SCAL型間接空冷系統(tǒng)防凍研究

朱大宏，趙弦，馮璟

（中國電力工程顧問集團華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京市 100120）

0 引 言

間接空冷系統(tǒng)在我國的應(yīng)用始于20世紀80年代中期，當時從匈牙利引進帶混合式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)（海勒式）的專利技術(shù)和空冷設(shè)備，建成了大同第二發(fā)電廠5、6號機組海勒式間接空冷系統(tǒng)。隨后豐鎮(zhèn)電廠3、4、5、6號機組海勒式空冷系統(tǒng)的建成投運，標志著海勒式空冷系統(tǒng)國產(chǎn)化技術(shù)已成熟。20世紀90年代中期，我國自主開發(fā)設(shè)計的帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)（哈蒙式）在太原第二熱電廠四期工程2臺200MW機組上成功應(yīng)用［1］。

2007年7月，國內(nèi)首臺600MW級間接空冷機組在山西陽城電廠正式建成投運，標志著擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的SCAL型間接空冷系統(tǒng)技術(shù)已成熟。傳統(tǒng)的哈蒙式系統(tǒng)的散熱器需布置于塔內(nèi)支撐環(huán)梁上，空冷塔占地大，基建投資多；海勒式系統(tǒng)需凝結(jié)水精處理，設(shè)備多、自動控制復雜；SCAL型間接空冷系統(tǒng)采用表面式凝汽器和垂直布置于塔外的鋁制散熱器，解決了空冷塔體型龐大、水質(zhì)要求高、控制復雜等問題，滿足了機組容量大型化對空冷系統(tǒng)的要求［2－4］。

作為發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的冷端，間接空冷系統(tǒng)容易受外界環(huán)境影響，尤其在冬季，空冷散熱器管內(nèi)常會發(fā)生冰凍現(xiàn)象。在已投運的間接空冷電廠中就發(fā)生過因冷卻三角冰凍、破裂、泄漏而停機的事件。本文論述間接空冷機組冬季運行時的防凍問題，研究空冷散熱器管內(nèi)發(fā)生冰凍現(xiàn)象的原因，提出針對SCAL型間接空冷系統(tǒng)的防凍措施，為SCAL型間接空冷系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 國內(nèi)各種間接空冷系統(tǒng)的冰凍問題

1.1 海勒式空冷系統(tǒng)冰凍問題

安裝海勒式空冷系統(tǒng)的大同第二發(fā)電廠5、6號機組和豐鎮(zhèn)發(fā)電廠3、4、5、6號機組建成投運至今已有20多年，總結(jié)這些機組的建設(shè)、運行經(jīng)驗，歸納出以下海勒式空冷系統(tǒng)常見的冰凍問題。

1.1.1 設(shè)備選型方面

空冷散熱器按逆流換熱設(shè)計，最外排管束循環(huán)水溫度最低，冬季易冰凍，據(jù)統(tǒng)計冬季凍壞的管束中，最外排管束占82%［5］?？绽渖崞魃纤遗趴諝夤苤睆叫?，且布置不合理，造成進排氣不暢，延長充排水時間。排空氣管與環(huán)管的連接為橡膠接管，冬季易變形結(jié)冰，影響空冷散熱器進排氣［6－7］。

1.1.2 控制系統(tǒng)方面

扇段僅設(shè)1個回水溫度測點，無法檢測每個空冷散熱器的回水溫度，據(jù)統(tǒng)計空冷散熱器間的不平衡溫差最大達16℃。扇段頂部未設(shè)壓力測點，無法判斷斷流情況。扇段頂部排空管未設(shè)溫度測點，無法判斷排空管加熱器工作是否正常。凝汽器液位測量裝置選型不當，常誤發(fā)信號［8］。扇段僅監(jiān)測1組百葉窗開度，無法了解每個百葉窗的開度情況［6－7］。

1.1.3 實際運行方面

冬季因扇段平均出水溫度控制較低，造成扇段內(nèi)局部空冷散熱器出水溫度過低而發(fā)生冰凍［5－11］。將循環(huán)水泵出口母管水溫大于35℃作為充水必要條件，使最后充水的扇段水溫過低而發(fā)生冰凍；或水溫超45℃，較大的熱應(yīng)力破壞了空冷散熱器“O型”圈，造成泄漏致使冰凍［6－7］。因運行中循環(huán)水泵故障、系統(tǒng)泄漏、凝汽器水位過低、排空氣管進排氣不暢，導致空冷散熱器管內(nèi)流速過低而發(fā)生冰凍［9－10］。在充排水期間，因各閥門動作不正常或內(nèi)漏而發(fā)生冰凍［11］。

1.2 哈蒙式空冷系統(tǒng)冰凍問題

安裝哈蒙式空冷系統(tǒng)的太原第二熱電廠7、8號機組建成投運至今已近20年，總結(jié)其經(jīng)驗，歸納出以下哈蒙式空冷系統(tǒng)常見冰凍問題。

1.2.1 設(shè)備選型方面

哈蒙式空冷系統(tǒng)采用表面式凝汽器，避免了混合式凝汽器液位控制的難題，且循環(huán)水泵與常規(guī)濕冷系統(tǒng)相同，相比海勒式空冷系統(tǒng)故障率小，降低了空冷系統(tǒng)發(fā)生冰凍的風險。

1.2.2 控制系統(tǒng)和實際運行方面

雖然借鑒了大同第二發(fā)電廠的經(jīng)驗，但仍發(fā)生過因閥門內(nèi)漏造成空冷散熱器管內(nèi)流速降低，使管子凍裂；因百葉窗故障造成空冷散熱器管內(nèi)水溫過低，使管子凍裂，最后導致真空破壞迫使機組停機等事故［12－13］。

1.3 SCAL型間接空冷系統(tǒng)冰凍問題

安裝SCAL型間接空冷系統(tǒng)的陽城電廠7、8號機組建成投運至今已滿5年，經(jīng)受了當?shù)刈畹蜌鉁剡_－20℃的考驗，基本解決了SCAL型間接空冷系統(tǒng)冬季運行的冰凍問題，為該系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用積累了經(jīng)驗?？偨Y(jié)陽城電廠經(jīng)驗，歸納出以下SCAL型間接空冷系統(tǒng)冰凍問題。

1.3.1 設(shè)備選型方面

SCAL型間接空冷系統(tǒng)與哈蒙式空冷系統(tǒng)相同，采用表面式凝汽器，降低了凝汽器和循環(huán)水泵故障帶來的空冷散熱器冰凍風險；與海勒式空冷系統(tǒng)相同，空冷散熱器垂直布置于塔外，雖然相比哈蒙式空冷系統(tǒng)塔內(nèi)水平布置的方式，冬季更易受環(huán)境影響，但塔外垂直布置方式能滿足空冷系統(tǒng)大型化的需要，大大降低初投資。

1.3.2 設(shè)計及運行方面

陽城電廠在設(shè)計階段就吸取了大同第二發(fā)電廠、豐鎮(zhèn)發(fā)電廠、太原第二熱電廠的防凍經(jīng)驗，從設(shè)備選型、控制系統(tǒng)等方面解決了哈蒙式空冷系統(tǒng)和海勒式空冷系統(tǒng)存在的問題。另外，針對空冷散熱器塔外垂直布置的特點，在運行中采取一系列措施有效地解決了冬季冰凍問題［14－16］。這些措施為：保證至少2臺循環(huán)水泵運行，極端低溫時運行3臺循環(huán)水泵，從而提高散熱器管束內(nèi)流速；低溫、大風時，迎風側(cè)2個扇段泄水退出運行，且關(guān)閉相鄰2個扇段百葉窗；若發(fā)現(xiàn)管束發(fā)生泄漏，關(guān)閉泄漏區(qū)域及相鄰區(qū)域百葉窗；機組停機或掉機后，關(guān)閉各扇段百葉窗并及時泄水；對百葉窗、各閥門加強巡檢，確保正常工作。

2 SCAL型間接空冷系統(tǒng)的防凍措施

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實施，新疆地區(qū)將在今后幾年內(nèi)建設(shè)一批百萬kW級空冷電廠。由于新疆地區(qū)氣象條件十分惡劣，部分廠址極端情況下會出現(xiàn)－40℃以下低溫，對于以空氣為工作介質(zhì)的間接空冷系統(tǒng)影響巨大。

近幾年，華北電力設(shè)計院工程有限公司（簡稱華北院）根據(jù)新疆地區(qū)所承接項目的氣候特點，結(jié)合神華準東五彩灣電廠的設(shè)計優(yōu)化開展了多項間接空冷系統(tǒng)的防凍研究。五彩灣地區(qū)冬季寒冷（極端最低氣溫為－41.1 ℃），夏季炎熱（極端最高氣溫為41.6℃），春夏季多風（最大風速達到24m／s），氣象條件非常惡劣。為優(yōu)化五彩灣電廠間接空冷系統(tǒng)和解決新疆工程所面臨的防凍問題，神華神東電力公司、雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司和華北電力設(shè)計院工程有限公司于2011年冬季在電廠現(xiàn)場聯(lián)合開展了實地模擬間冷散熱器防凍試驗研究。試驗包括冷卻器采用順向交叉流和逆向交叉流的對比試驗、采用變片距和等片距垂直布置散熱片的對比試驗、百葉窗風阻特性試驗和散熱器防凍流量特性試驗等，積累了若干SCAL型間接空冷系統(tǒng)防凍的設(shè)計、運行經(jīng)驗。

2.1 設(shè)計方面的防凍措施

根據(jù)陽城電廠的防凍設(shè)計經(jīng)驗，采取了以下常規(guī)設(shè)計措施。

（1）為防止空冷塔內(nèi)的配水管和閥門受凍，宜將閥門布置在半地下或地下閥門井內(nèi)，閥門前的配水管道埋地布置在凍土層下，閥門后的配水管道設(shè)置與地下水箱連通的排水系統(tǒng)，將閥后配水管道內(nèi)和空冷散熱器內(nèi)部的循環(huán)水排空至地下水箱。

（2）每個空冷散熱器設(shè)置獨立的百葉窗和調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)循環(huán)水回水溫度由分散控制系統(tǒng)（distribution control system，DCS）自動控制百葉窗開度，調(diào)節(jié)進氣量，在0%～30%開度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)最為有效。

（3）空冷散熱器分扇段布置，每個扇段設(shè)置獨立的充、排水系統(tǒng)，與地下水箱連接。扇段根據(jù)回水溫度獨立投入或退出運行。

（4）塔內(nèi)進水母管和回水母管末端設(shè)置旁路，配備調(diào)節(jié)型電動蝶閥。當機組冬季啟動時，在低負荷小流量工況下循環(huán)水先通過旁路，待水溫升高后，再進入空冷散熱器；回水溫度非常低時，旁路扇段，避免空冷散熱器內(nèi)循環(huán)水在低流速或低溫下發(fā)生冰凍現(xiàn)象。

（5）為貯存扇段停運時的放水，設(shè)置地下貯水箱、排水管道及閥門，并設(shè)置扇段再次投入運行的充水系統(tǒng)。

（6）空冷散熱器上部的排氣管沿空冷塔內(nèi)壁垂直設(shè)置，適當放大排氣管的管徑并增設(shè)電伴熱設(shè)施，使充水、放水時能夠迅速排氣、補氣，避免因充排水時間過長、水溫過低而造成冰凍。

（7）在每個扇段末端或容易發(fā)生冰凍現(xiàn)象的空冷散熱器處增設(shè)回水溫度測點，避免局部空冷散熱器水溫過低而造成冰凍。

針對新疆地區(qū)氣候特點，增加了以下可選擇的設(shè)計措施。

（8）根據(jù)大同第二發(fā)電廠的經(jīng)驗，空冷散熱器采用雙流程系統(tǒng)運行，在每個扇段的進出水干管處設(shè)置切換閥，夏季為逆流運行方式，冬季通過切換閥改為順流運行方式。

（9）針對間接空冷系統(tǒng)冬季扇段充水操作過程中，易使散熱器翅片管束結(jié)冰或密封圈失效問題，設(shè)置預暖設(shè)備，向空冷塔內(nèi)局部扇段送熱風，既可預熱空冷散熱器管束，也可對冰凍管束進行融冰。

（10）在展寬平臺上設(shè)置通風口，必要時打開，使部分空氣旁路，控制空冷散熱器的通風量。

2.2 運行方面的防凍措施

（1）冬季啟動時，首先開啟進、回水母管旁路上的調(diào)節(jié)閥，形成循環(huán)，待循環(huán)水溫升高至一定溫度時，開始對扇段充水，進入正常運行后隨時監(jiān)控充水扇段的進水溫度。充水期間關(guān)閉百葉窗，待正常運行后根據(jù)水溫調(diào)節(jié)百葉窗開度。

（2）冬季運行時保證空冷系統(tǒng)的回水溫度不低于設(shè)定溫度。當循環(huán)水系統(tǒng)的回水溫度接近設(shè)定值時，應(yīng)首先調(diào)節(jié)百葉窗開度。當百葉窗全關(guān)仍不能控制水溫時，應(yīng)關(guān)閉部分扇段，加快空冷散熱器管道內(nèi)流速。若水溫繼續(xù)降低，當?shù)扔诨蛐∮趫缶禃r，應(yīng)迅速放掉全部空冷散熱器內(nèi)的水，利用旁路保持循環(huán)。

（3）冬季運行時保持運行2臺循環(huán)水泵，以提高空冷散熱器的管內(nèi)介質(zhì)流速，減輕冰凍現(xiàn)象，極端惡劣環(huán)境下應(yīng)運行全部循環(huán)水泵。

（4）冬季運行時應(yīng)根據(jù)循環(huán)水回水溫度情況，在接近阻塞背壓的工況下運行，當回水溫度過低時，應(yīng)適當提高機組的運行背壓。

（5）冬季主機停機后，循環(huán)水在運行一定時間后，當回水溫度降至設(shè)定值時，必須迅速放空空冷散熱器內(nèi)的水至地下貯水箱。

2.3 其他需關(guān)注的防凍問題

（1）扇段閥門的嚴密性是防凍的關(guān)鍵，若應(yīng)該關(guān)閉時而關(guān)閉不嚴，會導致空冷散熱器管束發(fā)生冰凍現(xiàn)象。

（2）增加扇段末梢的回水溫度測點，測量數(shù)據(jù)可供百葉窗開度調(diào)節(jié)時參考。

（3）在各冷卻三角間設(shè)置密封條，可有效防止漏風，具有較好的防凍作用。

（4）在空冷散熱器安裝前，清理內(nèi)部殘留雜物，避免因雜物堵塞而降低管內(nèi)流速，導致冬季低溫時管束發(fā)生冰凍現(xiàn)象，造成空冷散熱器損壞。

（5）冷卻三角的百葉窗由電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動，由于電動執(zhí)行機構(gòu)數(shù)量較多，調(diào)整檢查工作必須由運行人員到現(xiàn)場進行確認，只要有調(diào)整不到位之處，就會使百葉窗關(guān)閉不嚴，造成空冷散熱器結(jié)冰凍壞。

神華五彩灣電廠2臺350MW機組已于2012年12月通過168h運行，SCAL型間接空冷系統(tǒng)經(jīng)受了當?shù)貥O寒低溫的考驗，成為新疆地區(qū)間接空冷系統(tǒng)成功運行的典型案例。

3 結(jié) 論

（1）空冷散熱器管束內(nèi)發(fā)生冰凍現(xiàn)象的主要原因是：管內(nèi)介質(zhì)流速過低或停滯；回水溫度控制過低且監(jiān)測點數(shù)量不夠；低溫環(huán)境時，充、放水不暢；百頁窗動作與環(huán)境條件不協(xié)調(diào)；閥門不嚴密引起內(nèi)漏。

（2）針對SCAL型間接空冷系統(tǒng)提出的設(shè)計和運行方面的防凍措施，可為SCAL型間接空冷系統(tǒng)在“三北”地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

（3）設(shè)計之初必須認真收集、分析當?shù)貧庀筚Y料，結(jié)合低溫時段氣候特點，采取針對性的防凍措施。

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