直接空冷机组冷端温度场监测及防冻措施

(山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013)

0 引 言

经过近年来的快速发展，直接空冷机组已成为我国北方富煤缺水地区火力发电厂的主力机型[1]。国内大量在运的直接空冷机组，普遍存在各种运行问题，例如：机组最佳运行背压难以确定；冬季运行时防冻压力大，空冷风机运行方式不合理；机组真空系统严密性较差；空冷系统翅片管清洗频次不合理；喷雾增湿系统缺乏运行指导等[2-4]。空冷散热器直接在大气环境中工作，由于冬季采暖负荷增加，需要冷却的蒸汽流量变少，此时风机处于接近停机状态，空冷平台的温度分布及其不均，容易造成停机事故的发生。散热器表面的污垢增大了散热器冷却空气流通阻力，使冷却风量减小，并增加了换热热阻使传热性能下降。最终汽轮机的排汽压力升高，机组运行经济性下降。空冷系统性能下降使机组运行经济性下降二者之间存在优化选择。散热器清洗应根据空冷凝汽器翅片管束外表面的脏污程度和周围的环境状况，决定清洗次数。空冷系统形成热回流，使机组背压产生波动。不仅会影响空冷机组的经济性，严重时也会引起机组停机。春秋季节如果根据地区自然风向规律，调整风机运行可以起到维持相同背压时降低风机电耗的目的。夏季时则有必要对热回流进行预警。直接空冷系统春、夏、秋、冬运行工况变化很大，且北方地区冬、夏两季环境温度差高达70 ℃，为了防止冷却器冻损事故，冬季大部分电厂人为将机组排汽背压控制在18～20 kPa，排汽温度高达60 ℃左右，使机组热耗和煤耗大幅增加，严重影响了全厂运行经济性[5]。因此，如何在保证安全防冻的前提下，提高冬季直接空冷系统的冷却效果，成为亟待解决的问题。

1 空冷机组冻结成因

1.1 环境温度过低

在通风量一定的情况下，空冷凝汽器的散热量主要由环境温度决定。实际运行中，空气经过风机后通过翅片间隙，带走母管内蒸汽凝结释放的热量。使得管束内蒸汽和翅片管外的冷空气进行对流换热。当冬季环境温度较低时，单位质量空气的冷却能力增加，蒸汽可能在下降管上半部分已经冷凝，下半部分则完全是冷凝水。当凝结水向下流动时，会继续被管外空气冷却，导致凝结水过冷度增加。翅片管中冷凝水可能会发生冻结，导致蒸汽在管束中停滞。此外，由于冷凝水温度较低，下联箱也可能出现冻结。管内蒸汽流动如图1所示。

1.2 蒸汽流量分配不均

空冷凝汽器运行过程中会出现热、汽流量分布不均的现象。从理论上讲，汽轮机排汽应该均匀分布到各个管束。但由于设计、制造、安装、风冷风机运行方式、环境温度、风速等因素的影响，导致蒸汽流量分布出现不均。特别是在机组低负荷运行时，流量偏差可达5%[6]。随着进入空冷岛的蒸汽流量的减小，蒸汽流量分配逐渐增大。在机组低负荷运行期间，单个冷却单元分配的蒸汽量将远远低于设计值。因此，冬季低负荷运行时应特别考虑冷热不均和流量不均引起的冷却管束表面温度偏差。

1.3 不凝性气体

不凝性气体积聚是空冷系统翅片管内冷凝水冻结的主要内在原因。翅片管内不凝气体的密度一般高于蒸汽，但是其传热系数较低。如果空冷凝汽器内有不凝气体，会影响管内蒸汽流量，导致单个翅片管内蒸汽流量和管壁温度降低，使凝结水温度过低时出现冻结现象。因此，空冷机组不凝性气体的聚集区往往会形成冰点，冰点的分布如图2所示。冰点主要位置为：翅片管冷凝端、上下游管束相邻部位、翅片管与下集箱焊接部位。空气漏入汽侧后会造成局部阻力增加，使蒸汽不再流动，易造成结冰现象。

1.4 真空泄露

直接空冷系统排气管直径大，焊缝长，接头多，密封困难，因此施工难度较大。整个真空系统体积大，因此容易出现真空泄漏。翅片结构复杂，数量多，翅片与母管的连接过程也较为复杂，如果在运输或安装过程中，翅片与母管的连接因变形而损坏，也会发生泄漏。隔离阀和膨胀节密封性不良也是导致真空泄漏的主要原因[7-8]。这些真空漏点在严寒环境下容易导致管道结冰。

2 冷端温度监测系统

2.1 系统组成

系统主要有4部分组成，包括：数字式温度传感器，智慧前端采集器，数据传输及处理服务器，DCS优化控制模块，如图3所示。系统的工作原理如下：数字式温度传感器实时监测空冷散热器的各项温度参数，由智慧前端采集器将这些参数汇集，经数据传输及处理服务器传输，最终传给DCS优化控制模块，由DCS优化控制模块判断空冷岛内部是否出现运行问题，并给出最佳解决方案。例如：系统由数字式温度传感器实时监测散热管束温度，由智慧前端采集器采集空冷岛四周的风速风向气压等参数，再将数字式温度传感器和智慧前端采集器测量的数据参数由数据传输及处理服务器装置传输到DCS优化控制模块中，由DCS优化控制模块判断空冷岛四周是否出现热风回流现象等各种问题的发生，并给出最优处理措施。另外，该系统还可通过在空冷岛内布置温湿度测点，实现空冷岛喷雾增湿系统的实时在线控制和优化。通过在散热器空气进出口侧布置风速仪，在线监测散热器积灰状态。

2.2 测温电缆

本系统中，温度传感器采用数字式温度传感器，其温度测量范围为-55～125 ℃，精度为±0.5 ℃,温度传感器采用电缆方式封装，具有防水功能，可全天候使用，并不影响测量精度和灵敏度。内部根据需要特定距离集成测温传感器，测温电缆采用工业级橡胶制作，耐低温，防腐蚀，耐高压，内部含有一根高强度的钢丝，防止测温线缆的断裂。测温电缆安装方案如图4所示。由于空冷岛的外部环境条件不同，内部流动又分逆流与顺流，从理论研究与实际运行经济看，各个单元的可能结冰情况不一样，通常逆流单元比顺流单元更容易结冰，边缘处的单元比内部单元更容易结冰。积累历史数据后可做适当调整，保留关键区域测点密度，适当降低次要区域测点密度。

3 防冻措施

3.1 设计时的防冻措施

常规的防冻设计措施是采用大直径扁管蛇形翅片单排管、采用合理的顺逆流比、设置自动控制装置、挡风墙、挡风网、动真空隔离阀、变频风机等。大直径的单排管使空冷单元的蒸汽侧压力降低，有助于蒸汽的汽液分离和防冻；采用合理的顺逆流比，适当增加空冷机组逆流区域的冷却面积，可有效防冻；机组冬季运行时，设置相关的防冻自动控制装置；环境风较大的地区，可设置挡风墙或挡风网，避免环境风直接吹响凝汽器，造成凝水管两侧温差过大；设置电动真空隔离阀，当机组冬季低温启动时，关闭部分空冷单元，从而避免凝结水过冷；采用变频风机，根据空冷机组热负荷，自动调节风机转速，防止凝结水温过低而冻结[9]。

特殊的防冻设计措施包括：合理地选择散热器翅片管束长度、临时封闭等。合理地选择散热器翅片管束长度。缩短排汽的冷却路径，可相应降低散热器管束内的蒸汽流速，保证空冷机组的正常运行。同时还可与真空隔离阀配合使用，关闭真空隔离阀，调节排汽量和空冷机组的冷却性能。极严寒时期临时封闭措施。根据实际运行的历史数据和数值模拟分析，确定冬季空冷单元易冻区域。易冻区域的部门风机出口设置挂钩。当空冷机组处于低热负荷或环境温度过低时，封盖部分风机的出风口，减弱风机的冷却能力，保证易冻区域的安全运行。此外，还可对空冷管束开展冷冻试验。通过对空冷管束进行现场冷冻试验，获得环境温度、进汽量、排汽量、排气温度等因素与散热器冻结现象的关系，为机组的安全经济运行提供运行依据。

3.2 正常运行时的防护措施

当机组正常运行时，尽量保证运行初期的机组背压高于15 kPa；当凝结水温度过低时，应适当减小风机的转速，或使部分风机停运，实际情况需要时还可进行定期手动回暖；当某列空冷机组逆流区的抽空气温度低于20 ℃时，应考虑使该列逆流风机反转运行；保证各列散热器区域的温度差不高于5 ℃；为了避免凝集水管冻结，应加强监测排气装置的水位和补水量，以及真空抽气口的温度变化；正常运行时，尽量保证同列风机中的运转频率相同；加强电厂和电网的调度沟通，协调好汽轮机负荷和空冷机组的最低热负荷之间的关系。

3.3 启动时的防护措施

当机组冬季启动时，应在一天中气温最高时进行；若启动时的环境低于2 ℃，应使伴热装置等提前运行，并开启逆流区的抽空气阀；应保证空冷机组的蒸汽进汽量大于机组的最小防冻流量；在锅炉点火的初期，当背压低于30 kPa时，应严格控制疏水进入，并注意排气缸的温度变化；时刻关注凝结水及抽空气管的温度走势；投入新的空冷单元运行时，应保证以投入的空冷单元的凝结水温度高于45 ℃；由机组负荷变化确定风机启动时间和蒸汽流量的分配，逆流区的风机在机组初启动时不可逆转[10]。

3.4 停机时的防护措施

当机组冬季停机时，应在一天中气温最高时进行；尽可能的缩短空冷机组的滑停时间，使机组在高负荷的时候也可打闸停机；应时刻保证空冷机组的最小防冻流量，当机组处于低负荷时，可根据实际情况投入机组的旁路系统；为了避免蒸汽流入空冷排气设备，应使疏水直接汇入锅炉疏水箱，并关闭直接空冷机组的近汽蝶阀；进行切低速、停风机的操作时，应保证凝结水温度不低于45 ℃；为了防止疏水阀不严，造成低压排汽缸的排气温度过高，应使凝结水泵不间断运行6～8 h，至排汽室的温度低于50 ℃为止；机组跳闸时，如果空冷机组暂时不能启动，则以正常停机的情况进行处理。

4 结束语

如何在保证安全防冻的前题下，提高空冷系统的冷却效果至关重要。散热器易冻问题一直是空冷机组冬季运行过程中，影响机组效率的主要问题。文中通过分析空冷机组出现冻结的成因，设计了冷端温度监测系统，并在此基础上提出了空冷机组设计、运行、启停等各个阶段的防冻措施，有效地避免机组冻冰现象的产生。为了保证直接空冷机组的安全经济运行，还需要根据现场的实际情况进行不断调整的完善，减少设备故障，增加企业效益。