嚴寒地區火力發電廠抗風防凍技術的研究及應用

段玉燕

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院 ,廣州 510663）

1 概述

現有的規程規范中少有對處于嚴寒地區的火力發電廠專門的設計指導，文章針對嚴寒地區的氣候特點，經過對北方寒冷地區電廠的充分調研，深入研究了抗風防凍的關鍵技術，并成功應用于多個工程與項目，對北方電廠的設計方面有著重要的指導意義。

2 設備室內室外布置方式優選

（1）鍋爐。鍋爐布置一般分為露天布置、半露天布置及緊身封閉等形式。對非嚴寒（累年最冷月平均溫度高于-10℃）地區，鍋爐宜采用露天或半露天布置。對于嚴寒或風沙大的地區，為避免冬季電站鍋爐本體運轉層以上部分設備、管道及儀器儀表被凍壞，一般在鍋爐鋼架周圍采用復合型保溫壓型鋼板進行封閉，形成封閉圍護結構，稱為緊身封閉。在緊身封閉結構周邊應設有用于通風和采光的窗戶；在鍋爐房屋頂應設有屋頂通風器或軸流式屋頂風機用于夏季鍋爐房通風，通風設施冬季處于關閉狀態；在鍋爐房底層和運轉層布置散熱器及暖風機等供暖設施。緊身封閉鍋爐房的暖通設計既要滿足夏季通風要求，又要滿足冬季供暖防凍要求，暖通通風設計保持鍋爐房內～5℃。

（2）一、二次風機，引風機，啟動鍋爐等輔機。嚴寒地區，一、二次風機，引風機，啟動鍋爐等主要輔機建議室內布置，并應設有暖氣片，保持冬季室內溫度。對于鍋爐房附近的輔機設備，如定排、暖風器疏水擴容器、暖風器疏水泵等建議放進鍋爐房緊身封閉內布置。獨立設置房間的輔機，還必須注意最大尺寸部件的安裝和檢修，需與建筑專業配合，明確房間墻面的施工順序，避免設備無法運進房間，并開設合理尺寸的大門，便于較大尺寸部件檢修的運輸。

（3）有疏水的壓力容器。針對壓縮空氣罐這種壓力容器，完全室內布置不符合安全規程，露天布置僅在疏水處增加保溫，防凍效果不顯著。建議此類設備采用半露天室內布置，將儲氣罐頂部安全放空管露在室外，罐體和底部疏水放置室內，且室內采暖。這樣的布置既可以抗凍防寒，也符合壓力容器安全規程。

（2）水管道。水管道室外布置在允許的情況下建議采取埋地布置，這樣可以減少大量的保溫和伴熱費用；但埋地深度必須深于凍土層深度。

土在凍結時體積增大的現象稱為土的凍脹。凍脹的原因有二：(a)由于土中水在變成冰時，體積增大，但這不是主要原因；(b)由于凍結過程中土中水分轉移和重新分布，形成冰夾層使體積增大，這是凍脹的主要原因。土凍脹的大小，決定于當地氣溫、土的類別、凍前含水量與地下水位等因素，具體由地質專業根據項目的實際情況提供。管道埋地深度若淺于凍深，在底部將會產生法向凍脹力，融化時，凍脹力又會消失，如此反復會產生應力，損壞管道。因此，在寒冷地區，埋地管道的深度必須要深于凍土層深度。

（3）油系統。A.油管道。如果主管道輸送的介質常溫下易凝結，采用保溫的方法不能解決，埋地也不符合安全規程，就要鋪設一條加熱副管道與主管道伴行給主管道加熱，以保證主管道能正常運行，這種抗凍的方式就是伴熱。伴熱的介質可以是蒸汽或熱水、和電伴熱。

由于電伴熱的初步投資較高，為了降低初投資，也可選用蒸汽伴熱。若被伴熱管道長度超過最大允許有效伴熱長度，則伴熱管可終止并排入疏水閥，另提供新的供汽管，以使伴熱管得到延續。伴熱管道的典型設計詳見圖1。

3 汽、水、油、空氣等系統的抗凍防寒措施

（1）蒸汽管道。蒸汽排汽管道一般需伸出廠房外對空排汽，北方電廠普遍存在排汽口附近積冰問題，尤以擴容器排汽最為嚴重。這是由于排汽為飽和蒸汽或濕蒸汽，蒸汽中水分含量較高，在冬季低溫下，100℃的飽和蒸汽噴出來后碰到冷的墻面迅速凝結成水進而結成冰。為解決排汽管結冰問題，宜在排汽管路上增加二次擴容器或汽水分離器，盡量減少排汽中水含量，其中以二次擴容方案系統簡單成熟，使用較多。在二次擴容箱頂端設置霧化噴嘴，擴容箱內部用多孔鋼板分隔出一個汽水分離小室，經噴水減溫后疏水自箱底排出，蒸汽經孔板進入小室進一步擴容分離，最后由小室上方排汽口排往廠房外。由此室外排出的蒸汽溫度降低，排量減少，同時將室外的排汽管設置保溫層，排汽口離墻面距離拉長，可避免大量蒸汽在排汽口及墻面結冰。

此外，機組啟動后油系統的循環伺服也是抗凍的有效措施；油系統停止循環后需立即放空油管道，這些都可以有效預防管道結凍。

B.油罐。油罐是全廠貯存來油供機組啟動和助燃的設備。在嚴寒地區，僅靠油罐保溫還不能滿足抗凍的要求，在油罐內部安裝局部加熱器是防寒抗凍的必要手段。

根據加熱器加熱介質的不同，可以分為電加熱器和蒸汽加熱器。如機組啟動前沒有其它來源的啟動蒸汽，需要在其中一座油罐中安裝一套電加熱器，待機組啟動產生輔助蒸汽后，可切換運行成本較低的蒸汽加熱器。

（4）煙風系統。為了防止鍋爐尾部低溫腐蝕，鍋爐廠會對冷風的進風溫度提出一定的要求，該溫度主要取決于煙氣中SO2的含量對應的煙氣酸露點溫度。為了保證尾部煙道運行的安全性，嚴寒地區的冷一次風和冷二次風需安裝暖風器，以保證合理的進風溫度。

在布置允許的情況下，暖風器盡量采用高位水平段布置，輔助蒸汽作為暖風器汽源，從節約水量和熱量的角度考慮，疏水進入疏水罐后可由疏水泵打回到除氧器回收。設計時應注意，暖風器應高位布置便于暖風器疏水進入疏水箱，疏水泵應布置比疏水箱低。

4 大截面煙風道與設備抗風設計優化

有些嚴寒地區的風壓甚至超過海邊電廠的臺風工況，因此對于大型截面煙風道在嚴寒地區的抗風設計是非常重要也是必要的。以下總結了幾點該方面的設計要點：

（1）核算支吊架強度。常規工程設計，我們僅考慮管道及運行工況下產生的荷載，但對于風荷載比較大的地區，還有必要核算支架的強度，核算支架強度的核心在于非標支架鋼板之間的焊縫強度。

（2）支吊架形式的設定。大型截面煙風道抗風設計除了增大固定支架的設計強度以外，合理設置支吊架形式也是有效的手段之一。對于水平煙道，除了設置固定支架外，應盡量多設置導向支架。導向支架除了有穩固管系的作用外，還可以分攤煙風截面上的風荷載，減少單個固定支架水平方向上應力。

5 室外管道及支吊架材質選擇

不同種類的鋼材對應不同的適用溫度，應根據介質的設計溫度及環境計算溫度正確選擇鋼種。

鋼材在低溫條件下存在冷脆特性，在低溫條件下使用時對鋼材的性能有附加要求。對于輸送介質的管道來說，應按照介質的設計溫度選取管道材料。而支吊架等承重結構的環境計算溫度可以按氣象資料確定，也可以按《采暖通風和空氣調節設計規范》中規范的“冬季空氣調節室外計算溫度”確定，對采暖房屋內的結構可按規定提高10℃采用。

6 小結

文章針對嚴寒地區的氣候特點，深入研究了抗風防凍的關鍵技術，對北方電廠的設計方面有著重要的指導意義。主要關鍵技術與創新點如下：

（1）針對嚴寒地區電廠設備室內室外布置方式進行優選，推薦鍋爐主機采用緊身封閉的封閉結構，風機、啟動鍋爐等重要輔機采用室內布置，壓縮空氣儲氣罐等壓力容器采用半露天布置，這些措施不僅減少了大量保溫材料，且達到了有效顯著的防風抗凍效果，檢修和人員作業的環境也大大改善。

（2）汽、水、油、空氣等系統的抗凍防寒措施。寒冷地區的電廠應關注連續排汽在側墻積冰問題，排汽口應遠離墻面且設置保溫，排汽前盡量擴容減溫；水管道采用室外埋地，并深于凍土層；油罐及油管道均采用伴熱措施，并且保證油循環伺服；冷風道安裝暖風器，保證安全合理的進風溫度，避免空預器低溫腐蝕及堵灰。對于管架上布置水或者蒸汽管道，均應設置放水點，長期不用時，應將管內介質排干凈。

（3）大截面煙風道與設備抗風設計優化支吊架設計除考慮管道荷載計算，應對風載進行焊縫強度校核；優化支架形式，多設導向支架分攤固定支架處的風荷載應力。

（4）室外管道及支吊架材質選擇。管道和支吊架均綜合考慮介質和環境溫度的影響，選取管道材料。