直接空冷器在低温环境下的应用

张学亮，崔靖梓，2，冯 光，3，李玉良，4

（1 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁阜新123000；2 辽宁省煤制天然气工程技术研究中心，辽宁阜新123000；3 辽宁省煤制天然气工程研究中心，辽宁阜新123000；4 辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司企业博士后科研基地，辽宁阜新123000）

随着人口增加、环境变化和工业的增量发展，水资源越来越短缺，价格也开始上涨，火力发电和煤化工企业作为用水大户，20上世纪30年代末开始把冷却能力比水小的多，但更廉价、无处不在的空气作为一次冷却介质，这就是直接空冷技术。由于其具有经济、环保、换热性能好等优点，所以空冷技术在各个领域得到了越来越广泛的应用。

1 背景及意义

辽宁大唐国际阜新煤制天然气项目位于辽宁省阜新市，该地区地处辽宁西部，属于半干旱地区，人均占有水资源量439 t，仅是全省人均占有水资源量的1／2，是全国人均占有水资源量的1／5，农业每667 m2占有水资源量149 t，不足全省的1／3，全国的1／12。阜新是一个资源性缺水城市，是全国40个严重缺水城市之一，同时由于地下水资源超采严重，造成地下水水位下降，仅2010年至2011年就缺水2万3万吨，今年全市用水量为40.8万吨，这无疑使水的供需矛盾日益突出。

空冷技术是一项既经济又环保的方式，与常规水冷相比较，可以节约全厂用水的2／3。鉴于阜新市水资源严重匮乏这一现状，该项目选用具有巨大节水潜力的直接空冷系统代替传统的水冷系统，该项目单套空分装置每小时将节约7204.715×103kg循环水，每年（运行时间330天）将节省资金490.0161万元。

凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的主要设备，其工作性能直接影响整个汽轮机装置的功、热效率和运行可靠性。凝汽器的作用是建立并维持汽轮机排汽口规定的高度真空，使蒸汽的排出压力尽可能的降低，从而使蒸汽在汽轮机中的可用焓降达到最大，以提高汽轮机的循环热效率；同时将在汽轮机内做完功的排汽凝结成水，再由凝结水泵送至除氧器，作为供给锅炉的给水循环利用；在正常运行中，凝汽设备还有一定的真空除氧作用，除去凝结水中所含的氧，从而提高凝结水的质量，防止设备腐蚀。凝气设备保证了蒸汽品质，减少了设备的腐蚀，使锅炉给水得以循环使用。所以，回收凝结水对保证锅炉的正常运行和提高汽轮机组运行的经济性具有重要意义。按冷却方式分类，凝汽器可以分为两大类，即水冷式凝汽器和空冷式凝汽器［2］。

水冷式凝汽器是封闭的，其管束侧通循环冷却水，管束安装在封闭壳体内。循环水冷水在管束内流动，汽轮机排汽在管束和凝汽器外壳间流动。

空冷式凝汽器又可分为间接式和直接式凝汽器。间接空冷式凝汽器和水冷式一样也是封闭的。其把一部分凝结水送到冷却塔冷却后，再循环送回凝汽器作为凝汽器的冷凝水，与水冷式凝汽器不同的是循环水使用凝结水，即使在冷却塔内，也是管束内流动而不与空气直接接触。直接空冷式凝汽器相对于前两种凝汽器是非封闭的，汽轮机排出蒸汽在翅片管束内流动，空气在翅片管外对蒸汽直接冷却。为了提高冷却效果，管束下面装有风扇进行强制通风，或将管束建在自然通风塔内［3］。由于间接空冷凝汽器系统相对与直接空冷凝汽器系统设备多、造价高、维修量大、运行难度大且可靠性较差，所以它将只是水冷凝汽器系统和直接空冷凝汽器系统之间的一个过渡，直接空冷凝汽器是今后发展的必然方向。

2 空冷系统概述

2.1 空冷系统的流程简述

直接空冷凝汽器系统（air cooled condenser system，缩写为ACC）是指汽轮机的排气直接与空气进行热交换，用空气来冷凝排气的系统。所需冷却空气一般由机械通风供应。直接空冷的凝汽设备称为空冷凝汽器，简称空冷器［4］。

蒸汽在汽轮机做功后从低压缸排出的乏汽通过大直径排汽管道进入集液箱，在集液箱中气液得到分离，蒸汽通过集液箱顶部管道进入空冷器，而冷凝液则由底部通过重力的作用流入热井。

蒸汽由大直径排气管道进入A型空冷器，借助空冷器下部风机产生的强制对流，利用流过换热管束表面的空气对蒸汽进行冷凝，冷凝液进入热井，而空冷器和热井中的不凝气通过两级抽气器引入抽气器冷凝器进一步冷凝，冷凝液通过疏水阀进入疏水膨胀箱，而抽气器冷凝器中的不凝气进行大气排放。

热井中的冷凝液由凝结水泵引出，一部分用于抽气器冷却器，将来自抽射器的蒸汽进一步冷凝；一部分去汽轮机汽缸的喷淋装置，以保障汽缸的温度不会超标；一部分用于水封式安全阀，起到水封的作用；一部分由冷凝液再循环管线重新进入热井，其余部分由冷凝液外送管线将冷凝液送出界区，利用冷凝液再循环管线和外送管线调节热井的液位。见图1空冷器疏水系统图。

空冷系统一般由空冷凝汽器系统、排气管道系统、凝结水系统、抽真空系统、清洗系统、电气系统、仪表和控制系统、减温减压装置、隔离阀等组成。

图1 空冷器疏水系统图

（1）空冷凝汽器系统 采用恒压两段式冷凝，有两个凝汽段构成，即汽轮机平排气先经过顺流冷凝段 （蒸汽与凝结水流动方向相同），后经过逆流冷凝段，这样可以确保凝结水在逆流段不断被加热，减少了凝结水的过冷和潜在的冷冻危害，同时还可以排除凝结水中额外的溶氧，避免管道内部腐蚀。

（2）排气管道系统 指从汽轮机的排气装置出口到连接各空冷凝汽器的蒸汽分配管之间的管道。管道系统严密，管道之间的连接要求采用焊接，转弯处的弯管内设置导流板，管道系统中要有防止振动和热膨胀的措施，管道的表面也要进行防腐。

（3）凝结水系统 经过空冷凝汽器凝结的水通过凝结水管道收集到热井中，然后通过凝结水泵送入凝结水系统。

（4）抽真空系统 将空冷凝汽器中不能凝结的气体抽出，以便保持系统的真空状态，要求严密不漏气，且在运行过程中始终保持运行。

（5）清洗系统 设置清洗系统的目的是为了防止落在空冷器表面的灰尘影响其散热效果和腐蚀作用。

（6）仪表和控制系统 直接空冷系统的控制在集中控制室中完成。室内设置分散控制系统（DCS）中设独立的控制器对直接空冷系统进行监控。控制系统以计算机控制系统的CRT及键盘为中心，实现直接空冷系统的正常启动、运行工况的监视和调整以及实现异常工况的报警和紧急事故的处理［4］。

2.2 空冷器的工作原理

蒸汽在汽轮机做功后从低压缸排出的蒸汽通过大直径排汽管道进入A型凝汽器顶部的蒸汽分配管，然后从蒸汽分配管进入顺流管束，顺流管束一般称为冷凝管束或K管束，通过轴流风机强制空气流过换热管束表面，带走了管内蒸汽的冷凝潜热，在顺流管束中可以冷凝大部分蒸汽，产生的凝结水与蒸汽同向流入管束下部联箱。部分未凝结的蒸汽和不凝性气体经管束下部联箱进入逆流管束，逆流管束一般称为冷却管束或D管束，联箱中的蒸汽由逆流管束下部进入，并在向上流动的过程中被强制流过换热管束表面的空气冷凝，逆流管束中的凝结水流动方向与蒸汽相反，凝结水向下流入管束下部联箱。凝结水在重力作用下由管束下部联箱通过凝结水管道自流进入排汽装置下部热井，同时不凝性气体从逆流管束上部的抽气口被抽真空系统抽出进一步冷凝，其余不凝气排入大气。另外，排汽管道的疏水以及其它的疏水通过自流进入排汽装置下部热井，见图2空冷器工作原理图［5］。

在顺流管束中，蒸汽从配汽总管向下流动，冷凝水的流动方向与蒸汽的流动方向一致，冷凝液膜较薄，传热效果好，汽阻也小。但是在低负荷或在低温条件下，在翅片管底部的凝结水可能出现过冷却现象，这将增加凝结水的含氧量，并且可能发生凝结水的冻结，导致管子破裂。

在逆流管束中，蒸汽由翅片管底部进入，蒸汽流动方向与凝结水流动方向相反，这样可避免凝结水的过冷现象，避免冻结。由于冷凝液膜较厚，因而传热系数较低，汽阻较大。为提高传热性能，防止凝结水的冻结，空冷器管束以顺流为主，辅以逆流，两者的面积配比为95∶5或67∶33［6］。

图2 空冷器工作原理图

凝汽器下部的冷空气通过风机驱动，穿过换热管束进行强制对流，风机通过变频器调节风机转速改变空气流量，所有风机可以110%超速运行。在低负荷或低环境温度时，可通过改变风机的转速或运转台数以减少换热量。

3 空冷器在低温环境下应用

空气冷却器与水冷却器不同，受环境气温的影响比较大。环境气温不仅昼夜有变化，而且一年冬夏之间温差的变化很剧烈。特别是在冬季，空冷器在低温环境中使用会遇到较大困难，主要集中在空冷器的设计缺陷以及操作不当以致在低温环境中管内流体容易发生凝固、堵塞和冻结等现象。

辽宁大唐国际阜新煤制天然气项目位于辽宁省阜新市新邱区，该地区属北温带大陆季风气候，其主要特点是：春季干旱多风，夏季干燥，秋季降温较快，温差较大，冬季严寒少雪，最低气温可达－30.9℃。据调查2011年该地区5个月份的气温在0℃以下，见图3。这将对空冷器的操作带来很大难度，防冻保护将成为空冷器使用的首要任务。

图3 2011年阜新地区月度平均气温曲线图

3.1 空冷器的冻凝原因

在规定的最低管壁温度下，管壁温度接近介质的临界工艺温度，再加上空冷器各管排热负荷分配不均匀，蒸汽流量偏低，空气在意外的情况下进入系统的真空部分，长时间运行系统中不凝气集聚太多，以致在低温环境中管内流体容易发生凝固、堵塞和冻结等现象。临界工艺温度包括凝固点、倾注点、结蜡点、露点 （如果冷凝引起的腐蚀）、水合状及其它可能出现操作困难的温度［7］。

蒸汽全凝器在单程易发生蒸汽从上排管出口端（较热）到下排管出口端 （较冷）的回流。这通常导致不凝气的杂质在靠近较低换热管出口端聚集。不凝物的存在导致功能降低及较冷换热管内冷凝物的过渡冷却和可能冻结，也可能出现腐蚀现象。在稳定条件下，空冷器底部和顶部排管以及冷空气相接触的先后次序不同，各排管的蒸汽冷凝区和冷却区分配是不一样的。如图4空冷器的蒸汽冷凝图所示，由于底部排管首先同冷空气接触，如果最上面的管排，冷凝在管束末端终止，则在底排管束中间某一点终止，其余管长形成冷却区。冷凝液急剧过冷却，在低温下就很可能引起冻结。

图4 空冷器的蒸汽冷凝图

图5 空冷器不凝气聚集产生问题示意图

图5空冷器不凝气聚集产生问题示意图说明了空冷器因不凝气聚集所产生的问题。由于第二排管冷凝的蒸汽量较第一排少，这样，第二排具有较低的压力降。出口管箱的压力等于入口管箱减去流体流过第二排管时的压力降，所以出口管箱的压力超过第一排的出口压力。这样，导致蒸汽进入第一排管的两端，不凝气在第一排管末端聚集，一直延伸到管长AB。等到第一排末端压力等于出口管箱的压力，第一排管的蒸汽才排入出口管箱。由于第一排管只有较少的带有不凝气的蒸汽流过，AB这段管壁变冷了。当冷凝水流过这段管子时，冷凝水就可能冻结。避免这种情况的措施是帮助减少或消除回流进较冷换热管的蒸汽量［1］。

3.2 防止流体在管内凝固和冻结的措施

（1）采用防冻性能优异的单排管换热元件同时对管内流体进行均匀分配，避免产生偏流现象。如增加管束和接管数目、对接管进行合理的布局等。本项目空冷凝汽器设有2根2100 mm的汇流管，同时蒸汽分配管内部进行特殊设计，使蒸汽分布均匀。

（2）调整送风量，采用自动调校风机和百叶窗，在气温变化时，调节通风量，高温时增加送风量，而在低温时，应减少送风量。此外在正常运行过程中，对管束的风量进行调节从而对汽轮机的排气压力进行控制，通过调节电机转速从22.5 Hz调整到全速50 Hz，从而达到对风量进行调节。但值得注意的是，在气温较低、系统的温度和压力不匹配的时候，不要试图以较高的风量降低ACC内的压力，这样只会导致冷凝液被进一步过冷。

（3）在配汽管路上设置电动蝶阀，在冬季启动或负荷低的情况下，切除某列，减小实际换热面积。

（4）在管束下面装设蒸汽盘管，蒸汽盘管只在设备启动、停止和间歇运行下使用。在低温环境中工作的空冷器，蒸汽盘管和百叶窗是非常必要的。前者用于设备的启动和停车，后者用于调节工艺流体的出口温度。蒸汽盘管可采用翅片管或光管，应布满管束的迎风面积。盘管包括入口和出口管箱、管子 ［倾斜度为每英尺管长 （3／16）（1／4）英寸］。疏水阀应布置在尽可能接近盘管。蒸汽流量通常在入口用一个小阀来调节，蒸汽盘管的疏水器应能在任何情况下都能排出全部蒸汽凝结水。

（5）冬季采用顺流换热，夏季采用逆流换热，如图6。在冬季高温工艺流体首先和冷流体接触，由于流体温度高、黏度小，不易凝固，当流体温度下降后，而空气已经被加热，再接触时就没有凝固的危害了。但是这样会使传热温差减少，需要增加传热面积。在夏季需将流动方向切换，改为逆流换热。

（6）采用分段冷凝的方法，如采用主冷凝器和辅助冷凝器的串联系统。另外要合理选择管内蒸汽流速和管长，冷凝长度过长，容易引起凝结水的过冷和冻结。

图6 空冷器的逆流及顺流换热图

本项目空冷器分成两部分：主冷凝器和辅助冷凝器，采用合理的顺流与逆流面积比，两者的面积比例为67∶33，主冷凝器采用大蒸汽流量，以抵消各管排的不等热负荷和不等压力降的影响，而且采用顺流方式。辅助冷凝器主要冷凝冷却余下的气体和不凝气，按余下的蒸汽量来选取管子的数目，而且采用逆流方式。

（7）在实际工作条件下，要对壁温进行计算，在任何情况下，管壁温度要高于液体的凝固点。对逆流管束，最低管壁温度发生在与冷空气相接触的底排管。一般壁温为冷却介质的倾点温度再加上10℃。

（8）在空冷器启动阶段，由于ACC本身就是一个冷却设备，其设计一般是根据当地最热的条件进行设计。但是这样的条件在温度下降到很低的时候就存在这样的问题：当环境温度在－25℃以下时，ACC的防冻条件是必须在内部保持有一个足够的热量，否则系统将会处于冷冻的状态。但是汽轮机的暖机状态的流量和这个时候ACC的允许最小流量有一个较大的差异，这个差异就是ACC启动阶段冻管的主要原因。本项目设置了旁路减温减压装置就是为这个问题而设置的子系统，以便在冬季启动或低负荷的情况下，对空冷器补汽，保证进汽量。

鉴于在使用ACC启动旁路的时候ACC处于冻管的临界状态，具体的操作步骤为：首先打开旁路蒸汽隔离阀，开启旁路蒸汽减压阀，5 min之内手动投入最大流量同时根据温度变化的状态调节减温水阀控制后蒸汽温度，然后调节风机输出控制冷凝液温度要接近系统压力对应的饱和温度，最后调节系统压力到汽轮机的允许压力。

（9）采用变频调节，保证电动机在低转速下运行。在凝结水收集管中凝结水温度偏低的情况下，执行 “顺流防冻保护”程序；此外必须对冷凝液温度进行检测，测量设备是放在凝结水管线的热电阻，并且需设置并执行防冻程序，当所有测定值中的1个测定值低于30℃时，报警器将启动，同时变频电机强制在手动模式下运行，当测定值继续下降到25℃时，将会强制停止所有的变频驱动器和电动机，当其测定值下降到20℃时，并且延时5 min之后，汽轮机将会跳车从而避免额外的蒸汽进入系统。而当温度测定值都达到30℃时连锁将解除。

（10）空冷器设置一系列的防冻保护，如果下联箱凝结水温度过冷，顺流凝汽器防冻保护将启动；如果抽真空管温度过冷，逆流凝汽器防冻保护将启动，在逆流管束抽汽口温度偏低的情况下，执行 “逆流防冻保护”程序，环境温度低时，各列逆流风机顺序执行运行、停止、反转、停止、运行的“回暖保护”程序，形成内部热风循环。

（11）凝结水自排空，采用大截面管道；对易冻设备如凝结水管路、抽真空管路及含有汽液的室外仪表等进行保温，必要时加伴热设施，此外对不易保温的设备如射汽抽气器、凝结水泵、疏水泵等应尽量设置于汽机房或泵房内。

（12）冬季启动时，采用先逆流、再顺流，先中间列、再两边列的启动方式；停止时，先停两边列、再停中间列，先停顺流风机、再停逆流风机。此外还应注意当凝结水温度偏低时，将排汽压力设定值提高，逆流抽汽温度偏低时，开启启动抽气器，此外避免个别风机高速运行，采用多台风机低速运行，使热负荷均匀分布。

（13）在低温度、低负荷的情况下，加强对空冷器的监视，如凝结水水位、凝结水温度、抽气温度、排汽压力、风机转速、管束壁温等。如负荷不变，凝结水水位下降以及环境温度、负荷不变，排汽压力升高，均可能局部冻结，需要进行就地检查。此外就地检查，发现金属表面温度低于零度，或部分管束出现弯曲变形；可提高排汽压力，降低冻结处风机转速 （如为逆流单元可反转）。

4 结 论

辽宁大唐国际阜新煤制天然气项目空分装置选用具有巨大节水潜力的直接空冷系统代替传统的水冷系统，从空冷器发展现状为出发点，以空冷器系统的流程及工作原理为突破口，并以空冷器在低温环境中使用所遇到的问题为重点，详细阐述了空冷系统的冻堵原因，同时提出了解决防止流体在管内凝固和冻结的方法，为空分装置空冷系统的顺利开车奠定了理论基础。

［1］ 马义伟.空冷器设计与应用 ［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998：1－3；116－117.

［2］ 王学义.工业汽轮机技术 ［M］.北京：中国石化出版社，2011：147－148.

［3］ 任福春，李如翔，王军.电站空冷新发展及在我国的应用前景［J］.华北电力技术，1994（3）：6－10.

［4］ 程静灵，直接空冷系统实际设计流程 ［J］.科学之友，2011，5（2）：1－2.

［5］GEA，空气冷却器（样本），1978：22.

［6］ 马义伟.电站空冷技术 ［M］.哈尔滨：哈工大热工教研室，1979：25－26.

［7］林宝森.空冷器的防冻设计［J］.应用能源技术，2010（4）：1－2.

［8］ 马义伟.寒冷地区空冷器的几个设计问题 ［J］.石油炼制，1979（4）：1－2.