國(guó)建剛，賈 杰，田振宇

（內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，呼和浩特 010020）

0 引言

火力發(fā)電廠直接空冷機(jī)組經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，已成為山西、內(nèi)蒙等富煤少水地區(qū)的主力機(jī)型，單機(jī)容量從幾十兆瓦發(fā)展到現(xiàn)在的1000MW。直接空冷系統(tǒng)以其換熱溫差大、冷凝效果好、占地面積小、投資費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)成為這些地區(qū)新建發(fā)電廠的首選。

但是根據(jù)目前直接空冷機(jī)組的冬季運(yùn)行情況來(lái)看,由于我國(guó)北方冬季寒冷，加上空冷散熱器露天布置，散熱器凍結(jié)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，而空冷散熱器的主要部件都是進(jìn)口部件，給發(fā)電廠帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失?？绽錂C(jī)組防凍問(wèn)題的妥善解決，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，有必要設(shè)計(jì)一種適用于發(fā)電廠直接空冷凝汽器的新型防凍監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 空冷凝汽器進(jìn)/出口空氣溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 溫度監(jiān)測(cè)的必要性

目前空冷機(jī)組監(jiān)測(cè)的排汽壓力、排汽溫度、抽氣溫度、凝結(jié)水溫度等參數(shù)都是蒸汽側(cè)參數(shù)，而對(duì)空冷凝汽器進(jìn)/出口空氣溫度幾乎不作任何監(jiān)控。

空冷凝汽器是把管外空氣和管內(nèi)蒸汽強(qiáng)制對(duì)流換熱，使管內(nèi)蒸汽冷凝的表面式換熱器。根據(jù)傳熱學(xué)理論，管內(nèi)蒸汽凝結(jié)放熱的熱量Qn為

式中：Dn為汽輪機(jī)排汽量；hn為汽輪機(jī)排汽焓；hsn為空冷凝汽器的凝結(jié)水焓。

管外空氣吸收的熱量Qa為

式中：Ga為空氣流量；Cp為空氣定壓熱容；t1為空冷凝汽器出口空氣側(cè)的溫度；t2為空冷凝汽器入口空氣側(cè)的溫度。

換熱平衡時(shí)，有Qn=Qa。各種各樣的換熱器都需要測(cè)量其冷流體和熱流體的進(jìn)/出口溫度，唯有大型空冷系統(tǒng)到目前為止沒(méi)有進(jìn)/出口空氣溫度的測(cè)量。之所以造成這種局面是因?yàn)榭绽湎到y(tǒng)過(guò)于龐大，要想比較全面地測(cè)量空冷系統(tǒng)的空氣溫度，至少需要幾千個(gè)測(cè)點(diǎn)，而用傳統(tǒng)的溫度測(cè)量元件如熱電偶或熱電阻成本太高。所以，采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的測(cè)溫電纜監(jiān)測(cè)直接空冷凝汽器的進(jìn)/出口空氣溫度，是一種新型監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。

1.2 空冷凝汽器溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是以特制的測(cè)溫電纜測(cè)量每個(gè)空冷凝汽器管束進(jìn)/出口空氣溫度。測(cè)溫電纜內(nèi)含智能溫度傳感器，由智能溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳到前置器，然后由前置器通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換后利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)上傳到上位機(jī)或DCS（分散控制系統(tǒng)），由各個(gè)空冷凝汽器管束進(jìn)/出口空氣溫度組成A型塔管束實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)。通過(guò)上位機(jī)或DCS對(duì)實(shí)時(shí)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析和整理，制定出最優(yōu)化的防凍保護(hù)措施方案。直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 空冷凝汽器管束結(jié)構(gòu)對(duì)防凍的影響

2.1 散熱管截面結(jié)構(gòu)對(duì)防凍的影響

空冷凝汽器管束截面有單排管（如圖2所示）、雙排管和三排管3種結(jié)構(gòu)。3種管型結(jié)構(gòu)間的流動(dòng)特性不同，防凍原理也不同。因?yàn)閱闻殴艿拇蟊夤芙孛嫘螤钍菓?yīng)用較多的一種形狀，因此這里以單排管空冷管束的特點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖2 單排管截面結(jié)構(gòu)及汽水分布

冬季管束內(nèi)蒸汽流動(dòng)過(guò)程如圖3所示。順流管束內(nèi)蒸汽和凝結(jié)的水同時(shí)向下流動(dòng)，隨著流動(dòng)進(jìn)程蒸汽越來(lái)越少，而凝結(jié)的水不斷增多。冬季熱負(fù)荷減少而環(huán)境溫度較低時(shí)，由于空氣的冷卻能力較強(qiáng)，進(jìn)入順流管束的蒸汽有可能在上半部分就已經(jīng)凝結(jié)完畢，順流管束下端完全是凝結(jié)完畢后的凝結(jié)水，在空氣冷卻下容易出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)發(fā)生凍結(jié)。

圖3 冬季管束內(nèi)汽水流動(dòng)過(guò)程

逆流管束內(nèi)蒸汽從下端進(jìn)入散熱管，自下而上流動(dòng)，而凝結(jié)的水則從上向下流動(dòng)，蒸汽和凝結(jié)水反向流動(dòng)使得蒸汽可以不斷為凝結(jié)水加熱，管束下端不宜出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象。如果逆流管束內(nèi)的蒸汽在散熱管下半部分就已經(jīng)凝結(jié)完畢，此時(shí)逆流管束的上半部分沒(méi)有蒸汽也沒(méi)有凝結(jié)水，因此也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)冷現(xiàn)象，所以逆流管束內(nèi)不宜結(jié)冰。但由于剩余的不凝氣體中夾帶有蒸汽，逆流上端常出現(xiàn)絮狀結(jié)冰，即雪花形狀的結(jié)冰。絮狀結(jié)冰嚴(yán)重時(shí)也可造成管束堵塞，可以通過(guò)逆流風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)回暖的方式融化，空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了這樣防凍措施。

綜上所述，順流管束的下端比逆流管束更容易結(jié)冰，因此順流管束下端是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，在順流管束下部布置測(cè)點(diǎn)是非常必要的。

2.2 順—逆流結(jié)構(gòu)對(duì)防凍的影響

直接空冷系統(tǒng)的蒸汽先進(jìn)入順流管束（K）而后進(jìn)入逆流管束（D）的設(shè)計(jì)方式稱(chēng)為順—逆流結(jié)構(gòu)，即K/D結(jié)構(gòu)。而之所以采用K/D結(jié)構(gòu)，是為為了在冬季更好地防凍。D與K之間的面積比是根據(jù)不同的防凍要求選擇合適的值。一般越寒冷的地區(qū)逆流比例越大，環(huán)境溫度較高的地區(qū)逆流比例越小。但也不能全部采用逆流管束，因?yàn)槟媪鲄^(qū)面積大，雖然防凍能力強(qiáng)，但是流動(dòng)阻力大，不利于夏季降低背壓，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

一般國(guó)產(chǎn)的300MW機(jī)組選擇的“逆流面積/總面積”的面積比為16%～24%。逆流面積較小使得逆流區(qū)的防凍調(diào)節(jié)能力變?nèi)?，機(jī)組負(fù)荷減小和環(huán)境溫度的降低使得逆流區(qū)的蒸汽迅速減少，機(jī)組負(fù)荷進(jìn)一步減小或者環(huán)境溫度進(jìn)一步降低使得負(fù)溫度區(qū)域迅速蔓延到順流管束的下部，至順流管束下端蒸汽已凝結(jié)完畢，順流管束下端截面的下半部分完全由流動(dòng)的凝結(jié)水構(gòu)成，極容易產(chǎn)生過(guò)冷。而截面的上半部分少量的蒸汽不足以對(duì)凝結(jié)水加熱，所以較小的“逆/順”流面積比使得順流管束下端的防凍任務(wù)變的十分艱巨。僅在逆流區(qū)布著溫度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)是不夠的。如表1所示為機(jī)組1號(hào)列2與3單元（順、逆流單元）的溫度監(jiān)測(cè)。

表1 單排管管束低溫下監(jiān)測(cè)到的順、逆流單元溫度分布

由表1可知，逆流單元下部具有較高的溫度，還有蒸汽，這是因?yàn)槟媪鲉卧虏繀R集了所有順流單元（1，2，4，5單元）管束沒(méi)有凝結(jié)完的蒸汽。但是順流單元（2單元）下部出現(xiàn)負(fù)溫度狀態(tài)，已無(wú)蒸汽，說(shuō)明該順流單元（2單元）熱負(fù)荷較小，蒸汽到達(dá)下部就已經(jīng)凝結(jié)完畢。所以?xún)H僅監(jiān)測(cè)逆流單元管束的狀態(tài)，不能代替順流單元管束下部的狀態(tài)。逆流單元管束下部有蒸汽，并不代表所有順流單元管束下部一定有蒸汽。

3 直接空冷凝汽器溫度監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上防凍原理的分析考慮到逆流管束和順流管束的流動(dòng)情況，主要在A型塔散熱器外側(cè)上、下布置溫度測(cè)點(diǎn)。溫度測(cè)點(diǎn)要有一定的密度，并盡量覆蓋到所有管束，以保證最容易結(jié)冰的區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)安全準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)。

以300MW機(jī)組直接空冷系統(tǒng)為例，機(jī)組A形塔總長(zhǎng)度約56 m，每列A形塔單側(cè)總共由25片管束組成，其中4片逆流管束，21片順流管束，每片管束平均寬度2.24 m。溫度監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)按照0.75～1.12 m的間隔計(jì)算，即保證每片管束橫向分配3或2個(gè)測(cè)點(diǎn)。這樣1列A型塔1排溫度測(cè)點(diǎn)可達(dá)到50～75個(gè)測(cè)點(diǎn)。

每個(gè)A型塔單側(cè)面下排距離管束下端約1.2 m布置1排溫度測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔0.75～1.12 m；從此排溫度測(cè)點(diǎn)向上5 m布置第2排測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 溫度測(cè)點(diǎn)布置示意

單側(cè)面測(cè)點(diǎn)數(shù)量為：每排溫度測(cè)點(diǎn)50～75個(gè)，單側(cè)面布置2排測(cè)點(diǎn)，因此單側(cè)面點(diǎn)數(shù)可達(dá)100～150個(gè)。300MW機(jī)組全部測(cè)點(diǎn)為1200～1800個(gè)。

4 測(cè)點(diǎn)安裝方案

4.1 監(jiān)測(cè)專(zhuān)用線纜的安裝

監(jiān)測(cè)專(zhuān)用線纜固定于空冷散熱器的表面，按照上面設(shè)計(jì)的路徑安裝。先制作安裝配件，采用厚鋁合金板沖壓成型，固定于翅片管的翅片上，然后用卡子將監(jiān)測(cè)專(zhuān)用線纜固定于配件上，如圖5所示。

安裝配件與監(jiān)測(cè)專(zhuān)用線纜均能承受?chē)娝b置沖洗時(shí)的高壓水沖擊力。

圖5 安裝配件

4.2 智能采集器的安裝

每列A型塔使用2～4個(gè)采集器，300MW機(jī)組共需要12～24個(gè)采集器。集中于1個(gè)采集器箱內(nèi)，安裝在A型塔端部擋風(fēng)墻一側(cè)，用支架固定在地板上或直接固定在擋風(fēng)墻上。采集器箱采用不銹鋼材料，采集器箱內(nèi)每個(gè)采集器還有殼體，雙層防護(hù)，滿(mǎn)足防水防塵標(biāo)準(zhǔn)。

從A型塔到采集器用金屬包塑軟管、電纜槽盒等穿線過(guò)渡，采集器與采集器之間的連接使用已有的電纜槽盒。采集器的數(shù)據(jù)通過(guò)空冷島的電纜豎井引到地面，進(jìn)入電子間或主控室。

4.3 系統(tǒng)的安裝及與DCS通信

系統(tǒng)需安裝的設(shè)備包括采集器、通信線、電源線、主機(jī)、電源等。

空冷島上需提供220 V電源，經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成（24 V）安全電源向采集器供電。主控計(jì)算機(jī)可以安放在電子間，所有溫度數(shù)據(jù)可以通過(guò)RS485通信的方式送入到DCS中。也可以將主控計(jì)算機(jī)直接安放到主控室控制臺(tái)，溫度數(shù)據(jù)不進(jìn)入DCS系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能顯示并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、歷史趨勢(shì)，還能滿(mǎn)足許多用戶(hù)特定的需求：

（1）采用不同顏色以區(qū)分負(fù)溫度、低溫和正常溫度，可供運(yùn)行人員直觀地判斷死區(qū)位置；

（2）可計(jì)算順流死區(qū)百分比和逆流充滿(mǎn)度。

5 防凍措施制定

山西、內(nèi)蒙古等地處海拔較高地帶，冬季環(huán)境寒冷，空冷島冬季運(yùn)行容易出現(xiàn)管束過(guò)冷現(xiàn)象，若調(diào)整不及時(shí)將會(huì)發(fā)生管束凍結(jié)而損壞設(shè)備，冬季嚴(yán)寒期需要運(yùn)行人員不間斷巡視、手動(dòng)測(cè)量，造成很大的工作量，所以，冬季運(yùn)行時(shí)空冷凝汽器防凍成為一項(xiàng)重要的安全工作。

空冷凝汽器溫度場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量為空冷冬季防凍帶來(lái)極大的方便，運(yùn)行人員在集中控制室就能了解空冷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)；可以根據(jù)空冷溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，即空冷凝汽器進(jìn)/出口空氣溫度，提前判斷哪組空冷散熱器或空冷散熱器的哪個(gè)部位存在防凍的可能，以便提前采取有針對(duì)性的防凍措施，如空冷風(fēng)機(jī)減速或停轉(zhuǎn)，在風(fēng)機(jī)人口防護(hù)網(wǎng)上用帆布封堵，逆流風(fēng)機(jī)倒轉(zhuǎn)；采用電動(dòng)真空隔絕閥停運(yùn)一列或幾列風(fēng)機(jī)，使運(yùn)行列滿(mǎn)足最低蒸汽量限制的要求；空冷散熱器局部保溫等。

同時(shí)，設(shè)備管理人員也能每天及時(shí)了解空冷機(jī)組的運(yùn)行情況，為冬季防凍、覆蓋等提供有效指導(dǎo)?？绽錅囟葓?chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行，使運(yùn)行人員隨時(shí)都能了解空冷散熱器所處的環(huán)境狀況，為冬季防凍措施的制定提供準(zhǔn)確的依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)發(fā)電廠成功應(yīng)用。例如，2010年10月在山西大唐國(guó)際云岡熱電廠1，2號(hào)直接空冷機(jī)組投運(yùn)；2011年8月在國(guó)電內(nèi)蒙古東勝熱電廠1號(hào)直接空冷機(jī)組投運(yùn)；2011年10月在內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限公司1，2號(hào)直接空冷機(jī)組投運(yùn)等。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行證明，該系統(tǒng)防凍效果明顯，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，受到各發(fā)電廠用戶(hù)的好評(píng)。伴隨著發(fā)電廠直接空冷技術(shù)的發(fā)展，直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

[1]朱大宏，雷平和.600MW直接空冷凝汽器的度夏與防凍能力探討[J].電力建設(shè)，2009，27（9）∶35.

[2]尚立新.直接空冷系統(tǒng)冬季防凍措施研究[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2010（5）∶49-52.