直接空冷機組冬季運行的防凍要點

任亮

(華電新疆發電有限公司昌吉熱電廠，新疆 昌吉 831100)

0 引言

直接空冷機組因其明顯的節水效果而廣泛應用，但也存在一些固有的缺點，如受外界環境的影響較大，冬季啟停、低負荷運行防凍問題十分突出。某典型330 MW直接空冷島機組，冬季平均氣溫達到-18 ℃，最低氣溫可到-37 ℃。作為熱電聯產機組，供熱面積達到1 500多萬m2，供熱抽汽量基本達到額定抽汽量，給空冷島防凍造成較大壓力，空冷島運行調整更為重要和迫切。

1 空冷概述

空冷凝汽器一般采用順流管束和逆流管束串聯的方法，稱之為K/D結構。直接空冷凝汽器采用適當的順逆流比例配置，能有效防止蒸汽過冷卻以及凝結水結冰，避免空冷凝汽器凍結，該廠采用K/D比為3 ∶2?？绽淠鳛闄E圓大直徑釬焊鋁蛇形單排翅片管束。1個主排汽管道和6個蒸汽分配管道，設計6列凝汽器，每列凝汽器包括5個冷凝單元。每列包括3個順流單元和2個混合單元。在混合單元的逆流區域頂部設計了抽真空管道，及時抽走管束中產生的不凝結氣體，使蒸汽可以順利凝結。每個冷凝單元配一套通風系統，包括風機、減速機、電機、變頻器及其他輔助裝置和監測儀表。根據投退列順序，規定了臨近主排汽管道為10列、20列，左右交替依次命名。

2 凍結機理

水結冰條件是溫度降到0 ℃以下,成為過冷水,當過冷水中出現尺寸大于臨界尺寸的冰核時,結冰過程開始,冰核在過冷水中長大,最終成為宏觀意義上的冰[1]。防止水結冰，可以提高水的溫度防止過冷，或者減少水中的冰核。空冷凝汽器是通過翅片管與管外空氣進行換熱凝結的，當管外空氣冷卻能力大于管內蒸汽凝結成水釋放的熱量時，蒸汽就會在管束內沿管壁提前凝結為水，繼續向下流動出現結冰現象，尤其是向風機側，更容易過冷而結冰。如圖1所示，凝結水沿向風側管壁向下流動，流動過程中任意一點溫度低于0 ℃就會結冰，發生在中間就會堵塞流道，導致翅片管束發生凍結。當管束結冰后，蒸汽流道會越來越窄，管束內蒸汽流速降低，甚至斷流，引發大面積結冰。蒸汽凝結水中產生不凝結氣體，而龐大的空冷系統又極易吸入空氣，形成冰核，加劇翅片管結冰現象。

圖1 凝結原理

根據橢圓大直徑單排翅片管設計特點，當管束內發生凍結時橢圓翅片管會發生變形，“S”形可以在化冰后逐漸恢復，但對于鈍角或直角變形，管束將無法恢復。在機組投運初期因為經驗不足，又遇極寒-36 ℃天氣，該廠一臺機組空冷島發生變形，因及時采取措施，未造成管束凍裂影響真空。圖2分別為“S”和鈍角變形情況，鈍角變形已成為永久性變形，給運行帶來安全隱患。因此冬季運行人員如何對空冷島進行調整顯得尤為重要。

圖2 空冷翅片管束凍結

3 防凍方法

3.1 提高真空嚴密性

避免逆流管束中大量聚集不可凝氣體。當真空系統泄露的空氣量與抽真空系統的容量失衡時，便出現不可凝氣體的聚集，造成冷卻能力下降，導致管束流道堵塞，形成“氣塞”，容易導致管束凍結[2]。應定期做空冷島的真空嚴密性試驗，確保真空系統維持穩定。一般真空下降≤100 Pa/min為合格，真空下降不合格時，應對整個空冷系統進行排查及時發現泄漏點。通過多啟動1臺真空泵運行的方法，可及時抽走系統中的不凝結氣體，提高蒸汽流動速度。抽真空能力提升后，各列抽汽口處溫度明顯改善，逆流區域溫度明顯上升。另外，通過監視真空泵電流也可以及時發現真空是否良好，電流的明顯上升說明真空系統存在泄漏，應及時查找消除。

3.2 減少翅片散熱量

空冷島設計有最小防凍流量，就是確保在此蒸汽流量下翅片不凍結。冬季為電網用電低谷季節，電負荷較低，但熱負荷卻較大，為了保證供熱溫度滿足要求，必須提高機組抽汽量，導致進入空冷島的蒸汽量小于最小防凍流量。為此，可以通過減少空冷凝汽器散熱量，集中凝汽器熱量提高防凍能力。

一方面采用降低空冷風機頻率或者停運風機，甚至反轉逆流區域的風機，使順流凝汽器出口熱風再次流入逆流凝汽器空氣入口，通過氣流回暖措施預防冰凍。處于風口的空冷凝汽器，可在冷卻單元小室的風機風筒中加蓋棉簾、敷設擋風板或設置卷簾減少冷空氣的進入。

另一方面可以通過隔離空冷島某些列，將熱量集中在投運的凝汽器。在風機全部停止仍無法保證空冷島運行安全時，就要考慮逐漸對空冷島凝汽器進行隔離。按照先遠后近原則，優先隔離最兩側凝汽器60列或50列，并要求先隔離處于風口側的凝汽器，后隔離背風側，或同時對兩列進行隔離。但因注意隔離應徹底，進汽閥、凝結水閥、抽真空閥應關閉嚴密。隔離后應確保管束不進汽，輕微的進汽對翅片危害是巨大的，會引起管束凍結破裂。隔離后，應及時對下側的凝結水箱進行放空操作，排盡凝結水箱中積存的水，防止管道凍裂。該廠凝結水管道設計初期未加裝放水門，導致隔離后凝結水集箱發生凍結膨脹，保溫包裹的凝結水管道凍結開裂未及時發現，投運中因化冰導致空氣從管道裂縫漏入，機組掉真空，及時采取措施才未引起事故。因此，空冷凝汽器隔離后，應對其進行檢查，做好備用。需要注意的是，凝結水管道放空操作后，空氣的進入會對翅片形成一定腐蝕，建議條件許可時進行惰性氣體保護或再次抽真空后隔絕，減少翅片內部腐蝕。如圖3所示，隔離列因存水未排盡發生凝結水集箱膨脹、凝結水管道凍裂現象。

圖3 凍裂現場

3.3 提高機組背壓

機組在一定負荷情況下，運行背壓越高，則排汽溫度越高、排汽量越大，汽熱量也越大，有利于防凍。但是背壓的提升影響機組的經濟性，為了空冷島凝汽器安全，適當提高運行背壓是非常必要的(但需有一定限度)。背壓的選擇應綜合考慮安全性、經濟性。冬季運行背壓可適當提高2～5 kPa。

需要指出，空冷機組背壓的變化總是相對滯后的，系統調節存在一定的慣性，不是最優的調節方式。綜合空冷系統熱經濟性，可適當降低背壓，采用其他調節方式，預防空冷凝汽器翅片結冰。

3.4 控制過冷度

凝結水過冷度一般定義為凝汽器壓力下的飽和溫度與凝結水溫度的差值。直接空冷機組凝結水過冷度不同于濕冷機組，空冷機組過冷度一般是排汽管道壓力對應的飽和溫度與空冷島凝結水總管溫度的差值。過冷度大，說明凝結水有過冷現象，有冰凍可能。經現場檢查，過冷度大于10 ℃，可以就地聽到翅片管中結冰顆?？焖倩^翅片的聲音，凝結水集箱中有冰與管道中凝結水撞擊的異音，此時應提高機組背壓，降低過冷度，防止結冰。一般控制過冷度在3～5 ℃之間。

3.5 加強就地測溫

遠程紅外成像技術的應用減少了運行人員對空冷島的就地檢查，但紅外成像儀有一定局限性，存在一定盲區。目前直接空冷系統設計的溫度測點數量少，僅用控制系統(DCS)上的數據不能及時發現空冷凝汽器散熱管束的受凍情況。如果局部發生凍結，此凍結點還不在測點范圍內，任其發展下去就會結冰，因此對空冷島各翅片的就地測量應予以重視。在運行中發現，DCS上各參數顯示正常，但就地測量會有個別翅片或連續的翅片管存在低于0 ℃的現象，在凝汽器單元小室內會發現向風側的翅片有掛霜現象，但兩列之間的背風側無此現象，沿各列凝結水集箱測量溫度發現溫度存在一定偏差，這說明空冷島存在熱量分配不均現象。其主要表現有3種：(1)蒸汽分配管到各列凝汽器距離不同，阻力不同，熱力和流量不均造成每列存在溫差；(2)每列冷卻單元管束表面左右側由于熱力和流量不均造成溫差；(3)同一列前后冷卻單元由于熱力和流量不同造成的溫差。這3種偏差原因與設計、制造、安裝工藝、翅片臟污程度有關[3]，調整中可根據溫度偏差情況，進行各個冷卻單元風機頻率的微調。同一列風機頻率應前低后高，促使蒸汽更多地向末級冷卻單元流動，相鄰兩列根據抽氣、凝結水溫度，降低溫度偏低的一列，促使該列盡快回暖。需要指出，最高與最低風機頻率偏差不能大于10 Hz，減少個別冷卻單元因過冷發生凍結危險。通過人為調整促使熱量均勻分配，優化空冷島運行方式，達到防凍要求。

4 結束語

直接空冷機組由于受制于氣象條件，又與電網調峰要求存在一定矛盾，因此運行人員對空冷系統的調整尤為重要。通過上述調整，有效提高了空冷島的防凍能力，與此同時，能夠為同類型機組的安全生產提供良好的借鑒作用。