一种自动封堵装置在空冷岛上的应用

杨宏斌，丁海林

（1.国网能源哈密煤电有限公司，新疆维吾尔自治区 哈密 839000；2.陕西鼓风机有限公司，西安 710075）

0 引言

我国对热电厂空冷技术的研究开始于20 世纪60 年代，随着该项技术的发展，空冷方案也逐渐成熟，应用地区也由最初炎热的南方地区转移到寒冷的北方［1-3］。直接空冷技术是将汽轮机做功之后产生的排汽，通过管道传输，最后在空冷岛直接与空气换热，并收集凝结水。在富煤少水的北方地区，直接空冷技术能够有效节约水资源。汽轮机排出的低压汽经过管道传输到空冷岛，通过蒸汽分配管引入各个冷却管束单元，并利用空冷岛底部轴流风机产生的冷却风进行冷却，最后凝结出来的冷凝水回流到凝结水箱，循环利用。在冬季，由于供热电厂抽汽增多导致汽轮机乏汽减少且蒸汽分配到各个冷凝管束的量不均匀，翅片很容易出现结冻现象，特别是在逆流区的管束甚至会出现爆管情况。这些隐患直接影响电厂安全运行，因此直接空冷技术的防冻问题急需解决［4-5］。

众多学者在这方面做了很多研究并取得了相关成果，张学镭［6］等人采用模糊层次分析法对热电厂空冷岛防冻参数进行了监测分析；文献［7-9］建立了基于空冷单元的多点多参数监测系统，提出了冻结系数描述空冷岛的冻结状态，实现了空冷岛各空冷单元冻结状态的在线监测和监控；任岐［10］、翟永杰［11］等人运用机器学习算法建立了空冷岛的背压控制策略模型；高建强［12］等人以300 MW 机组为研究对象，研究了不同季节对机组背压的影响规律。上述文献对现有的空冷岛防冻装置的优化设计和防冻效果的相关研究不够完善，本文针对国神集团某电厂2×310 MW 机组一期工程空冷机的实际环境实施了一种自动封堵装置，为解决直接空冷技术的防冻问题提供了一种思路。

1 自动封堵防冻装置

1.1 现有防冻装置概述

北方地区大型供热机组直接空冷凝汽器的挡风防冻问题严重影响着设备安全和经济效益。机组在持续大流量抽汽供热的同时，还需要避免冬季结冰以及加装防冻装置带来的背压升高。

已有专家学者开展了相关研究，目前，所有防冻装置需有效阻挡空气流过换热管束，所以其安装位置须在冷却风的流动通道上。现有三种典型的防冻装置布设位置，分别是冷却风入口、出口和翅片上，汇总分析如表1 所示。

表1 空冷岛防冻措施方案及特点Tab.1 Anti-freezing measures and characteristics of air-cooled island

2018 年国神集团某电厂引进了一种可安装于冷却风入口的自动封堵装置，解决了空冷岛冬季冻结问题。据运行显示，该设备有效降低了热电厂空冷岛在冬季冻结的风险。

1.2 自动封堵装置简介

国神集团某2×310 MW 机组空冷岛单元自动封堵装置主要系统包括：动力系统、传动系统、牵引张紧系统及防风帘平移系统，结构如图1 所示，各系统主要工作原理如下。

图1 自动封堵装置图Fig.1 Diagram of automatic blocking device

（1）动力系统。

动力系统主要由电机和减速箱组成。具有正反转功能的电机通过电机座安装在支架基座上，电机输出轴连接减速箱，减速器的输出轴通过联轴器与传动系统输出轴连接，实现动力的输送，如图2 所示。

图2 动力系统Fig.2 Power system

（2）传动系统。

减速箱输出轴连接联轴器，将动力传递给传动短轴，再经过联轴器，将动力传递给同轴布置的第一长轴和第二长轴，实现了动能的传输，传动系统如图3 所示。

图3 传动系统Fig.3 The transmission system

（3）牵引张紧系统。

牵引系统的基座上布置有牵引架及牵引座，通过联轴器将动力轴动力传递给牵引轴，牵引座内包括两个相互平行的动轮（从动轮、主动轮）以及连接从动轮与主动轮的牵引绳，牵引绳通过8 字缠绕结构将主动轮上动力传递给从动轮，如图4 所示。8 字缠绕的方式一方面降低了转速，另一方面保证防风帘受到牵引绳的拉力能够均匀分布于防风帘上。

图4 牵引系统Fig.4 Traction system

张紧系统如图5 所示，通过张紧架固定在基座上，张紧座上内设有滑轮，牵引绳在滑轮上做滚动与滑动运动，牵引绳一端与牵引轴上主动轮连接，另一端与张紧轮连接，保证整个牵引与张紧系统的动力传输平稳和连贯运行。牵引座底部及张紧架一侧设有螺纹孔，通过螺杆固定张紧系统，通过调节螺杆，能够调节系统的张紧程度。

图5 张紧系统Fig.5 Tensioning system

（4）防风帘平移系统。

防风帘平移系统包括C 型轨道、横梁、滚轮和防风帘。三组C 型槽钢轨道布置在封堵装置基座上，钢轨一端为动力及传动系统，另一端为张紧系统。横梁两端设有滚轮且能够在C 型槽钢轨上运动，沿钢轨长度方向上每间隔一定距离布置一道横梁。横梁布置在防风帘上，且中间设置有通孔，牵引绳穿过通孔带动防风帘在钢轨上运动，实现封堵，如图6 所示。

图6 防风帘平移系统Fig.6 Windscreen mobile system

2 自动封堵装置运行机制

当启动封堵按钮时，电机通过联轴器及传动轴带动停靠在装置一侧的第一根横梁和防风帘布沿着钢轨长度方向运动，当防风帘移动到限位开关2 位置处，电机停止，实现25%面积封堵。当继续启动封堵按钮时，电机通过各个系统继续带动防风帘运动到限位开关3 处，电机停止，实现50%面积封堵。同理，限位开关4 可以实现75%面积的封堵，限位开关5 可以实现全部面积的封堵。电机自动继续运行，带动防风帘运动，当运动到限位开关6 时，电机自动停止；同理，当防风帘返回到限位开关1 处，电机停止。该装置的封堵面积在0～100%之间可调，开关功能汇总结果见表2。

表2 开关功能汇总Tab.2 Summary of Switch Functions

3 工程实施效果

3.1 自动封堵装置整体运行效果检验

在国神集团某2×310 MW 机组一期工程的空冷岛对自动封堵装置进行了适应性设计和试运行。该厂所在地区夏季燥热，冬季寒冷，常年少雨，年、日温差大，其空冷岛在运行中存以下问题：

（1）为满足冬季防冻，通常采取相对较高的背压运行，导致空冷优势得不到充分发挥。

（2）空冷机组性能受制于环境风场，空冷岛抵御环境大风的能力差；空冷系统庞大，冷却空气流场、温度场极不均匀，空冷凝汽器传热面积得不到充分利用，造成传热能力浪费。

（3）采取人工铺篷防冻措施，劳动力消耗较大，操作人员高空作业存在一定的安全隐患，实施后篷布容易被吹走，防冻效果不理想，存在隐患。

本文所采用的自动封堵装置能够部分及完全覆遮挡风机出风口，在冬季最低温度天气情况下，通过调节自动防风帘布置在出风口的封堵面积，能控制进入空冷岛室内的冷却风量，同时配合调节空冷岛冷却系统的冷却水量，这样就达到了冬季空冷岛室内防冻控温的效果。低温和高温条件下风机等装置工作状态汇总结果见表3。

表3 高温和低温条件下风机等装置工作状态汇总Tab.3 Summary of working status of fan and other devices under high and low temperature conditions

检验结果显示，在自动封堵装置实施后，空冷岛室内温度能够保持在9 ℃左右，能够保证空冷岛管束不结冻，即便是在热电厂机组抽汽较高的冬季，也能够保证翅片全部正常运行。夏季电厂运行期间，自动封堵装置完全收回，布置在风机筒一侧，空冷岛冷却风机正常运行。

该方案解决了北方地区冬季热电厂空冷岛单元的冻结问题。实际运行情况说明，该装置实施以来有效降低了该热电厂在冬季启停机以及正常运行过程中的冷却管路结冰，甚至系统瘫痪等安全隐患的发生率，保证了电厂生产的正常进行。同时，在一定程度上降低了设备和操作人员的安全风险。

3.2 自动封堵装置运行节能和经济效果

针对运行中空冷岛翅片因温度低可能结冻的问题，国神集团某2×310 MW 机组空冷岛动自动封堵装置可实现快速调节空冷岛室内温度。冬季机组运行时，不需要因防冻问题采取相对较高的背压运行，从而降低了发电系统煤耗。当自动封堵装置封堵面积为100%时，可以减小空冷风机的投运数量，降低厂用电率。自动封堵装置与人工铺篷措施的运行优势对比结果见表4。

表4 自动封堵装置与人工铺篷措施的对比结果Tab.4 Comparison between automatic plugging device and manual covering measures

据统计，该套防冻装置有效寿命为10 年，总投资70 万元。采用人工铺篷方式，需要工人5 人，人工费约720 元/（人·天），每年铺篷与拆篷施工时长约5 天，铺篷与拆篷的人工费共计1.8 万元/年。

空冷风机在自动封堵装置实施之后，与实施前相比，停运风机数量由原来的8 台增加到18 台。新疆地区冬季较长，全部封堵期间空冷风机每年停运时间为50 天，风机额定功率为110 kW，在冬季运行期间，空冷岛防冻措施实施之后，风机降低运行频率，此时实际功率为90 kW。根据空冷岛内部温度，在降低风机运行频率的基础上，进一步停运部分风机节约电量。

人工防冻措施工况下，风机停运8 台，节省电量为：

采用自动封堵装置工况下，风机停运18 台，节省电量为：

冬季防冻期间热电厂运行热电比为2.8，期间电厂发电煤耗296.59 g/（kW·h），按照原煤600 元/t 计算，则人工防冻措施下，节省电费为：

同样情况下，采用自动封堵装置可节省电费为：

则与人工铺装防冻措施相比，自动封堵装置封堵效果显著，每年能够为公司节约电费为：

结合表4 的运行维护成本统计，采用自动封堵装置每年可节约成本22.81 万元。

此计算只考虑了风机完全停止运行，没有考虑风机降低功率运行工况。综上所述，采用自动封堵装置预防空冷岛结冻的节能和经济效果显著。

4 结论

针对北方地区大型供热机组空冷岛挡风防冻工作的重要性及特殊性，本文对国神集团某电厂空冷凝汽器挡风防冻装置的优化设计工作进行研究，结论如下。

（1）应用了由动力系统、传动系统、牵引张紧系统以及防风帘平移系统组成的自动封堵装置，并介绍了其运行机制，即通过控制电机正反功能旋转，实现防冻装置防风帘对空冷岛入风口的全部或者部分封堵。

（2）自动封堵装置可以根据实际热电厂空冷岛运行情况及时调节空冷风机的遮挡面积，保证电厂维持正常运行，在一定封堵面积下，将部分冷却轴流风机关闭，降低了电耗，具有一定的节能效果。

（3）该装置能在一定程度上缓解空冷岛翅片冻结以及空冷蝶阀冻结造成的安全隐患，间接节省了电厂维修人员日常维修的难度和频次，间接节约了人力和备件成本，降低了由人工作业铺、拆篷造成的安全风险。根据工程实例验证，该空冷岛防冻装置具有较大的应用空间和推广价值。