典型300 MW直接空冷機組防凍設計與控制

彭 霞

古交發電廠一期2×300 MW機組的汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機,空冷島的控制采用比利時的(SPX)斯必克冷卻技術。該地區屬溫熱帶大陸性季風氣候,四季分明,氣溫與降雨在一年中變化較大。故冬季防凍措施是否得當,將直接影響機組的安全運行。2臺機組2004年秋季相繼投入商業運行,順利經過了4個冬季的嚴寒考驗,一直安全運行至今。

1 直接空冷系統的結構與功能

1)系統結構。以#1機組為例,空冷凝汽器由6列總共240片換熱管束(包括180片順流冷凝器和60片逆流冷凝器)和24臺風機組成,每臺風機向10片管束供風(見圖1)。

圖1 1個列(屋頂)40片管束和4臺風機的原理示意圖

空冷凝汽器是由大管徑的3排橢圓翅片管管束、蒸汽分配管、凝結水聯箱、支撐管束的鋼構架等組成,鋼表面采用熱浸鍍鋅處理。

風機采用軸流風機,調速方式采用變頻調速,風機能在0%～110%轉速間調速運行,順、逆流單元的風機可切換至反轉運行。

來自汽輪機的蒸汽經由主蒸汽管道進入空冷凝汽器,并由蒸汽分配管箱進入。冷凝器管束。冷凝器元件由平行排列的大量翅片管組成.蒸汽在管內表面冷凝,同時冷卻空氣橫過管外表面。管束下部的接管直接與凝結水箱連接,連箱將凝結水送到凝結水疏水管道且將蒸汽送至分凝器管束。分凝器管束的頂端有一個管箱,不凝氣體經管箱上的接管被抽取。抽氣管道與抽真空系統相連接。抽真空系統由3臺水環式真空泵組成。該系統用于將空冷凝汽器中不能凝結的氣體抽出,以便保持系統的真空狀態,機組運行過程中始終保證有1臺真空泵運行。

2)系統功能。空冷凝汽器運行和控制的三個任務：保持最佳的凝汽器壓力、最小的風機電能消耗以及保護設備安全運行。而基本的調節手段主要有2種：空氣流量控制與蒸汽流量控制。蒸汽流量控制就是控制空冷凝汽器管內蒸汽的流量,保證管內流動的蒸汽足以加熱凝汽器,空氣流量控制就是控制流過空冷凝汽器脅片的空氣流量。

為了實現這三個控制任務,該系統應能滿足各種條件下的工況(包括冬季、夏季、不同負荷、機組啟停、旁路運行等)運行,在冬季低負荷運行以及機組在冬季啟停過程中要有可靠的防凍措施,保證空冷凝汽器管內不凍結。運行風機的調節要與環境氣溫、汽輪機排汽壓力、凝結水溫緊密結合,能夠自動調節風機臺數、轉速等,以求達到最佳工況。

2 基于防凍的設計結構

1)橢圓形管束。本機組空冷散熱器采用了單排橢圓管束,如果管束內發生了凍結,則橢圓形的管束就會向圓形脹去,從而減少了管束凍裂的可能性。而且單排管束內部空間大、阻力相對較小。相對于雙排管和三排管散熱器而言,單排管沒有因蒸汽流量分配偏差帶來的防凍瓶頸。即使在管子內部發生部分凍冰,但只要能夠及時發現并采取適當調整措施,利用其相鄰管子溫度較高,其輻射熱量亦可使冰柱與管材分離解凍,極個別的散熱管發生凍冰時,不會影響到運行機組的背壓水平,但是,運行中絕對要加以控制,避免發生大量成片管束因表面溫度低而發生凍結。

2)冷凝器采用 K/D結構。為了防止凝汽器的凍結,目前大型的空冷機組的空冷凝汽器都毫無例外地采用了順逆流結構(K/D)(見圖2)。

圖2 空冷凝汽器的順逆流結構(K/D)示意圖

由圖2所示,低壓缸或低旁排出的蒸汽在差壓的作用下進入蒸汽分配管,首先進入順流凝汽器(K型),在管束外冷卻風的冷卻作用下,蒸汽邊往下流邊凝結。凝結水與蒸汽以相同的方向流入底部聯箱,此時大部分的蒸汽(70%～80%)已在順流凝汽器中凝結。剩余的蒸汽與不凝結氣體一同進入逆流凝汽器(D型),蒸汽邊向上流動邊被凝結殆盡,凝結水在重力作用下與汽流逆向流回底部聯箱,不凝結氣體則被水環真空泵抽吸排入大氣。

該廠2臺機組采用 K/D結構,其兩者之間的面積比為3∶1。即每臺機組由6列凝汽器組成,每列凝汽器由4個單元組成,其中有3個順流單元和1個逆流單元,每個單元由10片凝汽器組成,“A”型結構(底部角度為60°),由調頻風機向其供風。組成這樣的蒸汽流程以后,則蒸汽在順流凝汽器中不會全部凝結完,也就是說在冬季一直有蒸汽對其加熱,不會產生凍結。但是還要保證進入ACC的最小流量,由于在每列空冷凝汽器的入口未安裝大型的關斷閥。所以空冷廠家規定,如果進入空冷凝汽器的流量在30 min內達不到20%(132 t/h),則空冷凝汽器就會有凍結的危險。也就是說,盡管有這樣的流程,如果蒸汽量太少,那么在順流凝汽器里蒸汽已凝結完了,甚至蒸汽僅走了順流凝汽器的一部分,就已經全部凝結殆盡。然后風機繼續對其冷卻,就會產生過冷水,直至發生凝固凍結。所以在運行方面必須對進入凝汽器的蒸汽流量進行控制,保證蒸汽的最小流量。

3)擋風墻。電廠的空冷平臺上布置了與蒸汽分配管中心線等高的擋風墻(見圖3)。采用這樣的布置后,在冬季能擋御寒風直接吹在凝汽器管束上,防止發生局部管束過冷而凍結的情況。它還有一個重要的作用是防止在夏季發生熱風再循環,影響機組的真空。

圖3 空冷凝汽器擋風墻示意圖

3 基于防凍的運行調節

1)順流冬季保護。當環境溫度小于3℃,本列的任一個凝結水溫度小于20℃時,本列逆流風機被閉鎖在當時的轉速不變;本列順流風機以10%/min的速度下降,只有當本列的凝結水溫度都大于30℃后,順流風機轉速才停止下降,并以10%/min的速度上升至已被閉鎖的控制器的輸出值;否則將使順流風機降到最低轉速,直至斷開停轉。

2)逆流冬季保護。環境溫度小于3℃,抽氣溫度小于20℃時,本列的順流風機將被閉鎖在當時的轉速不變,本列逆流風機以10%/min的速度下降,只有當本列的抽氣溫度大于30℃后,逆流風機轉速才停止下降,并以10%/min的速度上升至以被閉鎖的控制器的輸出值;否則將使逆流風機降到最低轉速,直至斷開停轉。

3)逆流凝汽器的回暖循環。對于空冷凝汽器防凍,從運行角度上,正常運行中對管內的蒸汽流量進行調節是困難的;而對管外的冷卻風量的調節是靈活的。即調節風機的轉速、方向及啟停,以實現對風量的控制。

如前所述,只要蒸汽流量大于規定的最小流量,采用順/逆流結構的空冷凝汽器可有效防止凍結。順流凝汽器有蒸汽對其加熱,而對于逆流凝汽器,由于不可凝結氣體及其結構的影響,其上部在寒冷季節還會產生結霜凍結的現象。如果長期存在,就可能堵塞管束,甚至凍壞管子。所以當環境溫度小于零下2℃時,逆流風機的回暖循環將被啟動,其動作過程為：第一列的逆流風機將被停運10 min,然后該風機重新啟動至控制器輸出所對應的轉速值,延時10 min后,第二列逆流風機開始停運進行回暖,直至第五列也停運進行加暖后完成一個循環。此循環將一直持續下去,直至氣溫上升到一定的水平為止。這樣當逆流風機停運時,利用蒸汽可將其已凍結的部分融化掉。

當機組運行在低氣溫、低負荷和低排汽壓力的工況下,利用回暖程序加熱逆流管束時,有可能因加熱量不足而發生凍結。所以本機組在回暖程序中加入逆流風機倒轉的程序,即利用逆流風機倒轉,抽吸空冷島上方的熱空氣,融化管內產生的冰屑。這對機組排汽壓力的穩定沒有影響,但卻大大提高了管束的安全性。

4)空冷凝汽器排汽壓力的控制。空冷凝汽器在汽輪機裝置的熱力循環中起著冷源的作用,降低汽輪機排汽壓力和排汽溫度,可以提高循環熱效率。但是從設計及運行角度,不是真空越高越好。一味提高風機的轉速,可能使汽輪機真空提高而多發的電反而少于風機多耗的電,得不償失。

眾所周知,正常運行中空冷凝汽器的熱平衡處于動態平衡狀態,其顯現的指標即為排汽壓力。在冬季運行當中,在考慮經濟的同時,必須考慮安全第一的要求,當機組處于三低(低氣溫、低排汽壓力、低負荷)的工況時,須將排汽壓力適當提高,滿足機組的安全運行。

4 運行建議

以上措施實施以后,一般都會保證凝汽器的運行安全。但在特別嚴寒的季節、機組負荷偏低、機組冬季啟動或者機組的嚴密性不合格等情況下,還應該注意以下幾方面的調整：

1)空氣抽出管的溫度與凝結水溫度差值的監視與調整,是空冷凝結器整體運行情況的反映,運行中要加強對散熱器翅片溫度和對空氣抽出管的溫度與凝結水溫度的差值的檢查與調整。當環境溫度較低或空冷島進汽量較小時,空氣抽出管的溫度與凝結水溫度的差值較大,此時易造成空冷系統結凍,可采用增加負荷、停運風機、使風機倒轉,或啟動備用真空泵,對逆流區內蒸汽和不凝結氣體進行強制流動,使管束溫度上升或達到減少空氣抽出管的溫度與凝結水溫度的差值,使部分凍結的管束迅速融化。

2)加強對凝結水溶氧的監視與調整：凝結水溶氧大或不合格,反映出空冷系統嚴密性較差。真空系統漏泄,易造成局部系統凍結,此時,可適當提高低壓缸汽封進汽壓力,并對安全門、防爆門、負壓系統進行查漏、堵漏工作,直至溶氧合格。

3)凝結水過冷卻度：正常情況下凝結水過冷卻度控制在3℃之內,空冷系統聚集空氣或環境溫度越低、進汽負荷越小的情況下,凝結水過冷卻度越大,此時也越容易造成局部系統凍結。可采用增加負荷、啟動備用真空泵、停運風機或使風機倒轉的方法進行調整,以減少凝結水過冷卻度。

5 結束語

古交電廠2×300 MW機組的空冷結構和控制部分比較同類電廠有許多新特點。2004年秋季2臺機組先后投入運行,經歷了4個嚴冬的考驗,沒有發生結凍現象,反映出防凍結構的設計合理和運行調節的正確、執行到位,具有一定的推廣意義。