直接空冷散热器冬季冻结原因分析及对策

武辛宇，韩国强，孔凡荣

（1.山西西山热电有限责任公司，山西 太原 030022；2.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001;3.山西平朔煤矸石发电有限责任公司，山西 朔州 036800）

0 引言

近年来，直接空冷系统在我国北方地区得到了广泛的应用。但空冷散热器在冬季运行时容易出现冻结现象，严重时会使管束变形或管路冻裂。当受损严重无法进行维修而废弃时，只能在管束上下两端进行严密封堵处理以防止漏空，这就减小了有效散热面积，造成空冷性能的下降。如果更换整列管束，成本高昂。所以冬季空冷的防冻问题显得非常重要[1-3]。

1 机组现况

山西西山热电有限责任公司装设了3台上海汽轮机厂生产的C50-8.83/0.294型空冷单抽凝汽式汽轮机。每单台机组空冷散热器共由3列组成，共有72排管束和12台风机。其中54排管束为顺流散热器，18排管束为逆流散热器。每列第1、3、4组为顺流区，第2组为逆流区。2005年投产以来担负着西山地区400万m2的供热任务。为了满足逐年增加的供热需求，公司于2011年进行了余热回收利用改造，新增了3台热泵机组。改造后，每台机空冷系统冬季需隔离的列由1列变为2列，冻结的风险大增。

2 空冷冻结事故案例

2.1 3号机空冷凝水汇水管冻裂

2010年3月发现3号机第3列外侧空冷凝水汇水管大面积冻裂。第3列空冷因冬季乏汽量不足而进行了隔离，关闭了该列乏汽隔离阀，抽真空阀和凝水隔离阀，并用篷布进行了遮盖。由于抽真空阀存在内漏，使该列管束内存在真空度。而蒸汽隔离阀经过几年的运行也存在不能严密关闭的问题，而导致乏汽漏入该列管束。漏入的乏汽凝结成水后，因凝结水隔离阀关闭而不能流走，集聚在凝水汇水管内，越聚越多，在低温下发生冻结，导致事故发生。该次事故比较幸运的是，漏入的乏汽量较少，未造成散热管束冻结的严重情况发生。

针对本次事故制订了防范措施，要求在空冷冬季运行需隔离时，不得关闭凝结水隔离阀。在实际隔离中，因凝水隔离阀全开时，该列凝水管路时有振动，经过试验，当凝水隔离阀关闭至30%时，不再发生振动。所以在隔离时要求凝结水隔离阀开度保持在20%左右。既能保证凝水及时排走不发生集聚，又能防止凝水管路发生振动。振动原因是抽真空阀关不严，对管束内有抽吸力，造成凝水在管内涡动引起振动。

2.2 3号机顺流散热器管束冻裂

2013年1月2日18点，环境温度-8℃，3号机组进行启动，启动过程中，第2列顺流管束局部变形冻裂，启动失败。启动过程中空冷风机投入自动运行，第1、3列隔离，只有第2列运行。在升速过程中，进入散热管的乏汽量不断增加，真空下降。空冷风机因真空下降自动增加变频至40%，导致散热器局部管束过冷发生初期冻结。冻结后造成真空降低，空冷风机又自动增加变频至45%，形成恶性循环。当运行人员发现凝结水温度过低准备降低风机转速时，却因顺流保护动作，顺流风机转速被锁定，拖延了时间，最终导致事故发生。此次事故，12根管束冻裂，无法修复，被迫废弃，降低了空冷的性能。针对本次事故制定了防范措施，要求冬季启动时禁止空冷风机投自动，风机变频手动调整。风机变频最高不得超过35%。

3 直接空冷系统冬季运行冻结原因分析

在对空冷系统定期检修维护过程中，发现每台机组均有一些散热器管束发生了局部受冻轻微变形的情况。若不能控制冻结变形，将会使散热器管束使用寿命大幅降低。通过运行实践，总结了空冷散热器冻结原因如下。

3.1 冬季某单元列退出运行时的冻结风险

当某列在冬季隔离后，因空冷系统乏汽隔离阀均为大型蝶阀，随着使用周期的增加，关闭不严密而漏汽的可能性非常大。漏入空冷散热器的少量蒸汽在散热器翅片管内凝结成水流动缓慢，在环境温度极低时，在管路内壁开始结冰。冰层逐渐变厚，导致翅片管束发生变形，严重时发生胀裂。

3.2 冬季单元列低乏汽量运行时的冻结风险

进行乏汽冷凝热回收利用系统改造后，冬季运行期间需要对第1、3列进行隔离。仅剩第2列运行，负荷较低时通过第2列的乏汽量较少，如果对该列进行隔离，则当热泵突然故障停运时，汽轮机失去冷源，将造成停机事故。所以被迫低乏汽量运行，增大了冻结风险。

3.3 冬季进行汽轮机组启动造成的空冷冻结风险

当汽轮机组在冬季启动时，进入空冷散热器的乏汽量非常少，启动暖机时间却很长，这使空冷发生冻结的风险大增。需要采取有效的措施，避免冻结事故的发生。

3.4 环境风力、空气流场对空冷散热器管束发生冻结的影响

空冷散热管路散热主要依靠空冷变频风机向上输送冷风穿过散热器管束进行冷却散热。由轴流风机强制形成的这种空气流场，暂称之为强制流场。

空冷风机停运，当空冷散热器管束内部有乏汽流过时，凝结放出的热量经管壁传导至管束外部空气，空气受热后自然上升，下部冷空气向上进行补充，这样也形成了一个空气流场，暂称之为自然流场。自然流场的强弱受环境风力的影响较大。

强制流场和自然流场的存在使空冷散热器的热交换性能得到发挥，但在冬季空冷散热器乏汽流通量极低的情况下，这两个空气流场的存在是散热器发生冻结的主要推动因素。即使停运风机只有自然通风，在低温运行时当进入空冷岛的乏汽流量最小时，在自然流场的作用下仍能使空冷散热器管束出现冻结现象。

4 冬季空冷系统运行的防冻措施

4.1 限制和消除空气流场

强制流场可以通过降低空冷风机转速或停运的方法进行限制和消除。自然流场的消除有两种方法：一是对空冷风机的进风通道进行遮盖或在外部对散热器管束进行遮盖来阻断空气流场通路；二是让风机反转，形成与自然流场空气流动方向相反的阻力来阻止自然流场的形成。但是风机反转速度不易过大，否则会形成一个与强制流场方向相反的逆向强制流场。风机的反向转速要精确测定，并根据环境情况及时调整，使其刚好消除自然流场为最佳。空冷逆流散热器风机有反转功能。一般顺流散热器风机没有反转功能，需要对电气系统实施改造来实现风机反转。

4.2 冬季空冷单元列需隔离退出运行时的防冻措施

冬季某空冷单元列需隔离退出运行时，乏汽隔离阀的严密性非常重要，只要能关闭严密就不会发生冻结。在入冬前应对乏汽隔离阀的密封垫进行维护或更换，确保关闭严密。隔离时该列抽真空阀必须关闭，降低散热器管束内部真空值，使管内与乏汽主管路形成反向压差来阻止和降低乏汽漏入量。凝结水阀需有一定开度不能全关，防止乏汽漏入后形成的凝结水不能流走，在管束内集聚发生冻结。在单元列长期隔离时，可以采取遮盖的方法来消除自然流场，进一步降低冻结风险。

4.3 单元列低乏汽量运行时的防冻措施

冬季运行时某单元列乏汽量过低且必须运行时，需要根据抽真空温度与凝结水温度等参数的研判来采取相应措施。运行中一般采取降低风机转速的方法来减弱强制流场。空冷散热器运行时最容易发生冻结的是逆流散热器，逆流风机转速应低于顺流风机。运行中应根据凝结水温度等参数的变化，适当降低该列风机转速，必要时可将风机停运。当该列所有风机都停运时就形成了自然流场运行方式。在自然流场运行方式下若抽真空温度、凝结水温度与乏汽温度相差仍较大，这时需要使风机反转来消除自然流场。

4.4 冬季汽轮机组启动时的防冻措施

冬季机组启动时乏汽量非常低，可以采取投入旁路系统的方法来增加乏汽量。没有旁路系统的机组应设立空冷补气管路，将少量的低温低压蒸汽补入乏汽管路来补充乏汽量的不足。启动初期只需保留1列散热单元列运行，其余单元列隔离。并采用自然流场的运行方式。启动过程中根据参数变化的情况逐步投运风机和其他单元列。

4.5 冬季空冷散热器冻结初期的解冻措施

当发现空冷散热器有轻微冻结现象时，若该列或邻列在运行中，可以将发生冻结处的风机反转，使热空气回流加热散热器管束来解冻。若不具备热风回流的条件，则应立即采取烘烤或接引蒸汽在管束外部加热解冻。

对于已隔离停运的单元列，如果确定隔离阀关闭不严密，在气象条件允许的情况下，则选环境温度大于3℃的时间窗口打开抽真空阀、乏汽隔离阀通入乏汽自然加热解冻。当该列所有散热器外表面测温均达到5℃以上时，解冻完成。解冻后重新隔离或不再隔离，根据实际情况决定。

4.6 冬季空冷防冻需要采取的运行措施

冬季运行时可适当降低真空，提高排汽温度，以牺牲经济性来降低冻结风险；运行人员对空冷系统的抽真空温度、凝结水温度要严密监视，并与实地测量结果对照，在参数变化时及时做出运行调整；制定严格的巡检制度，在局部管束有冻结现象时能够及时发现，采取有效的解冻措施，防止事故扩大。

5 结束语

通过对运行中的一些事故案例进行分析研究，提出了在冬季严寒期间启动和正常运行过程中直接空冷系统运行的防冻措施，实际运行调整后都取得了良好的效果，对同类型机组直接空冷系统的防冻工作有一定的参考意义。