直接空冷系統(tǒng)防寒防凍原理及解決方法

直接空冷系統(tǒng)防寒防凍原理及解決方法摘要：本文介紹了大型火力發(fā)電廠直接空冷系統(tǒng)防寒防凍原理及解決辦法關鍵詞：直接空冷；防寒防凍；超臨界1背景我國是一個嚴重缺水的國家，水資源分布極不均衡。在我國北方大部分地區(qū)，水資源緊缺嚴重制約著北方地區(qū)的經濟發(fā)展，尤其是電力行業(yè)。目前水冷機組冷端效率高，應用十分普遍，但在高效率的同時也存在著電廠選址的局限性，所以發(fā)展直接空冷機組能夠改變原有的"以水定電〃的格局，對我國調整現有能源結構，發(fā)展富煤缺水地區(qū)電力行業(yè)有著深遠的意義。直接空冷技術早在上世紀80年代末期開始應用于國內化工、電力領域，但在大型火力發(fā)電機組應用起步較晚，2008年7月，華電靈武電廠投運標志著直接空冷技術正式應用于大型火力發(fā)電機組中。2013年底，某廠4X660MW大型直接空冷項目正式動工建設，筆者時任該廠發(fā)電運行部汽機主管，全程主持、參與直接空冷系統(tǒng)的基建、調試、運營工作。該廠超臨界直接空冷系統(tǒng)（ACC）通過向大氣釋放熱量對汽機排汽進行冷凝，直接空冷系統(tǒng)每臺機組由8列8排共64個空冷單元組成，每列由3個逆流單元與5個順流單元組成。大多數蒸汽在順流單元凝結，少部分蒸汽在逆流單元中凝結，凝結水向下流入聯箱匯集進入排氣裝置繼續(xù)進行汽水循環(huán)，不凝結氣體在逆流單元頂部匯集，由水環(huán)式真空泵抽出。本文針對直接空冷系統(tǒng)冬季易凍結特點，對空冷島翅片管束凍結原理進行了研究，得出了造成空冷系統(tǒng)結凍的主要原因，通過對原因的分析在運行中進行調整與改造，大大降低了空冷島翅片凍結的風險。2直接空冷系統(tǒng)管束凍結原理2.1單排管空冷管束的換熱特點：單排管截面結構及汽水分布如圖2-1所示，在單排管截面結構中，蒸汽分布在管束上方，由于凝結作用的影響，凝結水分布在管束的下方，若出現過冷現象，在水底部過冷度最高的區(qū)域會出現凍結現象。2.2冬季管束內蒸汽流動過程如下:如圖2-2（a）所示，在順流管束內，蒸汽和凝結的水經空氣換熱同時向下流動，隨著流動進程蒸汽越來越少，而凝結的水不斷增多。冬季熱負荷減少而環(huán)境溫度較低時，由于空氣的冷卻能力較強，進入順流管束的蒸汽有可能在上半部分就已經凝結完畢，順流管束下端完全是凝結完畢后的凝結水，容易出現過冷，嚴重時就會發(fā)生凍結的可能。如圖2-2（b）所示，逆流管束的作用是用來凝結順流管束內剩余的蒸汽，來自順流管束的蒸汽從下端進入散熱管自下而上流動，而凝結的水則從上向下流動，管束下端既有凝結的水同時也有蒸汽存在，蒸汽可以直接向凝結水加熱，不宜出現過冷。如果逆流管束內的蒸汽在散熱管下半部分就已經凝結完畢，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為沒有蒸汽而不產生凝結水，逆流管束上端一般不會出現因凝結水過冷原因而發(fā)生的凍結和結冰現象。但是逆流管束上端由于剩余的不凝氣體中夾帶有蒸汽，常出現絮狀結冰，即雪花形狀的結冰。絮狀結冰嚴重時也可造成管束堵塞，但是可以通過逆流風機反轉回暖的方式融化。綜上所述，由于蒸汽跟凝結水流動過程中的差異，以及考慮不凝結氣體的影響，順流管束的下端比逆流管束更容易結冰，故所有空冷系統(tǒng)凍結順序的都是先凍順流管束、再凍結逆流管束、最后導致大范圍凍結影響機組安全性能。3空冷系統(tǒng)冬季防凍保護措施與注意事項造成空冷系統(tǒng)結凍的主要原因有以下幾點：（1） 不凝結氣體大量泄漏。（2） 抽氣能力下降。（3） 換熱不均。（4） 蒸汽隔離閥內漏。少量蒸汽進入管束，旁路閥伴熱不投，旁路閥不開。（5） 換熱能力大于熱負荷。（6） 誤操作。如：風機自動投入選擇不當；長時間反轉、停轉逆流風機；啟動蒸汽流量過小等;其中最重要的是不凝結氣體導致的凍管，大部分凍管源于冷區(qū)，而冷區(qū)源于直接空冷系統(tǒng)中的空氣聚集。圖2-3冷區(qū)形成原理圖如果蒸汽中含有空氣就會在管束中形成冷區(qū)如圖2-3所示。在冷區(qū)里，蒸汽的含量很少，凝結放熱很小，而空氣本身因為比熱小，很容易被冷卻到環(huán)境溫度。當凝結水流經冷區(qū)的時候就會被冷卻，如果在冷區(qū)內被冷卻到冰點，就會結冰。所以所有可能導致空氣聚集的因素都會增加凍管的風險。圖2-4某廠4x660MW單列空冷單元示意圖以該廠1號機組為例，蒸汽在ACC中的流動如圖2-4所示。但是如果停掉C5風機，C6風機滿負荷運行，則C6區(qū)形成了一個強冷區(qū)而C5則形同蒸汽分配管，從而有可能造成C6管束兩端進汽，在C6管束中會形成蒸汽冷凝成凝結水，凝結水在冷區(qū)內進一步被冷卻至冰點下，造成C6管束凍結，所以大多數電廠最早凍結的為順流單元，故該廠制定冬季直接空冷系統(tǒng)就地巡視檢查的重點設定為順流區(qū)底部，發(fā)現冷區(qū)及時進行各排風機頻率調整及翅片管束鋪蓋。4通過運行手段防止冷區(qū)出現4.1冬季運行中直接空冷系統(tǒng)投自動該廠冬季自動模式中設置有凝結水過冷保護，逆流風機回暖保護，抽氣過冷保護等能夠跟據情況實現自動投切，避免人為疏忽照成不必要的損失，該廠4號機組還設置有循環(huán)回暖程控，其目的為當機組出于低背壓工況下，由于冬季環(huán)境溫度過低，容易造成順流單元冷區(qū)長時間固定在某一地點造成翅片凍結，采用循環(huán)回暖程控可實現機組冬季各投入列連續(xù)回暖，使得冷區(qū)不能長時間固定在某一地點，不容易形成凍結。但循環(huán)回暖程控在大風天氣下容易造成逆流風機停下起不來的現象（保護動作為過流過力矩），故大風天氣下該廠不投入逆流回暖程控。4.2風機的轉速應保持一致不同風機轉速不一致容易導致的翅片內部換熱不均勻，造成部分相鄰翅片管束存在不同的過冷度，造成局部拉應力不均勻容易永久形成X型彎，嚴重威脅空冷島的安全性。為了保證空冷翅片表面流場一致，運行中應保持同一列內的各風機應盡量保持轉速一致，尤其是順流風機，防止形成局部過冷，或出現冷區(qū)的現象，減少機組威脅。4.3注意逆流管束區(qū)的運行方式（1） 保持逆流管束強有力的換熱效果有利于將汽/氣混合物從順流管束"抽〃向逆流管束，從而防止順流管束兩端進汽，以避免順流管束出現冷區(qū)。該廠冬季運行機組要求各列逆流風機頻率可微大于順流風機頻率2~3Hz，是由于逆流風機不易凍結，可使逆流單元“抽〃力更大，把順流單元底部的冷區(qū)抽至逆流單元，至使順流單元不易凍結。（2） 應避免長時間反轉逆流風機、停運逆流風機或讓逆流風機以低于順流風機轉速運行。否則順流風機會被迫提高轉速以維持背壓，從而決大部分蒸汽在順流管束內完全冷卻而導致空氣聚集。（3） 逆流風機的回暖的目的不是為了防止逆流管束凍，而是為了防止抽氣口的堵塞，所以逆流回暖的時間不宜過長。該廠設定的逆流回暖時間為5分鐘，一列空冷單元的逆流回暖時間為8分鐘。（4） 抽汽系統(tǒng)的運行。抽氣系統(tǒng)的運行對于ACC來講非常重要。當抽氣溫度下降過冷時應該立刻起備用的真空泵。降低逆流風機的轉速或停止逆流風機、反轉逆流風機是可以提高抽氣溫度，但這樣的操作會導致空氣聚集在順流管束中而導致在"高〃抽氣溫度下仍然產生凍結。關鍵點在于時間的控制與過冷度的把握。（5） 入冬前必須進行一次沖洗這樣對有利于各換熱面的換熱效果均勻，減少由于換熱不均出現的冷區(qū)。保證系統(tǒng)嚴密性。真空嚴密性試驗要經常做，盡量控制100Pa/min以下。如果漏氣量較大，機組冬季運行至少2臺真空泵維持真空。5冷區(qū)處理如果系統(tǒng)完全沒有不凝結氣體，正常運行時就不會有凍的問題。然而，實際上系統(tǒng)中總是有不凝結氣體的存在，因此，在冬季運行的ACC總是或多或少的存在冷區(qū)現象。（1） 若巡視中發(fā)現逆流管束過冷，可以按以下步驟進行調整開啟備用真空泵。適當降低該列順流風機轉速。（2） 若巡視中發(fā)現順流管束過冷，可以按以下步驟進行調整開啟備用真空泵。適當降低該列順流風機轉速。在抽空氣溫度不過冷前提下，適當提高逆流風機轉速。（3） 對冬季空冷系統(tǒng)調節(jié)參數要求凝結水溫度過冷度控制在5°C以內。抽空氣溫度過冷度控制在10C以內。冬季寒冷氣候下為空冷防凍可提高背壓至15kPa以上，但注意凝結水溫度不高于60C，防止化學精處理裝置退出運行。系統(tǒng)中有冷區(qū)并不一定意味著凍實。根據經驗，在一個嚴密性好的系統(tǒng)里，冷區(qū)的數量少且小，而且隨著工況的變動（如風機轉速的變動，風向的變動等）冷區(qū)在"移動”。在這種情況下管束不會凍裂。但是如果漏氣量很大或抽氣系統(tǒng)功能失效則會使較多的冷區(qū)出現，而且冷區(qū)的面積也會加大，冷空氣無法排除而導致冰結實。而要發(fā)展到管束凍裂，則需要形成相當長度的冰柱。逆流管束通常不會凍裂。管束上半部是抽汽口，空氣的成分大，雖然溫度低，但是不易凍實。凝結水不斷從冷區(qū)流向熱區(qū)，凍結的可能性也不大。也就是說在逆流區(qū)結冰不容易發(fā)展到凍實的程度。6避免ACC啟動過程中的誤操作將ACC開始建立真空到第一臺風機啟動的過程稱為ACC的啟動階段。ACC的啟動過程實際上是一個蒸汽置換空氣的過程，該過程分為兩步：第一步是通過真空泵建立真空，第二步是在蒸汽驅趕和真空泵的共同作用下完成蒸汽置換空氣的過程。在這個過程中要注意幾點（1） 充分建立真空非常重要。建議將背壓抽至15kPa?？绽錂C組比水冷機組的真空容積大很多，如果真空建立不充分將導致ACC進汽后壓力迅速升高，如果太高，則可能導致防爆膜破裂。而且這種壓力升高不可以通過起風機來解決，因為空氣不可凝結。在冬季，通常的誤操作就是，背壓升高，馬上啟風機，壓力還是降不下來，接著提高風機轉速，結果就是凝結水凍結（因為當時進汽量少）。建議在旁路運行的模式下完成ACC的啟動，即將真空的控制權交給風機后，再啟動汽輪機。？（2） ACC初次進汽時汽量應該是逐漸增加而不要突然大量進汽。即使ACC壓力達到15kPa，ACC巨大的真空容積內仍滯留著相當多的空氣。所以最初的進汽量不可太多，而且這個過程必須通過旁路的開度加以控制。根據該廠經驗，空冷列最初進汽凝結水各溫度測點由于空氣滯留溫度達不到該背壓下飽和溫度，隨著蒸汽將空氣驅趕，該列蒸汽及凝結水溫度上升至飽和溫度，再根據先逆流后順流，先中間后兩邊的原則根據背壓要求進行風機啟動，繼而進行汽輪機沖轉等操作。7直接空冷系統(tǒng)冬季防凍運行方式該廠直接空冷系統(tǒng)每臺機組由8列8排共64個空冷單元組成，每列由3個逆流單元與5個順流單元組成（以1號機組為例：2、4、7逆流單元）。2015年冬季該廠通過運行手段有效避免嚴寒天氣翅片凍結，運行方式如下：將直接空冷系統(tǒng)每列1、8排的風機風筒進行封堵風機停電掛禁操，以減少兩端空冷單元的自然對流換熱強度，防止1、8單元翅片凍結；每列逆流風機頻率比順流風機頻率大3Hz，以減小冷區(qū)對順流單元的影響，保證每一列同類風機轉速一致；根據負荷大小，在環(huán)境溫度較低負荷較低的時候將第1、8列隔離閥關閉進行隔離從而增大各運行列進汽量；定期對空冷島隔離單元隔離閥后溫度及各運行列順流單元底部冷區(qū)進行監(jiān)視，發(fā)現問題及時進行調整并記錄進臺賬，防止由于隔離閥不嚴導致隔離閥后管道結冰凍結，越凍泄漏量越大，造成惡性循環(huán)。采用如上運行方式2015年冬季該廠有效防止了冷區(qū)的擴散，冬季未發(fā)生一起翅片凍結現象。8結論本文通過對空冷管束凍結原理的分析，揭示了造成空冷系統(tǒng)結凍的主要原因，提出了治理冷區(qū)才是空冷島預防冬季結凍的關鍵，結合針對大型火電機組的運行特點的研究，通過風機投自動、風機轉速一致、合理安排逆流管束區(qū)的運行方式、提高抽氣溫度及入冬前合理沖洗等手段防止冷區(qū)出現。對大型火力發(fā)電廠直接空冷現場防凍技改，空冷防凍邏輯優(yōu)化及冬季背壓小指標優(yōu)化有一定借鑒意義。參考文獻[1]韓嚴廣.上海斯比克公司空冷凝汽器系統(tǒng)功能描述.上海：上海斯比克公司技術設計研究院.[2]白潔.江蘇雙良節(jié)能系統(tǒng)有限公司直接空冷控制系統(tǒng)描述.江陰：江蘇雙良節(jié)能系統(tǒng)有限公司技術研究院.薛海君.發(fā)電廠空冷防寒防凍研究.成都：第四屆中電聯火力發(fā)電廠空冷交流會會刊.⑷張超.神華國能哈密電廠2014年防寒防凍安全技術措施.哈密：神華國能哈密電廠.荊云濤.哈爾濱空調股份有限公司在電