空冷机组冬季运行注意事项及防冻措施

陈光雨

【摘 要】空冷机组的运用主要是在西部缺水多煤的地区，其在实际运行的过程中，容易受到环境条件的影响。如在冬季寒冷的地区运行空冷机组，则其散热器的翅片管极易发生冻结，从而造成设备的损坏，甚至是引发停机事故。散热器翅片管被冻裂后的修复周期长，且工艺复杂，因此发生冻结事故后，将给电厂造成严重的经济损失。文章就此探讨了空冷机组冬季运行注意事项及防冻措施，具体内容供大家参考和借鉴。

【关键词】空冷机组；冬季运行；注意事项；防冻措施

近几年以来，随着我国火力发电厂建设的快速发展，一种缺水地区兴建大容量火力发电厂时可以广泛采用的节水型火力发电技术——空冷技术在干旱地区开始得到应用。空冷技术以空冷器替代了冷却塔，采用翅片管式空气冷却散热器，直接或间接利用环境空气作为冷却介质代替水，利用乏汽管内流动，冷却空气管外翅片间流动的换热方式达到冷凝的目的。但是空冷系统受环境气象条件的影响比较大，使得其运行过程中存在较多安全隐患，尤其是冬季运行过程中，极易造成设备损坏，进而增加企业的经济损失。

一、空冷系统概述

直接空冷系统也称为空冷系统，它利用空气直接冷却汽轮机的排气，以及空气与排汽之间的热交换。蒸汽汽轮机低压缸排汽通过排气管直接排入空气冷却散热器管束，轴流风机将空气吸入，通过翅片管外表面热量会把蒸汽排到水里冷却。该系统主要包括空气冷凝器、真空系统和翅片管清洗系统。

其中，空冷凝汽器是直接空冷系统的重要组成部分，其主要包括顺冷、逆流热沉、蒸汽分配管、管束底部组合箱、顺、上游风机组，冷凝水、排气装置。直接空冷式散热管分为蒸汽流向和冷凝流。汽流流动方向与凝析油流动方向相同。汽轮机排出的蒸汽凝结成水，约占蒸汽的70～80%。剩下的蒸汽是CO。此外，在逆流管中，蒸汽流向与凝析油流动方向相反。蒸汽和冷凝液的流动方向相反（冷凝水总是被蒸汽包围），从而确保冷凝水不至于冷和结冰。

二、空冷机组冬季运行注意事项

空冷系统冬季运行主要监控凝结水温度，排汽温度、排汽压力等参数，在此基础上及时调整轴流风机频率，控制参数在规定以上，具体如下：

第一，当环境温度在零下2℃以下时，空冷岛进入到冬季运行期，并且设有专人对空冷岛散热器等设备进行温度实测。

第二，在开放式运行情况下，必须提前了解和监测环境气象条件的变化。冬季尽量在白天开始和停止。

第三，在任何情况下，空冷岛平台门在关闭位置。空冷岛凝结水回水总管回水门始终保持在全开状态。

第四，冬季空冷岛正常运行期间，机组背压保持在25～30kPa，两台真空泵运行。当环境温度低于10℃时，任何10kPa单位的情况都不允许后退。

第五，凝结水的过冷是指汽轮机压力和冷凝水温度下的饱和温度之差。在冬季霜冻期间，ER冷却度作为安全监测指标，严禁低于6℃，冷凝温度在35℃以上。

第六，冬季天气凉爽时，或者是在大风天气之下，操作人员应适当增加负荷或改善运行背压，防止风、冷却、再加上RAD。避免引发热量分布束冻坏事故。

第七，冬季在空冷岛运行期间，及时做好巡检记录，各列散热器表面最低温度和凝结水下联箱外表面最低溫度低于0℃时，汇报相关领导。

三、空冷产生冻管的机理及应对方法

（一）产生原因

一般空冷系统产生冻管的原因主要有两方面，其具体内容如下：

第一个方面是系统中有空气聚集。当系统漏气量较大时，抽气系统功能会下降，换热不均匀就会导致空气在系统中聚集成冷区。在冷区里，蒸汽的含量很少，凝结放热很小，而空气本身因为比热小，很容易被冷却到环境温度。当凝结水流经冷区的时候就会被冷却，如果在冷区内被冷却到冰点，就会结冰。所以所有可能导致空气聚集的因素都会增加冻管的风险。

第二个方面则是当环境温度降低到零摄氏度以下的时候，若是进入ACC的蒸汽流量很小，即使风机不运行，ACC也有可能因为自然换热而结冻，特别是在启动时间长，蒸汽流量小的机组冷态启动工况中。要满足防冻要求，必须保证ACC有一定的进汽量，且达到该进汽量的时间应尽可能短，而且在连续运行的过程中也不能低于这个流量。

（二）应对的方法

鉴于以上两种情况的机理不同，所以其应对的方法也就存在差异。对于第一种来说，可以在安装过程中保证系统的密封性。真空衰减性试验要经常做，应控制在200pa/min以下。如果漏气比较大，应保持高背压运行。冬季运行中ACC尽量投自动，这样转速自动，凝结水过冷保护，逆流风机回暖，抽气过冷保护等能够据情况实现自动投切，避免人为疏忽造成不必要的损失。当凝结水温度>+35℃，且凝结水过冷度<+15℃，才允许启动风机。另外加强巡视，如果发现大面积的冷区，可以采取以下的方式。

第一，若是仅逆流管束过冷，则可以开启备用的真空泵，并适当减低相邻顺流风机的转速。第二，若是顺流管束出现大面积的冷区。则首先要开启备用真空泵，其次适当降低该顺流风机的转速，最后在抽气温度不过冷的前提下，适当提高逆流风机的转速。

对于第二种机理，主要是要考虑解决自然换热的问题。启动中环境温度低于2℃需要隔离列启动，而环境温度高于2℃时可以不隔离列启动。对于被隔离的风机护网上铺毯子或木板，受热面上铺毯子，以减少自然对流换热。

四、直接空冷系统防冻措施

（一）直接空冷机组设计防冻措施

1.采用逆流空冷凝汽器

顺逆流凝汽器之间的面积比是决定其防冻性能的重要因素，逆流管束换热面积过小，会使得逆流区的防冻调节能力变弱。当机组负荷低或环境温度低时，机组运行时逆流区的蒸汽会迅速减少，机组负荷进步减小或者环境温度进一步降低时，负温度区域迅速蔓延到顺流管束的下部，使得管束下端蒸汽凝结，极容易产生过冷，发生冻结。因此，在实际设计过程中，技术人员要确定合理的顺流、逆流换热段配置比例，使其能在环境温度较低或低负荷工况下运行，从而有效地避免空冷凝汽器凝结水的过冷及可能的管束冰冻情况发生。

2.设计合理的翅片管结构

空气冷凝器翅片管内饱和蒸汽冻结现象的其中一个主要原因是翅片管束冷却能力与饱和蒸汽热负荷的不平衡。为达到防冻的要求，翅片管的设计可以采取以下措施：首先，优先采用单排管。与同样长度和宽度下的双排管管束相比，单排管管内流通面积增加了30%以上，同时管内压降和阻力较小，利于汽液两相的分离，不会形成“死区”，因此其可以在结构上解决该问题，降低管束冻结的可能性；其次，改变翅片之间的间距。一是前排管采用较大的片距，后排管采用较小的片距，以免由于热负荷不均造成管束冻结；二是对于椭圆管或扁平管多排管结构采用不同翅化比：在与冷空气接触的第一排管采用翅化比较小的翅片管，后排管采用翅化比较大的翅片管，使每排翅片管的换热面积与温差的乘积保持大致相同。

3.采用双速或变频电化

在直接空冷系统冷凝器采用顺流和逆流布置的基础上，大直径的轴流风机通过采用双速或变频电机，可以灵活调节进风量。当环境温度大大低于设计温度时，为了避免汽轮机背压过低，采用风机电机的变极调速或变频调速，通过程序分组控制风化，调节空冷凝汽器的进风量，降低冷却空气的流量。以上措施可以有效的防止死区的产生和凝结水过冷而结冰的危险。

（二）直接空冷机组运行防凉措施

第一，均匀分配热力和蒸汽流量。直接空冷系统冬季运行防冻的目的主要是避免由于进入空冷凝汽器的热量低于其最低保证值，造成散热器管束受冻。在负荷一定的状况下，汽轮机的排汽量是一定的，为防止低负荷运行时结冰现象的发生，首先要保证机组运行的负荷足够，需通过控制汽轮机排汽量保持在一定的数值，保证空冷凝汽器翅片管内蒸汽的流量足以加热凝汽器，能够保证凝结水在系统中不会冻结。

第二，风机运行的正确控制。对风机运行方式进行合理调节是一种有效的控制防冻措施，通常可以采用以下方式：风机电化的变极调速或变频调速和逆流风机反转。其中逆流风机反转可以吸入空冷系统散出的热量，以形成内部热风循环，将周围凝汽管束的暖热气流送到加热逆流凝汽管束，从而提高或保持凝结水温，达到防止凝结水冰冻的目的。

（三）直接空冷防冻的自动保护

随着自动控制水平的提高，在直接空冷系统运行时，采用其系统的防冻自动保护控制也是一种重要的防冻手段。防冻系统可以通过设置冬季运行保护模式程序，根据空冷机组运行时环境温度的变化，对系统凝结水温度、抽真空温度和运行压力的检测变化，空冷防冻系统可以进行自动控制是否开启自动保护模式。一般情况下，控制還辑防冻方面主要包括：逆流散热器管束回暖保护逻辑、抽真空过冷保护逻辑、凝结水过冷保护逻辑、凝汽器冬季保护程序；直接空冷启停过程的防冻主要包括启动过程和停机过程两个方面。

五、结束语

综上所述，为了保证发电厂的空冷系统在天气寒冷的情况下良好运行，可以通过以下措施：采用经长期运行检验，具有良好防冻性能的换热元件；选用容量适当、质量可靠的阀门、泵和抽空设备；采用设计合理、可靠的控制监测系统；对所有设备进行正确的安装和测试；遵循空冷系统供货商提出的运行要求；对所有关键设备定期进行检查和预防性维护，从而促进发电厂在冬季生产效益的提升。

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