行封堵，预防冷风短路。

准备若干苫布，在异常情况下当风机停用仍然不能满足防冻要求时，用苫布将风机口封住，避免冷风对流冻结。同时准备合适尺寸的棉被，用于空冷散热器局部过冷时防冻。

机组启动前的试验中，必须进行对空冷岛抽空气阀、抽汽隔离蝶阀、凝结水回水阀进行开关活动试验，保证正常，开关到位、动作灵活。

4.2直接空冷机组冬季启动

4.2.1冬季启动遵循的一般原则

安排白天启动。利用相对高的环境温度和日照条件，进行机组冬季启动;

退出部分空冷凝汽器散热器，只保留启动列。启动前关闭空冷凝汽器配汽管道进汽隔离阀及相关抽真空阀、凝结水阀。

4.2.2直接空冷机组冬季启动操作

冬季机组启动时，尽可能缩短汽机抽真空的时间。为减少轴封漏汽进空冷岛的量，要尽可能晚投轴封。机组背压不宜保持过低，一般保持30～40kPa即可。

主汽管道暖管时，需控制主汽疏水阀门开度并间断开启，避免疏水开启过大，在保证充分疏水的情况下，尽可能减少空冷岛的进汽量。

汽机参数满足冲转要求后应尽快冲转，同时保证电气系统满足机组并网条件，一旦冲转定速正常后立即进行机组并网操作，尽量减少暖机环节，缩短冲转、并网时间，机组并网后根据缸温尽快接带高负荷以满足空冷岛进汽要求。

空冷島进汽以后，必须设专人对空冷岛各列冷凝器下联箱及冷凝器管束进行就地温度实测，同时严密监视凝结水温度及抽气温度，保证各处温度稳步升高，如发现某处温度长时间不变或有降低趋势时，必须立即增加空冷岛进汽量，同时就地检查温度异常空冷列进汽隔离阀、抽真空阀、凝结水阀实际开关状态。

并网前尽可能只投运启动列，确需投入其他列时应投运排汽隔离阀最不严密的（应限制空冷列在并网前全部投运）。风机需要投入运行，应就地实测各列下联箱凝结水温度全部高于50℃，且抽空气温度均已大于35℃后，方可允许投入风机，风机应按序启动即2号→3号→1号。风机启动后应限制其最高转速（≯20Hz），防止冷却风机转速无限制升高后空冷凝汽器容易局部过冷而受冻。

随着进入空冷岛排汽量的增加，根据真空情况逐渐投入其它排散热器运行，投入顺序为先投入中间空冷列，根据负荷、真空再投入其它空冷列，当已投入的空冷列管束表面、凝结水温度均大于50℃以上时且风机启动正常后，方可投入下一排空冷列。

机组并列后，根据胀差、凝结水指标等情况尽快带至最小防冻流量所对应的负荷（ACC最小热负荷参考下表）。

4.3直接空冷机组冬季运行期间防冻

冬季机组正常运行时，应根据环境温度和机组负荷变化，关闭蒸汽分配阀和空气抽出阀，停运部分空冷岛空冷列，满足空冷岛最低防冻流量。当风机转速降至20Hz，真空仍较高时，按由外到内的顺序停运空冷风机。当散热器或联箱外表面温度低于0℃时，停运相应空冷风机运行。

机组正常运行时，调节风机转速并密切监视空冷凝汽器各抽气口温度。正常情况下抽气温度比本排下联箱凝结水温度低1-5℃，但在任何时候都不得低于15℃。运行中若发现抽气口温度下降，应降低对应排的逆流风机转速或停止风机运转，若温度没有回升，则应适当降低本排顺流风机转速，同时风机反转进行回暖。在上述调整的基础上还可启动备用真空泵，通过增加抽气口的空气流速来提高温度。

注意检查空冷凝汽器各排两侧凝结水联箱任意连接位置温度均不得低于35℃，且各排南北两侧温度偏差不得大于5℃。若发现有偏差大于5℃时，应及时降低本排所有风机转速。运行中空冷散热器凝结水的任一温度降至35℃以下，应及时查找原因，调整该列的风机的转速，一般这种情况的出现是该列的个别散热区域出现了低温，甚至个别管束的温度已在零下，要及时降低该区域的风机转速。

进入严冬空冷系统要加强就地实测，做好空冷岛巡检记录，掌握每台风机对应区域散热器的温度差异。特别是当风向变化、负荷变化、风机转速变化时要随时实测散热器的温度。顺流区重点监测底部温度，逆流区重点监测顶部温度。

当逆流凝汽器管束上部出现结霜现象时（由于不凝气过冷，阻碍不凝汽排出导致），则管束可能已发生冰冻。此时逆流风机必须在一定时间间隔内反转回暖，还应降低相邻顺流段风机的转速，必要时应延长逆流冷却风机反转时间，以便逆流凝汽管束回暖加热，缓解并融化冰冻，同时及时安排专人对结霜区域进行真空查漏并在线处理。

风机回暖需根据机组真空条件、负荷、环境变化等因素，不断进行摸索尝试。如环境温度低于-10℃、机组负荷在50MW以下时，逆流风机可逐排停运并进行反转，每排回暖20-30分钟后，再对下一排进行反转;环境温度低于-20℃时，可尝试隔排启动两列逆流风机同时反转。但需注意由于受温度场的影响，逆流风机不宜相邻两列同时反转且反转时应限制转速不可过高，否则不仅起不到回暖的作用，而且会加速散热器的冷却。

逆流风机回暖宜作为一项定期日常操作，不仅是逆流区域出现冰冻时作为紧急处理的临时手段，只有不断积累运行操作经验，才能总结出合适的回暖操作。

另外，要把空冷系统的查漏及处理作为一项长期工作与空冷系统防冻结合起来。运行人员日常巡检时要对易凉管束进行标注，然后组织专人定期对这些区域采用超声测漏仪等查漏设备进行真空漏点查找并及时在线处理，以达到减少真空泄漏点目的，避免空冷系统中漏入过量空气，否则为维持机组正常背压空冷风机将不得以高转速运行，造成整个空冷系统过冷。

机组因故降负荷时，应及时降低各列空冷风机转速，避免机组背压过低。当负荷降至50MW以下时，立即退出最外侧空冷列（迎风面侧），并停运该列所有风机，关闭隔离阀、抽真空阀及凝结水阀;其后机组每降低10MW负荷则退出一列空冷列运行，直至机组负荷降至30MW以下时，仅保留启动列以满足空冷岛最小防冻负荷，同时用启动列（没有进汽蝶阀）的风机调整背压。

对进汽隔离阀不严的空冷列派专人对蝶阀后的温度和各排散热器顶部监测，如有结冰现象及时将该列投入运行。当该列充分加热后，可以再次解列，投入不严的另一列。期间风机要配合调整。各列散热器分别切换投入。

空冷系统运行时必须保证空冷各冷却单元门关闭，避免相邻风机出风相互干扰，使底部冷却风和热排汽分布失衡。

4.4空冷机组停机防冻要求

停机时间宜选择天气温度较高的时间段进行。停机过程中机组可适当维持较高背压运行

随着机组负荷降低，根据真空情况，按照先停运边缘空冷列，再根据实际负荷、环境温度，参照空冷最小防冻负荷停运其他空冷列的顺序，停运空冷风机并关闭相应的排汽隔离阀。

机组打闸停机后，立即关闭所有至排汽装置的疏水，关闭所有空冷岛进汽隔离阀，待30分钟左右后关闭逆流区抽空气门，凝结水阀保持全开。真空泵停运后，应打开真空泵入口蝶阀，使入口管内疏水倒流回真空泵并排入地沟，防止真空泵入口管道发生冻结;机组停运后，要定期对真空泵进行启动运行，防止真空泵入口结冰而影响启动或冻坏设备。

冬季工况汽轮机事故跳闸，应立即停运真空泵和所有空冷风机，关闭各列进汽蝶阀，保持凝结水阀开启状态，投运所有电伴热。

进入严寒期间，对长期停用列风机，在每个换热单元进风口用苫布遮盖，避免冷风对流冻结管束。

停运空冷列应每日检查凝结水管及下联箱电伴热投运情况，确保电伴热可靠投运;定期检查凝结水管积水情况，如有积水及时排放。

5.结语

直接空冷机组如何安全、稳定越冬，是极寒天气下北方多数电厂一直在不断摸索、总结的一项重要课题。从国内首台直接空冷机组投产至今的三十几年内，国内各个电厂不断优化机组启、停及事故处理等各種工况下的防冻措施，基本上是大同小异的，从根本上的措施都是如何最大程度消除真空系统漏点，提高空冷凝汽器换热效率，优化空冷防冻操作等。所以要确保机组冬季运行安全，首要的工作是如何“冬病夏治”，即在夏季要通过从不断规范空冷岛冲洗、喷淋，真空查漏处理，空冷系统漏风治理，保温、伴热系统完善等方面着手，不断加强空冷机组的冷端管理，切实有效保障机组经济、安全运行。

参考文献

[1]郝春林.大型直接空冷汽轮机组运行与维护技术.北京：中国电力出版社，2014.7

[2]山西省电力勘探设计院.火力发电厂空冷系统设计导则.2007.5

[3]中国大唐集团公司.直接空冷机组空冷系统运行管理指导意见.2008.9