330MW直接空冷机组空冷岛冬季防冻

摘要：新疆分公司乌苏热电分公司2×330MW中间再热抽汽凝汽式直接空冷机组，采用上海汽轮机有限公司CZK330-16.7/0.4/538/538型汽轮机组，凝汽设备采用北京龙源冷却技术有限公司设计制造的空冷岛，主要包括：排汽管道、空冷凝汽器系统、空气供应系统、凝结水系统(包括疏水系统)和空冷凝汽器冲洗系统。空冷凝汽器共有6列管束，设计1、2、5、6列管束可以隔离，中间的3、4列为启动列，不可隔离。

关键词：直接空冷；凝汽器；防冻

中图分类号：TU271.1 文献标识码：A

1、直空冷机组简介

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。

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，空气与排汽之间通过空冷凝汽器的管束进行热交换。汽轮机低压缸排汽通过大直径的排汽管道直接排入空冷凝汽器管束，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。

1.1 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。

1.2 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，避免运行过程中在空冷凝汽器内某些部位形成死区，造成冬季冻结。和湿冷机组相比，高寒地区的直接空冷机组在冬季调试及机组启停机过程中空冷凝汽器管束会发生局部冻结、损坏等事故，直接影响机组安全运行。

2．空冷凝汽器冻结的原因及处理办法：

2.1 原因分析：

通过对乌苏热电公司#1直接空冷机组的调试、运行，总结空冷凝汽器冻结的主要原因有：

2.1.1 气象条件；

2.1.2 空冷凝汽器的进汽量、进汽参数：

2.1.3 空冷风机的运行方式的控制：

2.1.4 排汽参数的控制；

2.1.5 旁路系统的控制、配合。

2.2 处理方法：

乌苏热电公司#1直接空冷机组的空冷凝汽器采用单排管型扁平钢制芯管、蛇形铝合金翅片做为散热片，虽有耐冻优越性，但必须在调试及运行中加以控制，避免成片管束表面温度过低或空冷凝结水温度过低而造成管束内产生冻结的隐患。

2.2.1空冷冲洗阶段参数的控制

直接空冷机组在空冷凝汽器投运初期，为了使凝结水质达到化学回收标准，对空冷凝汽器系统都要先进行蒸汽热态冲洗，冲洗的凝结水通过临时装置排走，由于热态冲洗时，主蒸汽一般通过机组旁路系统经过减温减压后进入空冷凝汽器，因此对旁路系统的设计容量，设计参数及旁路系统控制都至关重要，根据空冷厂家要求，空冷冲洗的蒸汽量为额定蒸汽量的30％～50％为最佳，进汽温度在70～90℃，乌苏热电公司直接空冷机组设计旁路容量为35％，基本满足空冷岛的冲洗需要，通过合理调配各排风机转速，逐排逐组冲洗，在冲洗中严格控制排汽装置压力在15～35KPa之间，排汽温度在80℃左右，使该机组的空冷冲洗达到了良好效果。

在空冷冲洗阶段，空冷系统程控及自动还不能完全投入，空冷冲洗的操作大多数为手动，如果环境温度低于－3°C，空冷凝结水温度及抽空气温度尤其要加强监视，防止部分空冷管束因过冷而结冻，在这次乌苏热电空冷冲洗过程中，因为部分空冷风机不能及时投运，每列的五组空冷风机只有个别能正常投入（空冷风机震动大、油温高），给空冷冲洗带来一定困难，最后确定在机组设计许可范围内，保持排汽装置压力在较高的压力范围，控制在20KPa～40KPa之间(设计为l5KPa～35KPa)，在此压力范围内，排汽温度控制在80℃左右，空冷凝结水温度也控制在80℃上下，经过多次循环冲洗，效果同样不错，另外通过严密监视空冷抽空气温度，及时了解空冷过冷程度，一般抽空气温度控制在50℃以上，根据新疆电院对空冷机组的调试经验，在空冷凝汽器投运初期，空冷进汽量偏小的情况下，空冷抽空气温度也同样能反映空冷管束的过冷程度，只要控制抽空气温度不低于50℃，空冷管束一般不会有危险。

2.2.2 直接空冷机组冬季滑参数启动要点

同滑停相比，直接空冷机组冬季的启动更加困难，由于从锅炉点火到汽轮机冲车之前，有部分蒸汽进入空冷凝汽器，且进汽量远小于空冷岛防冻要求的最小热量，所以部分蒸汽进入空冷凝汽器后就会凝结成冰。直接空冷机组冬季启动过程中，空冷凝汽器内部不结冰是不可能的，关键是要尽快使空冷凝汽器热负荷达到一定水平，才能使结冰现象得到有效控制。直接空冷机组冬季启动时需要更加合理地安排机组启动的各项操作，避免不必要的拖延。

2.2.2.1 直接空冷机组冬季启动要遵循的一些原则

2.2.2.1.1 尽量安排在白天启动；

2.2.2.1.2 为了保证启动时空冷岛的进汽量，应采用高中压缸联合启动的方式；

2.2.2.1.3 启动前，先退出部分空冷凝汽器；

2.2.2.1.4 尽早投入旁路系统锅炉点火后应尽快提高蒸汽参数，旁路投运后，要尽快增加旁路的通流量，并控制低旁减温后温度在系统允许的较高值（100-120°C），尽快增加空冷凝汽器的热负荷。

2.2.2.1.5 达到冲转参数时，应根据汽缸金属温度采用高中压联合启动的方式，用较高的升速率和最短的暖机时间，尽快定速和并网。根据汽缸温度和转子应力等条件确定尽可能高的初始暖机负荷，同时进一步增加燃烧，保证尽可能高的旁路通流量；启动初期还应适当提高背压以及使空冷凝汽器的参数在较高的允许范围内，此时不需要空冷风机参与背压调节。

2.2.2.1.6 并网带负荷后应根据机组背压情况决定启动冷却风机的时机。这里需要说明的是：机组并网后当运行背压接近于当时背压保护规定的对应报警值（45KP）前，应按顺序启动冷却风机先逆流后顺流，风机启动后应限制其最高转速。这样做是为了防止冷却风机转速无限制升高后空冷凝汽器容易局部过冷而受冻，如有部分空冷凝汽器换热面积退出运行时，建议当机组背压达到25KPa后，其他风机都投入运行且转速均达到了60％风机额定转速后，才能投入退出的换热面积。投入这部分空冷凝汽器时应先开凝结水回水阀、抽真空阀开启后，才能开启进汽隔离阀阀。当所有管束温度及真空抽汽温度达到并高于35°C以上后，再根据机组背压变化情况启动对应冷却风机，以维持机组正常的运行背压。

2.2.3 正常运行中的控制：

冬季机组正常运行过程中设专人对空冷岛各排散热器下联箱及散热器管束进行就地温度实测，每班应就地实测各排散热器及联箱温度不少于两次，尤其应注意各排凝结水温度测点对侧的联箱温度。发现异常时应增加检查和测量次数，并及时查找原因并采取相应措施。目前，直接空冷系统设计的温度测点较少，仅从表计监视不能及时发现空冷凝汽器散热管束受冻。但实际经验表明，当表计显示出温度异常时，空冷凝汽器内部已经发生大面积受冻。所以运行中必须加强监视、调整和就地检查。

2.2.3.1 机组运行背压：

当环境温度越低时，根据空冷凝汽器防冻要求，需要的最小热量应越大，机组负荷一定时，运行背压越高，排汽温度和排汽量越大，有利于防冻。为了保证空冷凝汽器的安全，适当提高机组机组运行背压是非常必要的。但是，必须限制汽轮机在对应工况下背压保护曲线的报警值以内。

2.2.3.2 各逆流式凝汽器真空抽空气温度。

它是空冷凝汽器整体运行运行情况的反映，即使此温度比较高，也不能保证所有逆流管束的防冻安全。(注意抽真空管道及冷凝水管道温度的过冷度，正常情况下冷凝水比排汽温度约低2～3℃，抽真空温度比排气温度低5～10℃。)

2.2.3.3 加强就地检查。运行中监视的参数是反映空冷凝汽器整体运行情况，不能反映局部冻结特征，而散热管束内部结冰是逐渐形成的，加强对空冷凝汽器散热管束表面温度的实测检查，可以及时掌握空冷凝汽器内部蒸汽分配以及局部冻结的情况。低负荷情况下尽可能保持各排中风机多投、低频运行（防止在自动调节过程中造成局部过冷），尽量保持每排中各列风机的运行频率相同，在同排中绝不能出现由于某一风机频率过高造成局部过冷现象；即冬季ACC尽量在自动方式。（目前乌苏热电公司AAC自动还未调试）

2.2.3.4 凝结水收集联箱的表面实测温度。

直接空冷凝汽器采用一定的顺、逆流散热器配置，绝大多数蒸汽在顺流凝汽器中凝结成水，而逆流凝汽器仅有少量的蒸汽，以便于最大限度地回收蒸汽，而在冬季寒冷季节，当机组负荷较低时，逆流管束内部可能仅仅存在极少量的蒸汽凝结，通过实测凝结水收集联箱的表面温度便可以直观的反映出顺流凝汽器的散热效果。凝结水收集联箱是防冻工作中最关键的部位。

2.2.3.5 空冷凝汽器散热管束表面温度偏差。根据直接空冷系统散热管束散热管束的结构的特点和实际运行情况，单排管散热管束表面温差有3种情况：①配汽联箱对应的蒸汽分配管由于热力和流量分配不均造成的表面温度偏差；②对应于散热三角形两腰布置的散热管束由于热力和流量分配不均所造成的表面温度偏差；③散热器相邻管束间由于热力和流量分配不均所造成的表面温度偏差。

2.2.3.6 合理调整冷却风机组的运行方式

冬季在低负荷运行工况下，会出现空冷凝结水温度过低现象，导致所有风机全部停止或在最低转速下运转，使直接空冷系统变得更加脆弱，受大风、气候影响的程度也要加重，因而运行中应避免出现风机全停工况的发生，通过采用合理的冷却风机组轮换运行和逆流式凝汽器风机反转，可抑制自然通风对逆流式凝汽器内部蒸汽的冷却，这样也就减小了其结冰的可能性，成组轮换风机运行，可以防止空冷凝汽器管束局部过冷，现在空冷保护功能设计中都有防冻保护，一般设定为在环境温度小于－3°C，空冷凝结水温度低于35℃时，防冻保护动作，风机转速降低，直至逆流风机按一定规律逆转，以提高凝结水温度，在冬季正常运行中，防冻保护始终投入，风机按照设定的条件运转，对空冷防冻有好处，但在滑参数停机过程中，空冷进汽量减少，温度变化比较明显，保护动作变化滞后，此时更应加强空冷监视，根据负荷和空冷参数，适当退出部分空冷凝汽器。(目前ACC自动还未调试）

2.2.4 停机过程中的主要防冻手段：

冬季滑参数停机过程中，随着负荷逐渐降低，空冷进汽量也逐渐减少，为了避免空冷凝汽器内部出现大量结冰现象，满足空冷凝汽器防冻所需的最小流量，应适当提高机组在滑停过程中的背压值和旁路系统相配合来实现。

2.2.4.1 冬季滑参数停机过程中运行参数的控制

2.2.4.1.1 安排白天停机。情况允许的条件下，要尽可能安排直接空冷机组在白天进行滑参数停机。尽可能用相对高的环境气温和日照条件，有效地推迟和缓解空冷凝汽器内部结冰的进度，同时必须尽可能地减弱其内部结冰地程度，为机组启动创造良好的条件。当环境温度降到0℃以下时，在空冷凝汽器管束中就有可能出现内部结冰的现象。

2.2.4.1.2 适当提高背压。在滑参数停机过程中，应适当提高机组的运行背压，这需要降低运行冷却风机的转速或者停止部分冷却风机。直接空冷机组防冻最直接且有效的方法使机组带上较高的负荷（大于200MW)，另外，在冬季运行中所有风机停止运行后，直接空冷系统会变得更加脆弱，受大风影响得程度也会加重，因此运行中应避免出现风机全停得工况。

2.2.4.1.3 退出部分空冷凝汽器。目前，在直接空冷系统中，在1、2、5、6列空冷进汽口设计有隔离阀，运行中可以根据实际情况将其关闭，退出部分散热面积，达到防冻的目的，然而因隔离阀关闭不严密，会造成运行中的空冷凝汽器受冻，所以机组在冬季滑参数停机过程中，应在一定时机将其及早退出，以减轻其它运行中的空冷凝汽器因受热流量分配不均而受冻的可能性。

2.2.4.1.4 投入旁路系统增加空冷岛的进汽量。汽轮机组在冬季滑停时，应在滑停阶段达到55％～60 额定负荷后，通过锅炉降温降压，当汽缸温度达到最低时，及时打闸停机。这样有利于机组消缺后安全顺利地启动：按机组停运5～7d计，机组再次启动时的缸温一般在250～300℃之间，可以缩短暖机时间，尽快升负荷至最小防冻负荷以上，这有利于空冷凝汽器的防冻当汽轮机本体有消缺计划，需要较低的汽缸金属温度时，就需要投入旁路系统参与配合。来防止滑停过程中空冷凝汽器受冻。

随着机组的滑停，汽缸金属温度逐渐降低，当汽轮机排汽热量接近于空冷凝汽器防冻所必须的最小热流量时，可认为此时应当稳定锅炉当时的燃烧水平，保持机前参数按照滑参数停机规定的温降水平，先将高压旁路投入，投入旁路系统后，需要解决高压缸的鼓风问题，同时还要受到高压缸压比的限制，所以高压旁路调节阀的开度以及旁路减温减压后的温度控制应受当时高压缸排汽参数的限制，同时还应当将高压缸排汽阀 打开，使高、中压缸的金属温度进一步降低。投入旁路系统参与机组滑停时，运行操作量很大。在停机过程中应严格对汽轮机本体各参数进行监视。

2.3 入冬前的准备：

进入严冬时期，将空冷岛周边列的风机或过冷的风机单元停运，并遮盖风机口及管束外侧（提前准备防冻材料：诸如棉被、帆布等）。注意这些停运的风机一定要挂锁防误启动，它们损失的换热会由其他单元补偿（如果ACC投入了自动运行）。

3. 空冷防冻方式比较

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。

3.4 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。

4. 结束语

要保证直接空冷机组冬季滑参数启、停操作过程中不发生凝汽器

大面积冻结，操作人员必须充分了解机组特性，合理地控制空冷凝汽器的运行方式、进汽参数及各项操作的时机，尽可能缩短机组启、停过程的时间。

乌苏热电公司空冷散热管采用单排管，相对于双排管和三排管散热器而言，单排管没有因蒸汽流量分配偏差带来的防冻瓶颈。即使在管子内部发生部分冻冰，但只要能够及时发现并采取适当调整措施，利用其相邻管子温度较高，其辐射热量亦可使冰柱与管材分离解冻，极个别的散热管发生冻冰时，一般不会影响到运行机组的背压水平，但是，运行中绝对要加以控制，避免发生大量成片管束因表面温度低而发生冻结。建议乌苏热电公司ACC系统中凝结水管道、抽空气管道、热工仪表管等部位敷设电伴热带，冬季运行期间可靠投入。并检查切除列的进汽隔离阀关闭严密，防止向空冷岛内漏汽。