影响直接空冷器稳定运行因素分析

韩斌(辽宁大唐国际阜新煤制天然气有限责任公司，辽宁 阜新 123000)

0 引言

“富煤、缺油、少气”的资源条件，决定了中国能源结构以煤为主，对作为我国能源大头的煤，不能简单一弃了之，一方面，要打造煤炭清洁高效转化与利用系统，努力实现煤基能源的绿色低碳化和高效集约化发展。另一方面，随着工业化的深入发展，水资源需求持续增长，如何有效利用地球现有的资源，成为现代的课题。空冷器的出现，大大的减少了煤基能源项目的用水量，与传统的管壳式水冷却器相比，空冷器无疑是理想的替代品。

1 直接空冷器系统组成

直接空冷凝汽器系统(英文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[1]。

空冷系统流程如图1所示，主要由以下6个系统组成：

图1 空冷系统流程图

1.1 排气管道系统

指从汽轮机的排气出口到各空冷凝汽器的蒸汽分配管之间的管道以及在排汽管道上设置的滑动和固定支座、隔离阀、导流板、膨胀补偿器等。

1.2 空冷凝汽器系统

直接空冷凝汽器由单排扁圆管或圆管组成的成块管束组合而成，管束布

置成“A”字型，乏汽自上而下进入管束与风机来的空气进行错流换热，通过改变风机运行转速或运行风机台数改变逆流空气流量，乏汽在遇冷后凝结成水，体积极具缩小，这样在原来由蒸汽占据的空间形成了高度的真空。

1.3 凝结水系统

管束内凝结水在重力作用下汇集在一起，通过下联箱及管道进入热井，然后通过冷凝液泵及控制阀送出界区。

1.4 抽真空系统

为维持空冷系统真空稳定，防止因空气漏入系统，破坏真空，设置了射汽式抽气器。蒸汽通过抽气器喷嘴，压力降低，流速增加，在喷嘴出口扩压管处形成高度真空，该处与空冷管束抽气口相连，可不断将空冷器内不凝气抽走，保持系统的真空状态。

1.5 减温减压装置

在北方及气候寒冷地区，凝气式汽轮机启动或停机阶段，蒸汽流量小，空冷系统极易出现过冷状态，出现管束冻堵现象，减温减压装置可及时对空冷系统进行补汽，保证空冷系统稳定运行最小流量。

1.6 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[2]。

2 危险因素分析

危险源是潜在的可能引起意外的，并且对人、设备以及环境造成伤害的因素[3]。主要危险因素有夏季炎热高温、冬季天气寒冷、真空系统严密性差、运行误操作、凝结水管冻堵、不凝气管温度低、蒸汽偏流等。

下面以某公司251000m3/h空压机组配套直接空冷系统设计中存在危险因素进行分析。

2.1 问题分析一

设计基础：最热月最高平均气温：29.5℃(ACC设计工况),历年最高气温：40.9℃,历年最低气温：-30.9℃,年均大气压：99.58kPa。

设计参数：汽轮机排汽压力：0.02MPaA，汽轮机排汽流量：129t/h,设计环境温度：29.5℃。

本套直接空冷器设计中选取最热月最高平均气温29.5℃为ACC设计工况。此设计点温度选择偏低，依照项目当地最热月最高平均气温作为设计点温度，如夏季多日气温高于设计点温度，则压缩机组将无法满负荷运行，装置被迫降低产能。

设计点温度指设计空冷器时选用的当地空气入口干球温度。通常设计点温度的选取有以下几种方法：

(1)保证每年不超过5天的最高气温，即其出现时间约占全年时间的1.3%。

(2)按当地最热月的日最高气温的月平均值加3～4℃。

(3)7、8月的日最高气温的月平均值，并乘以1.10。

(4)不超过一年的最热三个月中或最热月期间日平均气温5%时间的温度。

2.2 问题分析二

本项目所在地区气候特点：春季干旱多风、夏季干燥、秋季降温较快、冬季严寒少雪，最低气温可达-30.9℃。防冻将成为本装置冬季生产运行首要问题。在冬季启动或负荷低的情况下，空冷器调节方式主要为降低风机负荷，选择性停运风机，或切除某列管束，减小实际换热面积。

本装置乏汽管线上设有电动隔离阀，“屋顶A”与“屋顶B”不凝气管线汇总后进入射汽抽气器，“屋顶A”隔离阀302前设置单独冷凝液管线，“屋顶A”隔离阀后与“屋顶B”下联箱凝液管线互相连通汇总后进入热井，凝液管线未设置切断阀。

在冬季启机情况下，可通过关闭“屋顶A”“屋顶B”隔离阀进行管束隔离，防止汽轮机启动暖机过程中，乏汽流量少，管束内凝液出现过冷状态，同时本系统设置了旁路减温减压装置，以便在冬季启机情况下，对空冷器补汽，保证进汽量。

在冬季低负荷运行中，可操作方式有降低风机转速、选择性停运风机。当风机停运后，系统长期运行，可能会因部分风机停运而造成系统出现偏流，局部过冷或过热。如将“屋顶A”隔离阀302关闭，由于顶部不凝气管线无阀门切断，直接连通射汽抽气器，而隔离阀302后管束与“屋顶B”冷凝液系统相连，隔离阀302关闭后，顶部不凝气系统一直运行，隔离阀302后停运管束顶部与底部产生压差，导致底部联箱的冷凝液被抽到停运管束内一定高度，当环境温度很低时，停运管束将会冻裂。

2.3 问题分析三

本空冷系统基本流程如图1所示，设计中在空冷器“屋顶A”与“屋顶B”不凝气汇总管线设置有U型弯及导淋阀，不凝气经U型弯后进入射汽抽气器，空冷器运行中，在顺流管束中，蒸汽从乏汽总管向下流动，冷凝水的流动方向与蒸汽的流动方向一致，冷凝液将随蒸汽流入下联箱中。但是在逆流管束中，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，如空冷系统负荷增加，管束布汽不均，将造成不凝气带液，则凝液会集中在U型弯处，随着运行时间的增加，环境温度降低，大量凝液集聚，将产生液封现象，造成机组排汽压力及排汽温度增大，不凝气温度降低，空冷系统管束热量分布不均，严重时产生偏流，造成管束冻堵现象。

3 建议解决措施

3.1 问题一建议解决措施

(1)考虑到工艺和经济上的合理性及我国大多数地区的气候条件，空冷器设计阶段，设计点温度要充分考虑最热月最高平均气温，并留有一定余值。本项目建议设计点温度应选择32℃。

(2)设计阶段空冷器实际换热面积应在汽轮机考核工况的排气量、排汽压力计算所需的换热面积的基础上增加不小于10%的设计余量，留有一定的换热余量。

(3)实际运行中，如环境温度高，空冷系统风机已最大负荷运行，可增加喷淋水，冲刷管束表面，降低管束温度，增大换热能力。

3.2 问题二建议解决措施

在每列凝液汇流进入凝液总管处增加手阀，阀前增加导淋，可切离运行管束凝液系统；屋顶不凝气抽气管线汇总前增设手阀，保证不凝气系统真空正常；当运行管束系统需切除，可关闭电动隔离阀、不凝气及凝液支管手阀，打开凝液手阀前导淋阀，排净底部冷凝液，可实现停运管束完全隔离。

3.3 问题三建议解决措施

(1)将不凝气U型弯取消，由不凝气汇流总管直接引致射汽抽气器，由于不凝气总管高于射汽抽气器进口，如管内出现冷凝液，液体将随不凝气一同流入射汽抽气器中。

(2)将U型管低点处导淋就近引入汽轮机排汽总管，如冬季运行中出现不凝气温度过低，汽轮机排压及排温变高，逆流管束温度低等现象，则U型管内可能存有液体，造成系统不凝气无法及时抽出，可打开U型管导淋阀，将凝液排出。

4 结语

直接空冷技术作为一项既经济又环保的技术，在实际应用过程中，往往因地域不同，气候不同，工艺不同等诸多因素，出现了各种问题。本文以某公司251000m3/h空压机组配套直接空冷系统为例，总结分析空冷系统在设计阶段存在的问题，深入剖析设计缺陷存在的潜在危害，供设计、安装、调试、运行、维护有关单位参考。