600 MW三排管空冷凝汽器結凍因素分析及防凍措施探討

劉振盛

600 MW三排管空冷凝汽器結凍因素分析及防凍措施探討

劉振盛

（寧夏大唐國際大壩發電有限責任公司，寧夏 青銅峽 751607）

空冷凝汽器在冬季低負荷運行時，換熱管束內蒸汽熱負荷與管束換熱能力不匹配是導致空冷凝汽器管束發生結凍的主要原因，不凝結氣體未及時抽出，在空冷凝汽器內部聚集使結凍現象加劇。本文對直接空冷凝汽器發生結凍的因素進行分析，并提出防止空冷凝汽器結凍的有效措施，主要有：設計時管束采用順流和逆流結構相結合的方式；運行時控制冷空氣流量與蒸汽流量相匹配，并提高真空系統嚴密性，及時抽出真空系統內不凝結氣體。

空冷凝汽器；結凍因素；防凍措施

直接空冷系統是將汽輪機低壓缸排出的乏汽經由各排汽支管引入空冷凝汽器的換熱管束中，采用機械通風方式由環境空氣直接將其冷凝為水的系統。但是由于空冷凝汽器換熱管束呈“A”型布置在距地面一定高度的平臺上，在一定熱負荷與風量的條件下，空冷凝汽器的冷卻能力取決于周圍環境空氣的干球溫度，受氣溫影響較大。同時換熱面積很大的空冷凝汽器在低負荷運行過程中經常出現換熱量和蒸汽流量不均衡現象，尤其在機組啟停過程中以及低負荷運行時這種現象更加突出。當冬季環境溫度降至0℃以下時，空冷凝汽器內的凝結水過冷，可能結凍，如果環境溫度繼續下降，仍不采取可靠的防凍措施，換熱管束會結凍變形，甚至凍裂，造成不可逆的永久性損害。

1 空冷凝汽器結凍因素

1.1 管束內蒸汽流量過少或管束表面冷風量過大

在機組啟停機時，流入空冷凝汽器的蒸汽量較少，而換熱面積未發生變化，此時雖然停運了全部空冷風機，但空冷凝汽器的換熱量遠大于進入的蒸汽量［1］。當蒸汽經排汽支管流入換熱管束時，在流動過程中迅速發生凝結，如果環境溫度持續降低，蒸汽等溫冷凝過程縮短，凝結水過冷度增大，從而發生結凍現象。在環境溫度較低情況下，如果運行人員對空冷風機頻率調整不當，在流經管束表面的冷風量過大情況下也會發生管束結凍現象。

1.2 換熱管束各排管熱負荷不均衡

由于三排管空冷凝汽器管束與空氣接觸的順序不同，造成各排管束所受的熱負荷也不同。當冷風通過管束時，首先與“A”型架內部靠近迎風面的第1排管接觸，流經后再與第2排管接觸，最后與第3排管接觸。所以第1排管束內所凝結的蒸汽量將大于第2排管，第3排管次之。在入口壓力相同的情況下，第3、第2排管束出口壓力將大于第1排管的出口壓力，第3排管束出口未凝結蒸汽會倒流進入第1排管的出口形成停滯死區，致使第1排管內蒸汽中所含的微量空氣無法排入出口凝結水集箱而被抽走，隨著空氣不斷聚集，最終形成氣堵，氣堵使第1排管內的凝結水無法流走，在低溫條件下，該段管束會發生過冷，直至使凝結水結凍［1］。結凍初期，在管束內形成的冰殼較為疏松，如果此時不增加蒸汽流量或減少冷空氣流入量，冰殼將急劇增大，直至第1排管束全部結凍，管束發生變形或脹破。

1.3 空冷凝汽器系統內漏入的空氣未及時抽出

機組運行時空冷凝汽器系統內處于負壓狀態，環境中的空氣會通過泄漏點進入系統，這些漏入的空氣在管束中會嚴重阻礙蒸汽凝結放熱，因此需要及時將其從系統中抽出。由于抽真空管口裝設于逆流換熱管束的最頂部，因此在抽真空過程中，所抽的氣汽混合物流向與凝結水流向相反，且溫度低于凝結水溫度，當環境溫度較低時，逆流管束中未完全凝結的蒸汽在抽真空管口發生凝結而結冰，此時若不及時進行防凍，結冰現象會加劇，最終堵塞管口而阻止管束中漏入空氣的抽出，這樣管束內的空氣會越積越多，最終使順流管束發生結凍［2］。

2 空冷凝汽器防凍措施

2.1 前期設計中的防凍控制

a.優先選擇單排管換熱管束。從結構上看，單排管換熱管束流通截面積較三排管換熱管束大，管道內的流動阻力和壓降較小，有利于汽液兩相分離，因此單排管換熱管束具有良好的防凍性能，在冬季低溫環境下運行時抗凍能力較三排管強，所以在空冷凝汽器前期設計時優先選用單排管換熱管束結構［3］。

b.采用順流和逆流結構相結合的換熱單元。為了有效防止逆流管束中未完全凝結的蒸汽在抽真空管口發生凝結而結冰，在空冷凝汽器最初設計時應采用順流和逆流結構（K／D）相結合的方式［4］。經過汽輪機低壓缸的蒸汽首先進入順流換熱管束（K），在管束內蒸汽向下流動同時凝結，此時凝結水和蒸汽以相同的方向流入底部匯集聯箱。經過順流換熱管束后大部分蒸汽已凝結，剩余的部分蒸汽和不凝結氣體一起進入逆流換熱管束（D），此時凝結水和蒸汽以相反的方向流動，未凝結蒸汽在向上流動的過程中完成凝結，凝結水在自身重力的作用下向下流入底部匯集聯箱，不凝結氣體由抽真空管被真空泵抽走［5］。

2.2 運行中的防凍控制

a.空冷凝汽器進汽量控制。機組啟停機或低負荷運行時進入空冷凝汽器的蒸汽流量較小，換熱量和蒸汽流量不均衡，通過控制進汽量，保證換熱管束內流過的蒸汽與換熱量匹配。在實際運行中，當機組啟停機或低負荷運行時，關閉空冷凝汽器排汽支管上的真空電動蝶閥來解列某幾列溫度較低的換熱單元，以減小空冷凝汽器的換熱面積，將全部蒸汽集中在剩余的換熱單元中，確保進汽量與換熱面積匹配，防止凝結水過冷度過大造成換熱管束結凍。同時，冬季機組啟動時應嚴格控制進入空冷凝汽器的蒸汽流量，保證進入空冷島的蒸汽流量大于最小防凍流量要求，避免長時間向空冷凝汽器排入蒸汽，且應將真空抽到6～15 kPa（盡可能低）之后，再導入蒸汽，導入蒸汽時必須將空冷凝汽器置于自動運行方式，確保順流、逆流防凍保護以及回暖加熱循環一直處在正常投用狀態。

b.空冷風機進風量控制。通過控制空冷風機電機變頻調速的方式，合理控制空冷風機進風量是最有效的防凍措施。冬季運行時監視抽真空管道及冷凝水管道溫度的過冷度，正常情況下冷凝水溫度比排汽溫度低2～3℃，抽真空溫度比排汽溫度低5～10℃。如果空冷凝汽器凝結水收集管上有任一點溫度比其它溫度點低，且過冷度大于以上規定值，環境溫度小于2℃，則可以相應減小該處風機轉速，甚至停運該列幾臺或者全部風機，必要時在風機入口加蓋帆布，直至此處凝結水溫度升高。冬季啟動風機時，確保先啟動逆流風機，后啟動順流風機，停運時操作反之，時刻保持逆流風機轉速大于或等于順流風機的轉速，以確保蒸汽、凝結水流動暢通，防止形成氣阻。

c.空冷凝汽器內不凝結氣體的抽出。當漏入的空氣進入真空系統后形成不凝結氣體，由于空冷凝汽器的真空度很高，這些不凝結氣體便在換熱管束內聚集，形成氣阻。同時，由于不凝結氣體的焓值較低，當環境溫度較低時，很容易造成空冷凝汽器換熱管束結凍。為了保證逆流換熱管束的傳熱能力，應及時抽出空冷凝汽器內聚集的不凝結氣體，通常在環境溫度較低時啟動2臺或3臺真空泵同時運行，以便最大限度抽出空冷凝汽器系統內的不凝結氣體［6］。

d.冬季采用防凍自動保護控制。冬季運行時空冷凝汽器采用防凍自動保護控制也是一種非常有效的方法，投入后控制系統可根據環境溫度、凝結水溫度、抽氣溫度、機組背壓等自動進行調節［7］。某發電公司的自動保護控制為：環境溫度低于-2℃時開始啟動回暖加熱，當環境溫度高于0℃時停止回暖加熱?；嘏訜岬捻樞蚴牵簭牡?列開始，列1的逆流風機停運，1 min后，列1風機以15 Hz的指標反轉3 min，然后再停運1 min。2.5 min后，列2逆流風機進行同樣的操作，一直進行到第8列，共用時間為1 h。然后再從第1列開始，反復循環。如果某列蒸汽立管閥關閉，則回暖加熱循環將跳過這列。冬季工況（環境溫度低于3℃）下，在暖機階段結束30 min后，防凍保護將處于可觸發狀態。防凍保護有2種：防凍保護Ⅰ和防凍保護Ⅱ，均對空冷系統每列1單元（包括1、2、3、4排）和2單元（包括5、6、7、8排）進行防凍保護。防凍保護Ⅰ的觸發條件：該單元任一凝結水溫度或抽汽溫度低于25℃且環境溫度低于3℃；復位條件：該單元所有冷凝水溫度高于35℃且所有抽汽溫度高于30℃或環境溫度不低于5℃。防凍保護Ⅱ的觸發條件：該單元任一抽汽溫度低于20℃且環境溫度低于3℃；復位條件：該單元所有抽汽溫度高于30℃或環境溫度不低于5℃。

e.提高空冷凝汽器真空嚴密性。冬季空冷凝汽器運行時，應定期做真空嚴密性試驗，確保機組泄漏量小于100 Pa／min，此值越低越有利于防凍和空冷性能（歐洲標準為50 Pa／min）。否則，大量泄漏的冷空氣積存于換熱管束內，無法被抽真空系統抽出，容易導致結凍。試驗時如果真空嚴密性大于100 Pa／min，要對真空系統進行查漏和處理，直到嚴密性試驗合格為止。

f.空冷凝汽器換熱管束裝設在線溫度監測裝置。在空冷凝汽器換熱管束上加裝在線溫度監測裝置，使運行人員實時了解空冷島蒸汽凝結狀態，了解管束局部溫度分布，運行人員根據其溫度分布對空冷風機進行實時有效的調整，提高空冷凝汽器抗凍能力，同時也可有效提高空冷凝汽器防凍工作的質量，減小防凍工作的盲目性［8］。

3 結束語

對空冷凝汽器換熱管束冬季結凍因素進行探討，認為換熱管束內凝結水發生結凍的主要因素是換熱管束冷卻能力與蒸汽熱負荷不平衡，從控制空冷凝汽器蒸汽進汽流量和風機冷卻風量、不凝結氣體的抽出、采用防凍自動保護控制、提高空冷凝汽器真空嚴密性等方面提出了防止空冷凝汽器換熱管束發生結凍的措施。同時根據空冷凝汽器的結構特點和地處環境區域，對于冬季環境氣溫較低的地區，在進行空冷凝汽器前期設計時建議選用抗凍性能更好的單排管換熱管束，同步裝設換熱管束在線溫度監測裝置，所有排汽支管均安裝真空電動蝶閥。

［1］ 徐傳海，劉 剛，李晉鵬.三排管直接空冷凝汽器結凍原因［J］.電力設備，2006，7（9）：51-54.

［2］ 朱 斌.直接空冷機組防凍控制策略分析［J］.東北電力技術，2013，34（12）：37-39.

［3］ 傅 松，于淑梅.空冷電站冬季防凍措施［J］.東北電力技術，1998，19（8）：39-42.

［4］ 田亞釗，晉 杰.600 MW直接空冷機組冬季運行防凍要點［J］.電力建設，2006，49（2）：4-6.

［5］ 孫立國，田亞釗，孫康明.600 MW直接空冷機組的防凍及解凍［J］.電力設備，2007，8（5）：20-23.

［6］ 王 軍，張宏勝.極寒地區機組停運后防凍措施探討［J］.東北電力技術，2011，32（7）：12-15.

［7］ 李 波，楊 輝.600 MW直接空冷機組空冷控制系統邏輯優化［J］.東北電力技術，2010，31（4）：40-41.

［8］ 金秀章，許 鐵，張建輝.300 MW機組空冷島溫度監測系統的設計［J］.計算機仿真，2013，30（11）：112-114.

Analysis on Freezing Factors of 600 MW Three?row?piped Air?cooled Condenser

LIU Zhen?sheng
（Ningxia Datang International Daba Power Generation Co.，Ltd.，Qingtongxia，Ningxia 751607，China）

Themain reason is that heat loads and heat transfer capability in the tube bundles do notmatch which lead to air cooled steam condenser freeze at low load operation of air cooled steam condenser in winter.If non?condensable gas is not removed timely，non?condensable gas does collect result in increased freeze.Antifreezing measures are adopted，tube bundles design mix with down stream structure and contraflow structure and make sure cooling air flow matches steam flow during the operation，improving the tight?ness and non?condensable gas is removed timely in vacuum system.

Air?cooled condenser；Freezing factors；Antifreezingmeasures

TM621；TQ545

A

1004-7913（2015）07-0041-03

劉振盛（1979—），男，工程師，主要從事火力發電廠輔機技術管理工作。

2015-01-26）