兩機一塔間冷系統(tǒng)設(shè)計和運行

高運 于萌萌 袁龍

摘要：以某項目2×350 MW機組兩機一塔間冷系統(tǒng)為例，對兩臺機組聯(lián)合運行中的循環(huán)水系統(tǒng)單元制運行及循環(huán)水系統(tǒng)母管制運行進行了分析，提出了機組在夏季運行、冬季防凍運行中需要注意的事項，為汽輪機房兩機一塔間冷系統(tǒng)的設(shè)計及運行管理提供了參考。

關(guān)鍵詞：間接空冷;兩機一塔;單元制運行;母管制運行

1 系統(tǒng)描述

汽輪機排汽通過汽輪機房內(nèi)表面式凝汽器與循環(huán)冷卻水進行熱交換，冷凝成凝結(jié)水。循環(huán)水通過管道進入自然通風(fēng)冷卻塔的空冷散熱器進行散熱冷卻。兩臺機組共用一座自然通風(fēng)間冷塔，間接空冷系統(tǒng)的冷卻三角垂直布置在空冷塔進風(fēng)口的圓周上。

本文以某項目2×350 MW機組兩機一塔間冷系統(tǒng)為例進行分析，全塔空冷散熱器一般分為12個扇區(qū)，每臺機組6個扇區(qū)。兩臺機組扇區(qū)采用間隔布置型式，以保證空冷塔內(nèi)的流場和溫度場均勻。兩臺機組循環(huán)水系統(tǒng)采用擴大單元制運行，循環(huán)水泵位于循環(huán)水熱水側(cè)。每臺機組配備2×50%容量的循環(huán)水泵、1條循環(huán)水供水管道、1條循環(huán)水回水管道。

2 兩臺機組的聯(lián)合運行

2.1 ? ?循環(huán)水系統(tǒng)單元制運行

當(dāng)兩臺機組循環(huán)水系統(tǒng)處于單元制運行時，如果兩臺機組處于同等負(fù)荷和同等循環(huán)水流量下，兩臺機組的水溫一致，空冷塔的自然抽力和通過空冷散熱器的空氣量也會相近。

如果兩臺機組的負(fù)荷不同，例如1號機組的負(fù)荷低于2號機組，則2號機組的水溫及空冷散熱器出口的空氣溫度會高于1號機組。兩種不同溫度和密度的空氣在塔內(nèi)混合，混合后的空氣密度會低于2號機組空冷器出口的空氣密度。對于2號機組而言，空冷塔總的抽力和性能也會相應(yīng)下降，這對于處于高負(fù)荷運行的2號機組是不利的（1號機組性能會因此得到提高）。

理論上，減小1號機組百葉窗開度，提高1號機組水溫和出口空氣溫度（降低1號機組性能）可以保持2號機組的性能不降低。極限狀況下，1號機組停運，1號機組百葉窗全部關(guān)閉。此時，空冷塔總空氣流量下降，塔各部分阻力及出口余速損失降低，空冷塔性能和2號機組的性能會因此得到提高。

2.2 ? ?循環(huán)水系統(tǒng)母管制運行

當(dāng)兩臺機組循環(huán)水系統(tǒng)的熱水和冷水母管上設(shè)置有聯(lián)絡(luò)管道及聯(lián)絡(luò)門時，打開循環(huán)水母管之間的聯(lián)絡(luò)門，兩臺機組循環(huán)水系統(tǒng)可以實現(xiàn)公用制運行，即母管制運行。

當(dāng)兩臺機組循環(huán)水系統(tǒng)處于母管制運行時，在兩臺機組管道阻力特性和循環(huán)泵流量相似的條件下，無論兩臺機組的排汽熱負(fù)荷是否一樣，聯(lián)絡(luò)管兩側(cè)壓差都很小，聯(lián)絡(luò)管中的流量會很?。▋膳_機組的循環(huán)水基本沒有混合），對降低高負(fù)荷機組背壓作用不大。因此，兩臺機組是否采用母管制運行應(yīng)視情況而定，夏季工況循環(huán)水系統(tǒng)推薦采用單元制運行模式。

當(dāng)兩臺機組循環(huán)泵流量不同時，如果打開機組間聯(lián)絡(luò)閥門，情況會發(fā)生變化。假設(shè)1號機組循環(huán)泵轉(zhuǎn)速降低，2號機組循環(huán)泵組仍然保持高轉(zhuǎn)速。在新的系統(tǒng)阻力平衡點上，總的水量下降，2號機組泵組的流量會增加。2號機組泵組出口循環(huán)水通過熱水聯(lián)絡(luò)管流向1號機組循環(huán)水管道，再通過冷水母管聯(lián)絡(luò)管分流至兩臺機組凝汽器。由此，兩臺機組的循環(huán)水發(fā)生混合，水溫也將混合。兩臺機組空冷散熱器的散熱性能會發(fā)生變化，這種變化量的多少取決于有多少水會相互混合。

當(dāng)夏季僅單臺機組運行時，主機循環(huán)水系統(tǒng)采用母管制運行可實現(xiàn)一機帶全塔全部扇區(qū)運行，可以將運行機組背壓降低8 kPa以上，對于夏季運行機組的經(jīng)濟運行意義重大。

循環(huán)水母管制運行時，需要注意在聯(lián)絡(luò)門打開過程中，兩臺機組聯(lián)絡(luò)管兩端的壓力差會使其中一臺機組的循環(huán)水流向另外一臺機組，出現(xiàn)一臺機組膨脹水箱水位瞬間降低到跳機低水位，而另外一臺機組膨脹水箱出現(xiàn)水位高溢水的現(xiàn)象。為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，兩臺機組膨脹水箱間應(yīng)設(shè)置有足夠尺寸的聯(lián)絡(luò)管道及聯(lián)絡(luò)門。循環(huán)水母管聯(lián)絡(luò)門打開前應(yīng)先打開膨脹水箱之間的聯(lián)絡(luò)門，用以平衡兩臺機組循環(huán)水系統(tǒng)的靜壓[1]。

3 機組的夏季運行

當(dāng)機組運行在環(huán)境空氣溫度≥4 ℃條件下時，我們認(rèn)為機組處于夏季運行工況。

3.1 ? ?夏季運行注意事項

機組夏季運行，特別是高溫季節(jié)運行，保負(fù)荷是核心目標(biāo)。機組在夏季運行工況下，百葉窗全開，循環(huán)水應(yīng)全流量通過空冷塔。兩臺機組應(yīng)盡可能處于相近負(fù)荷下運行。如果兩臺機組負(fù)荷相差較大，從經(jīng)濟運行角度來看，可考慮采用一臺機組停用，另一臺機組帶全塔扇區(qū)運行的方式[2]。

機組應(yīng)在夏季高溫季節(jié)來臨之前進行充分清洗。在夏季高溫季節(jié)，采用噴霧降溫系統(tǒng)可以提高空冷塔性能。但由于耗水量巨大，且由于空氣降溫后會降低自然通風(fēng)空冷塔的抽力和性能，因此噴霧系統(tǒng)不宜使用在自然通風(fēng)空冷塔上[3]。

3.2 ? ?機組非高溫季節(jié)運行工況分析

以某兩機一塔項目為例，在不同負(fù)荷條件下，對百葉窗全開維持空冷塔出水溫度在20 ℃的最低環(huán)境溫度進行計算，機組非高溫季節(jié)運行工況如表1所示。空冷塔出水溫度在20 ℃可以保證機組運行在最低的阻塞背壓工況下。

由表1可知：

（1）在工況1阻塞背壓工況條件下，冷卻塔進口水溫與出口水溫分別為30.6 ℃與20.0 ℃，假設(shè)此時凝汽器端差為5 ℃，則對應(yīng)的熱水溫度約為32 ℃，與2.2 ℃環(huán)境氣溫下百葉窗全開所對應(yīng)的最低熱水溫度已經(jīng)非常接近。結(jié)合冬季防凍水溫，機組能運行在阻塞背壓下的溫度區(qū)間非常小[4]。

（2）工況1至工況4為全部扇區(qū)投運，循環(huán)水全流量通過空冷塔的工況。從工況1到工況4機組隨著機組排汽熱負(fù)荷降低，百葉窗全開對應(yīng)的最低氣溫依次升高。因此在低負(fù)荷下，可以不關(guān)閉百葉窗，通過降低循環(huán)泵流量的方式來控制水溫。在這種條件下，可以通過水泵降速達(dá)到節(jié)約廠用電的目的。

（3）采用大功率變頻調(diào)速循環(huán)水泵將會增加泵組投資，因此間冷機組推薦采用雙速循環(huán)水泵，基本可以滿足各種工況要求。

4 機組冬季防凍運行

當(dāng)機組運行在環(huán)境空氣溫度<4 ℃條件下時，我們認(rèn)為機組處于冬季運行工況。

對于汽輪機帶冬季采暖抽汽的機組，采暖季機組排汽熱負(fù)荷會急速降低，冬季防凍問題成為影響機組安全運行的重要問題。

在討論機組冬季防凍問題之前首先需要了解管束凍傷機理。冬季百葉窗開度減小，塔進風(fēng)量降低，空氣溫升非常大，塔內(nèi)散熱器附近的負(fù)壓將會數(shù)倍于百葉窗全開工況。換熱后的熱空氣不能像夏季運行那樣充滿整個塔的截面，而是沿塔壁面向上流動，在塔壁面形成一個熱空氣薄層。而冷空氣則從塔頂向下流進塔內(nèi)部，冷熱空氣在塔內(nèi)部形成循環(huán)。當(dāng)這個流場處于均勻而穩(wěn)定狀態(tài)時，間冷散熱器被熱空氣層包裹保護，不會發(fā)生凍傷現(xiàn)象。但一旦流場被破壞，冷空氣抵達(dá)塔底部散熱器附近，散熱器就會被凍傷。因此，維持塔內(nèi)流場均勻，對于間冷散熱器的防凍有著重要意義。

（1）可靠的控制系統(tǒng)是間冷散熱器防凍的最有效保證。采用調(diào)節(jié)型百葉窗執(zhí)行機構(gòu)，百葉窗開度通過DCS控制系統(tǒng)可實現(xiàn)與扇區(qū)出水溫度自動調(diào)節(jié)。根據(jù)實際運行經(jīng)驗，當(dāng)環(huán)境氣溫不低于-10 ℃時，建議扇區(qū)出水溫度為30 ℃;當(dāng)環(huán)境氣溫低于-10 ℃時，建議扇區(qū)出水溫度為35 ℃;當(dāng)扇區(qū)出水水溫低于18 ℃時，自動啟動扇區(qū)排水保護程序，扇區(qū)退出運行。

（2）百葉窗控制以扇區(qū)為單位，每個扇區(qū)的全部百葉窗統(tǒng)一開度，防止因空氣溫度不均勻造成局部氣流紊亂，增大局部過冷風(fēng)險。

（3）當(dāng)項目設(shè)置有換熱管壁溫防凍監(jiān)測系統(tǒng)時，可適當(dāng)降低扇區(qū)出水溫度。當(dāng)環(huán)境氣溫不低于-10 ℃時，建議扇區(qū)出水溫度不低于28 ℃;當(dāng)環(huán)境氣溫低于-10 ℃時，建議扇區(qū)出水溫度不低于32 ℃。

（4）對于兩機一塔間冷系統(tǒng)，當(dāng)兩臺機組采用負(fù)荷接近的單元制運行或采用母管制運行時，塔內(nèi)空氣流場會更加穩(wěn)定，有利于提高機組的整體防凍性能。

（5）當(dāng)非全部扇區(qū)投運時，兩臺機組扇區(qū)應(yīng)采用間隔均分投運方式，以維持塔內(nèi)溫度場均勻穩(wěn)定。

（6）機組在低負(fù)荷下或冬季運行時，允許循環(huán)水系統(tǒng)低流量運行。應(yīng)采用不少于兩臺循環(huán)水泵低速運行或采用非全部循環(huán)水泵投運的母管制運行，在降低廠用電的同時，可以確保當(dāng)有循環(huán)水泵出現(xiàn)故障停機時不會導(dǎo)致機組跳機。

（7）合格的循環(huán)水水質(zhì)對機組冬季防凍有著重要意義。當(dāng)有雜物堵塞換熱管時，低溫下?lián)Q熱管內(nèi)不流動的死水在數(shù)分鐘內(nèi)就會開始結(jié)冰，最終導(dǎo)致爆管。機組投運前的循環(huán)水管道沖洗和清掃，對于保護空冷散熱器意義重大。對于兩機一塔機組，常規(guī)設(shè)計為兩機共用地下水箱，但由于兩臺機組并不是同時投運，為防止后投運機組管道沖洗后的臟水混入已投運機組循環(huán)水系統(tǒng)，在后續(xù)項目中我們采用了每臺機組各設(shè)置一組地下水箱的方式，兩組地下水箱還設(shè)置有電動聯(lián)絡(luò)閥，可以通過充水泵將一臺機組地下水箱中的多余水輸送至另外一臺機組水箱中，達(dá)到節(jié)水目的。

5 結(jié)語

兩機一塔間冷系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，兩機一塔間冷系統(tǒng)設(shè)計也得到了極大創(chuàng)新。兩臺機組循環(huán)水系統(tǒng)采用擴大單元制運行具有良好的效果。機組在運行期間需要注意夏季高溫與冬季低溫對機組運行造成損害。兩機一塔間冷系統(tǒng)的設(shè)計和運行研究，對于確保系統(tǒng)可靠運行，促進相關(guān)行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡介：高運（1970—），女，北京人，碩士，高級工程師，研究方向：間接空冷。