發(fā)電廠直接空冷凝汽器的新型防凍監(jiān)測系統(tǒng)設計

國建剛，賈 杰，田振宇

（內(nèi)蒙古電力勘測設計院，呼和浩特 010020）

0 引言

火力發(fā)電廠直接空冷機組經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，已成為山西、內(nèi)蒙等富煤少水地區(qū)的主力機型，單機容量從幾十兆瓦發(fā)展到現(xiàn)在的1000MW。直接空冷系統(tǒng)以其換熱溫差大、冷凝效果好、占地面積小、投資費用少等優(yōu)點成為這些地區(qū)新建發(fā)電廠的首選。

但是根據(jù)目前直接空冷機組的冬季運行情況來看,由于我國北方冬季寒冷，加上空冷散熱器露天布置，散熱器凍結現(xiàn)象時有發(fā)生，而空冷散熱器的主要部件都是進口部件，給發(fā)電廠帶來很大的經(jīng)濟損失?？绽錂C組防凍問題的妥善解決，直接關系到機組運行的安全性和經(jīng)濟性，有必要設計一種適用于發(fā)電廠直接空冷凝汽器的新型防凍監(jiān)測系統(tǒng)。

1 空冷凝汽器進/出口空氣溫度監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 溫度監(jiān)測的必要性

目前空冷機組監(jiān)測的排汽壓力、排汽溫度、抽氣溫度、凝結水溫度等參數(shù)都是蒸汽側參數(shù)，而對空冷凝汽器進/出口空氣溫度幾乎不作任何監(jiān)控。

空冷凝汽器是把管外空氣和管內(nèi)蒸汽強制對流換熱，使管內(nèi)蒸汽冷凝的表面式換熱器。根據(jù)傳熱學理論，管內(nèi)蒸汽凝結放熱的熱量Qn為

式中：Dn為汽輪機排汽量；hn為汽輪機排汽焓；hsn為空冷凝汽器的凝結水焓。

管外空氣吸收的熱量Qa為

式中：Ga為空氣流量；Cp為空氣定壓熱容；t1為空冷凝汽器出口空氣側的溫度；t2為空冷凝汽器入口空氣側的溫度。

換熱平衡時，有Qn=Qa。各種各樣的換熱器都需要測量其冷流體和熱流體的進/出口溫度，唯有大型空冷系統(tǒng)到目前為止沒有進/出口空氣溫度的測量。之所以造成這種局面是因為空冷系統(tǒng)過于龐大，要想比較全面地測量空冷系統(tǒng)的空氣溫度，至少需要幾千個測點，而用傳統(tǒng)的溫度測量元件如熱電偶或熱電阻成本太高。所以，采用具有現(xiàn)場總線技術的測溫電纜監(jiān)測直接空冷凝汽器的進/出口空氣溫度，是一種新型監(jiān)測設計。

1.2 空冷凝汽器溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)

直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)，是以特制的測溫電纜測量每個空冷凝汽器管束進/出口空氣溫度。測溫電纜內(nèi)含智能溫度傳感器，由智能溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)實時傳到前置器，然后由前置器通過信號轉換后利用現(xiàn)場總線技術上傳到上位機或DCS（分散控制系統(tǒng)），由各個空冷凝汽器管束進/出口空氣溫度組成A型塔管束實時溫度場。通過上位機或DCS對實時溫度場數(shù)據(jù)的分析和整理，制定出最優(yōu)化的防凍保護措施方案。直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)

2 空冷凝汽器管束結構對防凍的影響

2.1 散熱管截面結構對防凍的影響

空冷凝汽器管束截面有單排管（如圖2所示）、雙排管和三排管3種結構。3種管型結構間的流動特性不同，防凍原理也不同。因為單排管的大扁管截面形狀是應用較多的一種形狀，因此這里以單排管空冷管束的特點進行分析。

圖2 單排管截面結構及汽水分布

冬季管束內(nèi)蒸汽流動過程如圖3所示。順流管束內(nèi)蒸汽和凝結的水同時向下流動，隨著流動進程蒸汽越來越少，而凝結的水不斷增多。冬季熱負荷減少而環(huán)境溫度較低時，由于空氣的冷卻能力較強，進入順流管束的蒸汽有可能在上半部分就已經(jīng)凝結完畢，順流管束下端完全是凝結完畢后的凝結水，在空氣冷卻下容易出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，嚴重時就會發(fā)生凍結。

圖3 冬季管束內(nèi)汽水流動過程

逆流管束內(nèi)蒸汽從下端進入散熱管，自下而上流動，而凝結的水則從上向下流動，蒸汽和凝結水反向流動使得蒸汽可以不斷為凝結水加熱，管束下端不宜出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。如果逆流管束內(nèi)的蒸汽在散熱管下半部分就已經(jīng)凝結完畢，此時逆流管束的上半部分沒有蒸汽也沒有凝結水，因此也不會出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，所以逆流管束內(nèi)不宜結冰。但由于剩余的不凝氣體中夾帶有蒸汽，逆流上端常出現(xiàn)絮狀結冰，即雪花形狀的結冰。絮狀結冰嚴重時也可造成管束堵塞，可以通過逆流風機反轉回暖的方式融化，空冷系統(tǒng)設計時考慮了這樣防凍措施。

綜上所述，順流管束的下端比逆流管束更容易結冰，因此順流管束下端是監(jiān)測的重點，在順流管束下部布置測點是非常必要的。

2.2 順—逆流結構對防凍的影響

直接空冷系統(tǒng)的蒸汽先進入順流管束（K）而后進入逆流管束（D）的設計方式稱為順—逆流結構，即K/D結構。而之所以采用K/D結構，是為為了在冬季更好地防凍。D與K之間的面積比是根據(jù)不同的防凍要求選擇合適的值。一般越寒冷的地區(qū)逆流比例越大，環(huán)境溫度較高的地區(qū)逆流比例越小。但也不能全部采用逆流管束，因為逆流區(qū)面積大，雖然防凍能力強，但是流動阻力大，不利于夏季降低背壓，影響經(jīng)濟運行。

一般國產(chǎn)的300MW機組選擇的“逆流面積/總面積”的面積比為16%～24%。逆流面積較小使得逆流區(qū)的防凍調(diào)節(jié)能力變?nèi)?，機組負荷減小和環(huán)境溫度的降低使得逆流區(qū)的蒸汽迅速減少，機組負荷進一步減小或者環(huán)境溫度進一步降低使得負溫度區(qū)域迅速蔓延到順流管束的下部，至順流管束下端蒸汽已凝結完畢，順流管束下端截面的下半部分完全由流動的凝結水構成，極容易產(chǎn)生過冷。而截面的上半部分少量的蒸汽不足以對凝結水加熱，所以較小的“逆/順”流面積比使得順流管束下端的防凍任務變的十分艱巨。僅在逆流區(qū)布著溫度監(jiān)測測點是不夠的。如表1所示為機組1號列2與3單元（順、逆流單元）的溫度監(jiān)測。

表1 單排管管束低溫下監(jiān)測到的順、逆流單元溫度分布

由表1可知，逆流單元下部具有較高的溫度，還有蒸汽，這是因為逆流單元下部匯集了所有順流單元（1，2，4，5單元）管束沒有凝結完的蒸汽。但是順流單元（2單元）下部出現(xiàn)負溫度狀態(tài)，已無蒸汽，說明該順流單元（2單元）熱負荷較小，蒸汽到達下部就已經(jīng)凝結完畢。所以僅僅監(jiān)測逆流單元管束的狀態(tài)，不能代替順流單元管束下部的狀態(tài)。逆流單元管束下部有蒸汽，并不代表所有順流單元管束下部一定有蒸汽。

3 直接空冷凝汽器溫度監(jiān)測方案設計

根據(jù)以上防凍原理的分析考慮到逆流管束和順流管束的流動情況，主要在A型塔散熱器外側上、下布置溫度測點。溫度測點要有一定的密度，并盡量覆蓋到所有管束，以保證最容易結冰的區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)安全準確的監(jiān)測。

以300MW機組直接空冷系統(tǒng)為例，機組A形塔總長度約56 m，每列A形塔單側總共由25片管束組成，其中4片逆流管束，21片順流管束，每片管束平均寬度2.24 m。溫度監(jiān)測測點按照0.75～1.12 m的間隔計算，即保證每片管束橫向分配3或2個測點。這樣1列A型塔1排溫度測點可達到50～75個測點。

每個A型塔單側面下排距離管束下端約1.2 m布置1排溫度測點，每個測點間隔0.75～1.12 m；從此排溫度測點向上5 m布置第2排測點，如圖4所示。

圖4 溫度測點布置示意

單側面測點數(shù)量為：每排溫度測點50～75個，單側面布置2排測點，因此單側面點數(shù)可達100～150個。300MW機組全部測點為1200～1800個。

4 測點安裝方案

4.1 監(jiān)測專用線纜的安裝

監(jiān)測專用線纜固定于空冷散熱器的表面，按照上面設計的路徑安裝。先制作安裝配件，采用厚鋁合金板沖壓成型，固定于翅片管的翅片上，然后用卡子將監(jiān)測專用線纜固定于配件上，如圖5所示。

安裝配件與監(jiān)測專用線纜均能承受噴水裝置沖洗時的高壓水沖擊力。

圖5 安裝配件

4.2 智能采集器的安裝

每列A型塔使用2～4個采集器，300MW機組共需要12～24個采集器。集中于1個采集器箱內(nèi)，安裝在A型塔端部擋風墻一側，用支架固定在地板上或直接固定在擋風墻上。采集器箱采用不銹鋼材料，采集器箱內(nèi)每個采集器還有殼體，雙層防護，滿足防水防塵標準。

從A型塔到采集器用金屬包塑軟管、電纜槽盒等穿線過渡，采集器與采集器之間的連接使用已有的電纜槽盒。采集器的數(shù)據(jù)通過空冷島的電纜豎井引到地面，進入電子間或主控室。

4.3 系統(tǒng)的安裝及與DCS通信

系統(tǒng)需安裝的設備包括采集器、通信線、電源線、主機、電源等。

空冷島上需提供220 V電源，經(jīng)轉換模塊轉換成（24 V）安全電源向采集器供電。主控計算機可以安放在電子間，所有溫度數(shù)據(jù)可以通過RS485通信的方式送入到DCS中。也可以將主控計算機直接安放到主控室控制臺，溫度數(shù)據(jù)不進入DCS系統(tǒng)。

監(jiān)測系統(tǒng)能顯示并存儲數(shù)據(jù)、歷史趨勢，還能滿足許多用戶特定的需求：

（1）采用不同顏色以區(qū)分負溫度、低溫和正常溫度，可供運行人員直觀地判斷死區(qū)位置；

（2）可計算順流死區(qū)百分比和逆流充滿度。

5 防凍措施制定

山西、內(nèi)蒙古等地處海拔較高地帶，冬季環(huán)境寒冷，空冷島冬季運行容易出現(xiàn)管束過冷現(xiàn)象，若調(diào)整不及時將會發(fā)生管束凍結而損壞設備，冬季嚴寒期需要運行人員不間斷巡視、手動測量，造成很大的工作量，所以，冬季運行時空冷凝汽器防凍成為一項重要的安全工作。

空冷凝汽器溫度場自動測量為空冷冬季防凍帶來極大的方便，運行人員在集中控制室就能了解空冷機組的運行狀態(tài)；可以根據(jù)空冷溫度場監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)，即空冷凝汽器進/出口空氣溫度，提前判斷哪組空冷散熱器或空冷散熱器的哪個部位存在防凍的可能，以便提前采取有針對性的防凍措施，如空冷風機減速或停轉，在風機人口防護網(wǎng)上用帆布封堵，逆流風機倒轉；采用電動真空隔絕閥停運一列或幾列風機，使運行列滿足最低蒸汽量限制的要求；空冷散熱器局部保溫等。

同時，設備管理人員也能每天及時了解空冷機組的運行情況，為冬季防凍、覆蓋等提供有效指導?？绽錅囟葓鲈诰€監(jiān)測系統(tǒng)的運行，使運行人員隨時都能了解空冷散熱器所處的環(huán)境狀況，為冬季防凍措施的制定提供準確的依據(jù)。

6 結語

直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)已在國內(nèi)多個發(fā)電廠成功應用。例如，2010年10月在山西大唐國際云岡熱電廠1，2號直接空冷機組投運；2011年8月在國電內(nèi)蒙古東勝熱電廠1號直接空冷機組投運；2011年10月在內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限公司1，2號直接空冷機組投運等。

經(jīng)過長時間的運行證明，該系統(tǒng)防凍效果明顯，達到了預期的目標，受到各發(fā)電廠用戶的好評。伴隨著發(fā)電廠直接空冷技術的發(fā)展，直接空冷凝汽器A型塔管束溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)應用必將越來越廣泛。

[1]朱大宏，雷平和.600MW直接空冷凝汽器的度夏與防凍能力探討[J].電力建設，2009，27（9）∶35.

[2]尚立新.直接空冷系統(tǒng)冬季防凍措施研究[J].應用能源技術，2010（5）∶49-52.