350 MW超臨界間接空冷機組冬季防凍措施研究

韓玉霞，李 鑫，趙 爽

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能動學(xué)院，2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院）

350 MW超臨界間接空冷機組冬季防凍措施研究

韓玉霞1，李 鑫2，趙 爽1

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能動學(xué)院，2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院）

間接空冷機組的散熱器暴露在大氣環(huán)境中，在冬季寒冷地區(qū)運行時，散熱器的翅片管極易發(fā)生凍結(jié)，造成設(shè)備的損壞甚至引發(fā)停機事故。散熱器翅片管被凍裂后的修復(fù)周期長，且工藝復(fù)雜。發(fā)生凍結(jié)事故后，將給電廠造成嚴重的經(jīng)濟損失。以某型2×350 MW超臨界間接空冷機組為例，分析了表面式間接空冷機組散熱器凍結(jié)的原因，并提出相應(yīng)的調(diào)整措施，提高了間接空冷機組在冬季高寒地區(qū)的運行性能。

空冷機組；間接；散熱器；防凍；措施；冬季；環(huán)境；運行

0 概 述

間接空冷機組的散熱器，是環(huán)形垂直布置在自然冷卻塔底部的進風(fēng)口處。在冬季寒冷地區(qū)，散熱器翅片管內(nèi)的循環(huán)冷卻水過冷度增大，所以，散熱器的翅片管極易發(fā)生凍裂現(xiàn)象。另外，由于調(diào)試期間空冷機組不帶熱負荷，在冬季進行系統(tǒng)注水、沖洗工作時，也應(yīng)該考慮系統(tǒng)的防凍問題。因此，在寒冷地區(qū)，對間接空冷機組采取防凍措施很有必要。

1 表面式間接空冷系統(tǒng)

表面式間接空冷系統(tǒng)的工作原理，如圖1所示?？绽錂C組的工作流程，是汽輪機排汽進入表面式凝汽器后，由循環(huán)冷卻水進行冷卻凝結(jié)。受熱后的循環(huán)水，經(jīng)循環(huán)水泵升壓進入自然通風(fēng)冷卻塔，然后由自然通風(fēng)空冷塔吸入的空氣進行冷卻，冷卻后的循環(huán)水再流回表面式凝汽器，進行下一個閉路循環(huán)[1]。

圖1 表面式空冷系統(tǒng)工作原理示意圖

某型2×350 MW超臨界間接空冷機組，采用了表面式凝汽器間接空冷系統(tǒng)。每臺機組對應(yīng)1座自然通風(fēng)冷卻塔，循環(huán)水系統(tǒng)按照單元制布置，機組配3臺循環(huán)水泵、1套獨立的進水出水循環(huán)水管道、6段冷卻三角扇區(qū)及若干個膨脹水箱和地下水箱。2臺機組共用1座循環(huán)水泵房，泵房布置在空冷塔附近。

2 空冷散熱器凍結(jié)的原因

根據(jù)多年空冷機組的運行經(jīng)驗，散熱器翅片管內(nèi)冷卻介質(zhì)被凍結(jié)的原因，主要有4種情況[2]。

（1）散熱器翅片管內(nèi)流速過低

有關(guān)研究結(jié)果表明，如果循環(huán)冷卻水在翅片管中的流動呈層流狀態(tài)，且大氣的環(huán)境溫度＜0℃時，即可出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。因為翅片管內(nèi)的水流速度越低，管徑越小，管內(nèi)流體的雷諾數(shù)越小。如果低于臨界雷諾數(shù)（約2 300），即管內(nèi)水流為層流狀態(tài)。此時，流體的放熱由原來的對流放熱為主，轉(zhuǎn)變?yōu)閭鲗?dǎo)放熱為主，由于傳導(dǎo)放熱的速度遠小于對流放熱的速度，與金屬直接接觸的表層流體溫度迅速降低，從而引發(fā)凍結(jié)現(xiàn)象。凍結(jié)現(xiàn)象導(dǎo)致了管道阻力增加，流量減少，進一步加劇了流體的凍結(jié)。由流體力學(xué)知識可知，紊流的速度分布不同于層流，它的中心部分較平坦，而近壁面處的速度梯度很大。在靠近管壁處，為黏性底層區(qū)，中心區(qū)域為紊流充分發(fā)展區(qū)。當流速較高時，黏性底層很薄，翅片管內(nèi)水流主要為紊流充分發(fā)展區(qū)，流體放熱是對流放熱形式，流體的熱量很快就可以達到并穿過黏性底層，流體不會發(fā)生凍結(jié)。當流速較低時，黏性底層的厚度較大，流體熱量較難穿過黏性底層，則管道容易發(fā)生凍結(jié)[3]。

（2）環(huán)境溫度過低

當環(huán)境溫度過低，且百葉窗的調(diào)整角度不當，易造成散熱器的出水過冷度的增加。空冷散熱器布置在自然冷卻塔底部的進風(fēng)口處，冷卻塔的進風(fēng)為自然進風(fēng)。當熱負荷一定時，其冷卻能力取決于環(huán)境空氣的干球溫度。在冬季低溫狀態(tài)下，散熱器翅片管內(nèi)的循環(huán)冷卻水過冷度增大。若氣溫繼續(xù)下降，散熱器翅片管內(nèi)的循環(huán)水產(chǎn)生較大過冷度，由于自然冷卻塔進口的散熱器均暴露在大氣中，即使采用了進風(fēng)口百葉窗控制進風(fēng)量，也很難抵御寒風(fēng)侵入，導(dǎo)致翅片管管束內(nèi)部發(fā)生凍結(jié)，使翅片管發(fā)生變形或凍裂，造成設(shè)備損壞。運行中各扇形段百葉窗開度不均勻或與環(huán)境條件不協(xié)調(diào)，會使扇形段的出水溫度不平衡，溫差在3～5℃。因此，設(shè)計散熱器時，不宜取過低的冷卻水出水溫度。

（3）溫度測點的數(shù)量不夠

由于空冷塔的冷卻管數(shù)量龐大，不可能在所有冷卻管的表面布置溫度測點。在寒冷的冬季，由于回水溫度過低，且測點布置不均，導(dǎo)致某些區(qū)域的管束發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。

（4）雜質(zhì)堵塞管束

由于冷循環(huán)水的水質(zhì)不合格，雜質(zhì)堵塞了管束。當冬季環(huán)境溫度較低時，導(dǎo)致了管束被凍損。

3 防凍措施分析

3.1 運行中的防凍措施及注意事項

3.1.1 百葉窗調(diào)整控制措施

（1）在冬季試運行期間，應(yīng)定期進行百葉窗的同步校驗工作。如果遇到下雪天氣，還應(yīng)增加同步校驗的次數(shù)，防止百葉窗被積雪卡澀。對百葉窗同步校驗時，應(yīng)先解除某扇區(qū)百葉窗的自動控制，記錄百葉窗當前開度，記錄該扇區(qū)的出水溫度。當全關(guān)百葉窗時，檢查扇區(qū)各百葉窗的開度，應(yīng)全部為關(guān)閉狀態(tài)。檢查控制屏的畫面是否已顯示“百葉窗關(guān)閉”的信號。開啟扇區(qū)百葉窗至原來開度，檢查各百葉窗的開度是否一致。投入百葉窗的自動控制，調(diào)整自動控制的設(shè)定值。如有不同步的現(xiàn)象，應(yīng)及時處理。

（2）冬季運行中，需嚴密監(jiān)測百葉窗自動控制狀態(tài)，禁止隨意解除百葉窗的自動控制指令。

（3）冬季試運期間，對于扇區(qū)百葉窗的調(diào)整，應(yīng)確保扇區(qū)的出水溫度及冷卻柱溫度的要求。規(guī)定冷卻柱溫度的調(diào)節(jié)為：當環(huán)境溫度＜-5℃時，空冷各扇區(qū)最低冷卻柱溫度不得低于10℃，否則應(yīng)調(diào)高扇區(qū)出水溫度，直至最低冷卻柱溫度＞12℃；當環(huán)境溫度＞-5℃時，空冷各扇區(qū)最低冷卻柱溫度不得低于8℃，否則調(diào)高扇區(qū)出水溫度，直至最低冷卻柱溫度＞10℃。

（4）冬季各扇區(qū)出水溫度的設(shè)置，應(yīng)保持一致（最低冷卻柱溫度偏低的扇區(qū)除外），百葉窗開度偏置不得隨意設(shè)置，以保證扇區(qū)冷卻柱溫度能反映整個扇區(qū)冷卻管束的溫度。

（5）在冬季，應(yīng)隨時檢查DCS畫面的控制狀態(tài)。各扇區(qū)百葉窗的開度應(yīng)同步，檢查是否存在開度過大等情況，就地進行冷卻管束的測溫，防止管束發(fā)生過冷現(xiàn)象（低于8℃）。

（6）當冬季的環(huán)境風(fēng)速高于5 m/s時，應(yīng)注意風(fēng)向?qū)ι葏^(qū)冷卻柱溫度的影響，及時根據(jù)冷卻柱溫度，提高迎風(fēng)面扇區(qū)的出水溫度。

（7）在冬季寒夜時，不得放松對扇區(qū)管束的測溫工作，根據(jù)各扇區(qū)百葉窗開度及冷卻柱溫度進行選擇性測量，管束溫度的測量位置，應(yīng)距基管底部約60 cm高度，發(fā)現(xiàn)存在過冷（低于8℃）情況，應(yīng)及時采取措施。

（8）根據(jù)該電廠地理位置，在冬季主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)時，應(yīng)特別注意某些扇區(qū)的出水溫度，及時關(guān)小該扇區(qū)的百葉窗。

3.1.2 循環(huán)水泵運行方式調(diào)整措施

（1）循環(huán)水泵的啟停以及變頻調(diào)節(jié)應(yīng)結(jié)合扇區(qū)的投退進行，調(diào)整策略是為保證空冷管束不凍結(jié)的前提下達到最佳真空度運行。

（2）機組運行時，循環(huán)水泵啟停操作規(guī)定為：當循環(huán)水泵工頻啟動，聯(lián)鎖開啟循環(huán)泵出口的液控蝶閥。當循環(huán)水泵停運，應(yīng)在DCS控制屏畫面中關(guān)閉循環(huán)水泵出口的液控蝶閥。當DCS控制屏畫面顯示循環(huán)水泵出口壓力上升時，停止循環(huán)水泵的運行。循環(huán)水泵為變頻啟動時，在DCS控制屏上，將循環(huán)水泵出口的液控蝶閥掛上“禁止操作”標志。變頻啟動循環(huán)水泵后，待循環(huán)水泵的頻率升至25 Hz以上，解除控制屏上循環(huán)水泵出口液控蝶閥“禁止操作”標志，開啟循環(huán)水泵出口的液控蝶閥。停運變頻的循環(huán)水泵時，需待循環(huán)水泵頻率降至25 Hz，再關(guān)閉循環(huán)水泵出口的液控蝶閥。隨著DCS控制屏畫面顯示循環(huán)水泵的出口壓力已開始上升，再關(guān)閉變頻循環(huán)水泵的運行。

（3）冬季運行期間，保持1號、2號循環(huán)水泵的運行。

（4）遭遇寒冷天氣時，關(guān)閉全部扇區(qū)百葉窗。如果扇區(qū)的出水溫度仍然無法達到22℃以上，應(yīng)立即啟動第3臺循環(huán)水泵或增加機組負荷。

3.1.3 空冷扇區(qū)的投運和退出

在冬季工況下，空冷扇區(qū)的投入，應(yīng)在鍋爐點火旁路投入后逐步進行。停機過程中，根據(jù)各冷卻扇區(qū)的出水溫度，逐步退出所有扇區(qū)的運行，防止扇區(qū)出水溫度下降過快而發(fā)生管束的凍結(jié)現(xiàn)象。正常運行時，如果某一扇區(qū)退出運行，對其兩側(cè)扇區(qū)的百葉窗，應(yīng)進行偏置設(shè)置，適當關(guān)小百葉窗，防止寒風(fēng)造成扇區(qū)的局部過冷。

3.1.4 其他注意事項

進入冬季前，應(yīng)對扇區(qū)的各種防寒設(shè)施進行檢驗，確保各閥門、百葉窗動作可靠。機組啟、停時，要就地檢查閥門動作是否可靠。循環(huán)水泵要保持良好狀態(tài)，在冬季，至少要保持2臺循環(huán)水泵運行，提高循環(huán)水的流速，防止散熱器結(jié)冰。若扇區(qū)發(fā)生泄漏，需及時將該扇區(qū)退出運行，防止泄漏水在外部結(jié)冰后凍壞散熱器。要避免在環(huán)境溫度較低和夜間對扇區(qū)進行充水和泄水操作，以免扇區(qū)凍結(jié)。在冬季運行時，每班次應(yīng)使用紅外成像儀，對扇區(qū)檢查一次，判斷是否存在管束凍結(jié)或溫度明顯偏低的部位。加強大風(fēng)天氣里對百葉窗的檢查，防止百葉窗被卡澀。如發(fā)生管束凍結(jié)現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉百葉窗，并用棉門簾覆蓋冷卻三角進行保溫，同時，提高扇區(qū)的整體出水溫度，利用相鄰冷卻三角散發(fā)的熱量解凍。在冬季，選擇溫度較低的時段，對各扇區(qū)冷卻三角出水口膨脹節(jié)處進行點溫槍測溫，對每個百葉窗執(zhí)行機構(gòu)控制的兩組冷卻三角進行紅外測溫，并做好記錄[5-6]。

3.2 機組停機后防凍措施

機組停運后，每天應(yīng)定時啟動2臺補水泵，并列運行10 min（時間可根據(jù)環(huán)境溫度進行調(diào)整），將地下儲水箱的水，泵至膨脹水箱，讓膨脹水箱中的水溢流至地下儲水箱，以確保膨脹水箱內(nèi)的水不會被凍結(jié)。啟動補水泵時，必須就地派人檢查。換水過程中，如有異常應(yīng)立即停止操作。檢查空冷塔內(nèi)的排水槽是否積水，防止排水槽凍裂。冬季停機后，應(yīng)盡快停運所有的循環(huán)泵，并開啟冷熱水管道的緊急泄水閥，并將系統(tǒng)內(nèi)地面上的水排入地下儲水箱。

3.3 事故情況下的防凍措施

如遇機組跳閘，機組無法在短時間（2 h）內(nèi)恢復(fù)運行時，應(yīng)有專人監(jiān)測扇區(qū)的出水溫度，并立即將所有扇區(qū)退出運行。如果發(fā)生循環(huán)泵跳閘，僅有1臺循環(huán)泵運行，應(yīng)立即啟動備用循環(huán)泵。必要時，程控退出部分扇區(qū)運行。防止單臺循環(huán)泵過負荷跳閘或扇區(qū)冷卻管束內(nèi)的水流速過緩，導(dǎo)致管束凍損。

4 運行效果

甘肅某型2×350 MW超臨界、表面式間接空冷機組，于2013年7月進入商業(yè)運行，在冬季運行中，應(yīng)用了這些保護方式和設(shè)施，機組運行穩(wěn)定，驗證了冬季防凍保護措施的有效性。

5 結(jié) 語

在分析間接空冷散熱器凍結(jié)機理的基礎(chǔ)上，提出了間接空冷機組在冬季運行時的防凍措施。實踐證明，這些措施對空冷散熱器在冬季的安全運行，提供了有力的保障，對同類機組有指導(dǎo)和借鑒作用。

[1]溫高.發(fā)電廠空冷技術(shù)[M].北京.中國電力出版社，2008.

[2]劉培忠.高寒地區(qū)間接空冷機組散熱器防凍預(yù)暖措施[J].中國電力，2013，5（46）：18-22.

[3]丁爾謀.發(fā)電廠空冷技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1992.

[4]李春山.600 MW機組間接空冷系統(tǒng)冬季防凍控制究[J].電力安全技術(shù)，2010，12（6）：53-55.

[5]劉海軍.600 MW間接空冷系統(tǒng)的防凍與優(yōu)化[J].華電技術(shù)，2011，33（4）：42-44.

[6]孫志文，王平.國內(nèi)首例600 MW間接空冷機組防凍及節(jié)能改造[J].現(xiàn)代電力，2011，28（6）：68-72.

Research on Anti-freezing Protection Measures of 350 MW Supercritical Indirect Air-cooling Unit

HAN Yu-xia1，LI Xin2，ZHAO Shuang1
（1.Inner Mongolia University of Technology，School of Dynamic，2.Inner Mongolia Electric Power Research Institute）

Radiator of indirect air-cooling unit is exposed in theatmospheric environment and the finned tubeof radiator freezes easily when operating in cold areas in winter.It will cause damage to the equipment or even shutdown.The repair process of the radiator finned tube is complex and the period is long.The freezing accident will cause serious economic losses to the power plant.Take one 2×350 MW supercritical indirect air-cooling unit as an example，the paper analyzes the reasons of the freeze mechanism of surface-type indirect air-cooling radiator and puts forward the corresponding adjustment measures，which increases the operating performance of indirect air-cooling unit in cold areas in winter.

air-cooling unit；indirect；radiator；anti-freeze；measures；winter；environment；operation

TK264 61+1

B

1672-0210（2016）02-0023-04

2016-03-25

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)?；鹳Y助項目（ZS201122）

韓玉霞（1979-），女，講師，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能動學(xué)院，從事電力系統(tǒng)及設(shè)備方面的教育工作。