直接空冷機組冬季運行的防凍要點

任亮

(華電新疆發(fā)電有限公司昌吉熱電廠，新疆 昌吉 831100)

0 引言

直接空冷機組因其明顯的節(jié)水效果而廣泛應(yīng)用，但也存在一些固有的缺點，如受外界環(huán)境的影響較大，冬季啟停、低負荷運行防凍問題十分突出。某典型330 MW直接空冷島機組，冬季平均氣溫達到-18 ℃，最低氣溫可到-37 ℃。作為熱電聯(lián)產(chǎn)機組，供熱面積達到1 500多萬m2，供熱抽汽量基本達到額定抽汽量，給空冷島防凍造成較大壓力，空冷島運行調(diào)整更為重要和迫切。

1 空冷概述

空冷凝汽器一般采用順流管束和逆流管束串聯(lián)的方法，稱之為K/D結(jié)構(gòu)。直接空冷凝汽器采用適當?shù)捻樐媪鞅壤渲?，能有效防止蒸汽過冷卻以及凝結(jié)水結(jié)冰，避免空冷凝汽器凍結(jié)，該廠采用K/D比為3 ∶2?？绽淠鳛闄E圓大直徑釬焊鋁蛇形單排翅片管束。1個主排汽管道和6個蒸汽分配管道，設(shè)計6列凝汽器，每列凝汽器包括5個冷凝單元。每列包括3個順流單元和2個混合單元。在混合單元的逆流區(qū)域頂部設(shè)計了抽真空管道，及時抽走管束中產(chǎn)生的不凝結(jié)氣體，使蒸汽可以順利凝結(jié)。每個冷凝單元配一套通風系統(tǒng)，包括風機、減速機、電機、變頻器及其他輔助裝置和監(jiān)測儀表。根據(jù)投退列順序，規(guī)定了臨近主排汽管道為10列、20列，左右交替依次命名。

2 凍結(jié)機理

水結(jié)冰條件是溫度降到0 ℃以下,成為過冷水,當過冷水中出現(xiàn)尺寸大于臨界尺寸的冰核時,結(jié)冰過程開始,冰核在過冷水中長大,最終成為宏觀意義上的冰[1]。防止水結(jié)冰，可以提高水的溫度防止過冷，或者減少水中的冰核?？绽淠魇峭ㄟ^翅片管與管外空氣進行換熱凝結(jié)的，當管外空氣冷卻能力大于管內(nèi)蒸汽凝結(jié)成水釋放的熱量時，蒸汽就會在管束內(nèi)沿管壁提前凝結(jié)為水，繼續(xù)向下流動出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，尤其是向風機側(cè)，更容易過冷而結(jié)冰。如圖1所示，凝結(jié)水沿向風側(cè)管壁向下流動，流動過程中任意一點溫度低于0 ℃就會結(jié)冰，發(fā)生在中間就會堵塞流道，導致翅片管束發(fā)生凍結(jié)。當管束結(jié)冰后，蒸汽流道會越來越窄，管束內(nèi)蒸汽流速降低，甚至斷流，引發(fā)大面積結(jié)冰。蒸汽凝結(jié)水中產(chǎn)生不凝結(jié)氣體，而龐大的空冷系統(tǒng)又極易吸入空氣，形成冰核，加劇翅片管結(jié)冰現(xiàn)象。

圖1 凝結(jié)原理

根據(jù)橢圓大直徑單排翅片管設(shè)計特點，當管束內(nèi)發(fā)生凍結(jié)時橢圓翅片管會發(fā)生變形，“S”形可以在化冰后逐漸恢復(fù)，但對于鈍角或直角變形，管束將無法恢復(fù)。在機組投運初期因為經(jīng)驗不足，又遇極寒-36 ℃天氣，該廠一臺機組空冷島發(fā)生變形，因及時采取措施，未造成管束凍裂影響真空。圖2分別為“S”和鈍角變形情況，鈍角變形已成為永久性變形，給運行帶來安全隱患。因此冬季運行人員如何對空冷島進行調(diào)整顯得尤為重要。

圖2 空冷翅片管束凍結(jié)

3 防凍方法

3.1 提高真空嚴密性

避免逆流管束中大量聚集不可凝氣體。當真空系統(tǒng)泄露的空氣量與抽真空系統(tǒng)的容量失衡時，便出現(xiàn)不可凝氣體的聚集，造成冷卻能力下降，導致管束流道堵塞，形成“氣塞”，容易導致管束凍結(jié)[2]。應(yīng)定期做空冷島的真空嚴密性試驗，確保真空系統(tǒng)維持穩(wěn)定。一般真空下降≤100 Pa/min為合格，真空下降不合格時，應(yīng)對整個空冷系統(tǒng)進行排查及時發(fā)現(xiàn)泄漏點。通過多啟動1臺真空泵運行的方法，可及時抽走系統(tǒng)中的不凝結(jié)氣體，提高蒸汽流動速度。抽真空能力提升后，各列抽汽口處溫度明顯改善，逆流區(qū)域溫度明顯上升。另外，通過監(jiān)視真空泵電流也可以及時發(fā)現(xiàn)真空是否良好，電流的明顯上升說明真空系統(tǒng)存在泄漏，應(yīng)及時查找消除。

3.2 減少翅片散熱量

空冷島設(shè)計有最小防凍流量，就是確保在此蒸汽流量下翅片不凍結(jié)。冬季為電網(wǎng)用電低谷季節(jié)，電負荷較低，但熱負荷卻較大，為了保證供熱溫度滿足要求，必須提高機組抽汽量，導致進入空冷島的蒸汽量小于最小防凍流量。為此，可以通過減少空冷凝汽器散熱量，集中凝汽器熱量提高防凍能力。

一方面采用降低空冷風機頻率或者停運風機，甚至反轉(zhuǎn)逆流區(qū)域的風機，使順流凝汽器出口熱風再次流入逆流凝汽器空氣入口，通過氣流回暖措施預(yù)防冰凍。處于風口的空冷凝汽器，可在冷卻單元小室的風機風筒中加蓋棉簾、敷設(shè)擋風板或設(shè)置卷簾減少冷空氣的進入。

另一方面可以通過隔離空冷島某些列，將熱量集中在投運的凝汽器。在風機全部停止仍無法保證空冷島運行安全時，就要考慮逐漸對空冷島凝汽器進行隔離。按照先遠后近原則，優(yōu)先隔離最兩側(cè)凝汽器60列或50列，并要求先隔離處于風口側(cè)的凝汽器，后隔離背風側(cè)，或同時對兩列進行隔離。但因注意隔離應(yīng)徹底，進汽閥、凝結(jié)水閥、抽真空閥應(yīng)關(guān)閉嚴密。隔離后應(yīng)確保管束不進汽，輕微的進汽對翅片危害是巨大的，會引起管束凍結(jié)破裂。隔離后，應(yīng)及時對下側(cè)的凝結(jié)水箱進行放空操作，排盡凝結(jié)水箱中積存的水，防止管道凍裂。該廠凝結(jié)水管道設(shè)計初期未加裝放水門，導致隔離后凝結(jié)水集箱發(fā)生凍結(jié)膨脹，保溫包裹的凝結(jié)水管道凍結(jié)開裂未及時發(fā)現(xiàn)，投運中因化冰導致空氣從管道裂縫漏入，機組掉真空，及時采取措施才未引起事故。因此，空冷凝汽器隔離后，應(yīng)對其進行檢查，做好備用。需要注意的是，凝結(jié)水管道放空操作后，空氣的進入會對翅片形成一定腐蝕，建議條件許可時進行惰性氣體保護或再次抽真空后隔絕，減少翅片內(nèi)部腐蝕。如圖3所示，隔離列因存水未排盡發(fā)生凝結(jié)水集箱膨脹、凝結(jié)水管道凍裂現(xiàn)象。

圖3 凍裂現(xiàn)場

3.3 提高機組背壓

機組在一定負荷情況下，運行背壓越高，則排汽溫度越高、排汽量越大，汽熱量也越大，有利于防凍。但是背壓的提升影響機組的經(jīng)濟性，為了空冷島凝汽器安全，適當提高運行背壓是非常必要的(但需有一定限度)。背壓的選擇應(yīng)綜合考慮安全性、經(jīng)濟性。冬季運行背壓可適當提高2～5 kPa。

需要指出，空冷機組背壓的變化總是相對滯后的，系統(tǒng)調(diào)節(jié)存在一定的慣性，不是最優(yōu)的調(diào)節(jié)方式。綜合空冷系統(tǒng)熱經(jīng)濟性，可適當降低背壓，采用其他調(diào)節(jié)方式，預(yù)防空冷凝汽器翅片結(jié)冰。

3.4 控制過冷度

凝結(jié)水過冷度一般定義為凝汽器壓力下的飽和溫度與凝結(jié)水溫度的差值。直接空冷機組凝結(jié)水過冷度不同于濕冷機組，空冷機組過冷度一般是排汽管道壓力對應(yīng)的飽和溫度與空冷島凝結(jié)水總管溫度的差值。過冷度大，說明凝結(jié)水有過冷現(xiàn)象，有冰凍可能。經(jīng)現(xiàn)場檢查，過冷度大于10 ℃，可以就地聽到翅片管中結(jié)冰顆?？焖倩^翅片的聲音，凝結(jié)水集箱中有冰與管道中凝結(jié)水撞擊的異音，此時應(yīng)提高機組背壓，降低過冷度，防止結(jié)冰。一般控制過冷度在3～5 ℃之間。

3.5 加強就地測溫

遠程紅外成像技術(shù)的應(yīng)用減少了運行人員對空冷島的就地檢查，但紅外成像儀有一定局限性，存在一定盲區(qū)。目前直接空冷系統(tǒng)設(shè)計的溫度測點數(shù)量少，僅用控制系統(tǒng)(DCS)上的數(shù)據(jù)不能及時發(fā)現(xiàn)空冷凝汽器散熱管束的受凍情況。如果局部發(fā)生凍結(jié)，此凍結(jié)點還不在測點范圍內(nèi)，任其發(fā)展下去就會結(jié)冰，因此對空冷島各翅片的就地測量應(yīng)予以重視。在運行中發(fā)現(xiàn)，DCS上各參數(shù)顯示正常，但就地測量會有個別翅片或連續(xù)的翅片管存在低于0 ℃的現(xiàn)象，在凝汽器單元小室內(nèi)會發(fā)現(xiàn)向風側(cè)的翅片有掛霜現(xiàn)象，但兩列之間的背風側(cè)無此現(xiàn)象，沿各列凝結(jié)水集箱測量溫度發(fā)現(xiàn)溫度存在一定偏差，這說明空冷島存在熱量分配不均現(xiàn)象。其主要表現(xiàn)有3種：(1)蒸汽分配管到各列凝汽器距離不同，阻力不同，熱力和流量不均造成每列存在溫差；(2)每列冷卻單元管束表面左右側(cè)由于熱力和流量不均造成溫差；(3)同一列前后冷卻單元由于熱力和流量不同造成的溫差。這3種偏差原因與設(shè)計、制造、安裝工藝、翅片臟污程度有關(guān)[3]，調(diào)整中可根據(jù)溫度偏差情況，進行各個冷卻單元風機頻率的微調(diào)。同一列風機頻率應(yīng)前低后高，促使蒸汽更多地向末級冷卻單元流動，相鄰兩列根據(jù)抽氣、凝結(jié)水溫度，降低溫度偏低的一列，促使該列盡快回暖。需要指出，最高與最低風機頻率偏差不能大于10 Hz，減少個別冷卻單元因過冷發(fā)生凍結(jié)危險。通過人為調(diào)整促使熱量均勻分配，優(yōu)化空冷島運行方式，達到防凍要求。

4 結(jié)束語

直接空冷機組由于受制于氣象條件，又與電網(wǎng)調(diào)峰要求存在一定矛盾，因此運行人員對空冷系統(tǒng)的調(diào)整尤為重要。通過上述調(diào)整，有效提高了空冷島的防凍能力，與此同時，能夠為同類型機組的安全生產(chǎn)提供良好的借鑒作用。