空冷机组冬季防冻的方法及改进建议

摘 要：通过对空冷机组（直接空冷、间接空冷方式）运行情况的调研，介绍总结运行防冻经验，并提出一些改进建议。

关键词：防冻 空冷凝汽器 空冷散热器 空冷管束

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-045-02

从上世纪50年代开始，火力发电厂汽轮机排汽冷凝逐步采用空气冷却方式，基本上分为直接空气冷却和间接空气冷两种方式简称为直接空冷和间接空冷。空冷方式的发电机组在运行过程因为凝汽设备（直接空冷系统）和冷却散热设备（间接空冷系统）布置在室外露天场所，在冬季时易发生过度冷却，进而发生结冰冻坏的情况。下面对两种空冷方式的冻结原因进行分析以及对防止措施进行总结，提出改进建议。

1 冻结原因分析

1.1 直接空冷凝汽器的管束内过冷结冰

当空冷凝汽器管束内的蒸汽在冷却进中出现了过度冷却的情况，当这种情况持续较多时间，蒸汽在凝结成冷却水后继续冷却就会被过度冷却而在管束内壁发生结冰的现象。

在机组启动和不满发运行时，此时汽轮机组排汽量较少，或者凝汽器管束的截面较小通过的蒸汽量减少时，导致通过的蒸汽流量减少，蒸汽在流经凝汽器管束过程中，因为与外界（环境大气）有温差就会不断的放热被冷凝冷却，蒸汽冷凝成凝结水，和未被冷凝蒸汽沿管束壁向下流动。如果环境问题低于水的结冰点温度，蒸汽凝结水还在管束内则会被多度冷却，在管束的末端即管束与凝结水箱连接部位出现结冰情况，当这种情况出现后是的管束截面逐渐变狭小，甚至使管束堵塞导致后续蒸汽不能流动，致使整个管束内的蒸汽被过度冷凝，凝结水结冰膨胀导致管束变形开裂损坏，当管道变形发生管束与上部蒸汽分配管以及下部凝结水联箱的焊接封口就容易出现裂缝，造成整个空冷凝汽器真空度下降，系统内的不凝气体增加，使空冷器换热系效率大大下降，导致机组被压升高影响到整个系统的正常运行。

同样在直接空冷凝汽器管束内的蒸汽通过流量如果满足要求的量，但是如果风机供风过大或负压系统（机侧和空冷凝汽器）泄漏量过大时，在冷却空气量过剩的情况下，直接空冷凝汽器中漏入的过量空气在冷却管束内对热蒸汽形成阻滞，降低了冷却管束内热蒸汽的流动速度，严重时将会形成阻塞，从而导致局部椭圆冷却管过冷，当在这种情况发生时，空冷凝汽器管束内部也同样会出现过冷现象，严重时发生结冰。

根据上述的情况，直接空冷凝汽器管束内发生凝结水结冰的原因基本有两种情况导致：（1）直接空冷凝汽器管束中通过的蒸汽流量过小；（2）冷却空气量供给过剩且管束内蒸汽中空气含量较多。所以，对空冷凝汽器的防冻需要从“控制蒸汽流量与冷空气流量和负压系统的泄漏量”来实现。

1.2 间接空冷散热器冻结原因

间接空冷散热器管束内流通的为循环冷却水。在环境温度低于0℃时，管束内的冷却水不流动就会结冻使管束发生冻结，因此从循环冷却水在散热器管束内的流动情况来阐述散热器的冻结原因。目前多应用的是福格型铝管铝翅片，双流程。每冷却单元6排管束，每根管束尺寸为 18€？.75。

正常运行时，冷却水在冷却柱管束中不停地流动。根据流体力学理论分析，水在管束内的流动呈两种状态：靠近管壁处为层流区，中心区域为紊流区。一般情况下层流区很薄，区域内水的流速很小，流体放热以传导放热为主，管束内的大部分水流都为紊流，流体放热是对流放热。

层流区域的厚度与流速有关，流速越小，层流区越厚，当管内的水流速度小到一定程度时，管内水流完全变为层流，此时从宏观上看流体已处于静止状态，管内流体的放热由原来的以对流放热为主转变为以传导放热为主，流体通过管壁向外界不断的放出热量，自身的温度持续降低，当水温降到0℃后，如果外界大气温度低于0℃则循环水开始结冰，此时冷却水完全停止流动，加速了结冰过程，水体结冰冷胀由于体积膨胀而将铝管胀裂。

所以在冬季，间接空冷散热器防冻问题的关键在于防止散热器铝管内的水流中止。

2 防冻措施

2.1 直接空冷凝汽器防冻措施

为防止管束发生冻结，在保证真空系统严密性和抽真空设施正常工作的前提下，冬季时将机组运行人为的设定在较高的背压值，加大排汽量，同时调控风机的运行。根据运行经验，常用的方法为，在每列的凝结水联箱和抽真空出口设置温度测点，根据测点温度采取如下措施：

（1）持续的监测空冷凝汽器各列管束的凝结水出水温度，控制使其温度保持在50℃之上，凝结水的过冷温度不应超过3℃，最低不超过5℃。同时监测凝汽器各列设置逆流单元顶部的抽真空管道中的气体温度，通过控制风机运转速度以及凝汽器的进汽量控制抽真空气体温度在45℃之上。

（2）控制汽轮机背压>15kPa。

（3）当凝结水监测温度低于50℃时，首先通过调整风机转速来控制温度回升，应首先将外边列的风机转速降低，同时观测凝结水温度，若仍在下降则依次降低次边列风机的转速。按照以上由外到内的顺序逐渐停运风机，直到凝结水温度回升为止。

当逆流区抽空气温度低于45℃时，而且凝汽器顺流风机已经调至停机，但是抽真空温度礽低于45℃时，将逆流风机停运，凝结水温度若仍无回升则将逆流风机反转运行。在逆流风机反转运行过程直至逆流列抽真空气体温度回升到不低于50℃。

（4）在空冷凝汽器投运行前，应保证各凝汽器单元间的隔断门和两端门关闭且尽量密封以防止单元间空气串流和外界空气进入、冷却单元内。

（5）在冬季环境温度低于5℃运行时，每天值班人员应至少分两次监测空冷凝汽器管束外壁温度和下联箱凝结水温度，分上中下三个位置分别测量，且之间的温差不得超过5℃。顺流凝汽器下部的凝结水温度控制在不低于50℃，以防止凝汽器管束局部出现过度冷却甚至出现结冰冻管。

（6）当机组需要在低负荷情况下运行时，可以将部分段列风机停运，同时持续监测凝汽器管束外表面的温度，避免出现低于15℃的情况，否则将风机转速降低或停运来提高机组背压从而增加排汽温度提高凝汽器的抗冻能力。

（7）低负荷情况运行时，同排各风机的运行频率相同且处于低频运行，力求避免某一风机运行频率过高的情况出现目的在于防止过度冷却。

（8）在冬季运行中，应经常性的监测凝汽器凝结水联箱水温不能低于50℃，并且联箱两侧的温度差不能超过5℃。若有偏差及时排除。各列凝汽器中凝结水的过冷度也应持续实时的监测，凝结水过冷度最高不得超过6℃，否则通过启动运行真空泵或则加将机组背压提高来增强凝汽器抗冻能力。

（9）冬季低温运行时段的逆流段抽真空气体温度与本列凝结水箱的温差在1～5℃，最大不得超过15℃。各列逆流段抽真空气体的温度连续监测，为防止抽出口处结冰可依据抽真空气体的温度情况间隔降低风机转速或停运，时间间隔一般为5分钟，若没有回升则可以将风机反转一段时间。

（10）机组在冬季运行需提高背压运行期间，应注意控制背压值与背压保护曲线间留出10～15kPa 的余量，防止大风造成背压突变引起掉机事故。

从实际的运行情况看，最易发生冻结的部位在管束中部，上下两侧次之。

2.2 间接接空冷散热器防冻措施

根据实际运行经验，冷却塔内散热器水动力工况不良时，易使散热器铝管由于水冻结膨胀而损坏，严重时影响冷却系统的安全运行，造成机组的事故停运。另外，散热器的修复技术难度高，工作量大，时间也长。所以散热器冻损造成的损失是很大的，空冷机组运行中的防冻问题也由此显得十分突出。“防冻”就是在冬季防止散热器铝管因冻结膨胀而损坏的问题。

间接空冷散热器冬季运行防冻经验如下：

空冷塔扇形段出水温度的规定：

（5）当塔外环境温度（温度测点5取3），3个测点温度在0℃以上时，将空冷塔扇形段出水温度保护解除后，将各扇形段百叶窗全开不做调整。当遇有大风时且环境温度在-5℃以下时关小迎风面百叶窗，同时各扇形段出水温度不得低于35℃。

3 管束的选择

3.1 直接空冷凝汽器管束

在实际运行中，管束通过气流的面积大小对防冻作用影响明显。双排管束的流通截面较小，在低温时易发生过冷情况，进而冻结。

因此直接空冷凝汽器推推荐采用单排管束，有利于防冻。

3.2 间接空冷散热器管束

根据运行统计，最容易冻结部位在靠近百叶窗的管束，越靠近下部回水箱位置越容易冻结。冬季大风时，侧向风位置的冷却三角前述位置容易冻结。

改进建议：

（1）增加管束的流通截面积，增加过流量，既不易堵塞使水流通畅，也避免出现过冷。

（2）单元管束连接采用钢性连接避免橡胶密封圈的受冷热交替作用出现密封不好的情况。

（3）采用较大管径的管束，增加冷却水过流截面，增强防冻性能。

参考文献：

[1] 丁尔谋.发电厂空冷技术[M].北京：水利电力出版社，1992.

[2] 沈维道，郑佩芝，蒋淡安.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，1998.

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