(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013)

0 引 言

經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，直接空冷機組已成為我國北方富煤缺水地區(qū)火力發(fā)電廠的主力機型[1]。國內(nèi)大量在運的直接空冷機組，普遍存在各種運行問題，例如：機組最佳運行背壓難以確定；冬季運行時防凍壓力大，空冷風機運行方式不合理；機組真空系統(tǒng)嚴密性較差；空冷系統(tǒng)翅片管清洗頻次不合理；噴霧增濕系統(tǒng)缺乏運行指導等[2-4]?？绽渖崞髦苯釉诖髿猸h(huán)境中工作，由于冬季采暖負荷增加，需要冷卻的蒸汽流量變少，此時風機處于接近停機狀態(tài)，空冷平臺的溫度分布及其不均，容易造成停機事故的發(fā)生。散熱器表面的污垢增大了散熱器冷卻空氣流通阻力，使冷卻風量減小，并增加了換熱熱阻使傳熱性能下降。最終汽輪機的排汽壓力升高，機組運行經(jīng)濟性下降?？绽湎到y(tǒng)性能下降使機組運行經(jīng)濟性下降二者之間存在優(yōu)化選擇。散熱器清洗應根據(jù)空冷凝汽器翅片管束外表面的臟污程度和周圍的環(huán)境狀況，決定清洗次數(shù)?？绽湎到y(tǒng)形成熱回流，使機組背壓產(chǎn)生波動。不僅會影響空冷機組的經(jīng)濟性，嚴重時也會引起機組停機。春秋季節(jié)如果根據(jù)地區(qū)自然風向規(guī)律，調(diào)整風機運行可以起到維持相同背壓時降低風機電耗的目的。夏季時則有必要對熱回流進行預警。直接空冷系統(tǒng)春、夏、秋、冬運行工況變化很大，且北方地區(qū)冬、夏兩季環(huán)境溫度差高達70 ℃，為了防止冷卻器凍損事故，冬季大部分電廠人為將機組排汽背壓控制在18～20 kPa，排汽溫度高達60 ℃左右，使機組熱耗和煤耗大幅增加，嚴重影響了全廠運行經(jīng)濟性[5]。因此，如何在保證安全防凍的前提下，提高冬季直接空冷系統(tǒng)的冷卻效果，成為亟待解決的問題。

1 空冷機組凍結(jié)成因

1.1 環(huán)境溫度過低

在通風量一定的情況下，空冷凝汽器的散熱量主要由環(huán)境溫度決定。實際運行中，空氣經(jīng)過風機后通過翅片間隙，帶走母管內(nèi)蒸汽凝結(jié)釋放的熱量。使得管束內(nèi)蒸汽和翅片管外的冷空氣進行對流換熱。當冬季環(huán)境溫度較低時，單位質(zhì)量空氣的冷卻能力增加，蒸汽可能在下降管上半部分已經(jīng)冷凝，下半部分則完全是冷凝水。當凝結(jié)水向下流動時，會繼續(xù)被管外空氣冷卻，導致凝結(jié)水過冷度增加。翅片管中冷凝水可能會發(fā)生凍結(jié)，導致蒸汽在管束中停滯。此外，由于冷凝水溫度較低，下聯(lián)箱也可能出現(xiàn)凍結(jié)。管內(nèi)蒸汽流動如圖1所示。

1.2 蒸汽流量分配不均

空冷凝汽器運行過程中會出現(xiàn)熱、汽流量分布不均的現(xiàn)象。從理論上講，汽輪機排汽應該均勻分布到各個管束。但由于設計、制造、安裝、風冷風機運行方式、環(huán)境溫度、風速等因素的影響，導致蒸汽流量分布出現(xiàn)不均。特別是在機組低負荷運行時，流量偏差可達5%[6]。隨著進入空冷島的蒸汽流量的減小，蒸汽流量分配逐漸增大。在機組低負荷運行期間，單個冷卻單元分配的蒸汽量將遠遠低于設計值。因此，冬季低負荷運行時應特別考慮冷熱不均和流量不均引起的冷卻管束表面溫度偏差。

1.3 不凝性氣體

不凝性氣體積聚是空冷系統(tǒng)翅片管內(nèi)冷凝水凍結(jié)的主要內(nèi)在原因。翅片管內(nèi)不凝氣體的密度一般高于蒸汽，但是其傳熱系數(shù)較低。如果空冷凝汽器內(nèi)有不凝氣體，會影響管內(nèi)蒸汽流量，導致單個翅片管內(nèi)蒸汽流量和管壁溫度降低，使凝結(jié)水溫度過低時出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。因此，空冷機組不凝性氣體的聚集區(qū)往往會形成冰點，冰點的分布如圖2所示。冰點主要位置為：翅片管冷凝端、上下游管束相鄰部位、翅片管與下集箱焊接部位?？諝饴┤肫麄?cè)后會造成局部阻力增加，使蒸汽不再流動，易造成結(jié)冰現(xiàn)象。

1.4 真空泄露

直接空冷系統(tǒng)排氣管直徑大，焊縫長，接頭多，密封困難，因此施工難度較大。整個真空系統(tǒng)體積大，因此容易出現(xiàn)真空泄漏。翅片結(jié)構(gòu)復雜，數(shù)量多，翅片與母管的連接過程也較為復雜，如果在運輸或安裝過程中，翅片與母管的連接因變形而損壞，也會發(fā)生泄漏。隔離閥和膨脹節(jié)密封性不良也是導致真空泄漏的主要原因[7-8]。這些真空漏點在嚴寒環(huán)境下容易導致管道結(jié)冰。

2 冷端溫度監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要有4部分組成，包括：數(shù)字式溫度傳感器，智慧前端采集器，數(shù)據(jù)傳輸及處理服務器，DCS優(yōu)化控制模塊，如圖3所示。系統(tǒng)的工作原理如下：數(shù)字式溫度傳感器實時監(jiān)測空冷散熱器的各項溫度參數(shù)，由智慧前端采集器將這些參數(shù)匯集，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸及處理服務器傳輸，最終傳給DCS優(yōu)化控制模塊，由DCS優(yōu)化控制模塊判斷空冷島內(nèi)部是否出現(xiàn)運行問題，并給出最佳解決方案。例如：系統(tǒng)由數(shù)字式溫度傳感器實時監(jiān)測散熱管束溫度，由智慧前端采集器采集空冷島四周的風速風向氣壓等參數(shù)，再將數(shù)字式溫度傳感器和智慧前端采集器測量的數(shù)據(jù)參數(shù)由數(shù)據(jù)傳輸及處理服務器裝置傳輸?shù)紻CS優(yōu)化控制模塊中，由DCS優(yōu)化控制模塊判斷空冷島四周是否出現(xiàn)熱風回流現(xiàn)象等各種問題的發(fā)生，并給出最優(yōu)處理措施。另外，該系統(tǒng)還可通過在空冷島內(nèi)布置溫濕度測點，實現(xiàn)空冷島噴霧增濕系統(tǒng)的實時在線控制和優(yōu)化。通過在散熱器空氣進出口側(cè)布置風速儀，在線監(jiān)測散熱器積灰狀態(tài)。

2.2 測溫電纜

本系統(tǒng)中，溫度傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器，其溫度測量范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃,溫度傳感器采用電纜方式封裝，具有防水功能，可全天候使用，并不影響測量精度和靈敏度。內(nèi)部根據(jù)需要特定距離集成測溫傳感器，測溫電纜采用工業(yè)級橡膠制作，耐低溫，防腐蝕，耐高壓，內(nèi)部含有一根高強度的鋼絲，防止測溫線纜的斷裂。測溫電纜安裝方案如圖4所示。由于空冷島的外部環(huán)境條件不同，內(nèi)部流動又分逆流與順流，從理論研究與實際運行經(jīng)濟看，各個單元的可能結(jié)冰情況不一樣，通常逆流單元比順流單元更容易結(jié)冰，邊緣處的單元比內(nèi)部單元更容易結(jié)冰。積累歷史數(shù)據(jù)后可做適當調(diào)整，保留關(guān)鍵區(qū)域測點密度，適當降低次要區(qū)域測點密度。

3 防凍措施

3.1 設計時的防凍措施

常規(guī)的防凍設計措施是采用大直徑扁管蛇形翅片單排管、采用合理的順逆流比、設置自動控制裝置、擋風墻、擋風網(wǎng)、動真空隔離閥、變頻風機等。大直徑的單排管使空冷單元的蒸汽側(cè)壓力降低，有助于蒸汽的汽液分離和防凍；采用合理的順逆流比，適當增加空冷機組逆流區(qū)域的冷卻面積，可有效防凍；機組冬季運行時，設置相關(guān)的防凍自動控制裝置；環(huán)境風較大的地區(qū)，可設置擋風墻或擋風網(wǎng)，避免環(huán)境風直接吹響凝汽器，造成凝水管兩側(cè)溫差過大；設置電動真空隔離閥，當機組冬季低溫啟動時，關(guān)閉部分空冷單元，從而避免凝結(jié)水過冷；采用變頻風機，根據(jù)空冷機組熱負荷，自動調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速，防止凝結(jié)水溫過低而凍結(jié)[9]。

特殊的防凍設計措施包括：合理地選擇散熱器翅片管束長度、臨時封閉等。合理地選擇散熱器翅片管束長度?？s短排汽的冷卻路徑，可相應降低散熱器管束內(nèi)的蒸汽流速，保證空冷機組的正常運行。同時還可與真空隔離閥配合使用，關(guān)閉真空隔離閥，調(diào)節(jié)排汽量和空冷機組的冷卻性能。極嚴寒時期臨時封閉措施。根據(jù)實際運行的歷史數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析，確定冬季空冷單元易凍區(qū)域。易凍區(qū)域的部門風機出口設置掛鉤。當空冷機組處于低熱負荷或環(huán)境溫度過低時，封蓋部分風機的出風口，減弱風機的冷卻能力，保證易凍區(qū)域的安全運行。此外，還可對空冷管束開展冷凍試驗。通過對空冷管束進行現(xiàn)場冷凍試驗，獲得環(huán)境溫度、進汽量、排汽量、排氣溫度等因素與散熱器凍結(jié)現(xiàn)象的關(guān)系，為機組的安全經(jīng)濟運行提供運行依據(jù)。

3.2 正常運行時的防護措施

當機組正常運行時，盡量保證運行初期的機組背壓高于15 kPa；當凝結(jié)水溫度過低時，應適當減小風機的轉(zhuǎn)速，或使部分風機停運，實際情況需要時還可進行定期手動回暖；當某列空冷機組逆流區(qū)的抽空氣溫度低于20 ℃時，應考慮使該列逆流風機反轉(zhuǎn)運行；保證各列散熱器區(qū)域的溫度差不高于5 ℃；為了避免凝集水管凍結(jié)，應加強監(jiān)測排氣裝置的水位和補水量，以及真空抽氣口的溫度變化；正常運行時，盡量保證同列風機中的運轉(zhuǎn)頻率相同；加強電廠和電網(wǎng)的調(diào)度溝通，協(xié)調(diào)好汽輪機負荷和空冷機組的最低熱負荷之間的關(guān)系。

3.3 啟動時的防護措施

當機組冬季啟動時，應在一天中氣溫最高時進行；若啟動時的環(huán)境低于2 ℃，應使伴熱裝置等提前運行，并開啟逆流區(qū)的抽空氣閥；應保證空冷機組的蒸汽進汽量大于機組的最小防凍流量；在鍋爐點火的初期，當背壓低于30 kPa時，應嚴格控制疏水進入，并注意排氣缸的溫度變化；時刻關(guān)注凝結(jié)水及抽空氣管的溫度走勢；投入新的空冷單元運行時，應保證以投入的空冷單元的凝結(jié)水溫度高于45 ℃；由機組負荷變化確定風機啟動時間和蒸汽流量的分配，逆流區(qū)的風機在機組初啟動時不可逆轉(zhuǎn)[10]。

3.4 停機時的防護措施

當機組冬季停機時，應在一天中氣溫最高時進行；盡可能的縮短空冷機組的滑停時間，使機組在高負荷的時候也可打閘停機；應時刻保證空冷機組的最小防凍流量，當機組處于低負荷時，可根據(jù)實際情況投入機組的旁路系統(tǒng)；為了避免蒸汽流入空冷排氣設備，應使疏水直接匯入鍋爐疏水箱，并關(guān)閉直接空冷機組的近汽蝶閥；進行切低速、停風機的操作時，應保證凝結(jié)水溫度不低于45 ℃；為了防止疏水閥不嚴，造成低壓排汽缸的排氣溫度過高，應使凝結(jié)水泵不間斷運行6～8 h，至排汽室的溫度低于50 ℃為止；機組跳閘時，如果空冷機組暫時不能啟動，則以正常停機的情況進行處理。

4 結(jié)束語

如何在保證安全防凍的前題下，提高空冷系統(tǒng)的冷卻效果至關(guān)重要。散熱器易凍問題一直是空冷機組冬季運行過程中，影響機組效率的主要問題。文中通過分析空冷機組出現(xiàn)凍結(jié)的成因，設計了冷端溫度監(jiān)測系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出了空冷機組設計、運行、啟停等各個階段的防凍措施，有效地避免機組凍冰現(xiàn)象的產(chǎn)生。為了保證直接空冷機組的安全經(jīng)濟運行，還需要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行不斷調(diào)整的完善，減少設備故障，增加企業(yè)效益。