直接空冷機組冷端溫度場監(jiān)測及防凍措施

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013)

0 引 言

經(jīng)過近年來的快速發(fā)展，直接空冷機組已成為我國北方富煤缺水地區(qū)火力發(fā)電廠的主力機型[1]。國內(nèi)大量在運的直接空冷機組，普遍存在各種運行問題，例如：機組最佳運行背壓難以確定；冬季運行時防凍壓力大，空冷風(fēng)機運行方式不合理；機組真空系統(tǒng)嚴密性較差；空冷系統(tǒng)翅片管清洗頻次不合理；噴霧增濕系統(tǒng)缺乏運行指導(dǎo)等[2-4]。空冷散熱器直接在大氣環(huán)境中工作，由于冬季采暖負荷增加，需要冷卻的蒸汽流量變少，此時風(fēng)機處于接近停機狀態(tài)，空冷平臺的溫度分布及其不均，容易造成停機事故的發(fā)生。散熱器表面的污垢增大了散熱器冷卻空氣流通阻力，使冷卻風(fēng)量減小，并增加了換熱熱阻使傳熱性能下降。最終汽輪機的排汽壓力升高，機組運行經(jīng)濟性下降。空冷系統(tǒng)性能下降使機組運行經(jīng)濟性下降二者之間存在優(yōu)化選擇。散熱器清洗應(yīng)根據(jù)空冷凝汽器翅片管束外表面的臟污程度和周圍的環(huán)境狀況，決定清洗次數(shù)?？绽湎到y(tǒng)形成熱回流，使機組背壓產(chǎn)生波動。不僅會影響空冷機組的經(jīng)濟性，嚴重時也會引起機組停機。春秋季節(jié)如果根據(jù)地區(qū)自然風(fēng)向規(guī)律，調(diào)整風(fēng)機運行可以起到維持相同背壓時降低風(fēng)機電耗的目的。夏季時則有必要對熱回流進行預(yù)警。直接空冷系統(tǒng)春、夏、秋、冬運行工況變化很大，且北方地區(qū)冬、夏兩季環(huán)境溫度差高達70 ℃，為了防止冷卻器凍損事故，冬季大部分電廠人為將機組排汽背壓控制在18～20 kPa，排汽溫度高達60 ℃左右，使機組熱耗和煤耗大幅增加，嚴重影響了全廠運行經(jīng)濟性[5]。因此，如何在保證安全防凍的前提下，提高冬季直接空冷系統(tǒng)的冷卻效果，成為亟待解決的問題。

1 空冷機組凍結(jié)成因

1.1 環(huán)境溫度過低

在通風(fēng)量一定的情況下，空冷凝汽器的散熱量主要由環(huán)境溫度決定。實際運行中，空氣經(jīng)過風(fēng)機后通過翅片間隙，帶走母管內(nèi)蒸汽凝結(jié)釋放的熱量。使得管束內(nèi)蒸汽和翅片管外的冷空氣進行對流換熱。當冬季環(huán)境溫度較低時，單位質(zhì)量空氣的冷卻能力增加，蒸汽可能在下降管上半部分已經(jīng)冷凝，下半部分則完全是冷凝水。當凝結(jié)水向下流動時，會繼續(xù)被管外空氣冷卻，導(dǎo)致凝結(jié)水過冷度增加。翅片管中冷凝水可能會發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致蒸汽在管束中停滯。此外，由于冷凝水溫度較低，下聯(lián)箱也可能出現(xiàn)凍結(jié)。管內(nèi)蒸汽流動如圖1所示。

1.2 蒸汽流量分配不均

空冷凝汽器運行過程中會出現(xiàn)熱、汽流量分布不均的現(xiàn)象。從理論上講，汽輪機排汽應(yīng)該均勻分布到各個管束。但由于設(shè)計、制造、安裝、風(fēng)冷風(fēng)機運行方式、環(huán)境溫度、風(fēng)速等因素的影響，導(dǎo)致蒸汽流量分布出現(xiàn)不均。特別是在機組低負荷運行時，流量偏差可達5%[6]。隨著進入空冷島的蒸汽流量的減小，蒸汽流量分配逐漸增大。在機組低負荷運行期間，單個冷卻單元分配的蒸汽量將遠遠低于設(shè)計值。因此，冬季低負荷運行時應(yīng)特別考慮冷熱不均和流量不均引起的冷卻管束表面溫度偏差。

1.3 不凝性氣體

不凝性氣體積聚是空冷系統(tǒng)翅片管內(nèi)冷凝水凍結(jié)的主要內(nèi)在原因。翅片管內(nèi)不凝氣體的密度一般高于蒸汽，但是其傳熱系數(shù)較低。如果空冷凝汽器內(nèi)有不凝氣體，會影響管內(nèi)蒸汽流量，導(dǎo)致單個翅片管內(nèi)蒸汽流量和管壁溫度降低，使凝結(jié)水溫度過低時出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。因此，空冷機組不凝性氣體的聚集區(qū)往往會形成冰點，冰點的分布如圖2所示。冰點主要位置為：翅片管冷凝端、上下游管束相鄰部位、翅片管與下集箱焊接部位。空氣漏入汽側(cè)后會造成局部阻力增加，使蒸汽不再流動，易造成結(jié)冰現(xiàn)象。

1.4 真空泄露

直接空冷系統(tǒng)排氣管直徑大，焊縫長，接頭多，密封困難，因此施工難度較大。整個真空系統(tǒng)體積大，因此容易出現(xiàn)真空泄漏。翅片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)量多，翅片與母管的連接過程也較為復(fù)雜，如果在運輸或安裝過程中，翅片與母管的連接因變形而損壞，也會發(fā)生泄漏。隔離閥和膨脹節(jié)密封性不良也是導(dǎo)致真空泄漏的主要原因[7-8]。這些真空漏點在嚴寒環(huán)境下容易導(dǎo)致管道結(jié)冰。

2 冷端溫度監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要有4部分組成，包括：數(shù)字式溫度傳感器，智慧前端采集器，數(shù)據(jù)傳輸及處理服務(wù)器，DCS優(yōu)化控制模塊，如圖3所示。系統(tǒng)的工作原理如下：數(shù)字式溫度傳感器實時監(jiān)測空冷散熱器的各項溫度參數(shù)，由智慧前端采集器將這些參數(shù)匯集，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸及處理服務(wù)器傳輸，最終傳給DCS優(yōu)化控制模塊，由DCS優(yōu)化控制模塊判斷空冷島內(nèi)部是否出現(xiàn)運行問題，并給出最佳解決方案。例如：系統(tǒng)由數(shù)字式溫度傳感器實時監(jiān)測散熱管束溫度，由智慧前端采集器采集空冷島四周的風(fēng)速風(fēng)向氣壓等參數(shù)，再將數(shù)字式溫度傳感器和智慧前端采集器測量的數(shù)據(jù)參數(shù)由數(shù)據(jù)傳輸及處理服務(wù)器裝置傳輸?shù)紻CS優(yōu)化控制模塊中，由DCS優(yōu)化控制模塊判斷空冷島四周是否出現(xiàn)熱風(fēng)回流現(xiàn)象等各種問題的發(fā)生，并給出最優(yōu)處理措施。另外，該系統(tǒng)還可通過在空冷島內(nèi)布置溫濕度測點，實現(xiàn)空冷島噴霧增濕系統(tǒng)的實時在線控制和優(yōu)化。通過在散熱器空氣進出口側(cè)布置風(fēng)速儀，在線監(jiān)測散熱器積灰狀態(tài)。

2.2 測溫電纜

本系統(tǒng)中，溫度傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器，其溫度測量范圍為-55～125 ℃，精度為±0.5 ℃,溫度傳感器采用電纜方式封裝，具有防水功能，可全天候使用，并不影響測量精度和靈敏度。內(nèi)部根據(jù)需要特定距離集成測溫傳感器，測溫電纜采用工業(yè)級橡膠制作，耐低溫，防腐蝕，耐高壓，內(nèi)部含有一根高強度的鋼絲，防止測溫線纜的斷裂。測溫電纜安裝方案如圖4所示。由于空冷島的外部環(huán)境條件不同，內(nèi)部流動又分逆流與順流，從理論研究與實際運行經(jīng)濟看，各個單元的可能結(jié)冰情況不一樣，通常逆流單元比順流單元更容易結(jié)冰，邊緣處的單元比內(nèi)部單元更容易結(jié)冰。積累歷史數(shù)據(jù)后可做適當調(diào)整，保留關(guān)鍵區(qū)域測點密度，適當降低次要區(qū)域測點密度。

3 防凍措施

3.1 設(shè)計時的防凍措施

常規(guī)的防凍設(shè)計措施是采用大直徑扁管蛇形翅片單排管、采用合理的順逆流比、設(shè)置自動控制裝置、擋風(fēng)墻、擋風(fēng)網(wǎng)、動真空隔離閥、變頻風(fēng)機等。大直徑的單排管使空冷單元的蒸汽側(cè)壓力降低，有助于蒸汽的汽液分離和防凍；采用合理的順逆流比，適當增加空冷機組逆流區(qū)域的冷卻面積，可有效防凍；機組冬季運行時，設(shè)置相關(guān)的防凍自動控制裝置；環(huán)境風(fēng)較大的地區(qū)，可設(shè)置擋風(fēng)墻或擋風(fēng)網(wǎng)，避免環(huán)境風(fēng)直接吹響凝汽器，造成凝水管兩側(cè)溫差過大；設(shè)置電動真空隔離閥，當機組冬季低溫啟動時，關(guān)閉部分空冷單元，從而避免凝結(jié)水過冷；采用變頻風(fēng)機，根據(jù)空冷機組熱負荷，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，防止凝結(jié)水溫過低而凍結(jié)[9]。

特殊的防凍設(shè)計措施包括：合理地選擇散熱器翅片管束長度、臨時封閉等。合理地選擇散熱器翅片管束長度?？s短排汽的冷卻路徑，可相應(yīng)降低散熱器管束內(nèi)的蒸汽流速，保證空冷機組的正常運行。同時還可與真空隔離閥配合使用，關(guān)閉真空隔離閥，調(diào)節(jié)排汽量和空冷機組的冷卻性能。極嚴寒時期臨時封閉措施。根據(jù)實際運行的歷史數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬分析，確定冬季空冷單元易凍區(qū)域。易凍區(qū)域的部門風(fēng)機出口設(shè)置掛鉤。當空冷機組處于低熱負荷或環(huán)境溫度過低時，封蓋部分風(fēng)機的出風(fēng)口，減弱風(fēng)機的冷卻能力，保證易凍區(qū)域的安全運行。此外，還可對空冷管束開展冷凍試驗。通過對空冷管束進行現(xiàn)場冷凍試驗，獲得環(huán)境溫度、進汽量、排汽量、排氣溫度等因素與散熱器凍結(jié)現(xiàn)象的關(guān)系，為機組的安全經(jīng)濟運行提供運行依據(jù)。

3.2 正常運行時的防護措施

當機組正常運行時，盡量保證運行初期的機組背壓高于15 kPa；當凝結(jié)水溫度過低時，應(yīng)適當減小風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，或使部分風(fēng)機停運，實際情況需要時還可進行定期手動回暖；當某列空冷機組逆流區(qū)的抽空氣溫度低于20 ℃時，應(yīng)考慮使該列逆流風(fēng)機反轉(zhuǎn)運行；保證各列散熱器區(qū)域的溫度差不高于5 ℃；為了避免凝集水管凍結(jié)，應(yīng)加強監(jiān)測排氣裝置的水位和補水量，以及真空抽氣口的溫度變化；正常運行時，盡量保證同列風(fēng)機中的運轉(zhuǎn)頻率相同；加強電廠和電網(wǎng)的調(diào)度溝通，協(xié)調(diào)好汽輪機負荷和空冷機組的最低熱負荷之間的關(guān)系。

3.3 啟動時的防護措施

當機組冬季啟動時，應(yīng)在一天中氣溫最高時進行；若啟動時的環(huán)境低于2 ℃，應(yīng)使伴熱裝置等提前運行，并開啟逆流區(qū)的抽空氣閥；應(yīng)保證空冷機組的蒸汽進汽量大于機組的最小防凍流量；在鍋爐點火的初期，當背壓低于30 kPa時，應(yīng)嚴格控制疏水進入，并注意排氣缸的溫度變化；時刻關(guān)注凝結(jié)水及抽空氣管的溫度走勢；投入新的空冷單元運行時，應(yīng)保證以投入的空冷單元的凝結(jié)水溫度高于45 ℃；由機組負荷變化確定風(fēng)機啟動時間和蒸汽流量的分配，逆流區(qū)的風(fēng)機在機組初啟動時不可逆轉(zhuǎn)[10]。

3.4 停機時的防護措施

當機組冬季停機時，應(yīng)在一天中氣溫最高時進行；盡可能的縮短空冷機組的滑停時間，使機組在高負荷的時候也可打閘停機；應(yīng)時刻保證空冷機組的最小防凍流量，當機組處于低負荷時，可根據(jù)實際情況投入機組的旁路系統(tǒng)；為了避免蒸汽流入空冷排氣設(shè)備，應(yīng)使疏水直接匯入鍋爐疏水箱，并關(guān)閉直接空冷機組的近汽蝶閥；進行切低速、停風(fēng)機的操作時，應(yīng)保證凝結(jié)水溫度不低于45 ℃；為了防止疏水閥不嚴，造成低壓排汽缸的排氣溫度過高，應(yīng)使凝結(jié)水泵不間斷運行6～8 h，至排汽室的溫度低于50 ℃為止；機組跳閘時，如果空冷機組暫時不能啟動，則以正常停機的情況進行處理。

4 結(jié)束語

如何在保證安全防凍的前題下，提高空冷系統(tǒng)的冷卻效果至關(guān)重要。散熱器易凍問題一直是空冷機組冬季運行過程中，影響機組效率的主要問題。文中通過分析空冷機組出現(xiàn)凍結(jié)的成因，設(shè)計了冷端溫度監(jiān)測系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出了空冷機組設(shè)計、運行、啟停等各個階段的防凍措施，有效地避免機組凍冰現(xiàn)象的產(chǎn)生。為了保證直接空冷機組的安全經(jīng)濟運行，還需要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行不斷調(diào)整的完善，減少設(shè)備故障，增加企業(yè)效益。