100MW直接空冷機(jī)組防凍措施探析

楊爽

摘要：大唐克旗煤制氣自備電廠，兩臺(tái)100MW抽凝式直接空冷機(jī)組，空冷凝汽器為江蘇雙良供貨。文中根據(jù)機(jī)組歷年冬季運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)直接空冷系統(tǒng)防凍事宜進(jìn)行總結(jié)、分析，探析了空冷機(jī)組冬季運(yùn)行的防凍措施及注意事項(xiàng)等。

關(guān)鍵詞：直接空冷;冬季運(yùn)行;防凍。

1.直接空冷凝汽器基本概況

內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司自備電廠（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“克旗電廠”），采用7*470t/h高壓、單鍋筒、自然循環(huán)、褐煤鍋爐及2*100MW抽凝式直接空冷機(jī)組。

克旗電廠空冷凝汽器為江蘇雙良公司供貨，采用單排橢圓管橢圓翅片結(jié)構(gòu)。每臺(tái)機(jī)組空冷凝汽器成4列×3排布置，共12個(gè)冷卻單元，每個(gè)順流冷卻單元由8片管束組成，每個(gè)逆流冷卻單元由10片管束組成，逆流單元設(shè)置在每列的第二單元。順、逆流單元迎風(fēng)面面積（單個(gè)）均為201.35㎡，迎風(fēng)面流速均為2.38m/s，空冷凝汽器順、逆流單元總散熱面積分別186459m2 、116537m2。選配直徑8.91m 風(fēng)機(jī)，全部采用變頻調(diào)速，電機(jī)功率132kW，風(fēng)機(jī)風(fēng)量479m3/s。

空冷凝汽器設(shè)計(jì)主要?dú)庀髼l件：典型年環(huán)境溫度-33.2℃～37.8℃，年平均汽溫2.8℃，年平均大氣壓90kPa。選取夏季滿(mǎn)發(fā)環(huán)境溫度28℃，外界自然風(fēng)風(fēng)速為3.0m/s。

2.直接空冷系統(tǒng)的流程及原理

空冷凝汽器由“A”屋頂型翅片管排構(gòu)成。每組空冷列包含3個(gè)冷卻單元（2個(gè)順流單元和1個(gè)逆流單元）?？绽淦脚_(tái)下方布置的軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻空氣流過(guò)翅片進(jìn)行換熱，空冷平臺(tái)外圍由擋風(fēng)墻包圍，將熱空氣出口與冷空氣入口分開(kāi)，阻止熱風(fēng)回流。

機(jī)組排汽通過(guò)蒸汽分配管進(jìn)入順流冷凝管束頂部的翅片管束。蒸汽在管束下行過(guò)程中被部分冷凝（約80%蒸汽），凝結(jié)水和部分未凝蒸汽通過(guò)凝結(jié)水下聯(lián)箱收集，并在重力作用下排入汽輪機(jī)排汽裝置，再由凝結(jié)水泵送至除氧器。剩余蒸汽通過(guò)與凝結(jié)水下聯(lián)箱底部連接的逆流冷凝管束逆向流動(dòng)冷凝，不凝氣體在逆流冷凝管束頂部附近匯集，被吸入逆流冷凝管束頂部布置的抽空氣管道，再由真空泵組抽吸并最終排至大氣。

3.直接空冷凝汽器冬季凍結(jié)原因

由于空冷凝汽器散熱面積大，冬季運(yùn)行尤其機(jī)組處于空負(fù)荷或低負(fù)荷時(shí)，當(dāng)流量較小的蒸汽進(jìn)入空冷凝汽器管束后，在由上而下的流動(dòng)過(guò)程中，管束中的蒸汽與外界冷空氣進(jìn)行熱交換后不斷凝結(jié)，其凝結(jié)水在自身重力的作用下，沿管壁向下流動(dòng)的過(guò)程中，即使將全部風(fēng)機(jī)停運(yùn)，由于環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于水的冰點(diǎn)溫度，導(dǎo)致其過(guò)冷度不斷增加，并不斷在冷卻管束的下部?jī)鼋Y(jié)，從而造成冷卻管束內(nèi)的蒸汽發(fā)生滯流，最終使空冷管束凍壞。

另外，機(jī)組空冷系統(tǒng)在正常運(yùn)行中，如果調(diào)整不當(dāng)或負(fù)壓系統(tǒng)泄漏量過(guò)大時(shí)，在冷卻空氣量過(guò)剩的情況下，空冷系統(tǒng)中漏入的過(guò)量空氣在管束內(nèi)對(duì)熱蒸汽形成阻滯，降低了管束內(nèi)熱蒸汽的流動(dòng)速度直至形成阻塞，從而導(dǎo)致管束局部過(guò)冷，導(dǎo)致出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象。

可見(jiàn)直接空冷凝汽器冬季凍結(jié)程度與外界氣象條件、空冷凝汽器的進(jìn)汽參數(shù)（汽量、溫度、時(shí)長(zhǎng)等）、空冷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行調(diào)控、空冷系統(tǒng)真空漏點(diǎn)等方面因素有關(guān)。

4.直接空冷系統(tǒng)冬季啟動(dòng)的控制

直接空冷機(jī)組冬季啟動(dòng)面臨最大困難就是空冷凝汽器管束的防凍，主要原因是汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)之前，有部分蒸汽不可避免地進(jìn)入空冷凝汽器管束且進(jìn)汽量非常小，這部分蒸汽進(jìn)入空冷凝汽器管束內(nèi)會(huì)不同程度的凝結(jié)結(jié)冰。

所以機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中是無(wú)法保證空冷凝汽器管束不發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象的，關(guān)鍵是在結(jié)冰不嚴(yán)重的情況下盡快將機(jī)組帶到一定負(fù)荷，使結(jié)冰情況不再發(fā)展，然后隨著機(jī)組負(fù)荷的增加并通過(guò)合理調(diào)控空冷風(fēng)機(jī)，對(duì)整個(gè)空冷凝汽器管束進(jìn)行解凍。因此，需要合理安排機(jī)組啟動(dòng)的各項(xiàng)工作。

4.1啟動(dòng)前準(zhǔn)備工作

入冬前完善空冷系統(tǒng)各抽空氣管道、凝結(jié)水管道及相關(guān)閥門(mén)的保溫和伴熱系統(tǒng)。

空冷平臺(tái)漏風(fēng)治理：對(duì)空冷平臺(tái)、空冷風(fēng)機(jī)室、擋風(fēng)墻、各表計(jì)接口等進(jìn)行全面檢查，對(duì)漏風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行封堵，預(yù)防冷風(fēng)短路。

準(zhǔn)備若干苫布，在異常情況下當(dāng)風(fēng)機(jī)停用仍然不能滿(mǎn)足防凍要求時(shí)，用苫布將風(fēng)機(jī)口封住，避免冷風(fēng)對(duì)流凍結(jié)。同時(shí)準(zhǔn)備合適尺寸的棉被，用于空冷散熱器局部過(guò)冷時(shí)防凍。

機(jī)組啟動(dòng)前的試驗(yàn)中，必須進(jìn)行對(duì)空冷島抽空氣閥、抽汽隔離蝶閥、凝結(jié)水回水閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)活動(dòng)試驗(yàn)，保證正常，開(kāi)關(guān)到位、動(dòng)作靈活。

4.2直接空冷機(jī)組冬季啟動(dòng)

4.2.1冬季啟動(dòng)遵循的一般原則

安排白天啟動(dòng)。利用相對(duì)高的環(huán)境溫度和日照條件，進(jìn)行機(jī)組冬季啟動(dòng);

退出部分空冷凝汽器散熱器，只保留啟動(dòng)列。啟動(dòng)前關(guān)閉空冷凝汽器配汽管道進(jìn)汽隔離閥及相關(guān)抽真空閥、凝結(jié)水閥。

4.2.2直接空冷機(jī)組冬季啟動(dòng)操作

冬季機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，盡可能縮短汽機(jī)抽真空的時(shí)間。為減少軸封漏汽進(jìn)空冷島的量，要盡可能晚投軸封。機(jī)組背壓不宜保持過(guò)低，一般保持30～40kPa即可。

主汽管道暖管時(shí)，需控制主汽疏水閥門(mén)開(kāi)度并間斷開(kāi)啟，避免疏水開(kāi)啟過(guò)大，在保證充分疏水的情況下，盡可能減少空冷島的進(jìn)汽量。

汽機(jī)參數(shù)滿(mǎn)足沖轉(zhuǎn)要求后應(yīng)盡快沖轉(zhuǎn)，同時(shí)保證電氣系統(tǒng)滿(mǎn)足機(jī)組并網(wǎng)條件，一旦沖轉(zhuǎn)定速正常后立即進(jìn)行機(jī)組并網(wǎng)操作，盡量減少暖機(jī)環(huán)節(jié)，縮短沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)時(shí)間，機(jī)組并網(wǎng)后根據(jù)缸溫盡快接帶高負(fù)荷以滿(mǎn)足空冷島進(jìn)汽要求。

空冷島進(jìn)汽以后，必須設(shè)專(zhuān)人對(duì)空冷島各列冷凝器下聯(lián)箱及冷凝器管束進(jìn)行就地溫度實(shí)測(cè)，同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)視凝結(jié)水溫度及抽氣溫度，保證各處溫度穩(wěn)步升高，如發(fā)現(xiàn)某處溫度長(zhǎng)時(shí)間不變或有降低趨勢(shì)時(shí)，必須立即增加空冷島進(jìn)汽量，同時(shí)就地檢查溫度異常空冷列進(jìn)汽隔離閥、抽真空閥、凝結(jié)水閥實(shí)際開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

并網(wǎng)前盡可能只投運(yùn)啟動(dòng)列，確需投入其他列時(shí)應(yīng)投運(yùn)排汽隔離閥最不嚴(yán)密的（應(yīng)限制空冷列在并網(wǎng)前全部投運(yùn)）。風(fēng)機(jī)需要投入運(yùn)行，應(yīng)就地實(shí)測(cè)各列下聯(lián)箱凝結(jié)水溫度全部高于50℃，且抽空氣溫度均已大于35℃后，方可允許投入風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)應(yīng)按序啟動(dòng)即2號(hào)→3號(hào)→1號(hào)。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后應(yīng)限制其最高轉(zhuǎn)速（≯20Hz），防止冷卻風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)限制升高后空冷凝汽器容易局部過(guò)冷而受凍。

隨著進(jìn)入空冷島排汽量的增加，根據(jù)真空情況逐漸投入其它排散熱器運(yùn)行，投入順序?yàn)橄韧度胫虚g空冷列，根據(jù)負(fù)荷、真空再投入其它空冷列，當(dāng)已投入的空冷列管束表面、凝結(jié)水溫度均大于50℃以上時(shí)且風(fēng)機(jī)啟動(dòng)正常后，方可投入下一排空冷列。

機(jī)組并列后，根據(jù)脹差、凝結(jié)水指標(biāo)等情況盡快帶至最小防凍流量所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷（ACC最小熱負(fù)荷參考下表）。

4.3直接空冷機(jī)組冬季運(yùn)行期間防凍

冬季機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度和機(jī)組負(fù)荷變化，關(guān)閉蒸汽分配閥和空氣抽出閥，停運(yùn)部分空冷島空冷列，滿(mǎn)足空冷島最低防凍流量。當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至20Hz，真空仍較高時(shí)，按由外到內(nèi)的順序停運(yùn)空冷風(fēng)機(jī)。當(dāng)散熱器或聯(lián)箱外表面溫度低于0℃時(shí)，停運(yùn)相應(yīng)空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速并密切監(jiān)視空冷凝汽器各抽氣口溫度。正常情況下抽氣溫度比本排下聯(lián)箱凝結(jié)水溫度低1-5℃，但在任何時(shí)候都不得低于15℃。運(yùn)行中若發(fā)現(xiàn)抽氣口溫度下降，應(yīng)降低對(duì)應(yīng)排的逆流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或停止風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，若溫度沒(méi)有回升，則應(yīng)適當(dāng)降低本排順流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)行回暖。在上述調(diào)整的基礎(chǔ)上還可啟動(dòng)備用真空泵，通過(guò)增加抽氣口的空氣流速來(lái)提高溫度。

注意檢查空冷凝汽器各排兩側(cè)凝結(jié)水聯(lián)箱任意連接位置溫度均不得低于35℃，且各排南北兩側(cè)溫度偏差不得大于5℃。若發(fā)現(xiàn)有偏差大于5℃時(shí)，應(yīng)及時(shí)降低本排所有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。運(yùn)行中空冷散熱器凝結(jié)水的任一溫度降至35℃以下，應(yīng)及時(shí)查找原因，調(diào)整該列的風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，一般這種情況的出現(xiàn)是該列的個(gè)別散熱區(qū)域出現(xiàn)了低溫，甚至個(gè)別管束的溫度已在零下，要及時(shí)降低該區(qū)域的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

進(jìn)入嚴(yán)冬空冷系統(tǒng)要加強(qiáng)就地實(shí)測(cè)，做好空冷島巡檢記錄，掌握每臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)應(yīng)區(qū)域散熱器的溫度差異。特別是當(dāng)風(fēng)向變化、負(fù)荷變化、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)要隨時(shí)實(shí)測(cè)散熱器的溫度。順流區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)底部溫度，逆流區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)頂部溫度。

當(dāng)逆流凝汽器管束上部出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象時(shí)（由于不凝氣過(guò)冷，阻礙不凝汽排出導(dǎo)致），則管束可能已發(fā)生冰凍。此時(shí)逆流風(fēng)機(jī)必須在一定時(shí)間間隔內(nèi)反轉(zhuǎn)回暖，還應(yīng)降低相鄰順流段風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，必要時(shí)應(yīng)延長(zhǎng)逆流冷卻風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)間，以便逆流凝汽管束回暖加熱，緩解并融化冰凍，同時(shí)及時(shí)安排專(zhuān)人對(duì)結(jié)霜區(qū)域進(jìn)行真空查漏并在線處理。

風(fēng)機(jī)回暖需根據(jù)機(jī)組真空條件、負(fù)荷、環(huán)境變化等因素，不斷進(jìn)行摸索嘗試。如環(huán)境溫度低于-10℃、機(jī)組負(fù)荷在50MW以下時(shí)，逆流風(fēng)機(jī)可逐排停運(yùn)并進(jìn)行反轉(zhuǎn)，每排回暖20-30分鐘后，再對(duì)下一排進(jìn)行反轉(zhuǎn);環(huán)境溫度低于-20℃時(shí)，可嘗試隔排啟動(dòng)兩列逆流風(fēng)機(jī)同時(shí)反轉(zhuǎn)。但需注意由于受溫度場(chǎng)的影響，逆流風(fēng)機(jī)不宜相鄰兩列同時(shí)反轉(zhuǎn)且反轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)限制轉(zhuǎn)速不可過(guò)高，否則不僅起不到回暖的作用，而且會(huì)加速散熱器的冷卻。

逆流風(fēng)機(jī)回暖宜作為一項(xiàng)定期日常操作，不僅是逆流區(qū)域出現(xiàn)冰凍時(shí)作為緊急處理的臨時(shí)手段，只有不斷積累運(yùn)行操作經(jīng)驗(yàn)，才能總結(jié)出合適的回暖操作。

另外，要把空冷系統(tǒng)的查漏及處理作為一項(xiàng)長(zhǎng)期工作與空冷系統(tǒng)防凍結(jié)合起來(lái)。運(yùn)行人員日常巡檢時(shí)要對(duì)易涼管束進(jìn)行標(biāo)注，然后組織專(zhuān)人定期對(duì)這些區(qū)域采用超聲測(cè)漏儀等查漏設(shè)備進(jìn)行真空漏點(diǎn)查找并及時(shí)在線處理，以達(dá)到減少真空泄漏點(diǎn)目的，避免空冷系統(tǒng)中漏入過(guò)量空氣，否則為維持機(jī)組正常背壓空冷風(fēng)機(jī)將不得以高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，造成整個(gè)空冷系統(tǒng)過(guò)冷。

機(jī)組因故降負(fù)荷時(shí)，應(yīng)及時(shí)降低各列空冷風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，避免機(jī)組背壓過(guò)低。當(dāng)負(fù)荷降至50MW以下時(shí)，立即退出最外側(cè)空冷列（迎風(fēng)面?zhèn)龋?，并停運(yùn)該列所有風(fēng)機(jī)，關(guān)閉隔離閥、抽真空閥及凝結(jié)水閥;其后機(jī)組每降低10MW負(fù)荷則退出一列空冷列運(yùn)行，直至機(jī)組負(fù)荷降至30MW以下時(shí)，僅保留啟動(dòng)列以滿(mǎn)足空冷島最小防凍負(fù)荷，同時(shí)用啟動(dòng)列（沒(méi)有進(jìn)汽蝶閥）的風(fēng)機(jī)調(diào)整背壓。

對(duì)進(jìn)汽隔離閥不嚴(yán)的空冷列派專(zhuān)人對(duì)蝶閥后的溫度和各排散熱器頂部監(jiān)測(cè)，如有結(jié)冰現(xiàn)象及時(shí)將該列投入運(yùn)行。當(dāng)該列充分加熱后，可以再次解列，投入不嚴(yán)的另一列。期間風(fēng)機(jī)要配合調(diào)整。各列散熱器分別切換投入。

空冷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)必須保證空冷各冷卻單元門(mén)關(guān)閉，避免相鄰風(fēng)機(jī)出風(fēng)相互干擾，使底部冷卻風(fēng)和熱排汽分布失衡。

4.4空冷機(jī)組停機(jī)防凍要求

停機(jī)時(shí)間宜選擇天氣溫度較高的時(shí)間段進(jìn)行。停機(jī)過(guò)程中機(jī)組可適當(dāng)維持較高背壓運(yùn)行

隨著機(jī)組負(fù)荷降低，根據(jù)真空情況，按照先停運(yùn)邊緣空冷列，再根據(jù)實(shí)際負(fù)荷、環(huán)境溫度，參照空冷最小防凍負(fù)荷停運(yùn)其他空冷列的順序，停運(yùn)空冷風(fēng)機(jī)并關(guān)閉相應(yīng)的排汽隔離閥。

機(jī)組打閘停機(jī)后，立即關(guān)閉所有至排汽裝置的疏水，關(guān)閉所有空冷島進(jìn)汽隔離閥，待30分鐘左右后關(guān)閉逆流區(qū)抽空氣門(mén)，凝結(jié)水閥保持全開(kāi)。真空泵停運(yùn)后，應(yīng)打開(kāi)真空泵入口蝶閥，使入口管內(nèi)疏水倒流回真空泵并排入地溝，防止真空泵入口管道發(fā)生凍結(jié);機(jī)組停運(yùn)后，要定期對(duì)真空泵進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行，防止真空泵入口結(jié)冰而影響啟動(dòng)或凍壞設(shè)備。

冬季工況汽輪機(jī)事故跳閘，應(yīng)立即停運(yùn)真空泵和所有空冷風(fēng)機(jī)，關(guān)閉各列進(jìn)汽蝶閥，保持凝結(jié)水閥開(kāi)啟狀態(tài)，投運(yùn)所有電伴熱。

進(jìn)入嚴(yán)寒期間，對(duì)長(zhǎng)期停用列風(fēng)機(jī)，在每個(gè)換熱單元進(jìn)風(fēng)口用苫布遮蓋，避免冷風(fēng)對(duì)流凍結(jié)管束。

停運(yùn)空冷列應(yīng)每日檢查凝結(jié)水管及下聯(lián)箱電伴熱投運(yùn)情況，確保電伴熱可靠投運(yùn);定期檢查凝結(jié)水管積水情況，如有積水及時(shí)排放。

5.結(jié)語(yǔ)

直接空冷機(jī)組如何安全、穩(wěn)定越冬，是極寒天氣下北方多數(shù)電廠一直在不斷摸索、總結(jié)的一項(xiàng)重要課題。從國(guó)內(nèi)首臺(tái)直接空冷機(jī)組投產(chǎn)至今的三十幾年內(nèi)，國(guó)內(nèi)各個(gè)電廠不斷優(yōu)化機(jī)組啟、停及事故處理等各種工況下的防凍措施，基本上是大同小異的，從根本上的措施都是如何最大程度消除真空系統(tǒng)漏點(diǎn)，提高空冷凝汽器換熱效率，優(yōu)化空冷防凍操作等。所以要確保機(jī)組冬季運(yùn)行安全，首要的工作是如何“冬病夏治”，即在夏季要通過(guò)從不斷規(guī)范空冷島沖洗、噴淋，真空查漏處理，空冷系統(tǒng)漏風(fēng)治理，保溫、伴熱系統(tǒng)完善等方面著手，不斷加強(qiáng)空冷機(jī)組的冷端管理，切實(shí)有效保障機(jī)組經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。

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