一種自動封堵裝置在空冷島上的應(yīng)用

楊宏斌，丁海林

（1.國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 哈密 839000；2.陜西鼓風(fēng)機(jī)有限公司，西安 710075）

0 引言

我國對熱電廠空冷技術(shù)的研究開始于20 世紀(jì)60 年代，隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，空冷方案也逐漸成熟，應(yīng)用地區(qū)也由最初炎熱的南方地區(qū)轉(zhuǎn)移到寒冷的北方［1-3］。直接空冷技術(shù)是將汽輪機(jī)做功之后產(chǎn)生的排汽，通過管道傳輸，最后在空冷島直接與空氣換熱，并收集凝結(jié)水。在富煤少水的北方地區(qū)，直接空冷技術(shù)能夠有效節(jié)約水資源。汽輪機(jī)排出的低壓汽經(jīng)過管道傳輸?shù)娇绽鋶u，通過蒸汽分配管引入各個冷卻管束單元，并利用空冷島底部軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的冷卻風(fēng)進(jìn)行冷卻，最后凝結(jié)出來的冷凝水回流到凝結(jié)水箱，循環(huán)利用。在冬季，由于供熱電廠抽汽增多導(dǎo)致汽輪機(jī)乏汽減少且蒸汽分配到各個冷凝管束的量不均勻，翅片很容易出現(xiàn)結(jié)凍現(xiàn)象，特別是在逆流區(qū)的管束甚至?xí)霈F(xiàn)爆管情況。這些隱患直接影響電廠安全運(yùn)行，因此直接空冷技術(shù)的防凍問題急需解決［4-5］。

眾多學(xué)者在這方面做了很多研究并取得了相關(guān)成果，張學(xué)鐳［6］等人采用模糊層次分析法對熱電廠空冷島防凍參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)測分析；文獻(xiàn)［7-9］建立了基于空冷單元的多點(diǎn)多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，提出了凍結(jié)系數(shù)描述空冷島的凍結(jié)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了空冷島各空冷單元凍結(jié)狀態(tài)的在線監(jiān)測和監(jiān)控；任岐［10］、翟永杰［11］等人運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立了空冷島的背壓控制策略模型；高建強(qiáng)［12］等人以300 MW 機(jī)組為研究對象，研究了不同季節(jié)對機(jī)組背壓的影響規(guī)律。上述文獻(xiàn)對現(xiàn)有的空冷島防凍裝置的優(yōu)化設(shè)計和防凍效果的相關(guān)研究不夠完善，本文針對國神集團(tuán)某電廠2×310 MW 機(jī)組一期工程空冷機(jī)的實(shí)際環(huán)境實(shí)施了一種自動封堵裝置，為解決直接空冷技術(shù)的防凍問題提供了一種思路。

1 自動封堵防凍裝置

1.1 現(xiàn)有防凍裝置概述

北方地區(qū)大型供熱機(jī)組直接空冷凝汽器的擋風(fēng)防凍問題嚴(yán)重影響著設(shè)備安全和經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)組在持續(xù)大流量抽汽供熱的同時，還需要避免冬季結(jié)冰以及加裝防凍裝置帶來的背壓升高。

已有專家學(xué)者開展了相關(guān)研究，目前，所有防凍裝置需有效阻擋空氣流過換熱管束，所以其安裝位置須在冷卻風(fēng)的流動通道上?，F(xiàn)有三種典型的防凍裝置布設(shè)位置，分別是冷卻風(fēng)入口、出口和翅片上，匯總分析如表1 所示。

表1 空冷島防凍措施方案及特點(diǎn)Tab.1 Anti-freezing measures and characteristics of air-cooled island

2018 年國神集團(tuán)某電廠引進(jìn)了一種可安裝于冷卻風(fēng)入口的自動封堵裝置，解決了空冷島冬季凍結(jié)問題。據(jù)運(yùn)行顯示，該設(shè)備有效降低了熱電廠空冷島在冬季凍結(jié)的風(fēng)險。

1.2 自動封堵裝置簡介

國神集團(tuán)某2×310 MW 機(jī)組空冷島單元自動封堵裝置主要系統(tǒng)包括：動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、牽引張緊系統(tǒng)及防風(fēng)簾平移系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，各系統(tǒng)主要工作原理如下。

圖1 自動封堵裝置圖Fig.1 Diagram of automatic blocking device

（1）動力系統(tǒng)。

動力系統(tǒng)主要由電機(jī)和減速箱組成。具有正反轉(zhuǎn)功能的電機(jī)通過電機(jī)座安裝在支架基座上，電機(jī)輸出軸連接減速箱，減速器的輸出軸通過聯(lián)軸器與傳動系統(tǒng)輸出軸連接，實(shí)現(xiàn)動力的輸送，如圖2 所示。

圖2 動力系統(tǒng)Fig.2 Power system

（2）傳動系統(tǒng)。

減速箱輸出軸連接聯(lián)軸器，將動力傳遞給傳動短軸，再經(jīng)過聯(lián)軸器，將動力傳遞給同軸布置的第一長軸和第二長軸，實(shí)現(xiàn)了動能的傳輸，傳動系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 傳動系統(tǒng)Fig.3 The transmission system

（3）牽引張緊系統(tǒng)。

牽引系統(tǒng)的基座上布置有牽引架及牽引座，通過聯(lián)軸器將動力軸動力傳遞給牽引軸，牽引座內(nèi)包括兩個相互平行的動輪（從動輪、主動輪）以及連接從動輪與主動輪的牽引繩，牽引繩通過8 字纏繞結(jié)構(gòu)將主動輪上動力傳遞給從動輪，如圖4 所示。8 字纏繞的方式一方面降低了轉(zhuǎn)速，另一方面保證防風(fēng)簾受到牽引繩的拉力能夠均勻分布于防風(fēng)簾上。

圖4 牽引系統(tǒng)Fig.4 Traction system

張緊系統(tǒng)如圖5 所示，通過張緊架固定在基座上，張緊座上內(nèi)設(shè)有滑輪，牽引繩在滑輪上做滾動與滑動運(yùn)動，牽引繩一端與牽引軸上主動輪連接，另一端與張緊輪連接，保證整個牽引與張緊系統(tǒng)的動力傳輸平穩(wěn)和連貫運(yùn)行。牽引座底部及張緊架一側(cè)設(shè)有螺紋孔，通過螺桿固定張緊系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)螺桿，能夠調(diào)節(jié)系統(tǒng)的張緊程度。

圖5 張緊系統(tǒng)Fig.5 Tensioning system

（4）防風(fēng)簾平移系統(tǒng)。

防風(fēng)簾平移系統(tǒng)包括C 型軌道、橫梁、滾輪和防風(fēng)簾。三組C 型槽鋼軌道布置在封堵裝置基座上，鋼軌一端為動力及傳動系統(tǒng)，另一端為張緊系統(tǒng)。橫梁兩端設(shè)有滾輪且能夠在C 型槽鋼軌上運(yùn)動，沿鋼軌長度方向上每間隔一定距離布置一道橫梁。橫梁布置在防風(fēng)簾上，且中間設(shè)置有通孔，牽引繩穿過通孔帶動防風(fēng)簾在鋼軌上運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)封堵，如圖6 所示。

圖6 防風(fēng)簾平移系統(tǒng)Fig.6 Windscreen mobile system

2 自動封堵裝置運(yùn)行機(jī)制

當(dāng)啟動封堵按鈕時，電機(jī)通過聯(lián)軸器及傳動軸帶動?？吭谘b置一側(cè)的第一根橫梁和防風(fēng)簾布沿著鋼軌長度方向運(yùn)動，當(dāng)防風(fēng)簾移動到限位開關(guān)2 位置處，電機(jī)停止，實(shí)現(xiàn)25%面積封堵。當(dāng)繼續(xù)啟動封堵按鈕時，電機(jī)通過各個系統(tǒng)繼續(xù)帶動防風(fēng)簾運(yùn)動到限位開關(guān)3 處，電機(jī)停止，實(shí)現(xiàn)50%面積封堵。同理，限位開關(guān)4 可以實(shí)現(xiàn)75%面積的封堵，限位開關(guān)5 可以實(shí)現(xiàn)全部面積的封堵。電機(jī)自動繼續(xù)運(yùn)行，帶動防風(fēng)簾運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動到限位開關(guān)6 時，電機(jī)自動停止；同理，當(dāng)防風(fēng)簾返回到限位開關(guān)1 處，電機(jī)停止。該裝置的封堵面積在0～100%之間可調(diào)，開關(guān)功能匯總結(jié)果見表2。

表2 開關(guān)功能匯總Tab.2 Summary of Switch Functions

3 工程實(shí)施效果

3.1 自動封堵裝置整體運(yùn)行效果檢驗(yàn)

在國神集團(tuán)某2×310 MW 機(jī)組一期工程的空冷島對自動封堵裝置進(jìn)行了適應(yīng)性設(shè)計和試運(yùn)行。該廠所在地區(qū)夏季燥熱，冬季寒冷，常年少雨，年、日溫差大，其空冷島在運(yùn)行中存以下問題：

（1）為滿足冬季防凍，通常采取相對較高的背壓運(yùn)行，導(dǎo)致空冷優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。

（2）空冷機(jī)組性能受制于環(huán)境風(fēng)場，空冷島抵御環(huán)境大風(fēng)的能力差；空冷系統(tǒng)龐大，冷卻空氣流場、溫度場極不均勻，空冷凝汽器傳熱面積得不到充分利用，造成傳熱能力浪費(fèi)。

（3）采取人工鋪篷防凍措施，勞動力消耗較大，操作人員高空作業(yè)存在一定的安全隱患，實(shí)施后篷布容易被吹走，防凍效果不理想，存在隱患。

本文所采用的自動封堵裝置能夠部分及完全覆遮擋風(fēng)機(jī)出風(fēng)口，在冬季最低溫度天氣情況下，通過調(diào)節(jié)自動防風(fēng)簾布置在出風(fēng)口的封堵面積，能控制進(jìn)入空冷島室內(nèi)的冷卻風(fēng)量，同時配合調(diào)節(jié)空冷島冷卻系統(tǒng)的冷卻水量，這樣就達(dá)到了冬季空冷島室內(nèi)防凍控溫的效果。低溫和高溫條件下風(fēng)機(jī)等裝置工作狀態(tài)匯總結(jié)果見表3。

表3 高溫和低溫條件下風(fēng)機(jī)等裝置工作狀態(tài)匯總Tab.3 Summary of working status of fan and other devices under high and low temperature conditions

檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在自動封堵裝置實(shí)施后，空冷島室內(nèi)溫度能夠保持在9 ℃左右，能夠保證空冷島管束不結(jié)凍，即便是在熱電廠機(jī)組抽汽較高的冬季，也能夠保證翅片全部正常運(yùn)行。夏季電廠運(yùn)行期間，自動封堵裝置完全收回，布置在風(fēng)機(jī)筒一側(cè)，空冷島冷卻風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

該方案解決了北方地區(qū)冬季熱電廠空冷島單元的凍結(jié)問題。實(shí)際運(yùn)行情況說明，該裝置實(shí)施以來有效降低了該熱電廠在冬季啟停機(jī)以及正常運(yùn)行過程中的冷卻管路結(jié)冰，甚至系統(tǒng)癱瘓等安全隱患的發(fā)生率，保證了電廠生產(chǎn)的正常進(jìn)行。同時，在一定程度上降低了設(shè)備和操作人員的安全風(fēng)險。

3.2 自動封堵裝置運(yùn)行節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果

針對運(yùn)行中空冷島翅片因溫度低可能結(jié)凍的問題，國神集團(tuán)某2×310 MW 機(jī)組空冷島動自動封堵裝置可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)空冷島室內(nèi)溫度。冬季機(jī)組運(yùn)行時，不需要因防凍問題采取相對較高的背壓運(yùn)行，從而降低了發(fā)電系統(tǒng)煤耗。當(dāng)自動封堵裝置封堵面積為100%時，可以減小空冷風(fēng)機(jī)的投運(yùn)數(shù)量，降低廠用電率。自動封堵裝置與人工鋪篷措施的運(yùn)行優(yōu)勢對比結(jié)果見表4。

表4 自動封堵裝置與人工鋪篷措施的對比結(jié)果Tab.4 Comparison between automatic plugging device and manual covering measures

據(jù)統(tǒng)計，該套防凍裝置有效壽命為10 年，總投資70 萬元。采用人工鋪篷方式，需要工人5 人，人工費(fèi)約720 元/（人·天），每年鋪篷與拆篷施工時長約5 天，鋪篷與拆篷的人工費(fèi)共計1.8 萬元/年。

空冷風(fēng)機(jī)在自動封堵裝置實(shí)施之后，與實(shí)施前相比，停運(yùn)風(fēng)機(jī)數(shù)量由原來的8 臺增加到18 臺。新疆地區(qū)冬季較長，全部封堵期間空冷風(fēng)機(jī)每年停運(yùn)時間為50 天，風(fēng)機(jī)額定功率為110 kW，在冬季運(yùn)行期間，空冷島防凍措施實(shí)施之后，風(fēng)機(jī)降低運(yùn)行頻率，此時實(shí)際功率為90 kW。根據(jù)空冷島內(nèi)部溫度，在降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步停運(yùn)部分風(fēng)機(jī)節(jié)約電量。

人工防凍措施工況下，風(fēng)機(jī)停運(yùn)8 臺，節(jié)省電量為：

采用自動封堵裝置工況下，風(fēng)機(jī)停運(yùn)18 臺，節(jié)省電量為：

冬季防凍期間熱電廠運(yùn)行熱電比為2.8，期間電廠發(fā)電煤耗296.59 g/（kW·h），按照原煤600 元/t 計算，則人工防凍措施下，節(jié)省電費(fèi)為：

同樣情況下，采用自動封堵裝置可節(jié)省電費(fèi)為：

則與人工鋪裝防凍措施相比，自動封堵裝置封堵效果顯著，每年能夠?yàn)楣竟?jié)約電費(fèi)為：

結(jié)合表4 的運(yùn)行維護(hù)成本統(tǒng)計，采用自動封堵裝置每年可節(jié)約成本22.81 萬元。

此計算只考慮了風(fēng)機(jī)完全停止運(yùn)行，沒有考慮風(fēng)機(jī)降低功率運(yùn)行工況。綜上所述，采用自動封堵裝置預(yù)防空冷島結(jié)凍的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效果顯著。

4 結(jié)論

針對北方地區(qū)大型供熱機(jī)組空冷島擋風(fēng)防凍工作的重要性及特殊性，本文對國神集團(tuán)某電廠空冷凝汽器擋風(fēng)防凍裝置的優(yōu)化設(shè)計工作進(jìn)行研究，結(jié)論如下。

（1）應(yīng)用了由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、牽引張緊系統(tǒng)以及防風(fēng)簾平移系統(tǒng)組成的自動封堵裝置，并介紹了其運(yùn)行機(jī)制，即通過控制電機(jī)正反功能旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)防凍裝置防風(fēng)簾對空冷島入風(fēng)口的全部或者部分封堵。

（2）自動封堵裝置可以根據(jù)實(shí)際熱電廠空冷島運(yùn)行情況及時調(diào)節(jié)空冷風(fēng)機(jī)的遮擋面積，保證電廠維持正常運(yùn)行，在一定封堵面積下，將部分冷卻軸流風(fēng)機(jī)關(guān)閉，降低了電耗，具有一定的節(jié)能效果。

（3）該裝置能在一定程度上緩解空冷島翅片凍結(jié)以及空冷蝶閥凍結(jié)造成的安全隱患，間接節(jié)省了電廠維修人員日常維修的難度和頻次，間接節(jié)約了人力和備件成本，降低了由人工作業(yè)鋪、拆篷造成的安全風(fēng)險。根據(jù)工程實(shí)例驗(yàn)證，該空冷島防凍裝置具有較大的應(yīng)用空間和推廣價值。