空分装置配套空冷器的运行分析及故障处理

郭维维

（兖矿新疆煤化工有限公司空分车间)

众所周知，我国水资源匮乏地区分布着丰富的煤炭资源。随着煤化工行业的迅猛发展，因地制宜利用煤炭资源发展下游产业，提高煤炭附加值，已是大势所趋。与此同时，如何解决水资源紧缺问题已成了发展的关键。目前，大型煤化工项目越来越多地选择空气冷凝器作为汽轮机乏汽冷凝装置。兖矿新疆煤化工有限公司空分空冷器装置是由常熟某公司负责设计并指导安装的，用于曼恩机械有限公司生产的RIKT-160机组汽轮机乏汽的冷凝。该套空冷器装置为常熟某公司在新疆启用的首套装置，目前已累计投入运行23个月，运行情况良好。

1 空气冷凝器系统的组成和流程

空气冷凝器 （简称空冷器）系统流程如图1所示。空冷器系统主要由以下6个子系统组成。

图1 空气冷凝器系统流程

（1）排汽系统 排汽系统设1根主排汽管道，排汽管道疏水直接引入排汽装置下的疏水罐，管道上不设阀门。

（2）空气冷凝器系统 空气冷凝器系统 （aircooled condenser system，简称ACC系统）通过蒸汽与空气的热交换来冷凝汽轮机排汽，以维持汽轮机的低背压。整个空气冷凝器系统按换热介质不同可划分为蒸汽系统和空气系统。图2为空冷器换热管管束结构示意图。

①蒸汽系统。整个ACC系统由3列换热管束组成，管束受热面均采用两级冷凝布置，即先顺流(蒸汽流向与凝结水流向相同)后逆流 （蒸汽流向与凝结水流向相反）。在低温低负荷情况下，可以选择性停运部分换热管束，以减少整体换热面积。在逆流换热器上联箱设有抽气口，以便将不凝结气体抽出。

②空气系统。空气系统主要指风机组，包括12台轴流风机及风机变速箱、电动机、振动开关、变频器等附属设施。风机转速通过变频器可在20%～100%范围内调节。在低温低负荷情况下，通过改变风机的转速或运转风机台数可以改变空气流量以减少换热量。

（3）抽真空系统 抽真空系统设置2台真空抽气器，1台为正常运行时使用，1台启动抽气器，用以汽轮机启动时快速降低汽轮机背压。真空抽气器将逆流换热管束上联箱中的不凝结气与很少量蒸汽一起抽出，不凝结气经过抽气器两级水冷，最终排入大气。

（4）凝结水系统 凝结水系统设置2台凝结水泵，凝结水系统连续运行。ACC系统中的凝结水靠重力自流输送到集液箱，由凝结水泵通过凝结水管输出。

（5）启动旁路装置 由于汽轮机在暖机阶段的流量非常低，在极端寒冷的情况下，不能满足空冷器最小流量要求，因此必须使用ACC系统启动旁路，以达到防冻的目的。旁路蒸汽系统包括一组隔离阀、减温减压装置以及连接管道等。

（6）清洗系统 清洗系统配置1台清洗水泵，水泵布置在室内，采用半自动清洗方式，即水平移动为手动，垂直运动为电动。清洗系统的控制完全独立，由就地开关控制，不进DCS。

2 空冷器装置冻管故障及原因分析

2.1 空冷器装置冻管

2012年冬，该套装置所处最低气温达-30℃，属于极端恶劣环境。随着气温降低，先采取了逐渐降低风机负荷、停运风机、减小空冷器的换热面积等方法维持空冷器运行。后来，随着气温进一步降低，选择了蒸汽乏汽最远端一列换热管束，关闭该列蒸汽进气隔离阀，停止该列运行。初期运行情况良好，在环境温度达最低时也没有出现异常情况。但运行约60天后，环境温度开始回升，2013年1月17日发现汽轮机排压突然持续上升。为维持汽轮机正常背压，启动主抽气器维持运行约2 h，在此期间凝结水温度大幅度波动，且相邻列温差大于5℃，判断为蒸汽严重偏流。空冷器现场框架上，可听到停运列管束发出明显的漏气声，敲击漏气声附近管束，声音沉闷，因此可判断为现场管束冻堵。

由于部分管束因冻堵而发生局部胀裂，随着气温上升，冻堵处自然化冻，自裂缝处倒吸空气进入空冷器，导致空气进入空冷器系统，蒸汽发生严重偏流，抽气器抽吸能力达不到要求，汽轮机背压持续上升，最终汽轮机被迫停车。

2.2 冻管原因分析

根据此次故障的情况进行了以下分析。停运一列风机，关闭蒸汽进气隔离阀，以降低空冷器换热面积，但并没有将停运的这列风机完全隔离。顶部抽取不凝气的阀门处于打开状态，同时底部冷凝液与运行列相通。在同一水平面上，停运列冷凝液底部下联箱保持一定液位。由于进气隔离阀关闭，没有蒸汽进入停运列，顶部抽气阀一直处于吸气状态，在停运列顶部与底部冷凝液产生了压差，导致底部下联箱的冷凝液被抽至一定高度。在极低环境温度下，虽然管道胀裂，但由于冻堵并没有发生泄漏。在环境温度回升过程中，部分位置出现化冻现象，冻裂管道处开始出现漏气，空冷器真空度难以维持，最终停车。

一般情况下导致冻管常见的有以下一些原因：蒸汽流量偏低；在意外情况下空气进入系统的真空部分；由于长时间运行，系统中不凝气体积聚太多；蒸汽分配不均导致某一列管束蒸汽量较少，风量过大，冷凝液过冷。而本次空冷器冻结是因为单独停运了一列管束，又不能将该列管束完全隔离，所以最终导致部分管束冻管。

2.3 冻管处理措施

（1）快速处理，恢复系统运行。由于需要较大的换热量，空冷器的管束一般管壁较薄，所以焊接堵漏方法不可行。对于冻裂管束暂时通过割断处理方式，堵死有漏点管束，以便尽快恢复系统运行。此法为治标不治本，且可能导致蒸汽分配恶化，极易产生更为严重的冻管后果。因此，不建议大面积使用。

（2）更换管束，优化工艺流程。利用检修机会对割断管束进行更换，同时对原有设计进行改造，在单列冷凝液汇流进入冷凝液总管处增加手阀，阀前增加导淋，配合顶部抽气阀对停运列进行完全隔离。在完全停运一列后，关闭蒸汽进气阀、顶部不凝气抽气阀、底部新增手阀，打开手阀前导淋阀，排净底部冷凝液，对停运列完全隔离。经试验，可以完全隔离停运列，并且对机组运行没有影响。

2.4 采取措施后的效果

2012年冬，采取快速处理的方法恢复了系统运行，但一直存在蒸汽偏流问题。2013年5月采取更换管束、优化工艺流程的方法从根本上解决了冻管和偏流问题。2013年冬季伊始，对优化后的工艺流程进行了试验，完全达到了预期效果，可以彻底隔离停运列管束。从2014年的运行情况来看，空冷器运行情况良好，未再发生大面积冻管故障。

3 工艺参数异常情况处理

（1）不凝结气体温度低。当不凝结气体温度低时，检查系统是否存在泄漏。通常情况下，如该温度与排气温度的差值大于10℃，开启主抽气器以使系统外泄漏的空气被抽出。但是使用主抽气器以后应注意汽轮机排气压力不能过低，必须高于35 kPaA（经验值），过冷度在3℃以内，不超过5℃，一旦汽轮机压力低于35 kPaA，系统将会在运行一段时间以后产生偏流现象。

（2）排气压力高，冷凝液温度低。如果出现这种状况，一般为偏流的后期反应，即管束内可能发生冻结，导致管道内部结冰，换热效率下降。若冻管情况在可接受范围内，可采取在线化冻处理，即采用风机底部点火，人为营造温热环境，融化管束内部冰的方法恢复空冷器的正常运行。若冻管严重，应迅速停止汽轮机运行，停运所有风机和百叶窗，切断旁路蒸汽，等待系统内的冰融化。再次启动前，需要检查ACC系统的真空严密性，做真空衰减试验 （具体值应当参考厂家给定的设计值）。若真空度下降趋势在厂家给定范围内，证明系统无明显泄漏点；若真空度下降趋势明显，则需现场排查，对不正常泄漏点进行处理。

4 日常监控运行措施

（1）巡检人员务必要间隔一段时间检查空冷器内部迎风面管道上部、中部以及下部的壁温，通常情况壁温高于45℃。当环境温度低于-20℃时，管束壁温会有明显降低，此时应注意空冷岛整体温度的监控。若整体温度均降低，则在条件允许范围内，可以通过适当提高汽轮机排压来提高乏汽冷凝温度，以满足防冻需要。

（2）由DCS通过迎风面管束测量壁温趋势及真空度、环境温度、冷凝液温度、排气温度、不凝气温度等相互关系，判断风机的运行方式。

（3）在运行过程中应注意防止凝结水过冷、不凝气过冷。防止凝结水过冷的目的是避免由于冬季抽真空系统在低背压下抽吸能力下降或严重漏气致使凝结水过冷继而结冰。切记在凝结水过冷情况下不能通过增加风机负荷来降低汽轮机背压。如果汽轮机排气温度高于冷凝液温度15℃以上，可选择启动第二台运行抽气器；若汽轮机排气温度与冷凝液温度温差在6℃以内，系统运行平稳，则可以停第二台运行抽气器。

（4）当环境温度降到0℃以下时，就要考虑防冻问题。如果进入空冷器的蒸汽流量很小，即使风机不运行，空冷器也可能因为自然换热而结冻。特别是在汽轮机启动阶段，此时可以启动旁路蒸汽，人为增加空冷器的蒸汽处理量。该蒸汽流量随空冷器换热面积的减少和环境温度的升高而降低。

（5）管束的清洁程度对空冷器的性能影响很大。入夏前必须对管束进行清洗，否则可能因为高背压导致机组不能满负荷运行。

总之，在实际运行中，通过不断优化工艺流程，改进操作方法，有效地提高了空冷器运行的可靠性。空冷设备的有效利用，大大降低了空分耗水量。