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浅谈330MW直接空冷机组空冷系统冬季防冻

发布时间：2011/5/2 阅读次数：3208 字体大小: 【小】【中】【大】

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(1国电内蒙古东胜热电有限公司，内蒙古东胜 017000；2内蒙古电力勘测设计院，内蒙古呼和浩特 010020)
摘要：文章介绍了国电内蒙古东胜热电直接空冷抽汽供热机组在冬季低负荷运行中的防冻经验，并为高寒地区直接空冷机组低负荷防冻提供了参考。
关键词：直接空冷；逆流反转升温；过冷；冻结；最小防冻流量
中图分类号：TK267 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2010)15—0067—03

国电内蒙古东胜热电有限公司2×330抽汽供热直接空冷机组是作为国电在内蒙古的第一个电源点，电力输出到蒙西电网，同时给东胜地区提供采暖热源。主要设备采用哈尔滨汽轮机有限公司生产的CZK287/N330-16.67/538/538型汽轮机、哈尔滨电机厂有限责任公司生产的QFSN－330－2型汽轮发电机组以及上海锅炉厂生产的SG—1176/17.5—M726亚临界压力自然循环汽包锅炉。汽轮机的凝汽设备由北京龙源冷却技术有限公司设计制造并整岛供货，主要包括：排汽管道、空冷凝汽器系统、空气供应系统、和凝结水系统(包括疏水系统)和空冷凝汽器冲洗系统。在6列管束设计中1、2、6列可以隔离，3、4、5列为启动列(不可隔离)。排汽装置由汽轮机厂安装内部装设有导流板、真空除氧器、低压加热器等。空冷平台下布置主变、启备变、厂高变、避雷器等。

1 直接空冷机组简介

火力发电厂既要消耗大量的燃料，又要耗用大量的水资源。在水资源缺乏的“富煤少水”地区，水是制约电力发展的主要因素。空冷机组是“富煤少水”地区或干旱地区建设火力发电厂的最佳选择。
1.1 直接空冷系统

直接空冷系统又称为空气冷却系统，即利用空气直接冷却汽轮机的排汽，空气与排汽之间进行热交换。汽轮机低压缸排汽通过大直径的排汽管道直接排入空冷散热器管束，轴流风机将冷空气吸入，通过翅片管外部进行表面换热将排汽冷却为凝结水。系统主要包括空冷凝汽器、排空系统、翅片管清洗系统。

空冷凝汽器是直接空冷系统的重要组成部分，包括顺、逆流散热器、蒸汽分配管、管束下联箱、顺、逆流风机组、凝结水回水联，排汽装置。

直接空冷散热管束按照蒸汽与凝结水流动方向，可以分为顺流管束和逆流管束。①顺流管束：蒸汽流动方向和凝结水流动方向一致。汽轮机排汽中约70%～80%的乏汽在顺流管束中被冷凝成水，剩余的蒸汽在逆流管束中被冷却。②逆流管束：蒸汽流动方向和凝结水的流动方向相反。在逆流管束中因为蒸汽和凝结水的流动方向是相反的(凝结水始终被蒸汽包围)保证了凝结水尽可能不发生过冷和冻结。

其中，逆流管束顶部设有抽汽系统，其作用是将系统内的空气和不凝结气体排出，避免在运行过程中空冷凝汽器内某些部位形成死区，造成冬季冻结。文章以国电内蒙古东胜热电有限公司空冷系统为例，谈谈冬季空冷系统防冻应注意的问题。
1.2 空冷系统流程

从汽轮机低压缸排出的乏汽，经由1根直径为φ5 832mm的排汽管道引出厂房外，垂直上升到32m高度后，分出6根直径为φ2 624mm的蒸汽分配管，将乏汽引入空冷凝汽器顶部的配汽联箱。每组分配联箱与5个冷却单元相连接，共3个顺流凝汽器和2个逆流凝汽器构成一列，顺流凝汽器由228根冷却翅片管束和1个直径为9.754m的轴流风机组成。逆流凝汽器由72根翅片管束和1个直径为9.754m的可倒转轴流风机组成，翅片管以接近60°角组成的等腰三角形“A”型结构构成，管束长度为10.4m，空冷翅片管总面积84.053万m²。

当乏汽通过联箱流经空冷凝汽器的翅片管束时，大量的冷空气被轴流风机吸入，通过翅片管的外部进行表面换热，将乏汽的热量带走，从而使排汽凝结为水。凝结水由凝结水管收集起来，排至排汽装置。由凝结水泵升压送往汽机的热力系统，完成热力循环。

汽轮机的排汽有约70%～80%的乏汽在顺流式凝汽器中被冷却，形成凝结水，剩余的蒸汽随后在逆流式凝汽器中被冷却。在逆流凝汽器的顶部设有抽气系统，能够比较畅通地将系统中空气和不凝结气体抽出，同时空冷凝汽器散热翅片的管束采用单排管，有效地防止了冬季运行中因流量不均造成的冻结。在设计中，逆流式凝汽器因为在其中蒸汽和凝结水的流动是逆流的，减少凝结水过冷度的同时又防止凝结水冻结。
2 冬季空冷防冻模式
2.1 冬季空冷岛控制系统预设防冻逻辑

国电东胜热电有限公司空冷系统自动控制逻辑中，设计了两种防冻模式和冬季运行模式：
2.1.1 在冬季机组运行中，随着环境温度的下降到5℃时，控制系统触发防冻保护1控制逻辑，此时控制逻辑自动提高排汽压力设定值+2kPa，30min后再加+2kPa。直到凝结水温度达到25℃以上时停止。防冻原理：降低空冷风机转速，提高凝结水温度达到防冻目的。
2.1.2 当环境温度降低低于-2℃时，控制系统将第1列逆流风机停止3min后，开启逆流风机低频反转3min停止，20min后进行第2列逆流风机的反转升温循环，156min后，6列中所有12台逆流凝汽器风机被停止，并且每3min有1台投入低速反转运转3min。如果156min 后环境温度仍然低于-2℃，那么列1中的逆流冷凝单元的升温循环将再次启动。这样在空冷系统自动控制下进行冬季的防冻保护运行，当环境温度大于0℃时，逆流升温循环停止。防冻原理：利用顺流风机上部的热空气加热管束，防止冻结。
2.1.3 各列凝结水回水温度和抽真空温度下降，当抽真空温度小于25℃时，空冷防冻逻辑触发，关闭第1列蒸汽隔离阀、抽真空阀，当抽真空温度继续降低时，控制系统关闭第6列蒸汽隔离阀、抽真空阀，直到关闭第2列蒸汽隔离阀、抽真空阀，此时空冷系统只运行3、4 、5列，进入冬季运行方式。防冻原理：减少空冷岛换热面积。
2.2 手动控制防冻

在东胜地区实际运行中，12月、1月、2月环境最低温度低于-12℃以下，极端最低气温达到-298℃，空冷自动控制系统预设的防冻逻辑不能满足冬季的防冻需求，只能依靠大量的手动调节进行空冷防冻的工作，以保证机组设备的安全运行。
2.2.1 运行环境。东胜热电处于蒙西电网，由于蒙西电网富余装机容量高达8 000MW，蒙西电网内机组平均负荷基本在50％~80％之间，东胜热电＃1机组在2008年冬季运行中，平均负荷只有55％左右，冬季异常寒冷，环境温度最低达到了-28℃。
2.2.2 冬季运行手动控制防冻原则。当冬季运行自动控制不能满足防冻要求时，可切为手动进行局部防冻，防止空冷换热管束冻结甚至发展为大面积冻结。
2.2.3 冬季运行手动控制防冻的必备条件。在冬季启动时，根据环境温度精确计算空冷系统防冻最小流量，给锅炉启动初期提供燃烧控制依据。冬季启动采用高中压缸联合带旁路启动方式。试验空冷1、2、6列蒸汽隔离阀开关正确，并隔离1、2、6列。准备足够的测温枪、对讲机，便于岛上测温、联系工作，随时掌握空冷岛换热面温度场情况。
2.2.4 防冻原理。

2.2.4.1 空冷管束冻结原理：当换热管束过冷时(管束外表面温度下降接近0℃)，管束内的凝结水将很快冻结，刚开始冻结时一般在管束的中下部，随着时间增长，冻结现象在风机提供的冷空气作用下，管束表面风机室侧温度低于外侧，结冰以锥形堆积，结冰面将上升，而冰块下部厚度将逐渐增后，直至充满管束。
2.2.4.2 空冷岛管束防冻时机：当管束发生过冷现象时，立即采取措施使过冷管束回暖，此时是管束防止冻结的最佳时机；若发现过冷管束较晚时，在冰块充满管束之前采取回暖升温措施可以达到良好效果；一旦冰块充满管束后，一般很难将其化开，也就错过了最佳防止冻结的时机。
2.2.4.3 充分利用蒸汽的凝结放热进行空冷系统的防冻，尽量降低汽轮机排汽温度(降低背压，不低于汽轮机阻塞背压)以保证空冷换热系统的温度场均匀，减少应力集中现象，防止空冷换热管束变形。
2.2.4.4 冬季启动或运行中必须保证进入空冷岛的蒸汽量大于环境温度下的最小防冻流量。

说明：在只有3、4、5列运行环境下，从环境温度和机组运行时间可以查得最小防冻流量，单位kg/s，乘以3 600换算成t/h。例如环境温度-15℃，机组负荷30MW的工况下估计运行120min，查得最小防冻流量为33.29kg/s=119.8t/h，表明在此工况下进入空冷岛的蒸汽流量必须>119.8t/h，否则就有管束冻结的危险。

2.2.4.5 通过反转逆流风机充分利用空冷岛热空气提高防冻能力。
2.2.5 防冻操作。冬季启动时，采取高中压缸联合带旁路启动方式，尽量缩短抽真空时间，当锅炉蒸发量低于最小防冻流量时严禁蒸汽进入空冷岛(不包括轴封)，利用锅炉干烧能力尽快达到最小防冻流量，抽真空时保持3台真空泵运行，当背压低于30KPa时，依次停运两台真空泵，当锅炉满足最小防冻流量时，通过旁路系统空冷岛进汽，开启管道疏水，升温升压。当机组并网后负荷达到最小防冻流量对应的负荷时即可关闭旁路，锅炉可按照滑压启动曲线控制。在这之前锅炉保持蒸发量稳定，以满足空冷岛防冻要求。

冬季机组低负荷运行中，根据环境温度隔离1、2、6列，减少空冷岛冷却面积，机组负荷1 80MW，环境温度-12℃时隔离两列即可满足防冻需要，同时保证空冷岛上不间断测温工作，及时有效地掌握换热管束的过冷现象，换热管束一旦过冷后会在很短的时间内造成管束冰冻，不及时采取措施，将会发生管束冻结，冻结时间越长，溶开的机会就越小。

当空冷管束局部过冷时，及时降低顺、逆流风机转速，直至停止离管束过冷最近的逆流风机，若不能恢复管束温度，立即将逆流风机低频反转(40％以内)，利用热空气提高顺流风机入口空气温度同时加热逆流换热管束，采取上述措施后，一般能够在2min内将过冷管束恢复正常温度。

夜间运行中，电网处于低谷时段，机组负荷最低，环境温度将降至全天最低气温，空冷管束过冷现象频繁且严重，特别是在负荷<160MW、环境温度-15℃以下时，反转逆流风机进行升温不能满足要求，此时加大反转逆流风机频率至60％~80％，同时调整临近的两台顺流风机频率，使热空气的流量、流速增大，能起到良好效果，能在2min~5min之内恢复过冷或轻微冰冻管束的温度。

随着环境温度的进一步降低，可继续隔离第3列，保持3、4、5列运行。

冬季隔离列的倒列运行，在保证安全的前提下，尽量延长倒列时间，因倒列时对于投入列的换热管束实际上是一个启动过程，在列启动过程中换热管束温度场不易控制，极易导致管束变形，甚至造成永久变形、应力集中拉裂管束的事故。在蒸汽隔离阀严密的前提下，隔离列可以不用倒列，只在环境温度回升后直接投入运行。

若隔离列蒸汽隔离阀不严密时，可以在保证空冷系统安全的情况下，延长倒列时间。蒸汽隔离阀不严密，漏入的蒸汽凝结成水后以冰的形式停留在换热管束内部(如图2所示)，由于漏入的蒸汽量有限，一般不会对换热管束造成破坏。漏入的蒸汽会集中在临近蒸汽隔离阀的空冷单元即＃1凝汽器管束内，当＃1管束内部冰块堵塞管束现象较严重时，蒸汽进入＃3凝汽器(＃2凝汽器为逆流)继续冻结。同时会导致存冰较多增加空冷岛支架的负担，引起空冷岛支架弹性变形。此时在空冷换热管束内、外表面测温，利用温差确定管束内冻结点的位置，随时掌握停运列的冰冻情况，一般确定冻结点低于空冷换热管束约40％长度(离凝结水联箱4m的位置)时投入运行可以安全溶冰。
3 防冻措施的应用案例

2008年2月23日22∶00，东胜热电＃1机组投入第1列运行(第1列冬季停运38d)，未发生排汽装置水位上升，表明第1列蒸汽隔离阀较严密，冬季运行中，只有极少量的冻结，冬季运行中可以长期隔离。

2008年2月12日，＃1机组因锅炉故障降低出力，机组负荷只能维持30MW，旁路系统没有参与空冷防冻，空冷岛3、4、5，3列运行，环境温度－15℃，机组背压6KPa，预计运行时间达到4h，此工况下空冷岛进汽量81.8t/h，低于最小防冻流量(155.84t/h)74.04t/h，空冷系统采取了顺流风机低频或停转、逆流风机高频(最高70％)的防冻操作，并根据空冷岛测温数据及时调整风机频率，在4h的运行中空冷岛未发生1根管束冻结、变形。

2008年1月15日01∶00，#2机组冷态启动，空冷3、4、5列运行，环境温度-17℃，查得最小防冻流量129.6t/h，启动时间120min，采用高中压缸联合带旁路启动方式，空冷岛操作采取手动控制逆流风机反转升温，根据空冷岛测温数据及时调整逆流风机反转频率和台数，启动过程中未发生空冷岛换热面过冷、冻结现象。
4 空冷防冻方式比较
4.1 停运列倒列运行

操作量大，在停运列未发生冰冻时倒列运行方式安全，防冻效果良好；在停运列已经出现冰冻现象时倒列时溶冰过程较长，运行操作量大且溶冰难度增加，容易发生个别管束冻结或变形，容易导致蒸汽隔离阀不严密。
4.2 在空冷风机室加装火炉

污染空冷换热管束，防冻效果差，易造成换热面局部温差大，检修工作量大，维护量大。
4.3 换热面表面覆盖棉被

防冻效果良好，但耗用材料多，工作量大，工期较长，费用高，运行方式不灵活。
4.4 冬季逆流风机高频反转升温防冻方式

防冻效果好，操作容易掌握，运行方式灵活，空冷电耗相对较高。
5 结论

在东胜热电#1机组冬季启动、运行中，由于种种原因，空冷自动控制及组操功能没有调试，全部依靠手动逐台风机调整，没有发生空冷管束冻结、损坏事故，确保了设备的安全，但在#1机组空冷岛防冻操作期间，也暴露出了防冻工况下空冷单耗增高，不利于机组的经济运行的缺点，但防冻效果显著，对于直接空冷抽汽供热机组冬季低负荷运行防冻提供借鉴。

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