直接空冷散熱器冬季凍結原因分析及對策

武辛宇，韓國強，孔凡榮

（1.山西西山熱電有限責任公司，山西 太原 030022；2.國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001;3.山西平朔煤矸石發電有限責任公司，山西 朔州 036800）

0 引言

近年來，直接空冷系統在我國北方地區得到了廣泛的應用。但空冷散熱器在冬季運行時容易出現凍結現象，嚴重時會使管束變形或管路凍裂。當受損嚴重無法進行維修而廢棄時，只能在管束上下兩端進行嚴密封堵處理以防止漏空，這就減小了有效散熱面積，造成空冷性能的下降。如果更換整列管束，成本高昂。所以冬季空冷的防凍問題顯得非常重要[1-3]。

1 機組現況

山西西山熱電有限責任公司裝設了3臺上海汽輪機廠生產的C50-8.83/0.294型空冷單抽凝汽式汽輪機。每單臺機組空冷散熱器共由3列組成，共有72排管束和12臺風機。其中54排管束為順流散熱器，18排管束為逆流散熱器。每列第1、3、4組為順流區，第2組為逆流區。2005年投產以來擔負著西山地區400萬m2的供熱任務。為了滿足逐年增加的供熱需求，公司于2011年進行了余熱回收利用改造，新增了3臺熱泵機組。改造后，每臺機空冷系統冬季需隔離的列由1列變為2列，凍結的風險大增。

2 空冷凍結事故案例

2.1 3號機空冷凝水匯水管凍裂

2010年3月發現3號機第3列外側空冷凝水匯水管大面積凍裂。第3列空冷因冬季乏汽量不足而進行了隔離，關閉了該列乏汽隔離閥，抽真空閥和凝水隔離閥，并用篷布進行了遮蓋。由于抽真空閥存在內漏，使該列管束內存在真空度。而蒸汽隔離閥經過幾年的運行也存在不能嚴密關閉的問題，而導致乏汽漏入該列管束。漏入的乏汽凝結成水后，因凝結水隔離閥關閉而不能流走，集聚在凝水匯水管內，越聚越多，在低溫下發生凍結，導致事故發生。該次事故比較幸運的是，漏入的乏汽量較少，未造成散熱管束凍結的嚴重情況發生。

針對本次事故制訂了防范措施，要求在空冷冬季運行需隔離時，不得關閉凝結水隔離閥。在實際隔離中，因凝水隔離閥全開時，該列凝水管路時有振動，經過試驗，當凝水隔離閥關閉至30%時，不再發生振動。所以在隔離時要求凝結水隔離閥開度保持在20%左右。既能保證凝水及時排走不發生集聚，又能防止凝水管路發生振動。振動原因是抽真空閥關不嚴，對管束內有抽吸力，造成凝水在管內渦動引起振動。

2.2 3號機順流散熱器管束凍裂

2013年1月2日18點，環境溫度-8℃，3號機組進行啟動，啟動過程中，第2列順流管束局部變形凍裂，啟動失敗。啟動過程中空冷風機投入自動運行，第1、3列隔離，只有第2列運行。在升速過程中，進入散熱管的乏汽量不斷增加，真空下降。空冷風機因真空下降自動增加變頻至40%，導致散熱器局部管束過冷發生初期凍結。凍結后造成真空降低，空冷風機又自動增加變頻至45%，形成惡性循環。當運行人員發現凝結水溫度過低準備降低風機轉速時，卻因順流保護動作，順流風機轉速被鎖定，拖延了時間，最終導致事故發生。此次事故，12根管束凍裂，無法修復，被迫廢棄，降低了空冷的性能。針對本次事故制定了防范措施，要求冬季啟動時禁止空冷風機投自動，風機變頻手動調整。風機變頻最高不得超過35%。

3 直接空冷系統冬季運行凍結原因分析

在對空冷系統定期檢修維護過程中，發現每臺機組均有一些散熱器管束發生了局部受凍輕微變形的情況。若不能控制凍結變形，將會使散熱器管束使用壽命大幅降低。通過運行實踐，總結了空冷散熱器凍結原因如下。

3.1 冬季某單元列退出運行時的凍結風險

當某列在冬季隔離后，因空冷系統乏汽隔離閥均為大型蝶閥，隨著使用周期的增加，關閉不嚴密而漏汽的可能性非常大。漏入空冷散熱器的少量蒸汽在散熱器翅片管內凝結成水流動緩慢，在環境溫度極低時，在管路內壁開始結冰。冰層逐漸變厚，導致翅片管束發生變形，嚴重時發生脹裂。

3.2 冬季單元列低乏汽量運行時的凍結風險

進行乏汽冷凝熱回收利用系統改造后，冬季運行期間需要對第1、3列進行隔離。僅剩第2列運行，負荷較低時通過第2列的乏汽量較少，如果對該列進行隔離，則當熱泵突然故障停運時，汽輪機失去冷源，將造成停機事故。所以被迫低乏汽量運行，增大了凍結風險。

3.3 冬季進行汽輪機組啟動造成的空冷凍結風險

當汽輪機組在冬季啟動時，進入空冷散熱器的乏汽量非常少，啟動暖機時間卻很長，這使空冷發生凍結的風險大增。需要采取有效的措施，避免凍結事故的發生。

3.4 環境風力、空氣流場對空冷散熱器管束發生凍結的影響

空冷散熱管路散熱主要依靠空冷變頻風機向上輸送冷風穿過散熱器管束進行冷卻散熱。由軸流風機強制形成的這種空氣流場，暫稱之為強制流場。

空冷風機停運，當空冷散熱器管束內部有乏汽流過時，凝結放出的熱量經管壁傳導至管束外部空氣，空氣受熱后自然上升，下部冷空氣向上進行補充，這樣也形成了一個空氣流場，暫稱之為自然流場。自然流場的強弱受環境風力的影響較大。

強制流場和自然流場的存在使空冷散熱器的熱交換性能得到發揮，但在冬季空冷散熱器乏汽流通量極低的情況下，這兩個空氣流場的存在是散熱器發生凍結的主要推動因素。即使停運風機只有自然通風，在低溫運行時當進入空冷島的乏汽流量最小時，在自然流場的作用下仍能使空冷散熱器管束出現凍結現象。

4 冬季空冷系統運行的防凍措施

4.1 限制和消除空氣流場

強制流場可以通過降低空冷風機轉速或停運的方法進行限制和消除。自然流場的消除有兩種方法：一是對空冷風機的進風通道進行遮蓋或在外部對散熱器管束進行遮蓋來阻斷空氣流場通路；二是讓風機反轉，形成與自然流場空氣流動方向相反的阻力來阻止自然流場的形成。但是風機反轉速度不易過大，否則會形成一個與強制流場方向相反的逆向強制流場。風機的反向轉速要精確測定，并根據環境情況及時調整，使其剛好消除自然流場為最佳。空冷逆流散熱器風機有反轉功能。一般順流散熱器風機沒有反轉功能，需要對電氣系統實施改造來實現風機反轉。

4.2 冬季空冷單元列需隔離退出運行時的防凍措施

冬季某空冷單元列需隔離退出運行時，乏汽隔離閥的嚴密性非常重要，只要能關閉嚴密就不會發生凍結。在入冬前應對乏汽隔離閥的密封墊進行維護或更換，確保關閉嚴密。隔離時該列抽真空閥必須關閉，降低散熱器管束內部真空值，使管內與乏汽主管路形成反向壓差來阻止和降低乏汽漏入量。凝結水閥需有一定開度不能全關，防止乏汽漏入后形成的凝結水不能流走，在管束內集聚發生凍結。在單元列長期隔離時，可以采取遮蓋的方法來消除自然流場，進一步降低凍結風險。

4.3 單元列低乏汽量運行時的防凍措施

冬季運行時某單元列乏汽量過低且必須運行時，需要根據抽真空溫度與凝結水溫度等參數的研判來采取相應措施。運行中一般采取降低風機轉速的方法來減弱強制流場。空冷散熱器運行時最容易發生凍結的是逆流散熱器，逆流風機轉速應低于順流風機。運行中應根據凝結水溫度等參數的變化，適當降低該列風機轉速，必要時可將風機停運。當該列所有風機都停運時就形成了自然流場運行方式。在自然流場運行方式下若抽真空溫度、凝結水溫度與乏汽溫度相差仍較大，這時需要使風機反轉來消除自然流場。

4.4 冬季汽輪機組啟動時的防凍措施

冬季機組啟動時乏汽量非常低，可以采取投入旁路系統的方法來增加乏汽量。沒有旁路系統的機組應設立空冷補氣管路，將少量的低溫低壓蒸汽補入乏汽管路來補充乏汽量的不足。啟動初期只需保留1列散熱單元列運行，其余單元列隔離。并采用自然流場的運行方式。啟動過程中根據參數變化的情況逐步投運風機和其他單元列。

4.5 冬季空冷散熱器凍結初期的解凍措施

當發現空冷散熱器有輕微凍結現象時，若該列或鄰列在運行中，可以將發生凍結處的風機反轉，使熱空氣回流加熱散熱器管束來解凍。若不具備熱風回流的條件，則應立即采取烘烤或接引蒸汽在管束外部加熱解凍。

對于已隔離停運的單元列，如果確定隔離閥關閉不嚴密，在氣象條件允許的情況下，則選環境溫度大于3℃的時間窗口打開抽真空閥、乏汽隔離閥通入乏汽自然加熱解凍。當該列所有散熱器外表面測溫均達到5℃以上時，解凍完成。解凍后重新隔離或不再隔離，根據實際情況決定。

4.6 冬季空冷防凍需要采取的運行措施

冬季運行時可適當降低真空，提高排汽溫度，以犧牲經濟性來降低凍結風險；運行人員對空冷系統的抽真空溫度、凝結水溫度要嚴密監視，并與實地測量結果對照，在參數變化時及時做出運行調整；制定嚴格的巡檢制度，在局部管束有凍結現象時能夠及時發現，采取有效的解凍措施，防止事故擴大。

5 結束語

通過對運行中的一些事故案例進行分析研究，提出了在冬季嚴寒期間啟動和正常運行過程中直接空冷系統運行的防凍措施，實際運行調整后都取得了良好的效果，對同類型機組直接空冷系統的防凍工作有一定的參考意義。