楊爽

摘要：大唐克旗煤制氣自備電廠，兩臺100MW抽凝式直接空冷機組，空冷凝汽器為江蘇雙良供貨。文中根據(jù)機組歷年冬季運行經(jīng)驗對直接空冷系統(tǒng)防凍事宜進行總結(jié)、分析，探析了空冷機組冬季運行的防凍措施及注意事項等。

關(guān)鍵詞：直接空冷;冬季運行;防凍。

1.直接空冷凝汽器基本概況

內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司自備電廠（以下簡稱“克旗電廠”），采用7*470t/h高壓、單鍋筒、自然循環(huán)、褐煤鍋爐及2*100MW抽凝式直接空冷機組。

克旗電廠空冷凝汽器為江蘇雙良公司供貨，采用單排橢圓管橢圓翅片結(jié)構(gòu)。每臺機組空冷凝汽器成4列×3排布置，共12個冷卻單元，每個順流冷卻單元由8片管束組成，每個逆流冷卻單元由10片管束組成，逆流單元設(shè)置在每列的第二單元。順、逆流單元迎風(fēng)面面積（單個）均為201.35㎡，迎風(fēng)面流速均為2.38m/s，空冷凝汽器順、逆流單元總散熱面積分別186459m2 、116537m2。選配直徑8.91m 風(fēng)機，全部采用變頻調(diào)速，電機功率132kW，風(fēng)機風(fēng)量479m3/s。

空冷凝汽器設(shè)計主要氣象條件：典型年環(huán)境溫度-33.2℃～37.8℃，年平均汽溫2.8℃，年平均大氣壓90kPa。選取夏季滿發(fā)環(huán)境溫度28℃，外界自然風(fēng)風(fēng)速為3.0m/s。

2.直接空冷系統(tǒng)的流程及原理

空冷凝汽器由“A”屋頂型翅片管排構(gòu)成。每組空冷列包含3個冷卻單元（2個順流單元和1個逆流單元）。空冷平臺下方布置的軸流風(fēng)機強制冷卻空氣流過翅片進行換熱，空冷平臺外圍由擋風(fēng)墻包圍，將熱空氣出口與冷空氣入口分開，阻止熱風(fēng)回流。

機組排汽通過蒸汽分配管進入順流冷凝管束頂部的翅片管束。蒸汽在管束下行過程中被部分冷凝（約80%蒸汽），凝結(jié)水和部分未凝蒸汽通過凝結(jié)水下聯(lián)箱收集，并在重力作用下排入汽輪機排汽裝置，再由凝結(jié)水泵送至除氧器。剩余蒸汽通過與凝結(jié)水下聯(lián)箱底部連接的逆流冷凝管束逆向流動冷凝，不凝氣體在逆流冷凝管束頂部附近匯集，被吸入逆流冷凝管束頂部布置的抽空氣管道，再由真空泵組抽吸并最終排至大氣。

3.直接空冷凝汽器冬季凍結(jié)原因

由于空冷凝汽器散熱面積大，冬季運行尤其機組處于空負(fù)荷或低負(fù)荷時，當(dāng)流量較小的蒸汽進入空冷凝汽器管束后，在由上而下的流動過程中，管束中的蒸汽與外界冷空氣進行熱交換后不斷凝結(jié)，其凝結(jié)水在自身重力的作用下，沿管壁向下流動的過程中，即使將全部風(fēng)機停運，由于環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于水的冰點溫度，導(dǎo)致其過冷度不斷增加，并不斷在冷卻管束的下部凍結(jié)，從而造成冷卻管束內(nèi)的蒸汽發(fā)生滯流，最終使空冷管束凍壞。

另外，機組空冷系統(tǒng)在正常運行中，如果調(diào)整不當(dāng)或負(fù)壓系統(tǒng)泄漏量過大時，在冷卻空氣量過剩的情況下，空冷系統(tǒng)中漏入的過量空氣在管束內(nèi)對熱蒸汽形成阻滯，降低了管束內(nèi)熱蒸汽的流動速度直至形成阻塞，從而導(dǎo)致管束局部過冷，導(dǎo)致出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。

可見直接空冷凝汽器冬季凍結(jié)程度與外界氣象條件、空冷凝汽器的進汽參數(shù)（汽量、溫度、時長等）、空冷風(fēng)機的運行調(diào)控、空冷系統(tǒng)真空漏點等方面因素有關(guān)。

4.直接空冷系統(tǒng)冬季啟動的控制

直接空冷機組冬季啟動面臨最大困難就是空冷凝汽器管束的防凍，主要原因是汽輪機沖轉(zhuǎn)之前，有部分蒸汽不可避免地進入空冷凝汽器管束且進汽量非常小，這部分蒸汽進入空冷凝汽器管束內(nèi)會不同程度的凝結(jié)結(jié)冰。

所以機組啟動過程中是無法保證空冷凝汽器管束不發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象的，關(guān)鍵是在結(jié)冰不嚴(yán)重的情況下盡快將機組帶到一定負(fù)荷，使結(jié)冰情況不再發(fā)展，然后隨著機組負(fù)荷的增加并通過合理調(diào)控空冷風(fēng)機，對整個空冷凝汽器管束進行解凍。因此，需要合理安排機組啟動的各項工作。

4.1啟動前準(zhǔn)備工作

入冬前完善空冷系統(tǒng)各抽空氣管道、凝結(jié)水管道及相關(guān)閥門的保溫和伴熱系統(tǒng)。

空冷平臺漏風(fēng)治理：對空冷平臺、空冷風(fēng)機室、擋風(fēng)墻、各表計接口等進行全面檢查，對漏風(fēng)點進行封堵，預(yù)防冷風(fēng)短路。

準(zhǔn)備若干苫布，在異常情況下當(dāng)風(fēng)機停用仍然不能滿足防凍要求時，用苫布將風(fēng)機口封住，避免冷風(fēng)對流凍結(jié)。同時準(zhǔn)備合適尺寸的棉被，用于空冷散熱器局部過冷時防凍。

機組啟動前的試驗中，必須進行對空冷島抽空氣閥、抽汽隔離蝶閥、凝結(jié)水回水閥進行開關(guān)活動試驗，保證正常，開關(guān)到位、動作靈活。

4.2直接空冷機組冬季啟動

4.2.1冬季啟動遵循的一般原則

安排白天啟動。利用相對高的環(huán)境溫度和日照條件，進行機組冬季啟動;

退出部分空冷凝汽器散熱器，只保留啟動列。啟動前關(guān)閉空冷凝汽器配汽管道進汽隔離閥及相關(guān)抽真空閥、凝結(jié)水閥。

4.2.2直接空冷機組冬季啟動操作

冬季機組啟動時，盡可能縮短汽機抽真空的時間。為減少軸封漏汽進空冷島的量，要盡可能晚投軸封。機組背壓不宜保持過低，一般保持30～40kPa即可。

主汽管道暖管時，需控制主汽疏水閥門開度并間斷開啟，避免疏水開啟過大，在保證充分疏水的情況下，盡可能減少空冷島的進汽量。

汽機參數(shù)滿足沖轉(zhuǎn)要求后應(yīng)盡快沖轉(zhuǎn)，同時保證電氣系統(tǒng)滿足機組并網(wǎng)條件，一旦沖轉(zhuǎn)定速正常后立即進行機組并網(wǎng)操作，盡量減少暖機環(huán)節(jié)，縮短沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)時間，機組并網(wǎng)后根據(jù)缸溫盡快接帶高負(fù)荷以滿足空冷島進汽要求。

空冷島進汽以后，必須設(shè)專人對空冷島各列冷凝器下聯(lián)箱及冷凝器管束進行就地溫度實測，同時嚴(yán)密監(jiān)視凝結(jié)水溫度及抽氣溫度，保證各處溫度穩(wěn)步升高，如發(fā)現(xiàn)某處溫度長時間不變或有降低趨勢時，必須立即增加空冷島進汽量，同時就地檢查溫度異?？绽淞羞M汽隔離閥、抽真空閥、凝結(jié)水閥實際開關(guān)狀態(tài)。

并網(wǎng)前盡可能只投運啟動列，確需投入其他列時應(yīng)投運排汽隔離閥最不嚴(yán)密的（應(yīng)限制空冷列在并網(wǎng)前全部投運）。風(fēng)機需要投入運行，應(yīng)就地實測各列下聯(lián)箱凝結(jié)水溫度全部高于50℃，且抽空氣溫度均已大于35℃后，方可允許投入風(fēng)機，風(fēng)機應(yīng)按序啟動即2號→3號→1號。風(fēng)機啟動后應(yīng)限制其最高轉(zhuǎn)速（≯20Hz），防止冷卻風(fēng)機轉(zhuǎn)速無限制升高后空冷凝汽器容易局部過冷而受凍。

隨著進入空冷島排汽量的增加，根據(jù)真空情況逐漸投入其它排散熱器運行，投入順序為先投入中間空冷列，根據(jù)負(fù)荷、真空再投入其它空冷列，當(dāng)已投入的空冷列管束表面、凝結(jié)水溫度均大于50℃以上時且風(fēng)機啟動正常后，方可投入下一排空冷列。

機組并列后，根據(jù)脹差、凝結(jié)水指標(biāo)等情況盡快帶至最小防凍流量所對應(yīng)的負(fù)荷（ACC最小熱負(fù)荷參考下表）。

4.3直接空冷機組冬季運行期間防凍

冬季機組正常運行時，應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度和機組負(fù)荷變化，關(guān)閉蒸汽分配閥和空氣抽出閥，停運部分空冷島空冷列，滿足空冷島最低防凍流量。當(dāng)風(fēng)機轉(zhuǎn)速降至20Hz，真空仍較高時，按由外到內(nèi)的順序停運空冷風(fēng)機。當(dāng)散熱器或聯(lián)箱外表面溫度低于0℃時，停運相應(yīng)空冷風(fēng)機運行。

機組正常運行時，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速并密切監(jiān)視空冷凝汽器各抽氣口溫度。正常情況下抽氣溫度比本排下聯(lián)箱凝結(jié)水溫度低1-5℃，但在任何時候都不得低于15℃。運行中若發(fā)現(xiàn)抽氣口溫度下降，應(yīng)降低對應(yīng)排的逆流風(fēng)機轉(zhuǎn)速或停止風(fēng)機運轉(zhuǎn)，若溫度沒有回升，則應(yīng)適當(dāng)降低本排順流風(fēng)機轉(zhuǎn)速，同時風(fēng)機反轉(zhuǎn)進行回暖。在上述調(diào)整的基礎(chǔ)上還可啟動備用真空泵，通過增加抽氣口的空氣流速來提高溫度。

注意檢查空冷凝汽器各排兩側(cè)凝結(jié)水聯(lián)箱任意連接位置溫度均不得低于35℃，且各排南北兩側(cè)溫度偏差不得大于5℃。若發(fā)現(xiàn)有偏差大于5℃時，應(yīng)及時降低本排所有風(fēng)機轉(zhuǎn)速。運行中空冷散熱器凝結(jié)水的任一溫度降至35℃以下，應(yīng)及時查找原因，調(diào)整該列的風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，一般這種情況的出現(xiàn)是該列的個別散熱區(qū)域出現(xiàn)了低溫，甚至個別管束的溫度已在零下，要及時降低該區(qū)域的風(fēng)機轉(zhuǎn)速。

進入嚴(yán)冬空冷系統(tǒng)要加強就地實測，做好空冷島巡檢記錄，掌握每臺風(fēng)機對應(yīng)區(qū)域散熱器的溫度差異。特別是當(dāng)風(fēng)向變化、負(fù)荷變化、風(fēng)機轉(zhuǎn)速變化時要隨時實測散熱器的溫度。順流區(qū)重點監(jiān)測底部溫度，逆流區(qū)重點監(jiān)測頂部溫度。

當(dāng)逆流凝汽器管束上部出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象時（由于不凝氣過冷，阻礙不凝汽排出導(dǎo)致），則管束可能已發(fā)生冰凍。此時逆流風(fēng)機必須在一定時間間隔內(nèi)反轉(zhuǎn)回暖，還應(yīng)降低相鄰順流段風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，必要時應(yīng)延長逆流冷卻風(fēng)機反轉(zhuǎn)時間，以便逆流凝汽管束回暖加熱，緩解并融化冰凍，同時及時安排專人對結(jié)霜區(qū)域進行真空查漏并在線處理。

風(fēng)機回暖需根據(jù)機組真空條件、負(fù)荷、環(huán)境變化等因素，不斷進行摸索嘗試。如環(huán)境溫度低于-10℃、機組負(fù)荷在50MW以下時，逆流風(fēng)機可逐排停運并進行反轉(zhuǎn)，每排回暖20-30分鐘后，再對下一排進行反轉(zhuǎn);環(huán)境溫度低于-20℃時，可嘗試隔排啟動兩列逆流風(fēng)機同時反轉(zhuǎn)。但需注意由于受溫度場的影響，逆流風(fēng)機不宜相鄰兩列同時反轉(zhuǎn)且反轉(zhuǎn)時應(yīng)限制轉(zhuǎn)速不可過高，否則不僅起不到回暖的作用，而且會加速散熱器的冷卻。

逆流風(fēng)機回暖宜作為一項定期日常操作，不僅是逆流區(qū)域出現(xiàn)冰凍時作為緊急處理的臨時手段，只有不斷積累運行操作經(jīng)驗，才能總結(jié)出合適的回暖操作。

另外，要把空冷系統(tǒng)的查漏及處理作為一項長期工作與空冷系統(tǒng)防凍結(jié)合起來。運行人員日常巡檢時要對易涼管束進行標(biāo)注，然后組織專人定期對這些區(qū)域采用超聲測漏儀等查漏設(shè)備進行真空漏點查找并及時在線處理，以達到減少真空泄漏點目的，避免空冷系統(tǒng)中漏入過量空氣，否則為維持機組正常背壓空冷風(fēng)機將不得以高轉(zhuǎn)速運行，造成整個空冷系統(tǒng)過冷。

機組因故降負(fù)荷時，應(yīng)及時降低各列空冷風(fēng)機轉(zhuǎn)速，避免機組背壓過低。當(dāng)負(fù)荷降至50MW以下時，立即退出最外側(cè)空冷列（迎風(fēng)面?zhèn)龋?，并停運該列所有風(fēng)機，關(guān)閉隔離閥、抽真空閥及凝結(jié)水閥;其后機組每降低10MW負(fù)荷則退出一列空冷列運行，直至機組負(fù)荷降至30MW以下時，僅保留啟動列以滿足空冷島最小防凍負(fù)荷，同時用啟動列（沒有進汽蝶閥）的風(fēng)機調(diào)整背壓。

對進汽隔離閥不嚴(yán)的空冷列派專人對蝶閥后的溫度和各排散熱器頂部監(jiān)測，如有結(jié)冰現(xiàn)象及時將該列投入運行。當(dāng)該列充分加熱后，可以再次解列，投入不嚴(yán)的另一列。期間風(fēng)機要配合調(diào)整。各列散熱器分別切換投入。

空冷系統(tǒng)運行時必須保證空冷各冷卻單元門關(guān)閉，避免相鄰風(fēng)機出風(fēng)相互干擾，使底部冷卻風(fēng)和熱排汽分布失衡。

4.4空冷機組停機防凍要求

停機時間宜選擇天氣溫度較高的時間段進行。停機過程中機組可適當(dāng)維持較高背壓運行

隨著機組負(fù)荷降低，根據(jù)真空情況，按照先停運邊緣空冷列，再根據(jù)實際負(fù)荷、環(huán)境溫度，參照空冷最小防凍負(fù)荷停運其他空冷列的順序，停運空冷風(fēng)機并關(guān)閉相應(yīng)的排汽隔離閥。

機組打閘停機后，立即關(guān)閉所有至排汽裝置的疏水，關(guān)閉所有空冷島進汽隔離閥，待30分鐘左右后關(guān)閉逆流區(qū)抽空氣門，凝結(jié)水閥保持全開。真空泵停運后，應(yīng)打開真空泵入口蝶閥，使入口管內(nèi)疏水倒流回真空泵并排入地溝，防止真空泵入口管道發(fā)生凍結(jié);機組停運后，要定期對真空泵進行啟動運行，防止真空泵入口結(jié)冰而影響啟動或凍壞設(shè)備。

冬季工況汽輪機事故跳閘，應(yīng)立即停運真空泵和所有空冷風(fēng)機，關(guān)閉各列進汽蝶閥，保持凝結(jié)水閥開啟狀態(tài)，投運所有電伴熱。

進入嚴(yán)寒期間，對長期停用列風(fēng)機，在每個換熱單元進風(fēng)口用苫布遮蓋，避免冷風(fēng)對流凍結(jié)管束。

停運空冷列應(yīng)每日檢查凝結(jié)水管及下聯(lián)箱電伴熱投運情況，確保電伴熱可靠投運;定期檢查凝結(jié)水管積水情況，如有積水及時排放。

5.結(jié)語

直接空冷機組如何安全、穩(wěn)定越冬，是極寒天氣下北方多數(shù)電廠一直在不斷摸索、總結(jié)的一項重要課題。從國內(nèi)首臺直接空冷機組投產(chǎn)至今的三十幾年內(nèi)，國內(nèi)各個電廠不斷優(yōu)化機組啟、停及事故處理等各種工況下的防凍措施，基本上是大同小異的，從根本上的措施都是如何最大程度消除真空系統(tǒng)漏點，提高空冷凝汽器換熱效率，優(yōu)化空冷防凍操作等。所以要確保機組冬季運行安全，首要的工作是如何“冬病夏治”，即在夏季要通過從不斷規(guī)范空冷島沖洗、噴淋，真空查漏處理，空冷系統(tǒng)漏風(fēng)治理，保溫、伴熱系統(tǒng)完善等方面著手，不斷加強空冷機組的冷端管理，切實有效保障機組經(jīng)濟、安全運行。

參考文獻

[1]郝春林.大型直接空冷汽輪機組運行與維護技術(shù).北京：中國電力出版社，2014.7

[2]山西省電力勘探設(shè)計院.火力發(fā)電廠空冷系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則.2007.5

[3]中國大唐集團公司.直接空冷機組空冷系統(tǒng)運行管理指導(dǎo)意見.2008.9