間冷塔凍結機理分析及防凍措施研究

文玨， 魏江

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北分公司，西安 710021）

0 引言

三北地區水資源缺乏，新建電廠多采用空冷技術，常見的有兩種，一種是直接空冷系統，一種是間接空冷系統[1-4]。間接空冷系統有中間介質循環水做媒介，能夠使系統保持較高的魯棒性，其背壓較直接空冷系統來說更加穩定，但依舊會受到環境條件較大的影響[5-6]。在極寒地區，冬季氣溫遠低于0℃。圖1為新疆地區某電廠所在縣從2003-2016年間冬季月最低平均氣溫及其出現次數，由圖可以看出，這14年間，此地的平均氣溫最低可達-26℃，遠低于水在大氣壓下的冰點，且間接空冷系統多為翅片式換熱管，使用間冷系統的電廠如果運行不當非常容易發生管束凍結現象。

圖1 新疆某地月平均最低溫度及出現次數

徐冬[7]從進入防凍期前應進行的工作，保護投退的規定，循泵的運行方式，扇區的投切等方面詳細闡述了660 MW間接空冷機組冬季防凍措施。顧紅芳[8]對采用數值方法對某電廠冬季工況下百葉窗對間冷塔散熱情況的影響，僅降低迎風、背風區域的百葉窗開度，反而會惡化其他扇段的運行環境。溫新宇[9]認為中間隔板短路是造成間冷塔循環水管束凍裂主要原因，針對此原因提出了解決方案。邢照凱[10]研究了低溫條件下間冷塔的運行策略。高運[11]分析間接空冷循環水系統的水阻特性，對間接空冷循環水系統的啟動模式和旁路運行模式進行了論述。

雖然間冷塔一周有開度可控的百葉窗，但由于環境溫度過低，負荷變化頻繁導致投切列頻繁、百葉窗縫隙不嚴等原因，間冷塔結凍事件時有發生，嚴重時需要整列更換翅片管束，影響機組正常運行。對于間冷塔冬季防凍的現有研究未能從機理上深入分析并提出具有可行性的系統改進方案，本文通過分析間冷塔凍結原因，提出三種間冷塔防凍解決方案，為機組的安全穩定運行提供可靠參考。

1 冬季間冷塔凍結原因分析

通過歸納分析，可以得到間冷塔凍結原因主要有以下三點：

1.1 凍結原因一

通過水的相圖可以知道大氣壓下水的冰點在0℃，當環境溫度低于0℃時就存在結冰的危險。

1.2 凍結原因二

散熱器鋁翅片管內的水流速較低或靜止。流體在管內流動時在管壁上會形成一定厚度的邊界層。如圖2所示，當換熱管內流體流速過低，特別是當換熱管內雷諾數低于臨界值，流動狀態由湍流變成層流，流體的換熱能力大幅下降，層流邊界層的厚度大于湍流邊界層的厚度，在邊界層內，熱量以熱傳導的方式傳出，根據傅里葉定律，管內外溫差相同時，邊界層越厚，單位時間傳導的熱量就越小，即傳熱速率越慢，單位時間越靠近管內壁的流體吸收的熱量越小，而管外壁的溫度與極低的環境溫度基本一致，遠低于水的冰點。綜上所述，換熱管內流體的雷諾數越小，凍結的危險就越高。最危險的情況是在充放水時，由于流量小且不均勻，結凍的可能性會成倍增加。

1.3 凍結原因三

圖2 流體邊界層

根據張薇[12]的研究結果，當存在側風時，最危險的點在迎風面。當側風風速高于某一值時，背風面散熱器的進風能力受到抑制,而迎風面的散熱器換熱效果顯著增加，如圖3所示。因此，迎風面的換熱管應成為防凍的關注點。

圖3 側風影響下間冷塔的危險點

2 解決方案

根據間冷塔冬季凍結機理分析，結合電廠實際運行狀況，提出三種切實可行的改進方案：循環水多重利用方案、循泵變頻改造方案和防凍預暖系統方案。

2.1 循環水多重利用方案

為確保間冷塔管束內流量達到最小防凍流量，循環水泵全高速方式運行，使間冷塔全扇區運行。間冷塔出塔涼水分為兩部分:一部分進入凝汽器冷凝低壓缸排汽，維持機組真空；另一部分進入開式水系統，與開式水混合，作為部分輔機冷卻水的冷源。開式水回水在進入機力冷卻塔之前分為兩路，一路回間冷塔，一路回機力冷卻塔。如圖4所示。

圖4 循環水多重利用方案示意圖

其優點在于大流量循環水運行可以降低間冷塔冬季結凍的可能性的同時，且能夠充分利用間冷塔涼水冷量，降低開式循環水泵功耗。

表1 某電廠設備參數

以某電廠為例，其設備參數如表1所示。冬季進間冷塔水溫40℃，出水溫度28℃。開式水冷卻塔出水溫度30℃，因此，冬季運行時，間冷塔出水溫度與開式冷卻水塔出水溫度匹配，可以混合供開式水用戶。根據此電廠負荷情況，一般冬季循環水泵僅需兩臺低速運行，凝汽器需要的流量按31 924 m3/h計算，開式冷卻水需要流量為5100 m3/h，開啟兩臺高速循泵后循環水流量可達36 180 m3/h，當滿足了凝汽器需要流量后，還剩4256 m3/h流量可供開式循環水用戶，當開式水用戶需水量不大時，完全可以停止開式水泵的運行，僅以循環水作為開式冷卻水供開式水用戶，節省開式水泵功耗約600 kW。

2.2 循泵變頻改造方案

循環水泵變頻改造。運行時，在環境溫度未達到零下時就開啟固定數目的部分扇區，選擇未在迎風面的扇區開啟，保證即使循環水泵在最低頻率下運行，間冷塔開啟扇區管束內的水流量都高于其最小防凍流量。實際運行時，根據負荷的變化，調整循環水泵頻率，維持機組真空。

計算得到最小防凍流量，以最小防凍高流量作為循環水泵變頻改造后的最低流量，計算需要開啟的扇區數目，選擇背風區的扇區開啟。高負荷時提高凝泵頻率，增加管道內水流速度，提高對流換熱系數，而且可以適當開啟百葉窗開度，降低回水溫度，維持機組真空。

根據1.2節分析，層流狀態的流體比湍流狀態的流體傳熱能力大大下降，因此，最小防凍流量首先要保證管內流體的流動狀態為湍流狀態，根據文獻中記載[13]，圓管內的流體的雷諾數大于2320時即為湍流狀態。某電廠的間冷塔傳熱管束直徑18 mm，環境溫度按0.1℃計算，水的運動黏度為1.79×10-6，密度為999.8 kg/m3，可以計算出，基管內流速需要達到0.23 m/s，則基管內流量需要達到0.058 kg/s，此電廠每個散熱器有480只基管，全扇區有176個冷卻三角，如果只開啟一半的扇區運行，總流量需要達到2470.5 kg/s，即8893.62 t/h。以此電廠為例，冬季流量需要達到8893.62 t/h以上才能有效防止管束凍裂，因此，選擇此流量作為循泵變頻改造的最小流量。根據此電廠實際情況，最小防凍流量小于一臺循泵低速運行時的流量，因此，只需將一臺循泵做變頻改造，節省改造費用的同時有效防凍。

2.3 防凍預暖系統方案

投切扇區時，保證扇區管束溫度在0℃以上。當環境溫度處于比較低的水平，關閉百葉窗對防凍已經不能提供任何幫助時，除了增加電伴熱、百葉窗密封條以外，還可以將電廠其它部分的熱量引入間冷塔管束外側，加熱管束，提高管束溫度，使投切列時即使管束流量較小也不會引起管束結凍。

一種可行的選擇是采用空預器出口熱空氣作為熱源，其溫度能達到300℃，通過增設管路，引入間冷塔冷卻三角，在投切列時提前開啟，加熱冷卻三角，有效防止管束投切列時結凍。神華神東電力有限公司新疆五彩灣發電分公司的預熱工程即采用此思路[14-15]，同時，此系統還能在結凍實際發生時及時融冰，防止結凍進一步惡化。另一種可行的選擇是將過熱蒸汽引入間冷塔冷卻三角，但此方法直接影響了汽輪機的做功能力，調峰機組可作考慮。

3 結論

通過分析間冷塔結凍機理，從提升溫度、提高流量、遠離迎風面三個角度提出三種切實可行的解決方案，并通過實際電廠運行參數驗證了方案的可行性，為高寒地區間冷塔防凍提供有效的指導意見。