北方冬季６００ＭＷ直接空冷机组空冷凝汽器运行研究

[摘要]600MW直接空冷机组在我国“三北”地区气候和气象条件下的运行具有许多特殊性。笔者结合600MW直接冷空机组的实际运行情况，对北方典型气候条件下600MW直接空冷机组的优化运行进行研究和分析，以提高600MW直接空冷机组的安全和经济运行水平。

[关键词]600MW直接空冷机 优化运行 经济

中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420032－02

一、引言

600MW直接空冷机组在我国“三北”地区气候和气象条件下的运行具有许多特殊性，实践经验几乎为零，理论研究也很不完善。对于其中已经暴露出来的一些问题，诸如背压较高、冬季防冻、夏季出力受限、空冷风机的优化调整等，认识还很粗浅，有时甚至存在截然相反的观点，要形成科学、可靠的优化运行体系尚须大量工作。因此结合600MW直接冷空机组的实际运行情况，对直接空冷机组的安全与经济运行进行系统的研究和分析，显得非常迫切。

二、空冷防冻须控制的关键因素

空冷凝汽器管内蒸汽通过换热管及翅片把热量传给管外空气，使蒸汽凝结，当管内蒸汽量过小或管外空气量过大时，蒸汽在管束中沿管长大部分提前凝结为水，并沿管壁向下流动，且在流动过程中继续被冷却；凝结水在翅片管内流动时，中心区为紊流区，管壁附近为层流区。理论分析认为，紊流区流体放热以对流为主，层流区流体放热以传导为主，流体在翅片管内层流区的厚度与流体的流速有关，流速越小，层流区越厚。当流速减小到一定程度时，翅片管内流体完全转变为层流，流体宏观上接近于静止状态。这时流体放热以传导为主。流体对管壁放热过程中，其温度不断下降。当温度下降至0℃以下时，流体开始冻结。随着流体不断向管壁放热，冻结程度不断加剧，最后液体变成固体，凝结为冰。冻结现象发生以后，蒸汽流道变窄，空冷翅片管内流体出现流动速度慢、流动中止或断流等现象，进一步加剧空冷翅片管内流体冻结现象的发生，严重时会冻坏冷却管束。

（一）空冷凝汽器负荷

空冷凝汽器负荷即指进入空冷凝汽器的蒸汽量。空冷凝汽器负荷越小，发生冻结的可能性越大。机组正常运行中空冷凝汽器的负荷取决于机组负荷。机组在运行期间空冷风机8排全投的情况下，最低负荷如表（一）：

从（一）可以看出，环境温度越低，保证空冷凝汽器小被冻结的最小蒸汽量越大，即要求机组在运行期间的最低负荷越高。也可以看出，机组的调峰低限300MW是可以满足大多数环境温度对负荷的要求的，因此负荷300MW以上能够同时满足调峰和防冻的要求，应作为600W直接空冷机组在冬季运行时的负荷低限来控制。依此指导思想，机组在启、停过程中，应尽可能地通过调整高低压旁路、提高背压、或采用高中压联合启动的方式来增加进入空冷凝汽器蒸汽量，以防止发生冻结。

（二）空冷凝汽器压力

忽略管道流动压降，空冷凝汽器压力即指机组背压。机组背压和排汽饱和温度是对应的，机组背压越低，对应于排汽压力下的饱和温度就越低；同时，在额定进汽压力下汽轮机带相同负荷时所消耗的蒸汽量也越少，进入空冷凝汽器的热量就越少，空冷凝汽器发生冻结的可能性就越大。因此，机组背压也是空冷防冻的一项重要控制因素。直接空冷机组在冬季运行时必须确定一个最低的运行背压。根据海勒式间接空冷系统多年来的运行经验，可得出如果能够保证凝结水收集联箱平均水温达到35℃及以上时，是可以满足冬季空冷系统的防冻要求。至于在确定汽轮机冬季最低的理论运行背压时，可以按照上述方法结合凝结水收集联箱的最低保证温度，根据确定后的过冷度以及汽轮机排汽管道沿程阻力倒推到汽轮机排汽口的压力(运行背压)来确定。空冷机组冬季运行时背压的选择应综合考虑安全和经济性的要求。前已述及，600MW直接空冷机组的背压如果6.95kpa提高到10kpa时，相应背压所对应的凝结水温度增加较多，相同功率下对应的汽耗量却增加很少，即空冷系统的安全性能显著提高，而经济性又可以得到保证。因此，根据已有的一些运行经验，建议冬季运行时空冷机组的背压低限取9kpa，同时还应根据环境温度的变化以及空冷系统的运行状况灵活掌握。

（三）空冷凝汽器散热管束表面温度

直接空冷机组庞大的空冷散热系统在机组运行中不可避免地存在着热力和蒸汽流量分配不均匀的现象。从理论上讲，空冷散热系统八排应均等地分配汽轮机的排汽量，但由于设计、制造与安装的因素，同时也由于运行中空冷风机运行方式及环境因素变化等原因，对应汽轮机一定的排汽流量,空冷散热系统每一排并非均等地占有1/8份额的蒸汽分配流量。尤其是在机组低负荷运行期间，有资料显示，这种流量偏差可以达到5%。运行中观察，随着进入空冷岛的热负荷的降低，这种热力和流量的偏差是逐渐增大的。在机组低负荷运行期间，个别散热单元所分配的汽量将远远低于生产厂家要求的最小热负荷。所以，在直接空冷系统冬季运行期间，应特别考虑因热力和流量不均导致散热管束表面温度偏差而带来的散热管束冻坏的危险。

根据600MW直接空冷系统结构特点和实际运行情况，单排管散热管束表面温差有以下四种情况：（1）空冷岛配汽联箱对应的八个排由于热力和流量的不均所造成的温差；（2）同一排不同列空冷散热管束由于热力和流量的不均所造成的温差；（3）对应于同一排南北两侧管束的热力和流量的不均所造成的温差；（4）对应于同一排南侧或北侧相邻管束间的热力和流量的不均所造成的温差。这四种热力和流量的不均均会导致散热管束表面出现温差，同时导致各排凝结水下联箱出现温差。以上四种表面温差现象反映了空冷凝汽器内部热量分配的不均匀程度，冬季运行检查时必须对上述现象予以重视并严肃对待。运行检查中发现，散热管束表面温度较低的部位多出现在：(1)安装焊接过程中遗留下来的安装缝隙附近的管束；(2)顺流和逆流管束相邻的部位；（3）运转风机与停运风机相邻间的管束。

（四）凝结水过冷度

凝结水过冷度定义为在凝汽器压力下的饱和温度和凝结水温度之差。但在电厂实际计算过冷度时，一般采用汽轮机排汽压力对应的饱和蒸汽温度与凝结水泵出口(或凝结水箱)的凝结水温度的差值进行计算。

对于直接空冷系统，汽轮机的背压与空冷凝汽器的内部压力不是一个概念。汽轮机的排汽口到空冷蒸汽分配联箱入口之间的管道有一个压降，空冷蒸汽分配联箱管道本身也有一个压降，加上空冷顺、逆流凝汽器的管道损失，整体压降会更大。据资料显示，在冬季运行时，如果汽轮机的背压在9kPa左右时，蒸汽到达空冷凝汽器总体流动的压降可以达到2.6kPa，即：在空冷凝汽器的凝结水收集联箱处的压力是6.4kPa；而排汽压力为9kPa和6.4kPa时对应的饱和温度分别为43.79℃和37.09℃；这样，在凝结水收集联箱处的理论凝结水温度应该是在37.1℃左右，则过冷度约为6.7℃。可见，直接空冷机组的凝结水过冷度相对于湿冷机组是比较大的。

（五）真空抽气口温度

由于大量的蒸汽在顺流凝汽器内已被凝结冷却，到逆流凝汽器的未凝结蒸汽量已比较小，同时蒸汽温度也已降低很多，未凝结的蒸汽湿度又是比较大的。所以，在整个空冷凝汽器中，真空抽气口位置的蒸汽温度应该是最低的，工况是最为恶劣的。在冬季环境温度较低的情况下，逆流段凝汽器内蒸汽极易降低到 0℃以下，发生冻结现象。因此，直接空冷机组在冬季运行期间，真空抽气口的温度监测尤为重要。如果控制不好此点温度，真空抽气口极容易被结霜堵住，由于还有大量的蒸汽进入散热管束，极易发生流动速度减慢甚至停滞现象，致逆流段凝汽器内汽流降低到 0℃以下冻结成冰，最后导致本排管束全部受冻，后果将不堪设想。

三、空冷风机运行方式优化

（一）空冷风机运行方式

空冷风机运行方式是导致空冷凝汽器冻结的一个重要因素，因此通过运行试验来确定空冷风机在机组启动、停机或正常运行中的组合运行方式。在分析之前，作如下说明：（1）机组正常运行时，300MW负荷是机组的调峰低限，因此以下例证均以300MW负荷工况作为研究对象。（2）为了便于分析比较，以下例证均选取-14℃左右的环境温度作为基点。（3）由于安装结构的因素，空冷机组#1排汽管对应的是空冷凝汽器5-8排，#2排汽管对应的是空冷凝汽器1-4排。（4）空冷风机出口温度测点共有6个，表格中1-2的含义指1排2列，其他类似。（5）每一排空冷凝汽器下联箱凝结水温测点有2个，分南北两侧。

（二）优化方案的确定

经过冬季长时间的试验和调整，可以得出如下结论：

（1）在空冷风机运行方式不合理的情况下，空冷翅片温度低点多发生在2、6列逆流段。（2）环境温度较低的情况下，2、6列空冷风机应尽可能最后停运，（3）根据风向、风力及环境因素的变化，空冷风机运行方式应作出相应的调整。（4）空冷风机不同频时，容易导致部分区域出现过冷现象。（5）1-4排与5-8排空冷风机应对等停运，避免因空冷负荷分配不均而导致#1、2排汽管背压不同。（6）环境温度较低的情况下，背压维持较低易使空冷翅片的一些薄弱环节发生冻坏现象。（7）同样的空冷负荷下，应尽可能多地维持风机运转，并且低频运行。（8）停运1、7列或3、5列空冷风机应尽可能先停7列再停1列、先停5列再停3列，便于防冻。

四、直接空冷系统防冻措施

（一）设计上考虑的防冻措施

从设计选型的角度，主要考虑的防冻措施有：

（1）选用单排管空冷散热器。目前国际上普遍使用的空冷机组散热器有单排管、双排管和三排管 3 种型式，单排管散热器由于每根散热管同时处于迎风面和背风面,与其他两种型式散热器相比防冻性能更好。（2）空冷凝汽器设置逆流段。设置逆流段一方面防止进入空冷凝汽器的蒸汽在凝结过程中在空冷凝汽器下部出现过冷进而发生冻结的可能性，另一方面可使系统内空气和不凝结气体比较顺畅地排出，不致在空冷凝汽器内的某些部位形成死区，致局部温度降低而冻裂翅片管。（3）在进入 1、8 排散热单元的蒸汽管道上设置阀门。当汽轮机排汽量较小且气温较低时，切断其散热单元的阀门，将热量集中在剩余的散热单元中，增加其热负荷。停运的散热单元仍保持真空状态，可防止空冷凝汽器腐蚀，并可随时投运。（4）合理选配顺流凝汽器管束与逆流凝汽器管束面积的比例，选择适当的管束结构型式。

（二）运行上采取的防冻措施

（1）机组在运行中的措施

1、机组在冬季运行期间，应密切监视空冷岛各排真空抽气的温度。抽气温度正常情况应比本排下联箱凝结水温度低1～5℃，但在任何时候不得低于15℃。运行中若发现抽气口温度下降后，应降低对应排的逆流风机转速或停止风机运转，若温度没有回升，则还应适当降低本排顺流风机转速，同时将反转防冻功能投入。必要时在上述调整的基础上启动备用真空泵，通过增加抽气口的空气流速来提高温度。

2、机组在运行期间，任何情况下机组负荷不得低于不同环境温度对应下的最低出力。

3、机组在低负荷运行期间，应加强空冷岛各散热管束表面温度偏差的检查测量。单个散热管束表面温度不允许有＜15℃的情况出现，否则应继续降低风机转速或增加机组负荷。

4、冬季低负荷运行期间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。

5、低负荷情况下尽可能保持各排风机低频且同排各风机的运行频率相同。绝不允许发生由于某一风机频率过高造成局部过冷现象。

6、冬季运行中应注意检查各排南北两侧凝结水联箱任意连续位置温度均不得低于40℃，且各排南北两侧温度偏差不得大于5℃。若发现有偏差大于5℃时，应及时解除自动，降低本排所有风机转速。

7、直接空冷机组在冬季运行期间，应密切监视各排凝结水的过冷度。冬季凝结水的过冷度最大不应超过6.7℃。否则，应启动一台真空泵或提高机组背压。

（2）启动和停机过程中的措施

1、环境温度≤+2℃时，直接空冷机组启动必须采用高、中压缸联合启动的方式。

2、锅炉点火前，严禁在汽包有压力时开启主蒸汽及再热蒸汽管道疏水。主蒸汽及再热蒸汽管道疏水前必须确认空冷凝汽器已经抽起真空且背压低于30.0 kPa。

3、点火后应根据锅炉再热器的干烧能力特性确定汽机在冲车前打开低旁向空冷岛进汽的时间和参数。低压旁路投运后，应尽快匀速增加低旁流量到空冷岛要求的最小进汽量，并控制低旁减温后温度在100～150℃范围。在保证空冷岛进汽温度＜120℃情况下，尽量提高空冷岛进汽温度。

4、启动过程中投入旁路系统时必须遵循先投入低压旁路，再投入高压旁路的顺序。投入低压旁路前必须将机组背压降低到40kPa 以下。同时高、低压旁路的投入操作必须缓慢进行。

5、汽轮机定速后应根据汽缸金属温度尽快带至相对应的负荷，在汽轮机应力允许条件下，应尽快升负荷至对应值。

6、冬季启停机过程中各值应设专人对空冷岛各排散热器南、北侧下联箱及散热器管束进行就地温度实测，有异常时应加大空冷岛的进汽量或提高其进汽参数。同时增加检查和测量次数。

7、停机后应及时将主凝结水箱内水以及向空冷岛补水管道存水放尽。

参考文献：

[1]武俊，600MW机组直接空冷技术在国内的应用．华北电力技术，2005.

[2]田亚钊，600MW直接空冷机组冬季运行防冻要点，电力建设，2006.

[3]严俊杰，直接空冷系统变工况特性的理论研究，热能动力工程，2000.

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