兩機(jī)一塔間冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行

高運(yùn) 于萌萌 袁龍

摘要：以某項(xiàng)目2×350 MW機(jī)組兩機(jī)一塔間冷系統(tǒng)為例，對兩臺(tái)機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行中的循環(huán)水系統(tǒng)單元制運(yùn)行及循環(huán)水系統(tǒng)母管制運(yùn)行進(jìn)行了分析，提出了機(jī)組在夏季運(yùn)行、冬季防凍運(yùn)行中需要注意的事項(xiàng)，為汽輪機(jī)房兩機(jī)一塔間冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理提供了參考。

關(guān)鍵詞：間接空冷;兩機(jī)一塔;單元制運(yùn)行;母管制運(yùn)行

1 系統(tǒng)描述

汽輪機(jī)排汽通過汽輪機(jī)房內(nèi)表面式凝汽器與循環(huán)冷卻水進(jìn)行熱交換，冷凝成凝結(jié)水。循環(huán)水通過管道進(jìn)入自然通風(fēng)冷卻塔的空冷散熱器進(jìn)行散熱冷卻。兩臺(tái)機(jī)組共用一座自然通風(fēng)間冷塔，間接空冷系統(tǒng)的冷卻三角垂直布置在空冷塔進(jìn)風(fēng)口的圓周上。

本文以某項(xiàng)目2×350 MW機(jī)組兩機(jī)一塔間冷系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，全塔空冷散熱器一般分為12個(gè)扇區(qū)，每臺(tái)機(jī)組6個(gè)扇區(qū)。兩臺(tái)機(jī)組扇區(qū)采用間隔布置型式，以保證空冷塔內(nèi)的流場和溫度場均勻。兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制運(yùn)行，循環(huán)水泵位于循環(huán)水熱水側(cè)。每臺(tái)機(jī)組配備2×50%容量的循環(huán)水泵、1條循環(huán)水供水管道、1條循環(huán)水回水管道。

2 兩臺(tái)機(jī)組的聯(lián)合運(yùn)行

2.1 ? ?循環(huán)水系統(tǒng)單元制運(yùn)行

當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)處于單元制運(yùn)行時(shí)，如果兩臺(tái)機(jī)組處于同等負(fù)荷和同等循環(huán)水流量下，兩臺(tái)機(jī)組的水溫一致，空冷塔的自然抽力和通過空冷散熱器的空氣量也會(huì)相近。

如果兩臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷不同，例如1號(hào)機(jī)組的負(fù)荷低于2號(hào)機(jī)組，則2號(hào)機(jī)組的水溫及空冷散熱器出口的空氣溫度會(huì)高于1號(hào)機(jī)組。兩種不同溫度和密度的空氣在塔內(nèi)混合，混合后的空氣密度會(huì)低于2號(hào)機(jī)組空冷器出口的空氣密度。對于2號(hào)機(jī)組而言，空冷塔總的抽力和性能也會(huì)相應(yīng)下降，這對于處于高負(fù)荷運(yùn)行的2號(hào)機(jī)組是不利的（1號(hào)機(jī)組性能會(huì)因此得到提高）。

理論上，減小1號(hào)機(jī)組百葉窗開度，提高1號(hào)機(jī)組水溫和出口空氣溫度（降低1號(hào)機(jī)組性能）可以保持2號(hào)機(jī)組的性能不降低。極限狀況下，1號(hào)機(jī)組停運(yùn)，1號(hào)機(jī)組百葉窗全部關(guān)閉。此時(shí)，空冷塔總空氣流量下降，塔各部分阻力及出口余速損失降低，空冷塔性能和2號(hào)機(jī)組的性能會(huì)因此得到提高。

2.2 ? ?循環(huán)水系統(tǒng)母管制運(yùn)行

當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的熱水和冷水母管上設(shè)置有聯(lián)絡(luò)管道及聯(lián)絡(luò)門時(shí)，打開循環(huán)水母管之間的聯(lián)絡(luò)門，兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)公用制運(yùn)行，即母管制運(yùn)行。

當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)處于母管制運(yùn)行時(shí)，在兩臺(tái)機(jī)組管道阻力特性和循環(huán)泵流量相似的條件下，無論兩臺(tái)機(jī)組的排汽熱負(fù)荷是否一樣，聯(lián)絡(luò)管兩側(cè)壓差都很小，聯(lián)絡(luò)管中的流量會(huì)很小（兩臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水基本沒有混合），對降低高負(fù)荷機(jī)組背壓作用不大。因此，兩臺(tái)機(jī)組是否采用母管制運(yùn)行應(yīng)視情況而定，夏季工況循環(huán)水系統(tǒng)推薦采用單元制運(yùn)行模式。

當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)泵流量不同時(shí)，如果打開機(jī)組間聯(lián)絡(luò)閥門，情況會(huì)發(fā)生變化。假設(shè)1號(hào)機(jī)組循環(huán)泵轉(zhuǎn)速降低，2號(hào)機(jī)組循環(huán)泵組仍然保持高轉(zhuǎn)速。在新的系統(tǒng)阻力平衡點(diǎn)上，總的水量下降，2號(hào)機(jī)組泵組的流量會(huì)增加。2號(hào)機(jī)組泵組出口循環(huán)水通過熱水聯(lián)絡(luò)管流向1號(hào)機(jī)組循環(huán)水管道，再通過冷水母管聯(lián)絡(luò)管分流至兩臺(tái)機(jī)組凝汽器。由此，兩臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水發(fā)生混合，水溫也將混合。兩臺(tái)機(jī)組空冷散熱器的散熱性能會(huì)發(fā)生變化，這種變化量的多少取決于有多少水會(huì)相互混合。

當(dāng)夏季僅單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，主機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)采用母管制運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)一機(jī)帶全塔全部扇區(qū)運(yùn)行，可以將運(yùn)行機(jī)組背壓降低8 kPa以上，對于夏季運(yùn)行機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行意義重大。

循環(huán)水母管制運(yùn)行時(shí)，需要注意在聯(lián)絡(luò)門打開過程中，兩臺(tái)機(jī)組聯(lián)絡(luò)管兩端的壓力差會(huì)使其中一臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水流向另外一臺(tái)機(jī)組，出現(xiàn)一臺(tái)機(jī)組膨脹水箱水位瞬間降低到跳機(jī)低水位，而另外一臺(tái)機(jī)組膨脹水箱出現(xiàn)水位高溢水的現(xiàn)象。為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，兩臺(tái)機(jī)組膨脹水箱間應(yīng)設(shè)置有足夠尺寸的聯(lián)絡(luò)管道及聯(lián)絡(luò)門。循環(huán)水母管聯(lián)絡(luò)門打開前應(yīng)先打開膨脹水箱之間的聯(lián)絡(luò)門，用以平衡兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)的靜壓[1]。

3 機(jī)組的夏季運(yùn)行

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在環(huán)境空氣溫度≥4 ℃條件下時(shí)，我們認(rèn)為機(jī)組處于夏季運(yùn)行工況。

3.1 ? ?夏季運(yùn)行注意事項(xiàng)

機(jī)組夏季運(yùn)行，特別是高溫季節(jié)運(yùn)行，保負(fù)荷是核心目標(biāo)。機(jī)組在夏季運(yùn)行工況下，百葉窗全開，循環(huán)水應(yīng)全流量通過空冷塔。兩臺(tái)機(jī)組應(yīng)盡可能處于相近負(fù)荷下運(yùn)行。如果兩臺(tái)機(jī)組負(fù)荷相差較大，從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度來看，可考慮采用一臺(tái)機(jī)組停用，另一臺(tái)機(jī)組帶全塔扇區(qū)運(yùn)行的方式[2]。

機(jī)組應(yīng)在夏季高溫季節(jié)來臨之前進(jìn)行充分清洗。在夏季高溫季節(jié)，采用噴霧降溫系統(tǒng)可以提高空冷塔性能。但由于耗水量巨大，且由于空氣降溫后會(huì)降低自然通風(fēng)空冷塔的抽力和性能，因此噴霧系統(tǒng)不宜使用在自然通風(fēng)空冷塔上[3]。

3.2 ? ?機(jī)組非高溫季節(jié)運(yùn)行工況分析

以某兩機(jī)一塔項(xiàng)目為例，在不同負(fù)荷條件下，對百葉窗全開維持空冷塔出水溫度在20 ℃的最低環(huán)境溫度進(jìn)行計(jì)算，機(jī)組非高溫季節(jié)運(yùn)行工況如表1所示。空冷塔出水溫度在20 ℃可以保證機(jī)組運(yùn)行在最低的阻塞背壓工況下。

由表1可知：

（1）在工況1阻塞背壓工況條件下，冷卻塔進(jìn)口水溫與出口水溫分別為30.6 ℃與20.0 ℃，假設(shè)此時(shí)凝汽器端差為5 ℃，則對應(yīng)的熱水溫度約為32 ℃，與2.2 ℃環(huán)境氣溫下百葉窗全開所對應(yīng)的最低熱水溫度已經(jīng)非常接近。結(jié)合冬季防凍水溫，機(jī)組能運(yùn)行在阻塞背壓下的溫度區(qū)間非常小[4]。

（2）工況1至工況4為全部扇區(qū)投運(yùn)，循環(huán)水全流量通過空冷塔的工況。從工況1到工況4機(jī)組隨著機(jī)組排汽熱負(fù)荷降低，百葉窗全開對應(yīng)的最低氣溫依次升高。因此在低負(fù)荷下，可以不關(guān)閉百葉窗，通過降低循環(huán)泵流量的方式來控制水溫。在這種條件下，可以通過水泵降速達(dá)到節(jié)約廠用電的目的。

（3）采用大功率變頻調(diào)速循環(huán)水泵將會(huì)增加泵組投資，因此間冷機(jī)組推薦采用雙速循環(huán)水泵，基本可以滿足各種工況要求。

4 機(jī)組冬季防凍運(yùn)行

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在環(huán)境空氣溫度<4 ℃條件下時(shí)，我們認(rèn)為機(jī)組處于冬季運(yùn)行工況。

對于汽輪機(jī)帶冬季采暖抽汽的機(jī)組，采暖季機(jī)組排汽熱負(fù)荷會(huì)急速降低，冬季防凍問題成為影響機(jī)組安全運(yùn)行的重要問題。

在討論機(jī)組冬季防凍問題之前首先需要了解管束凍傷機(jī)理。冬季百葉窗開度減小，塔進(jìn)風(fēng)量降低，空氣溫升非常大，塔內(nèi)散熱器附近的負(fù)壓將會(huì)數(shù)倍于百葉窗全開工況。換熱后的熱空氣不能像夏季運(yùn)行那樣充滿整個(gè)塔的截面，而是沿塔壁面向上流動(dòng)，在塔壁面形成一個(gè)熱空氣薄層。而冷空氣則從塔頂向下流進(jìn)塔內(nèi)部，冷熱空氣在塔內(nèi)部形成循環(huán)。當(dāng)這個(gè)流場處于均勻而穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，間冷散熱器被熱空氣層包裹保護(hù)，不會(huì)發(fā)生凍傷現(xiàn)象。但一旦流場被破壞，冷空氣抵達(dá)塔底部散熱器附近，散熱器就會(huì)被凍傷。因此，維持塔內(nèi)流場均勻，對于間冷散熱器的防凍有著重要意義。

（1）可靠的控制系統(tǒng)是間冷散熱器防凍的最有效保證。采用調(diào)節(jié)型百葉窗執(zhí)行機(jī)構(gòu)，百葉窗開度通過DCS控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與扇區(qū)出水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)環(huán)境氣溫不低于-10 ℃時(shí)，建議扇區(qū)出水溫度為30 ℃;當(dāng)環(huán)境氣溫低于-10 ℃時(shí)，建議扇區(qū)出水溫度為35 ℃;當(dāng)扇區(qū)出水水溫低于18 ℃時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)扇區(qū)排水保護(hù)程序，扇區(qū)退出運(yùn)行。

（2）百葉窗控制以扇區(qū)為單位，每個(gè)扇區(qū)的全部百葉窗統(tǒng)一開度，防止因空氣溫度不均勻造成局部氣流紊亂，增大局部過冷風(fēng)險(xiǎn)。

（3）當(dāng)項(xiàng)目設(shè)置有換熱管壁溫防凍監(jiān)測系統(tǒng)時(shí)，可適當(dāng)降低扇區(qū)出水溫度。當(dāng)環(huán)境氣溫不低于-10 ℃時(shí)，建議扇區(qū)出水溫度不低于28 ℃;當(dāng)環(huán)境氣溫低于-10 ℃時(shí)，建議扇區(qū)出水溫度不低于32 ℃。

（4）對于兩機(jī)一塔間冷系統(tǒng)，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組采用負(fù)荷接近的單元制運(yùn)行或采用母管制運(yùn)行時(shí)，塔內(nèi)空氣流場會(huì)更加穩(wěn)定，有利于提高機(jī)組的整體防凍性能。

（5）當(dāng)非全部扇區(qū)投運(yùn)時(shí)，兩臺(tái)機(jī)組扇區(qū)應(yīng)采用間隔均分投運(yùn)方式，以維持塔內(nèi)溫度場均勻穩(wěn)定。

（6）機(jī)組在低負(fù)荷下或冬季運(yùn)行時(shí)，允許循環(huán)水系統(tǒng)低流量運(yùn)行。應(yīng)采用不少于兩臺(tái)循環(huán)水泵低速運(yùn)行或采用非全部循環(huán)水泵投運(yùn)的母管制運(yùn)行，在降低廠用電的同時(shí)，可以確保當(dāng)有循環(huán)水泵出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)。

（7）合格的循環(huán)水水質(zhì)對機(jī)組冬季防凍有著重要意義。當(dāng)有雜物堵塞換熱管時(shí)，低溫下?lián)Q熱管內(nèi)不流動(dòng)的死水在數(shù)分鐘內(nèi)就會(huì)開始結(jié)冰，最終導(dǎo)致爆管。機(jī)組投運(yùn)前的循環(huán)水管道沖洗和清掃，對于保護(hù)空冷散熱器意義重大。對于兩機(jī)一塔機(jī)組，常規(guī)設(shè)計(jì)為兩機(jī)共用地下水箱，但由于兩臺(tái)機(jī)組并不是同時(shí)投運(yùn)，為防止后投運(yùn)機(jī)組管道沖洗后的臟水混入已投運(yùn)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)，在后續(xù)項(xiàng)目中我們采用了每臺(tái)機(jī)組各設(shè)置一組地下水箱的方式，兩組地下水箱還設(shè)置有電動(dòng)聯(lián)絡(luò)閥，可以通過充水泵將一臺(tái)機(jī)組地下水箱中的多余水輸送至另外一臺(tái)機(jī)組水箱中，達(dá)到節(jié)水目的。

5 結(jié)語

兩機(jī)一塔間冷系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，兩機(jī)一塔間冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)也得到了極大創(chuàng)新。兩臺(tái)機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制運(yùn)行具有良好的效果。機(jī)組在運(yùn)行期間需要注意夏季高溫與冬季低溫對機(jī)組運(yùn)行造成損害。兩機(jī)一塔間冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行研究，對于確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡介：高運(yùn)（1970—），女，北京人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：間接空冷。