直接空冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行調(diào)整技術(shù)探討

崔亞明，王新苗，王雪峰

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001；2.山西漳澤電力股份有限公司漳澤發(fā)電分公司，山西長(zhǎng)治 046021）

直接空冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行調(diào)整技術(shù)探討

崔亞明1，王新苗2，王雪峰1

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原 030001；2.山西漳澤電力股份有限公司漳澤發(fā)電分公司，山西長(zhǎng)治 046021）

針對(duì)山西大同某直接空冷機(jī)組運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題做出了分析，采取了相應(yīng)的調(diào)整方法，提高了空冷機(jī)組在冬季啟動(dòng)及運(yùn)行過程的安全性，并給出了同類型機(jī)組調(diào)整的建議。

直接空冷；冬季防凍；運(yùn)行調(diào)整

0 引言

電站直接空冷技術(shù)因其具有占地面積小，換熱效率高，設(shè)備維護(hù)方便，運(yùn)行可靠、節(jié)水的特點(diǎn)已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。近年來在國(guó)內(nèi)在建、投運(yùn)的火電項(xiàng)目中，直接空冷占有很大比例，特別是在我國(guó)富煤貧水地區(qū)得到了廣泛使用[1-2]。大型直接空冷機(jī)組的空冷凝汽器布置在環(huán)境大氣中，其本身的性能和安全受環(huán)境因素的影響比較大，在冬季運(yùn)行期間，最為突出的問題是空冷凝汽器容易發(fā)生冰凍[3-5]。

山西省大同市某電廠建設(shè)2臺(tái)330MW汽輪發(fā)電機(jī)組，采用基于吸收式熱泵的乏汽余熱利用技術(shù)對(duì)外供熱。當(dāng)?shù)囟经h(huán)境溫度低，在嚴(yán)寒期最低汽溫達(dá)-29.1℃，供熱期間當(dāng)熱泵投入運(yùn)行后，進(jìn)入直接空冷系統(tǒng)冷卻的乏汽量更少，空冷系統(tǒng)所面臨的防凍問題就顯得越來越突出。為此該機(jī)組在冬季啟動(dòng)、運(yùn)行期間采取了一些防凍運(yùn)行調(diào)整技術(shù)，取得了較好的效果。

1 空冷系統(tǒng)說明

該機(jī)組直接空冷系統(tǒng)由北京基伊埃能源技術(shù)有限公司（GEA）設(shè)計(jì)和制造，換熱單元按照5× 6方式布置，總換熱面積為978 085 m2。每臺(tái)機(jī)組配置6臺(tái)電動(dòng)蝶閥（帶有電伴熱），采用真空密封形式，防止外界空氣漏入真空系統(tǒng)。抽真空系統(tǒng)由3臺(tái)水環(huán)真空泵組成。

2 空冷散熱器凍結(jié)原因分析

寒冷地區(qū)的直接空冷系統(tǒng)在冬季低溫運(yùn)行時(shí)，雖然只有自然通風(fēng)，迎面風(fēng)速仍可達(dá)到約0.5～0.7 m/s[6]，空冷散熱器翅片管內(nèi)的飽和蒸汽等溫冷凝段縮短，凝結(jié)水冷凝段增加，過冷度增大，若氣溫繼續(xù)下降到一定限度，翅片管內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，隨著流體不斷向管壁放熱，凍結(jié)程度不斷加劇。當(dāng)凍結(jié)現(xiàn)象發(fā)生以后,輕者會(huì)導(dǎo)致蒸汽流道變窄,空冷翅片管內(nèi)流體出現(xiàn)流動(dòng)速度慢的現(xiàn)象，減少換熱面積，使傳熱性能大大降低；嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)流動(dòng)中止或斷流，甚至使散熱管束凍裂，從而真空下降使機(jī)組被迫停用。這種空冷散熱元件凍結(jié)現(xiàn)象在冬季深夜氣溫較低且機(jī)組負(fù)荷也低時(shí)更易于發(fā)生，易產(chǎn)生結(jié)冰的部位是順流換熱管束下部、逆流換熱管束的上部及管束接縫處[7]?？绽渖崞髟诙緝鼋Y(jié)的原因主要有以下幾個(gè)方面。

a）進(jìn)入空冷散熱器管束的蒸汽流量低于所需的最小防凍流量。

b）通過空冷散熱器管束的冷卻空氣量過大。

c）空冷散熱器內(nèi)積聚了大量的不凝結(jié)氣體。

3 空冷調(diào)整技術(shù)探討

3.1 機(jī)組啟動(dòng)期間的調(diào)整技術(shù)

機(jī)組啟動(dòng)過程中由于產(chǎn)生的蒸汽量較少，即使空冷風(fēng)機(jī)不運(yùn)行，僅靠自然對(duì)流換熱就可能使進(jìn)入空冷扇區(qū)的蒸汽發(fā)生過冷進(jìn)而凍結(jié)。所以根據(jù)環(huán)境溫度不同，有相應(yīng)的最小防凍流量的要求。通常的機(jī)組在啟動(dòng)過程中，在滿足汽機(jī)、鍋爐升溫、升壓的安全要求下，要求盡量加快燃燒，使產(chǎn)生的蒸汽量在最短的時(shí)間內(nèi)大于最小防凍流量。

機(jī)組在啟動(dòng)期間充分利用所裝設(shè)的余熱回收熱泵，將排汽導(dǎo)入熱泵系統(tǒng)，蒸汽凝結(jié)成水回到排汽裝置，熱泵系統(tǒng)有管道與真空泵組聯(lián)接，如圖1所示。啟動(dòng)過程中關(guān)閉空冷凝汽器各列的蒸汽入口閥，不讓蒸汽進(jìn)入空冷凝汽器，而是導(dǎo)入熱泵的冷凝器，由熱泵冷凝器冷凝排汽，維持機(jī)組啟動(dòng)初期所需背壓。這樣在啟動(dòng)過程中，就不存在蒸汽流量小于最小防凍流量而發(fā)生空冷凝汽器凍結(jié)的問題，使鍋爐可以按實(shí)際要求進(jìn)行升溫升壓的操作，提高了設(shè)備的安全性。當(dāng)鍋爐燃燒穩(wěn)定，蒸汽流量增大后，再視情況投入空冷運(yùn)行。需要注意的是，在啟動(dòng)前，各列的進(jìn)汽碟閥電動(dòng)關(guān)閉后，要有專人到就地手動(dòng)關(guān)嚴(yán)，保證各進(jìn)汽閥關(guān)閉嚴(yán)密。在空冷投入運(yùn)行之前再根據(jù)各列投入安排，就地手動(dòng)稍開相應(yīng)列的進(jìn)汽碟閥，然后再電動(dòng)全開，以防碟閥關(guān)閉不嚴(yán)，漏入少量蒸汽發(fā)生凍結(jié)。

圖1 帶熱泵的空冷系統(tǒng)流程圖

3.2 機(jī)組運(yùn)行期間的調(diào)整技術(shù)

直接空冷機(jī)組龐大的散熱系統(tǒng)在運(yùn)行中不可避免地存在著熱力和蒸汽流量分配不均勻的現(xiàn)象[8]。從理論上講,直接空冷系統(tǒng)的6列應(yīng)均等地分配汽輪機(jī)的排汽量，但由于設(shè)計(jì)、制造與安裝的因素，同時(shí)也受空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式及環(huán)境因素變化等原因的影響，直接空冷系統(tǒng)的每一列并非均等地占有平均份額的蒸汽分配流量；尤其是在冬季供熱運(yùn)行關(guān)閉部分列的進(jìn)汽電動(dòng)真空隔離閥，且在低負(fù)荷運(yùn)行期間，這種熱力和流量的偏差會(huì)更大，導(dǎo)致個(gè)別列所分配的汽量將遠(yuǎn)低于廠家要求的最小熱負(fù)荷。因此，在運(yùn)行中進(jìn)行調(diào)整時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

3.2.1 空冷系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)

目前，直接空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量少，只用分散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System） 數(shù)據(jù)監(jiān)視凝結(jié)水溫度和抽真空溫度并不能真實(shí)反應(yīng)每個(gè)冷卻單元的實(shí)際情況，不能全面監(jiān)測(cè)容易凍結(jié)的順流區(qū)下部、逆流區(qū)上部以及各列翅片管的接縫部位，也就不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)空冷凝汽器散熱管束受凍情況。從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，如果等DCS數(shù)據(jù)反映出散熱管束運(yùn)行異常時(shí)，可能已經(jīng)發(fā)生了大面積凍結(jié)。

空冷的一個(gè)冷卻單元由1臺(tái)風(fēng)機(jī)和分列A、B兩側(cè)的散熱管排組成。以該廠1號(hào)機(jī)組空冷第三列第二個(gè)冷卻單元A側(cè)為例，即302單元A側(cè)。此單元屬于逆流區(qū)。由16片管排組成，這些管排并非全部為逆流管排，面對(duì)A側(cè)，從左向右第1、2排是順流區(qū)，3到8排為逆流區(qū)，9到16排是順流區(qū)，也就是說，16片管排中只有6片為純逆流。運(yùn)行表計(jì)顯示背壓為17 kPa，凝結(jié)水溫度52℃，抽真空溫度51℃，數(shù)據(jù)表明該空冷單元運(yùn)行正?！，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)順流管下部溫度，逆流管排上部溫度分布如圖2所示，表明302單元A側(cè)逆流管排上部已出現(xiàn)低于0℃的部分。因此有條件的電廠可在易發(fā)生凍結(jié)部位加裝溫度測(cè)量系統(tǒng)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，否則要安排運(yùn)行人員定時(shí)利用紅外成像儀對(duì)空冷散熱器表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就地測(cè)量各冷卻單元的溫度情況，以防局部管束溫度過低，發(fā)生凍結(jié)。

3.2.2 運(yùn)行中空冷風(fēng)機(jī)的調(diào)整

3.2.2.1 順、逆流空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行調(diào)整的問題

一般空冷凝汽器冷卻單元以“順—逆—順—逆—順”的方式布置。設(shè)置逆流部分主要是為了能夠比較順暢地將系統(tǒng)內(nèi)的空氣和不凝結(jié)氣體排出，同時(shí)，也增強(qiáng)了整個(gè)管束內(nèi)的工質(zhì)的流動(dòng)性。通常規(guī)定逆流區(qū)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速必須高于順流區(qū)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以避免系統(tǒng)內(nèi)的工質(zhì)停滯在某些管束內(nèi)不能及時(shí)排走?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，在環(huán)境溫度低且低負(fù)荷情況下，一列中多個(gè)風(fēng)機(jī)同時(shí)低速運(yùn)行，當(dāng)逆流區(qū)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于順流區(qū)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，抽真空溫度可能會(huì)低于排汽壓力下的凝結(jié)水溫度很多，存在凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 302冷卻單元A側(cè)溫度分布

2013年11月9日2：30，1號(hào)機(jī)組負(fù)荷為112 MW，環(huán)境溫度為-25℃，背壓為25 kPa，低壓缸排汽溫度為65℃，空冷凝汽器第三、四列運(yùn)行，順流區(qū)空冷風(fēng)機(jī)頻率為11 Hz，逆流區(qū)空冷風(fēng)機(jī)頻率為15 Hz，此時(shí)402冷卻單元A、B側(cè)的純逆流管排的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)見表1。

表1 402冷卻單元A、B側(cè)的純逆流管排的實(shí)測(cè)溫度（調(diào)整前）

由表1中數(shù)據(jù)可見，抽真空溫度比排汽溫度低32℃，實(shí)測(cè)溫度中第6管排溫度已在0℃以下。這是因?yàn)樵跈C(jī)組負(fù)荷低、環(huán)境溫度低的工況下，乏汽經(jīng)過順流管束時(shí)，絕大部分蒸汽已被凝結(jié)，當(dāng)工質(zhì)流至逆流管束時(shí)，需要它繼續(xù)冷凝的蒸汽量大大減少，此時(shí)逆流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，就會(huì)產(chǎn)生局部過冷。

運(yùn)行人員采取反轉(zhuǎn)逆流風(fēng)機(jī)和停運(yùn)順流風(fēng)機(jī)的措施后未取得明顯效果。為此將順流區(qū)空冷風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整為12 Hz，并將逆流區(qū)空冷風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整為10 Hz后，在背壓基本維持不變的前提下，抽真空溫度逐漸回升到一個(gè)合理的水平，就地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明管排中過冷的部分也基本恢復(fù)正常，調(diào)整取得了良好的效果。既保證了整列管束中的流動(dòng)順暢，又使抽真空溫度以及凝結(jié)水溫度維持在一個(gè)較好的范圍內(nèi)。調(diào)整后402冷卻單元A、B側(cè)的純逆流管排的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)見表2。

表2 402冷卻單元A、B側(cè)的純逆流管排的實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)（調(diào)整后）

3.2.2.2 同一列空冷風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差不宜太大

空冷列中正常的流動(dòng)如圖3所示。如果C1風(fēng)機(jī)停運(yùn)，D1風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，C2風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，則大量工質(zhì)流經(jīng)C1時(shí)冷凝的部分很少，D1風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速又很低，所以仍有大量工質(zhì)自下而上進(jìn)入C2，這樣在C2就形成了兩端進(jìn)汽的情況，工質(zhì)中的不凝結(jié)氣體就會(huì)停滯在管束中無法排出，形成冷區(qū)。在冷區(qū)內(nèi)，蒸汽含量很小，凝結(jié)放熱很小，很容易被冷卻到環(huán)境溫度，當(dāng)凝結(jié)水流經(jīng)這個(gè)區(qū)域時(shí)，就會(huì)被冷卻，如果在冷區(qū)內(nèi)冷卻到冰點(diǎn)就會(huì)結(jié)冰。而且，由于其他管束仍可形成通路，冷卻水收集管內(nèi)溫度不會(huì)出現(xiàn)過冷，結(jié)冰情況也就無法及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。所以，一般情況下同一列的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相差不宜過大，保證每個(gè)冷卻單元管束內(nèi)的工質(zhì)流動(dòng)均衡。在調(diào)整過程中要通盤考慮，避免對(duì)單個(gè)風(fēng)機(jī)大幅度的增減轉(zhuǎn)速。

圖3 空冷管束內(nèi)正常流動(dòng)

3.2.3 真空嚴(yán)密性對(duì)空冷散熱器安全運(yùn)行的影響

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整過程中，明顯感覺空冷各列蒸汽分配不均，列與列之間風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差較大，調(diào)整起來難度較大。試驗(yàn)表明機(jī)組真空嚴(yán)密性為500 Pa/min以上，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查漏發(fā)現(xiàn)空冷散熱管束中存在漏空點(diǎn)，造成部分列的管束中漏入空氣，形成范圍較大的冷區(qū)，只能通過多啟1臺(tái)真空泵來緩解。針對(duì)這種情況一般應(yīng)及時(shí)對(duì)發(fā)現(xiàn)的漏點(diǎn)進(jìn)行封堵，確保系統(tǒng)嚴(yán)密性在200 Pa/min以內(nèi)運(yùn)行。如果漏氣比較大，從安全角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高背壓運(yùn)行。

3.2.4 運(yùn)行中其他注意事項(xiàng)

a)運(yùn)行人員要監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)齒輪箱溫度，注意電加熱裝置是否能正常工作，以確保風(fēng)機(jī)可靠備用。

b)停機(jī)過程中，均勻降低各列風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合真空情況停運(yùn)各列風(fēng)機(jī)運(yùn)行，先停溫度偏差大的列。停運(yùn)整列風(fēng)機(jī)后，關(guān)閉蒸汽入口碟閥，并手動(dòng)搖嚴(yán)，防止漏入蒸汽。

c)使用基于紅外成像圖譜的分析診斷技術(shù)可有效指導(dǎo)直接空冷系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整。

4 實(shí)際運(yùn)行效果

該廠投運(yùn)至今經(jīng)過了冬季嚴(yán)寒的考驗(yàn)，直接空冷系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，沒有發(fā)生嚴(yán)重的凍結(jié)現(xiàn)象，表明所采用的操作方式、防凍措施是有效的。

5 結(jié)束語

直接空冷凝汽器冬季凍結(jié)，在啟動(dòng)期間應(yīng)充分利用所裝設(shè)的余熱回收熱泵快速達(dá)到空冷系統(tǒng)最小防凍流量的措施，既能取得防凍效果又能回收大量的工質(zhì)；對(duì)空冷系統(tǒng)在運(yùn)行調(diào)整過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析處理，并取得了良好的效果。實(shí)踐運(yùn)行效果表明，這些運(yùn)行調(diào)整技術(shù)在冬季嚴(yán)寒時(shí)期啟動(dòng)及正常運(yùn)行過程中對(duì)空冷凝汽器的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支持和保障，為同類型直接空冷供熱機(jī)組提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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Discussion on Ad justment Technology for the Operation of Direct Air Cooling System in W inter

CUIYam ing1,WANG Xinm iao2,WANG Xuefeng1

(1.State Grid Shanxi Electric Power Research Institute of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030001,China; 2.ShanxiElectric Power ZhangzeCo.,Ltd.ZhangzeGeneration Branch,Changzhi,Shanxi 046021,China)

In view of the problems appeared in the operation process of directair cooling unit in ShanxiDatong,analysis are done and correspondingadjustmentmeasuresareadopted,which have improved thesecurityofair coolingunitduring the start-up and operation process inwinter,and adjustmentsuggestionsare put forward for theunitsof the same type.

directair coolingunit;anti-freeze inwinter;operation adjustment

TK264.1

A

1671-0320（2016）03-0053-04

2016-02-02，

2016-03-27

崔亞明（1978），男，山西長(zhǎng)治人，2010年畢業(yè)于華北電力大學(xué)熱能工程專業(yè)，工程師，從事火電廠調(diào)整試驗(yàn)、節(jié)能診斷及故障診斷處理工作；

王新苗（1978），女，山西長(zhǎng)治人，2004年畢業(yè)于太原理工大學(xué)熱動(dòng)專業(yè)，助理工程師，從事電廠運(yùn)行工作；

王雪峰（1973），男，山西太原人，1996年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)熱能動(dòng)力系，高級(jí)工程師，從事汽輪機(jī)研究及節(jié)能技術(shù)監(jiān)督相關(guān)工作。