直接空冷机组真空严密性试验结果准确性分析

2015-02-09白逢

综合智慧能源 2015年9期

白逢

(中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古鄂尔多斯 017209)

0 引言

电站采用空冷系统是解决富煤贫水矛盾的有效措施，而直接空冷代表了未来空冷系统的发展方向，因而在世界上获得了快速发展。直接空冷机组与常规机组的主要区别在冷端系统，直接空冷机组以环境空气而不是以水作为汽轮机排汽的冷却介质，因此，环境变化会显著影响直接空冷系统的运行特性［1］。尤其在我国西部地区，风季持续时间较长，风沙天气频繁，全年气温、日照时间及太阳辐射强度跨度较大。这样的气候条件对直接空冷系统的影响更为突出，对直接空冷机组真空严密性试验结果的影响也不容忽视。因此，直接空冷机组真空严密性试验结果的真实性、准确性及指导意义值得探讨。

1 真空系统发生泄漏的原因及危害

直接空冷系统极为庞大，300MW机组真空系统容积为6000～7500 m3，是湿冷机组真空容积的4～5倍［2］。系统采用大直径排汽管道，焊缝长，接口多，密封困难，容易出现真空泄漏问题。空冷散热器为管束结构，管子数量多，翅片结构复杂，而且翅片多通过钎焊或缠绕工艺连接到管子上，运输过程中如果受力易变形，使翅片与管子连接处受到破坏而发生真空泄漏［1］。机组运行中凝汽器内部呈真空状态，部分气体会经真空系统的管道、阀门和汽轮机低压缸等部位漏入真空系统。此外，新蒸汽、疏水、蒸汽排放及凝结水系统的补水等也会带入一部分气体。漏入的气体会使凝结水含氧量增高导致凝结水系统管道及设备腐蚀。机组冬季运行时，漏入的气体会形成气穴，影响管束内蒸汽的流动，导致直接空冷凝汽器(ACC)管束局部过冷，发生冻结现象。由此可见，直接空冷机组真空系统泄漏将直接影响空冷翅片的换热效果，从而影响机组运行的经济性和安全性。

2 真空严密性试验的目的及试验方法［3－6］

2.1 真空严密性试验的目的

为了在机组运行中了解真空系统泄漏情况，及时查找和消除真空系统泄漏点，提高凝汽器工作效率和机组运行的经济性、安全性，真空严密性试验作为一项定期工作，在机组运行中至少每月进行一次，以检查真空系统的严密性，保证机组高效运行。

2.2 直接空冷机组真空严密性试验的方法

2.2.1 行业内普遍采用的试验方法

在国家行业标准发布前，各电厂直接空冷机组真空严密性试验的方法基本上沿用了湿冷机组的试验方法，只是试验条件和要求与湿冷机组有所区别。

2.2.1.1 试验条件

环境温度，10.5℃;风速，≤4 m/s;凝结水过冷度，2～6℃;机组负荷，80%额定负荷。

2.2.1.2 试验要求

(1)汽轮机进汽参数维持稳定;(2)切除机组“负荷控制”，在试验过程中维持阀位控制，以保证在试验过程中汽轮机进汽量维持不变;(3)协调控制机组，采用“炉跟机”控制方式，以维持机组负荷稳定;(4)将低压轴封的供汽压力调整到能够保证汽轮机油质水分不超标的最高压力。

2.2.1.3 试验方法

直接空冷机组普遍采用全部停运真空泵开始计时8 min，取后5 min的平均值计算真空度下降值的方法进行真空严密性试验。有的电厂停运真空泵计时15～30min，取全部时段的平均值计算真空度下降值。空冷机组真空度受环境温度、风向及风速等的影响，后种方法由于时间长，机组运行工况无法保证不变，真空度的下降值不能全面、准确地反映ACC的空气漏入量。前一种方法因为时间短，受外界影响较小，从实际试验情况看，能比较正确地反映空冷系统的严密性，目前被普遍采用。另外，试验期间对“ACC自动/手动”控制方式，各电厂的做法也不尽相同。大多数电厂技术人员认为，试验期间ACC置自动后，空冷风机转速随机组真空度下降而增加，那么机组真空度下降的速率就不能真实反映凝汽器漏空气量的情况;也有部分电厂技术人员认为，空冷风机转速变化不会影响机组真空度变化率，因为停运真空泵后，空冷风机转速变化只发生在试验开始的前几分钟内，当凝汽器内未凝结蒸汽量与凝结蒸汽量达到平衡后，空冷风机转速基本维持不变，机组真空度的变化率反映的就是漏入凝汽器内不凝结气体的情况，相反，ACC置自动后，更有利于空冷凝汽器内不凝结蒸汽量与凝结蒸汽量尽早达到新的平衡状态。

2.2.1.4 真空系统严密性评价

在国家行业标准发布前，各发电厂是根据空冷制造厂商给出的标准加以规范。德国GEA公司给出的标准是真空度下降率≤0.1 kPa/min为合格，但在实际应用中要达到该标准极为困难。考虑到施工、环境和气象因素的影响，各发电厂执行的真空严密性试验的标准为真空度下降率≤0.3 kPa/min为合格，真空度下降率≤0.2 kPa/min为良好，真空度下降率≤0.1 kPa/min为优秀。

2.2.2 行业标准规定的试验方法

2013年11月28日，国家能源局发布了 DL/1290—2013《直接空冷机组真空严密性试验方法》的国家行业标准［7］。

2.2.2.1 试验条件

(1)空冷岛顶部环境风速应不大于3 m/s;(2)应在无雨、无雪的气候条件下进行试验;(3)备用真空泵工作性能应正常;(4)应停运空冷岛喷淋冷却装置;(5)机组各设备和系统运行正常。

2.2.2.2 试验要求

(1)机组日常运行中，宜至少每月进行一次真空严密性试验;(2)试验期间，机组应在80%额定负荷以上稳定运行;(3)应解除机组自动发电控制(AGC)，汽轮机高压进汽调节阀手动控制，开度固定不变;(4)应维持汽轮机主蒸汽和再热蒸汽参数稳定不变;(5)空冷岛风机应手动控制，并固定转速稳定运行，试验过程中风机运行数量不变。

2.2.2.3 试验步骤

(1)关闭真空泵入口抽气阀门(关闭严密);(2)停运真空泵;(3)记录排汽压力(或排汽真空度)，至少每30 s记录一次，记录时间不少于10 min;(4)启动真空泵(与试验前真空泵运行数量相同)，打开抽汽阀门;(5)保持试验条件及要求不变，继续记录排汽压力(或排汽真空度)，直至排汽压力(或排汽真空度)基本恢复到试验前水平，试验结束。

2.2.2.4 注意事项

(1)应保证机组在试验期间安全运行，试验时应将排汽压力控制在安全范围内;(2)试验中应严密监视汽轮机各轴承振动、轴向位移、差胀、排汽温度等安全指标;(3)试验中应记录机组负荷、高压进汽调节阀开度、轴封供汽压力、空冷风机频率、环境温度、环境风速、风向及主蒸汽、再热蒸汽的压力、温度等参数。

2.2.2.5 真空严密性指标计算

(1)试验计算数据选取。选取停运真空泵3min后排汽压力上升(排汽真空度下降)5 min(或更长时间段)内数据，以排汽压力上升(真空度下降)的平均速率作为真空严密性指标。在用于计算的5 min(或更长时间段)数据中，排汽压力上升速率应一致，与平均速率相比，波动不能超过50 Pa/min。

(2)真空严密性指标计算方法。对选取的5 min(或更长时间段)内的试验数据进行线性拟合，求得排汽压力上升(真空度下降)的平均速率作为真空严密性指标;也可计算每分钟的排汽压力(真空度下降)值，得到5个(或多个)排汽压力上升(真空度下降)速率，计算5个(或多个)速率的算术平均值作为真空严密性指标。不应用5 min(或更长时间段)的起、止时间点的试验数据来计算真空严密性指标。

2.2.2.6 真空系统严密性评价

(1)真空系统严密性合格。真空严密性试验指标≤200 Pa/min，同时真空系统严密性试验启动真空泵后排汽压力(或排汽真空度)恢复的时间小于停运真空泵后排汽压力上升(排汽真空度下降)的时间，则真空系统严密性合格。

(2)真空系统严密性优秀。真空严密性试验指标≤100 Pa/min，同时真空系统严密性试验启动真空泵后排汽压力(或排汽真空度)恢复的时间小于停运真空泵后排汽压力上升(排汽真空度下降)的时间，则真空系统严密性达到优秀水平。

3 影响真空严密性试验的因素

3.1 环境温度

直接空冷机组主要靠空气来冷却，由于空气的比热容小，大概只有水的1/1000，所以环境温度对直接空冷机组真空的影响非常明显。1年中冬季和夏季的极端气温导致机组真空变化幅度在30 kPa左右［8］，尤其在我国西部地区，昼夜温差较大，环境温度时刻变化。有统计显示，在1 d中由于受环境温度的影响，机组真空度的变化可超过25 kPa，有时直接影响机组接带负荷的能力［9］。

3.2 环境风速

根据空气动力学原理，当空气在流动中遇到障碍物时，一部分在障碍物迎风面周围形成漩涡，漩涡中心是负压区，它会在其垂直面上吸收更多的空气，另一部分在障碍物的顶部突然折向穿过障碍物向下加速运动。对于直接空冷机组而言，当空气流动时，会在空冷散热器平台迎风面的挡风墙与靠近挡风墙的空冷散热器之间形成负压区，该处散热器上部换热后的热风会在负压的作用下进入该散热器对应的空冷风机入口，提高了空冷风机入口风温，形成热风回流，从而影响空冷散热器的换热效果，使机组真空度下降。当环境风速＜3m/s时，热风回流效应不明显，当环境风速在3～7 m/s时，热风回流效应较为明显，迎风面挡风墙处的风机入口风温比环境温度高5～10℃，如果夏季环境温度在28～37℃，直接空冷机组的真空度将大幅波动，威胁机组的安全运行［10］。

3.3 环境风向

环境风向的变化同样会对直接空冷机组的真空度产生影响，尤其是横向风和炉后来风，对直接空冷机组真空度的影响极为明显。当发生炉后来风时，环境风会完全罩住空冷岛，致使空冷岛的换热气流无法正常循环，形成热回流效应，如图1所示。空冷散热器换热恶化，导致机组真空度急剧下降，引发机组低真空度保护动作跳闸。2012年2月，内蒙古某自备热电厂100MW机组因炉后来风曾发生机组跳闸事件。

图1 炉后来风空冷岛热回流示意

另外，利用红外热成像诊断技术发现，当2台机组空冷岛并列布置时，下风向空冷翅片的壁温比上风向空冷翅片的壁温要高很多，原因是在上风向空冷翅片换热后的热空气进入下风向空冷岛，使下风向空冷翅片换热效果减弱。这同样属于一种热回流效应。因此，风向的改变也会导致直接空冷机组真空度的波动。

3.4 太阳辐射强度

因直接空冷机组的冷端是靠空气来冷却，而空气的比热容较小，所以直接空冷机组空冷凝汽器的散热面积极为庞大。以100 MW机组为例，其总散热面积达29.3万m2。如此大的散热面积同样也能吸收大量的太阳辐射能。在空冷凝汽器接收太阳辐射能的过程中，空气的流量和环境温度不变，只能通过增加管壁温度来实现，从而增加了整个空冷系统的热负荷。空冷系统原有的热负荷以及这部分由太阳辐射引起的附加热负荷全部通过管内凝结换热、导热、对流、红外辐射等形式传递到环境中去。并且由于管壁的热阻较小，可认为管内蒸汽温度与管壁温度的增加值相等，管内蒸汽温度的升高会引起机组背压的升高，据此可计算出由于太阳辐射而引起的背压升高值。经过计算得知，由太阳辐射引起的附加空冷系统热负荷平均占空冷凝汽器总热负荷的0.134%［11］。由此可见，太阳辐射强度也能影响直接空冷机组的真空度。

3.5 空冷翅片脏污程度

空冷翅片作为直接空冷机组的主要换热设备，其表面脏污和空气通道的堵塞对空冷凝汽器换热效率的影响表现得更为直接。在我国西部地区，风沙气候较多，主要植被以杨树为主，导致该地区空冷翅片更易脏污，空冷翅片的空气通道更易被杨絮堵塞。表1显示了该地区某直接空冷机组空冷翅片脏污后，空冷凝汽器冲洗前、后的对比情况。

从表1可以看出，空冷岛冲洗后，空冷凝汽器工作效率、机组接带负荷的能力、空冷风机和机组背压的富裕度都大大增加，可见，空冷翅片的清洁度对空冷凝汽器工作效率的影响非常明显。

3.6 空冷风机集群效应

随着直接空冷机组容量的增加，空冷凝汽器的散热面积和空冷风机的安装数量也随之增加。600 MW直冷机组空冷风机数量最多达64台，多台风机并列运行时就会出现风机集群效应。研究表明，空冷机组容量越大，风机数量越多，彼此之间的影响越大，对应每台风机的流量就越小，集群效应就越显著［12］。另一项研究结果表明，风机群运行时内侧风机流量大，而边缘风机的流量较小［13］。由此可见，在机组运行时，空冷凝汽器的各个冷却单元因冷却风量的不同，其冷却效果也不同，且风机数量越多，集群效应越明显，各个冷却单元换热效率的差异也就越大。

表1 冲洗前、后空冷凝汽器工况对照

3.7 初始真空度

经过对内蒙古地区某100 MW直接空冷机组近8年的严密性试验数据对比发现，严密性试验开始前，机组的初始真空度对严密性试验的结果同样存在影响。经过多次试验证明，试验开始前的初始真空度越高，试验结果越能靠近合格或优秀。

4 试验总结

机组在正常运行中进入凝汽器的气体，实际上并非纯蒸汽，而是汽、气混合物。凝汽器内的压力就是这些混合物的分压力之和。系统设置的真空泵就是不断地将漏入凝汽器的不凝结气体和未来得及凝聚的蒸汽抽出，以免凝汽器内的压力升高。上述影响因素导致空冷机组真空度发生变化，从而减弱了整个空冷凝汽器或部分冷却单元的冷却效果。

严密性试验开始时，将真空泵全部停运，凝汽器内的汽、气混合物开始聚集，其中，不凝结气体的漏入量随着机组背压的升高而下降，但其总量在增加。而在整个试验过程中，太阳辐射强度、翅片脏污程度及风机集群效应导致部分冷却单元内的未凝结蒸汽量急剧增加;气候条件的变化将导致整个空冷凝汽器内未凝结蒸汽量急剧增加，且随着机组背压的升高，未凝结蒸汽量将进一步增加。因此，上述因素将严重影响严密性试验结果的准确性。在内蒙古某自备电厂，多次发生试验开始仅5 min就因机组背压逼近40 kPa而被迫中止试验的现象。

从试验方法看，行业标准发布前的试验条件不够严谨，试验方法不够统一，试验结果的评价标准不够科学，这必将影响试验结果的准确性，其结果并不能真实反映凝汽器的泄漏情况，因此，试验结果对空冷凝汽器查漏工作的指导意义并不大。虽然也有技术人员对试验结果提出了修正计算的建议，但由于修正计算极为复杂，以生产现场的技术力量难以完成，所以其可行性较低。表2记录的是内蒙古某自备电厂2014年真空严密性试验的结果(试验时长8 min，每30s记录1次机组背压值，取后5min机组背压上升的平均速率作为试验结果)。

表2 某自备电厂2014年真空严密性试验结果 kPa/min

从表2可以看出，该试验数据阶跃性较大，且经过多次查漏并未在凝汽器上发现漏点，这也为上述观点提供了有力证据。

国家能源局发布的试验方法、条件、要求及评价标准科学性较强，试验结果也能真实反映空冷凝汽器的泄漏情况。但其试验条件和试验结果评价方法较苛刻，加之试验时间较长，在试验过程中很难保证气候条件保持不变，尤其在我国西北地区，严密性试验十有八九以试验不合格甚至失败而告终。

5 结论

通过上述分析，可以认为严密性试验因气候条件或凝汽器本身等因素的影响，试验结果的准确性并不高。结合多年的运行经验和试验数据，总结出以下方法来判断空冷凝汽器的泄漏情况和泄漏点存在的大致范围。

(1)在机组正常运行中，保持所有空冷风机在同转速下运行，对比每列空冷凝汽器的抽空气温度和凝结水过冷度，若某列凝汽器的抽空气温度低于其他几列，且该列凝结水的过冷度大于其他几列，增加真空泵运行台数后，该列的抽空气温度和凝结水过冷度与其他几列相同，则说明在该列凝汽器上存在漏点，再通过超声波查漏仪确定泄漏点的具体位置。

(2)在机组正常运行中，如发现凝结水的溶氧超标，则说明在低压加热器或凝结泵与热井连接的管道、法兰等处存在泄漏点。用超声波查漏仪确定泄漏点的具体位置。

(3)因机组运行时，现场噪音较大，超声波查漏仪不能发现真空系统较小的漏点。可以在机组停运冷却后，启动真空泵将真空系统压力维持在40 kPa左右，此时用超声波查漏仪可以发现机组真空系统所有的漏点。

(4)在机组大修时，可以采用对空冷凝汽器打压的方式，查找凝汽器翅片及排气管道焊缝等处的漏点。

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