关键词：直接空冷；防寒防冻；超临界
1 背景
我国是一个严重缺水的国家，水资源分布极不均衡。在我国北方大部分地区，水资源紧缺严重制约着北方地区的经济发展，尤其是电力行业。目前水冷机组冷端效率高，应用十分普遍，但在高效率的同时也存在着电厂选址的局限性，所以发展直接空冷机组能够改变原有的“以水定电”的格局，对我国调整现有能源结构，发展富煤缺水地区电力行业有着深远的意义。
直接空冷技术早在上世纪80年代末期开始应用于国内化工、电力领域，但在大型火力发电机组应用起步较晚，2008年7月，华电灵武电厂投运标志着直接空冷技术正式应用于大型火力发电机组中。2013年底，某厂4×660MW大型直接空冷项目正式动工建设，笔者时任该厂发电运行部汽机主管，全程主持、参与直接空冷系统的基建、调试、运营工作。
该厂超临界直接空冷系统（ACC）通过向大气释放热量对汽机排汽进行冷凝，直接空冷系统每台机组由8列8排共64个空冷单元组成，每列由3个逆流单元与5个顺流单元组成。大多数蒸汽在顺流单元凝结，少部分蒸汽在逆流单元中凝结，凝结水向下流入联箱汇集进入排气装置继续进行汽水循环，不凝结气体在逆流单元顶部汇集，由水环式真空泵抽出。
本文针对直接空冷系统冬季易冻结特点，对空冷岛翅片管束冻结原理进行了研究，得出了造成空冷系统结冻的主要原因，通过对原因的分析在运行中进行调整与改造，大大降低了空冷岛翅片冻结的风险。
2 直接空冷系统管束冻结原理
2.1 单排管空冷管束的换热特点：
单排管截面结构及汽水分布如图2-1所示，在单排管截面结构中，蒸汽分布在管束上方，由于凝结作用的影响，凝结水分布在管束的下方，若出现过冷现象，在水底部过冷度最高的区域会出现冻结现象。
2.2 冬季管束内蒸汽流动过程如下：
如图2-2（a）所示，在顺流管束内，蒸汽和凝结的水经空气换热同时向下流动，随着流动进程蒸汽越来越少，而凝结的水不断增多。冬季热负荷减少而环境温度较低时，由于空气的冷却能力较强，进入顺流管束的蒸汽有可能在上半部分就已经凝结完毕，顺流管束下端完全是凝结完毕后的凝结水，容易出现过冷，严重时就会发生冻结的可能。
如图2-2（b）所示，逆流管束的作用是用来凝结顺流管束内剩余的蒸汽，来自顺流管束的蒸汽从下端进入散热管自下而上流动，而凝结的水则从上向下流动，管束下端既有凝结的水同时也有蒸汽存在，蒸汽可以直接向凝结水加热，不宜出现过冷。如果逆流管束内的蒸汽在散热管下半部分就已经凝结完毕，逆流管束的上半部分不存在蒸汽，因此逆流管束的上半部分也因为没有蒸汽而不产生凝结水，逆流管束上端一般不会出现因凝结水过冷原因而发生的冻结和结冰现象。
但是逆流管束上端由于剩余的不凝气体中夹带有蒸汽，常出现絮状结冰，即雪花形状的结冰。絮状结冰严重时也可造成管束堵塞，但是可以通过逆流风机反转回暖的方式融化。
综上所述，由于蒸汽跟凝结水流动过程中的差异，以及考虑不凝结气体的影响，顺流管束的下端比逆流管束更容易结冰，故所有空冷系统冻结顺序的都是先冻顺流管束、再冻结逆流管束、最后导致大范围冻结影响机组安全性能。
3 空冷系统冬季防冻保护措施与注意事项
造成空冷系统结冻的主要原因有以下几点：
（1）不凝结气体大量泄漏。
（2）抽气能力下降。
（3）换热不均。
（4）蒸汽隔离阀内漏。
少量蒸汽进入管束，旁路阀伴热不投，旁路阀不开。
（5）换热能力大于热负荷。
（6）误操作。
如：风机自动投入选择不当；长时间反转、停转逆流风机；启动蒸汽流量过小等；
其中最重要的是不凝结气体导致的冻管，大部分冻管源于冷区，而冷区源于直接空冷系统中的空气聚集。
图2-3 冷区形成原理图
如果蒸汽中含有空气就会在管束中形成冷区如图2-3所示。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。
图2-4 某厂4×660MW单列空冷单元示意图
以该厂1号机组为例，蒸汽在ACC中的流动如图2-4所示。但是如果停掉C5风机，C6风机满负荷运行，则C6区形成了一个强冷区而C5则形同蒸汽分配管，从而有可能造成C6管束两端进汽，在C6管束中会形成蒸汽冷凝成凝结水，凝结水在冷区内进一步被冷却至冰点下，造成C6管束冻结，所以大多数电厂最早冻结的为顺流单元，故该厂制定冬季直接空冷系统就地巡视检查的重点设定为顺流区底部，发现冷区及时进行各排风机频率调整及翅片管束铺盖。
4 通过运行手段防止冷区出现
4.1 冬季运行中直接空冷系统投自动
该厂冬季自动模式中设置有凝结水过冷保护，逆流风机回暖保护，抽气过冷保护等能够跟据情况实现自动投切，避免人为疏忽照成不必要的损失，该厂4号机组还设置有循环回暖程控，其目的为当机组出于低背压工况下，由于冬季环境温度过低，容易造成顺流单元冷区长时间固定在某一地点造成翅片冻结，采用循环回暖程控可实现机组冬季各投入列连续回暖，使得冷区不能长时间固定在某一地点，不容易形成冻结。但循环回暖程控在大风天气下容易造成逆流风机停下起不来的现象（保护动作为过流过力矩），故大风天气下该厂不投入逆流回暖程控。
4.2 风机的转速应保持一致
不同风机转速不一致容易导致的翅片内部换热不均匀，造成部分相邻翅片管束存在不同的过冷度，造成局部拉应力不均匀容易永久形成X型弯，严重威胁空冷岛的安全性。为了保证空冷翅片表面流场一致，运行中应保持同一列内的各风机应尽量保持转速一致，尤其是顺流风机，防止形成局部过冷，或出现冷区的现象，减少机组威胁。
4.3 注意逆流管束区的运行方式
（1）保持逆流管束强有力的换热效果有利于将汽/气混合物从顺流管束“抽”向逆流管束，从而防止顺流管束两端进汽，以避免顺流管束出现冷区。该厂冬季运行机组要求各列逆流风机频率可微大于顺流风机频率2~3Hz，是由于逆流风机不易冻结，可使逆流单元“抽”力更大，把顺流单元底部的冷区抽至逆流单元，至使顺流单元不易冻结。
（2）应避免长时间反转逆流风机、停运逆流风机或让逆流风机以低于顺流风机转速运行。否则顺流风机会被迫提高转速以维持背压，从而决大部分蒸汽在顺流管束内完全冷却而导致空气聚集。
（3）逆流风机的回暖的目的不是为了防止逆流管束冻，而是为了防止抽气口的堵塞，所以逆流回暖的时间不宜过长。该厂设定的逆流回暖时间为5分钟，一列空冷单元的逆流回暖时间为8分钟。
（4）抽汽系统的运行。抽气系统的运行对于ACC来讲非常重要。当抽气温度下降过冷时应该立刻起备用的真空泵。降低逆流风机的转速或停止逆流风机、反转逆流风机是可以提高抽气温度，但这样的操作会导致空气聚集在顺流管束中而导致在“高”抽气温度下仍然产生冻结。关键点在于时间的控制与过冷度的把握。
（5）入冬前必须进行一次冲洗
这样对有利于各换热面的换热效果均匀，减少由于换热不均出现的冷区。
保证系统严密性。真空严密性试验要经常做，尽量控制100Pa/min 以下。如果漏气量较大，机组冬季运行至少2台真空泵维持真空。
5 冷区处理
如果系统完全没有不凝结气体，正常运行时就不会有冻的问题。然而，实际上系统中总是有不凝结气体的存在，因此，在冬季运行的ACC总是或多或少的存在冷区现象。
（1）若巡视中发现逆流管束过冷，可以按以下步骤进行调整
①开启备用真空泵。
②适当降低该列顺流风机转速。
（2）若巡视中发现顺流管束过冷，可以按以下步骤进行调整
①开启备用真空泵。
②适当降低该列顺流风机转速。
③在抽空气温度不过冷前提下，适当提高逆流风机转速。
（3）对冬季空冷系统调节参数要求
①凝结水温度过冷度控制在5℃以内。
②抽空气温度过冷度控制在10℃以内。
③冬季寒冷气候下为空冷防冻可提高背压至15kPa以上，但注意凝结水温度不高于60℃，防止化学精处理装置退出运行。系统中有冷区并不一定意味着冻实。根据经验，在一个严密性好的系统里，冷区的数量少且小，而且随着工况的变动（如风机转速的变动，风向的变动等）冷区在“移动”。在这种情况下管束不会冻裂。但是如果漏气量很大或抽气系统功能失效则会使较多的冷区出现，而且冷区的面积也会加大，冷空气无法排除而导致冰结实。而要发展到管束冻裂，则需要形成相当长度的冰柱。
逆流管束通常不会冻裂。管束上半部是抽汽口，空气的成分大，虽然温度低，但是不易冻实。凝结水不断从冷区流向热区，冻结的可能性也不大。也就是说在逆流区结冰不容易发展到冻实的程度。
6 避免ACC启动过程中的误操作
将ACC开始建立真空到第一台风机启动的过程称为ACC的启动阶段。ACC的启动过程实际上是一个蒸汽置换空气的过程，该过程分为两步：第一步是通过真空泵建立真空，第二步是在蒸汽驱赶和真空泵的共同作用下完成蒸汽置换空气的过程。
在这个过程中要注意几点
（1）充分建立真空非常重要。建议将背压抽至15kPa。 空冷机组比水冷机组的真空容积大很多，如果真空建立不充分将导致ACC进汽后压力迅速升高，如果太高，则可能导致防爆膜破裂。而且这种压力升高不可以通过起风机来解决，因为空气不可凝结。在冬季，通常的误操作就是，背压升高，马上启风机，压力还是降不下来，接着提高风机转速，结果就是凝结水冻结（因为当时进汽量少）。建议在旁路运行的模式下完成ACC的启动，即将真空的控制权交给风机后，再启动汽轮机。?
（2）ACC初次进汽时汽量应该是逐渐增加而不要突然大量进汽。即使ACC压力达到15kPa，ACC巨大的真空容积内仍滞留着相当多的空气。所以最初的进汽量不可太多，而且这个过程必须通过旁路的开度加以控制。
根据该厂经验，空冷列最初进汽凝结水各温度测点由于空气滞留温度达不到该背压下饱和温度，随着蒸汽将空气驱赶，该列蒸汽及凝结水温度上升至饱和温度，再根据先逆流后顺流，先中间后两边的原则根据背压要求进行风机启动，继而进行汽轮机冲转等操作。
7 直接空冷系统冬季防冻运行方式
该厂直接空冷系统每台机组由8列8排共64个空冷单元组成，每列由3个逆流单元与5个顺流单元组成（以1号机组为例：2、4、7逆流单元）。
2015年冬季该厂通过运行手段有效避免严寒天气翅片冻结，运行方式如下：将直接空冷系统每列1、8排的风机风筒进行封堵风机停电挂禁操，以减少两端空冷单元的自然对流换热强度，防止1、8单元翅片冻结；每列逆流风机频率比顺流风机频率大3Hz，以减小冷区对顺流单元的影响，保证每一列同类风机转速一致；根据负荷大小，在环境温度较低负荷较低的时候将第1、8列隔离阀关闭进行隔离从而增大各运行列进汽量；定期对空冷岛隔离单元隔离阀后温度及各运行列顺流单元底部冷区进行监视，发现问题及时进行调整并记录进台账，防止由于隔离阀不严导致隔离阀后管道结冰冻结，越冻泄漏量越大，造成恶性循环。
采用如上运行方式2015年冬季该厂有效防止了冷区的扩散，冬季未发生一起翅片冻结现象。
8 结论
本文通过对空冷管束冻结原理的分析，揭示了造成空冷系统结冻的主要原因，提出了治理冷区才是空冷岛预防冬季结冻的关键，结合针对大型火电机组的运行特点的研究，通过风机投自动、风机转速一致、合理安排逆流管束区的运行方式、提高抽气温度及入冬前合理冲洗等手段防止冷区出现。对大型火力发电厂直接空冷现场防冻技改，空冷防冻逻辑优化及冬季背压小指标优化有一定借鉴意义。
参考文献
[1] 韩严广. 上海斯比克公司空冷凝汽器系统功能描述. 上海：上海斯比克公司技术设计研究院.
[2] 白洁. 江苏双良节能系统有限公司直接空冷控制系统描述. 江阴：江苏双良节能系统有限公司技术研究院.
[3] 薛海君. 发电厂空冷防寒防冻研究. 成都：第四届中电联火力发电厂空冷交流会会刊.
[4] 张超. 神华国能哈密电厂2014年防寒防冻安全技术措施. 哈密：神华国能哈密电厂.
[5] 荆云涛. 哈尔滨空调股份有限公司在电站空冷领域的研讨和开发//电站空冷基干专题的讨论集(第二集). 哈尔滨：哈尔滨工业大学学报.
[6] 李宝峰，赵平路. 300MW 直接空冷机组抽真空系统特点. 哈尔滨：中国机电工程学会火电分会空冷技术专业委员会第三次学术年会会刊.
[7] 李丽梅. 直接空冷系统凝结水管道振动分析. 北京：北京龙源冷却技术有限公司.
[8] 张新海，李福林，任中远. 6000KW 机组空冷系统技术设计及经济分析. 哈尔滨：中国机电工程学会火电分会空冷技术专业委员会第三次学术年会会刊.
[9] 巨付新，沙布哈尔. 350MW机组真空系统查漏堵漏治理. 新疆：国电克拉玛依发电有限公司.
论文作者:张超
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：逆流论文; 风机论文; 蒸汽论文; 凝结水论文; 过冷论文; 系统论文; 机组论文; 《当代电力文化》2019年15期论文;