北方冬季６００ＭＷ直接空冷機組空冷凝汽器運行研究

張貴勇

[摘要]600MW直接空冷機組在我國“三北”地區(qū)氣候和氣象條件下的運行具有許多特殊性。筆者結合600MW直接冷空機組的實際運行情況，對北方典型氣候條件下600MW直接空冷機組的優(yōu)化運行進行研究和分析，以提高600MW直接空冷機組的安全和經(jīng)濟運行水平。

[關鍵詞]600MW直接空冷機 優(yōu)化運行 經(jīng)濟

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420032－02

一、引言

600MW直接空冷機組在我國“三北”地區(qū)氣候和氣象條件下的運行具有許多特殊性，實踐經(jīng)驗幾乎為零，理論研究也很不完善。對于其中已經(jīng)暴露出來的一些問題，諸如背壓較高、冬季防凍、夏季出力受限、空冷風機的優(yōu)化調(diào)整等，認識還很粗淺，有時甚至存在截然相反的觀點，要形成科學、可靠的優(yōu)化運行體系尚須大量工作。因此結合600MW直接冷空機組的實際運行情況，對直接空冷機組的安全與經(jīng)濟運行進行系統(tǒng)的研究和分析，顯得非常迫切。

二、空冷防凍須控制的關鍵因素

空冷凝汽器管內(nèi)蒸汽通過換熱管及翅片把熱量傳給管外空氣，使蒸汽凝結，當管內(nèi)蒸汽量過小或管外空氣量過大時，蒸汽在管束中沿管長大部分提前凝結為水，并沿管壁向下流動，且在流動過程中繼續(xù)被冷卻；凝結水在翅片管內(nèi)流動時，中心區(qū)為紊流區(qū)，管壁附近為層流區(qū)。理論分析認為，紊流區(qū)流體放熱以對流為主，層流區(qū)流體放熱以傳導為主，流體在翅片管內(nèi)層流區(qū)的厚度與流體的流速有關，流速越小，層流區(qū)越厚。當流速減小到一定程度時，翅片管內(nèi)流體完全轉變?yōu)閷恿?，流體宏觀上接近于靜止狀態(tài)。這時流體放熱以傳導為主。流體對管壁放熱過程中，其溫度不斷下降。當溫度下降至0℃以下時，流體開始凍結。隨著流體不斷向管壁放熱，凍結程度不斷加劇，最后液體變成固體，凝結為冰。凍結現(xiàn)象發(fā)生以后，蒸汽流道變窄，空冷翅片管內(nèi)流體出現(xiàn)流動速度慢、流動中止或斷流等現(xiàn)象，進一步加劇空冷翅片管內(nèi)流體凍結現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重時會凍壞冷卻管束。

（一）空冷凝汽器負荷

空冷凝汽器負荷即指進入空冷凝汽器的蒸汽量?？绽淠髫摵稍叫。l(fā)生凍結的可能性越大。機組正常運行中空冷凝汽器的負荷取決于機組負荷。機組在運行期間空冷風機8排全投的情況下，最低負荷如表（一）：

從（一）可以看出，環(huán)境溫度越低，保證空冷凝汽器小被凍結的最小蒸汽量越大，即要求機組在運行期間的最低負荷越高。也可以看出，機組的調(diào)峰低限300MW是可以滿足大多數(shù)環(huán)境溫度對負荷的要求的，因此負荷300MW以上能夠同時滿足調(diào)峰和防凍的要求，應作為600W直接空冷機組在冬季運行時的負荷低限來控制。依此指導思想，機組在啟、停過程中，應盡可能地通過調(diào)整高低壓旁路、提高背壓、或采用高中壓聯(lián)合啟動的方式來增加進入空冷凝汽器蒸汽量，以防止發(fā)生凍結。

（二）空冷凝汽器壓力

忽略管道流動壓降，空冷凝汽器壓力即指機組背壓。機組背壓和排汽飽和溫度是對應的，機組背壓越低，對應于排汽壓力下的飽和溫度就越低；同時，在額定進汽壓力下汽輪機帶相同負荷時所消耗的蒸汽量也越少，進入空冷凝汽器的熱量就越少，空冷凝汽器發(fā)生凍結的可能性就越大。因此，機組背壓也是空冷防凍的一項重要控制因素。直接空冷機組在冬季運行時必須確定一個最低的運行背壓。根據(jù)海勒式間接空冷系統(tǒng)多年來的運行經(jīng)驗，可得出如果能夠保證凝結水收集聯(lián)箱平均水溫達到35℃及以上時，是可以滿足冬季空冷系統(tǒng)的防凍要求。至于在確定汽輪機冬季最低的理論運行背壓時，可以按照上述方法結合凝結水收集聯(lián)箱的最低保證溫度，根據(jù)確定后的過冷度以及汽輪機排汽管道沿程阻力倒推到汽輪機排汽口的壓力(運行背壓)來確定?？绽錂C組冬季運行時背壓的選擇應綜合考慮安全和經(jīng)濟性的要求。前已述及，600MW直接空冷機組的背壓如果6.95kpa提高到10kpa時，相應背壓所對應的凝結水溫度增加較多，相同功率下對應的汽耗量卻增加很少，即空冷系統(tǒng)的安全性能顯著提高，而經(jīng)濟性又可以得到保證。因此，根據(jù)已有的一些運行經(jīng)驗，建議冬季運行時空冷機組的背壓低限取9kpa，同時還應根據(jù)環(huán)境溫度的變化以及空冷系統(tǒng)的運行狀況靈活掌握。

（三）空冷凝汽器散熱管束表面溫度

直接空冷機組龐大的空冷散熱系統(tǒng)在機組運行中不可避免地存在著熱力和蒸汽流量分配不均勻的現(xiàn)象。從理論上講，空冷散熱系統(tǒng)八排應均等地分配汽輪機的排汽量，但由于設計、制造與安裝的因素，同時也由于運行中空冷風機運行方式及環(huán)境因素變化等原因，對應汽輪機一定的排汽流量,空冷散熱系統(tǒng)每一排并非均等地占有1/8份額的蒸汽分配流量。尤其是在機組低負荷運行期間，有資料顯示，這種流量偏差可以達到5%。運行中觀察，隨著進入空冷島的熱負荷的降低，這種熱力和流量的偏差是逐漸增大的。在機組低負荷運行期間，個別散熱單元所分配的汽量將遠遠低于生產(chǎn)廠家要求的最小熱負荷。所以，在直接空冷系統(tǒng)冬季運行期間，應特別考慮因熱力和流量不均導致散熱管束表面溫度偏差而帶來的散熱管束凍壞的危險。

根據(jù)600MW直接空冷系統(tǒng)結構特點和實際運行情況，單排管散熱管束表面溫差有以下四種情況：（1）空冷島配汽聯(lián)箱對應的八個排由于熱力和流量的不均所造成的溫差；（2）同一排不同列空冷散熱管束由于熱力和流量的不均所造成的溫差；（3）對應于同一排南北兩側管束的熱力和流量的不均所造成的溫差；（4）對應于同一排南側或北側相鄰管束間的熱力和流量的不均所造成的溫差。這四種熱力和流量的不均均會導致散熱管束表面出現(xiàn)溫差，同時導致各排凝結水下聯(lián)箱出現(xiàn)溫差。以上四種表面溫差現(xiàn)象反映了空冷凝汽器內(nèi)部熱量分配的不均勻程度，冬季運行檢查時必須對上述現(xiàn)象予以重視并嚴肅對待。運行檢查中發(fā)現(xiàn)，散熱管束表面溫度較低的部位多出現(xiàn)在：(1)安裝焊接過程中遺留下來的安裝縫隙附近的管束；(2)順流和逆流管束相鄰的部位；（3）運轉風機與停運風機相鄰間的管束。

（四）凝結水過冷度

凝結水過冷度定義為在凝汽器壓力下的飽和溫度和凝結水溫度之差。但在電廠實際計算過冷度時，一般采用汽輪機排汽壓力對應的飽和蒸汽溫度與凝結水泵出口(或凝結水箱)的凝結水溫度的差值進行計算。

對于直接空冷系統(tǒng)，汽輪機的背壓與空冷凝汽器的內(nèi)部壓力不是一個概念。汽輪機的排汽口到空冷蒸汽分配聯(lián)箱入口之間的管道有一個壓降，空冷蒸汽分配聯(lián)箱管道本身也有一個壓降，加上空冷順、逆流凝汽器的管道損失，整體壓降會更大。據(jù)資料顯示，在冬季運行時，如果汽輪機的背壓在9kPa左右時，蒸汽到達空冷凝汽器總體流動的壓降可以達到2.6kPa，即：在空冷凝汽器的凝結水收集聯(lián)箱處的壓力是6.4kPa；而排汽壓力為9kPa和6.4kPa時對應的飽和溫度分別為43.79℃和37.09℃；這樣，在凝結水收集聯(lián)箱處的理論凝結水溫度應該是在37.1℃左右，則過冷度約為6.7℃。可見，直接空冷機組的凝結水過冷度相對于濕冷機組是比較大的。

（五）真空抽氣口溫度

由于大量的蒸汽在順流凝汽器內(nèi)已被凝結冷卻，到逆流凝汽器的未凝結蒸汽量已比較小，同時蒸汽溫度也已降低很多，未凝結的蒸汽濕度又是比較大的。所以，在整個空冷凝汽器中，真空抽氣口位置的蒸汽溫度應該是最低的，工況是最為惡劣的。在冬季環(huán)境溫度較低的情況下，逆流段凝汽器內(nèi)蒸汽極易降低到 0℃以下，發(fā)生凍結現(xiàn)象。因此，直接空冷機組在冬季運行期間，真空抽氣口的溫度監(jiān)測尤為重要。如果控制不好此點溫度，真空抽氣口極容易被結霜堵住，由于還有大量的蒸汽進入散熱管束，極易發(fā)生流動速度減慢甚至停滯現(xiàn)象，致逆流段凝汽器內(nèi)汽流降低到 0℃以下凍結成冰，最后導致本排管束全部受凍，后果將不堪設想。

三、空冷風機運行方式優(yōu)化

（一）空冷風機運行方式

空冷風機運行方式是導致空冷凝汽器凍結的一個重要因素，因此通過運行試驗來確定空冷風機在機組啟動、停機或正常運行中的組合運行方式。在分析之前，作如下說明：（1）機組正常運行時，300MW負荷是機組的調(diào)峰低限，因此以下例證均以300MW負荷工況作為研究對象。（2）為了便于分析比較，以下例證均選取-14℃左右的環(huán)境溫度作為基點。（3）由于安裝結構的因素，空冷機組#1排汽管對應的是空冷凝汽器5-8排，#2排汽管對應的是空冷凝汽器1-4排。（4）空冷風機出口溫度測點共有6個，表格中1-2的含義指1排2列，其他類似。（5）每一排空冷凝汽器下聯(lián)箱凝結水溫測點有2個，分南北兩側。

（二）優(yōu)化方案的確定

經(jīng)過冬季長時間的試驗和調(diào)整，可以得出如下結論：

（1）在空冷風機運行方式不合理的情況下，空冷翅片溫度低點多發(fā)生在2、6列逆流段。（2）環(huán)境溫度較低的情況下，2、6列空冷風機應盡可能最后停運，（3）根據(jù)風向、風力及環(huán)境因素的變化，空冷風機運行方式應作出相應的調(diào)整。（4）空冷風機不同頻時，容易導致部分區(qū)域出現(xiàn)過冷現(xiàn)象。（5）1-4排與5-8排空冷風機應對等停運，避免因空冷負荷分配不均而導致#1、2排汽管背壓不同。（6）環(huán)境溫度較低的情況下，背壓維持較低易使空冷翅片的一些薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生凍壞現(xiàn)象。（7）同樣的空冷負荷下，應盡可能多地維持風機運轉，并且低頻運行。（8）停運1、7列或3、5列空冷風機應盡可能先停7列再停1列、先停5列再停3列，便于防凍。

四、直接空冷系統(tǒng)防凍措施

（一）設計上考慮的防凍措施

從設計選型的角度，主要考慮的防凍措施有：

（1）選用單排管空冷散熱器。目前國際上普遍使用的空冷機組散熱器有單排管、雙排管和三排管 3 種型式，單排管散熱器由于每根散熱管同時處于迎風面和背風面,與其他兩種型式散熱器相比防凍性能更好。（2）空冷凝汽器設置逆流段。設置逆流段一方面防止進入空冷凝汽器的蒸汽在凝結過程中在空冷凝汽器下部出現(xiàn)過冷進而發(fā)生凍結的可能性，另一方面可使系統(tǒng)內(nèi)空氣和不凝結氣體比較順暢地排出，不致在空冷凝汽器內(nèi)的某些部位形成死區(qū)，致局部溫度降低而凍裂翅片管。（3）在進入 1、8 排散熱單元的蒸汽管道上設置閥門。當汽輪機排汽量較小且氣溫較低時，切斷其散熱單元的閥門，將熱量集中在剩余的散熱單元中，增加其熱負荷。停運的散熱單元仍保持真空狀態(tài)，可防止空冷凝汽器腐蝕，并可隨時投運。（4）合理選配順流凝汽器管束與逆流凝汽器管束面積的比例，選擇適當?shù)墓苁Y構型式。

（二）運行上采取的防凍措施

（1）機組在運行中的措施

1、機組在冬季運行期間，應密切監(jiān)視空冷島各排真空抽氣的溫度。抽氣溫度正常情況應比本排下聯(lián)箱凝結水溫度低1～5℃，但在任何時候不得低于15℃。運行中若發(fā)現(xiàn)抽氣口溫度下降后，應降低對應排的逆流風機轉速或停止風機運轉，若溫度沒有回升，則還應適當降低本排順流風機轉速，同時將反轉防凍功能投入。必要時在上述調(diào)整的基礎上啟動備用真空泵，通過增加抽氣口的空氣流速來提高溫度。

2、機組在運行期間，任何情況下機組負荷不得低于不同環(huán)境溫度對應下的最低出力。

3、機組在低負荷運行期間，應加強空冷島各散熱管束表面溫度偏差的檢查測量。單個散熱管束表面溫度不允許有＜15℃的情況出現(xiàn)，否則應繼續(xù)降低風機轉速或增加機組負荷。

4、冬季低負荷運行期間每班應就地實測各排散熱器及聯(lián)箱溫度不少于兩次，尤其應注意各排凝結水溫度測點對側的聯(lián)箱溫度。

5、低負荷情況下盡可能保持各排風機低頻且同排各風機的運行頻率相同。絕不允許發(fā)生由于某一風機頻率過高造成局部過冷現(xiàn)象。

6、冬季運行中應注意檢查各排南北兩側凝結水聯(lián)箱任意連續(xù)位置溫度均不得低于40℃，且各排南北兩側溫度偏差不得大于5℃。若發(fā)現(xiàn)有偏差大于5℃時，應及時解除自動，降低本排所有風機轉速。

7、直接空冷機組在冬季運行期間，應密切監(jiān)視各排凝結水的過冷度。冬季凝結水的過冷度最大不應超過6.7℃。否則，應啟動一臺真空泵或提高機組背壓。

（2）啟動和停機過程中的措施

1、環(huán)境溫度≤+2℃時，直接空冷機組啟動必須采用高、中壓缸聯(lián)合啟動的方式。

2、鍋爐點火前，嚴禁在汽包有壓力時開啟主蒸汽及再熱蒸汽管道疏水。主蒸汽及再熱蒸汽管道疏水前必須確認空冷凝汽器已經(jīng)抽起真空且背壓低于30.0 kPa。

3、點火后應根據(jù)鍋爐再熱器的干燒能力特性確定汽機在沖車前打開低旁向空冷島進汽的時間和參數(shù)。低壓旁路投運后，應盡快勻速增加低旁流量到空冷島要求的最小進汽量，并控制低旁減溫后溫度在100～150℃范圍。在保證空冷島進汽溫度＜120℃情況下，盡量提高空冷島進汽溫度。

4、啟動過程中投入旁路系統(tǒng)時必須遵循先投入低壓旁路，再投入高壓旁路的順序。投入低壓旁路前必須將機組背壓降低到40kPa 以下。同時高、低壓旁路的投入操作必須緩慢進行。

5、汽輪機定速后應根據(jù)汽缸金屬溫度盡快帶至相對應的負荷，在汽輪機應力允許條件下，應盡快升負荷至對應值。

6、冬季啟停機過程中各值應設專人對空冷島各排散熱器南、北側下聯(lián)箱及散熱器管束進行就地溫度實測，有異常時應加大空冷島的進汽量或提高其進汽參數(shù)。同時增加檢查和測量次數(shù)。

7、停機后應及時將主凝結水箱內(nèi)水以及向空冷島補水管道存水放盡。

參考文獻：

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