間冷塔凍結(jié)機(jī)理分析及防凍措施研究

文玨， 魏江

（中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北分公司，西安 710021）

0 引言

三北地區(qū)水資源缺乏，新建電廠多采用空冷技術(shù)，常見(jiàn)的有兩種，一種是直接空冷系統(tǒng)，一種是間接空冷系統(tǒng)[1-4]。間接空冷系統(tǒng)有中間介質(zhì)循環(huán)水做媒介，能夠使系統(tǒng)保持較高的魯棒性，其背壓較直接空冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更加穩(wěn)定，但依舊會(huì)受到環(huán)境條件較大的影響[5-6]。在極寒地區(qū)，冬季氣溫遠(yuǎn)低于0℃。圖1為新疆地區(qū)某電廠所在縣從2003-2016年間冬季月最低平均氣溫及其出現(xiàn)次數(shù)，由圖可以看出，這14年間，此地的平均氣溫最低可達(dá)-26℃，遠(yuǎn)低于水在大氣壓下的冰點(diǎn)，且間接空冷系統(tǒng)多為翅片式換熱管，使用間冷系統(tǒng)的電廠如果運(yùn)行不當(dāng)非常容易發(fā)生管束凍結(jié)現(xiàn)象。

圖1 新疆某地月平均最低溫度及出現(xiàn)次數(shù)

徐冬[7]從進(jìn)入防凍期前應(yīng)進(jìn)行的工作，保護(hù)投退的規(guī)定，循泵的運(yùn)行方式，扇區(qū)的投切等方面詳細(xì)闡述了660 MW間接空冷機(jī)組冬季防凍措施。顧紅芳[8]對(duì)采用數(shù)值方法對(duì)某電廠冬季工況下百葉窗對(duì)間冷塔散熱情況的影響，僅降低迎風(fēng)、背風(fēng)區(qū)域的百葉窗開(kāi)度，反而會(huì)惡化其他扇段的運(yùn)行環(huán)境。溫新宇[9]認(rèn)為中間隔板短路是造成間冷塔循環(huán)水管束凍裂主要原因，針對(duì)此原因提出了解決方案。邢照凱[10]研究了低溫條件下間冷塔的運(yùn)行策略。高運(yùn)[11]分析間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)的水阻特性，對(duì)間接空冷循環(huán)水系統(tǒng)的啟動(dòng)模式和旁路運(yùn)行模式進(jìn)行了論述。

雖然間冷塔一周有開(kāi)度可控的百葉窗，但由于環(huán)境溫度過(guò)低，負(fù)荷變化頻繁導(dǎo)致投切列頻繁、百葉窗縫隙不嚴(yán)等原因，間冷塔結(jié)凍事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)需要整列更換翅片管束，影響機(jī)組正常運(yùn)行。對(duì)于間冷塔冬季防凍的現(xiàn)有研究未能從機(jī)理上深入分析并提出具有可行性的系統(tǒng)改進(jìn)方案，本文通過(guò)分析間冷塔凍結(jié)原因，提出三種間冷塔防凍解決方案，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠參考。

1 冬季間冷塔凍結(jié)原因分析

通過(guò)歸納分析，可以得到間冷塔凍結(jié)原因主要有以下三點(diǎn)：

1.1 凍結(jié)原因一

通過(guò)水的相圖可以知道大氣壓下水的冰點(diǎn)在0℃，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)就存在結(jié)冰的危險(xiǎn)。

1.2 凍結(jié)原因二

散熱器鋁翅片管內(nèi)的水流速較低或靜止。流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)在管壁上會(huì)形成一定厚度的邊界層。如圖2所示，當(dāng)換熱管內(nèi)流體流速過(guò)低，特別是當(dāng)換熱管內(nèi)雷諾數(shù)低于臨界值，流動(dòng)狀態(tài)由湍流變成層流，流體的換熱能力大幅下降，層流邊界層的厚度大于湍流邊界層的厚度，在邊界層內(nèi)，熱量以熱傳導(dǎo)的方式傳出，根據(jù)傅里葉定律，管內(nèi)外溫差相同時(shí)，邊界層越厚，單位時(shí)間傳導(dǎo)的熱量就越小，即傳熱速率越慢，單位時(shí)間越靠近管內(nèi)壁的流體吸收的熱量越小，而管外壁的溫度與極低的環(huán)境溫度基本一致，遠(yuǎn)低于水的冰點(diǎn)。綜上所述，換熱管內(nèi)流體的雷諾數(shù)越小，凍結(jié)的危險(xiǎn)就越高。最危險(xiǎn)的情況是在充放水時(shí)，由于流量小且不均勻，結(jié)凍的可能性會(huì)成倍增加。

1.3 凍結(jié)原因三

圖2 流體邊界層

根據(jù)張薇[12]的研究結(jié)果，當(dāng)存在側(cè)風(fēng)時(shí)，最危險(xiǎn)的點(diǎn)在迎風(fēng)面。當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速高于某一值時(shí)，背風(fēng)面散熱器的進(jìn)風(fēng)能力受到抑制,而迎風(fēng)面的散熱器換熱效果顯著增加，如圖3所示。因此，迎風(fēng)面的換熱管應(yīng)成為防凍的關(guān)注點(diǎn)。

圖3 側(cè)風(fēng)影響下間冷塔的危險(xiǎn)點(diǎn)

2 解決方案

根據(jù)間冷塔冬季凍結(jié)機(jī)理分析，結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行狀況，提出三種切實(shí)可行的改進(jìn)方案：循環(huán)水多重利用方案、循泵變頻改造方案和防凍預(yù)暖系統(tǒng)方案。

2.1 循環(huán)水多重利用方案

為確保間冷塔管束內(nèi)流量達(dá)到最小防凍流量，循環(huán)水泵全高速方式運(yùn)行，使間冷塔全扇區(qū)運(yùn)行。間冷塔出塔涼水分為兩部分:一部分進(jìn)入凝汽器冷凝低壓缸排汽，維持機(jī)組真空；另一部分進(jìn)入開(kāi)式水系統(tǒng)，與開(kāi)式水混合，作為部分輔機(jī)冷卻水的冷源。開(kāi)式水回水在進(jìn)入機(jī)力冷卻塔之前分為兩路，一路回間冷塔，一路回機(jī)力冷卻塔。如圖4所示。

圖4 循環(huán)水多重利用方案示意圖

其優(yōu)點(diǎn)在于大流量循環(huán)水運(yùn)行可以降低間冷塔冬季結(jié)凍的可能性的同時(shí)，且能夠充分利用間冷塔涼水冷量，降低開(kāi)式循環(huán)水泵功耗。

表1 某電廠設(shè)備參數(shù)

以某電廠為例，其設(shè)備參數(shù)如表1所示。冬季進(jìn)間冷塔水溫40℃，出水溫度28℃。開(kāi)式水冷卻塔出水溫度30℃，因此，冬季運(yùn)行時(shí)，間冷塔出水溫度與開(kāi)式冷卻水塔出水溫度匹配，可以混合供開(kāi)式水用戶。根據(jù)此電廠負(fù)荷情況，一般冬季循環(huán)水泵僅需兩臺(tái)低速運(yùn)行，凝汽器需要的流量按31 924 m3/h計(jì)算，開(kāi)式冷卻水需要流量為5100 m3/h，開(kāi)啟兩臺(tái)高速循泵后循環(huán)水流量可達(dá)36 180 m3/h，當(dāng)滿足了凝汽器需要流量后，還剩4256 m3/h流量可供開(kāi)式循環(huán)水用戶，當(dāng)開(kāi)式水用戶需水量不大時(shí)，完全可以停止開(kāi)式水泵的運(yùn)行，僅以循環(huán)水作為開(kāi)式冷卻水供開(kāi)式水用戶，節(jié)省開(kāi)式水泵功耗約600 kW。

2.2 循泵變頻改造方案

循環(huán)水泵變頻改造。運(yùn)行時(shí)，在環(huán)境溫度未達(dá)到零下時(shí)就開(kāi)啟固定數(shù)目的部分扇區(qū)，選擇未在迎風(fēng)面的扇區(qū)開(kāi)啟，保證即使循環(huán)水泵在最低頻率下運(yùn)行，間冷塔開(kāi)啟扇區(qū)管束內(nèi)的水流量都高于其最小防凍流量。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，根據(jù)負(fù)荷的變化，調(diào)整循環(huán)水泵頻率，維持機(jī)組真空。

計(jì)算得到最小防凍流量，以最小防凍高流量作為循環(huán)水泵變頻改造后的最低流量，計(jì)算需要開(kāi)啟的扇區(qū)數(shù)目，選擇背風(fēng)區(qū)的扇區(qū)開(kāi)啟。高負(fù)荷時(shí)提高凝泵頻率，增加管道內(nèi)水流速度，提高對(duì)流換熱系數(shù)，而且可以適當(dāng)開(kāi)啟百葉窗開(kāi)度，降低回水溫度，維持機(jī)組真空。

根據(jù)1.2節(jié)分析，層流狀態(tài)的流體比湍流狀態(tài)的流體傳熱能力大大下降，因此，最小防凍流量首先要保證管內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流狀態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)中記載[13]，圓管內(nèi)的流體的雷諾數(shù)大于2320時(shí)即為湍流狀態(tài)。某電廠的間冷塔傳熱管束直徑18 mm，環(huán)境溫度按0.1℃計(jì)算，水的運(yùn)動(dòng)黏度為1.79×10-6，密度為999.8 kg/m3，可以計(jì)算出，基管內(nèi)流速需要達(dá)到0.23 m/s，則基管內(nèi)流量需要達(dá)到0.058 kg/s，此電廠每個(gè)散熱器有480只基管，全扇區(qū)有176個(gè)冷卻三角，如果只開(kāi)啟一半的扇區(qū)運(yùn)行，總流量需要達(dá)到2470.5 kg/s，即8893.62 t/h。以此電廠為例，冬季流量需要達(dá)到8893.62 t/h以上才能有效防止管束凍裂，因此，選擇此流量作為循泵變頻改造的最小流量。根據(jù)此電廠實(shí)際情況，最小防凍流量小于一臺(tái)循泵低速運(yùn)行時(shí)的流量，因此，只需將一臺(tái)循泵做變頻改造，節(jié)省改造費(fèi)用的同時(shí)有效防凍。

2.3 防凍預(yù)暖系統(tǒng)方案

投切扇區(qū)時(shí)，保證扇區(qū)管束溫度在0℃以上。當(dāng)環(huán)境溫度處于比較低的水平，關(guān)閉百葉窗對(duì)防凍已經(jīng)不能提供任何幫助時(shí)，除了增加電伴熱、百葉窗密封條以外，還可以將電廠其它部分的熱量引入間冷塔管束外側(cè)，加熱管束，提高管束溫度，使投切列時(shí)即使管束流量較小也不會(huì)引起管束結(jié)凍。

一種可行的選擇是采用空預(yù)器出口熱空氣作為熱源，其溫度能達(dá)到300℃，通過(guò)增設(shè)管路，引入間冷塔冷卻三角，在投切列時(shí)提前開(kāi)啟，加熱冷卻三角，有效防止管束投切列時(shí)結(jié)凍。神華神東電力有限公司新疆五彩灣發(fā)電分公司的預(yù)熱工程即采用此思路[14-15]，同時(shí)，此系統(tǒng)還能在結(jié)凍實(shí)際發(fā)生時(shí)及時(shí)融冰，防止結(jié)凍進(jìn)一步惡化。另一種可行的選擇是將過(guò)熱蒸汽引入間冷塔冷卻三角，但此方法直接影響了汽輪機(jī)的做功能力，調(diào)峰機(jī)組可作考慮。

3 結(jié)論

通過(guò)分析間冷塔結(jié)凍機(jī)理，從提升溫度、提高流量、遠(yuǎn)離迎風(fēng)面三個(gè)角度提出三種切實(shí)可行的解決方案，并通過(guò)實(shí)際電廠運(yùn)行參數(shù)驗(yàn)證了方案的可行性，為高寒地區(qū)間冷塔防凍提供有效的指導(dǎo)意見(jiàn)。