高寒地区直接空冷机组防冻措施研究
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摘要：结合国产化直接空冷机组所处高寒地区的特点，分析了空冷机组的空冷凝汽器管道冻结的原因。针对冻结的原因分析了防冻设计要点，并提出了典型冷季工况下的防冻的措施，有利于空冷机组的稳定运行。
ABSTRACT: Based on the characteristics of alpine region in which domestic direct air-cooling condenser unit located, the freezing reasons of pipelines of air - cooling condenser of the unit are analyzed. Design points of antifreeze are analyzed according to freezing reasons, and some measures of antifreeze in typical operating conditions in cold season are proposed, and these are benefit to the running stabilization of the units.
KEY WORDS: direct air - cooling condenser (ACC) unit; freezing reasons; antifreeze; operating conditions in cold season
0 引言
霍林河坑口电厂为国产化直接空冷机组，厂址位于内蒙古霍林郭勒市，地处大兴安岭西坡，为山地向内蒙古高原的过渡地带，属于高寒地区，其特点是：冬季严寒漫长，春季干旱多大风，夏季短暂凉爽，秋季降温迅速，累年平均气温1.1℃，累年极端最低气温39.4℃。霍林河坑口电厂汽轮机为哈尔滨汽轮机有限责任公司(简称“哈汽公司”)生产的亚临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式600MW汽轮机组，型号：NZK600-16.7/538/538-2。空冷系统是哈尔滨空调股份公司制造的国产第二台和第三台单排管空冷散热器，设计背压11 kPa，阻塞背压6.2kPa。
1 冻结原因分析
1.1 环境温度、气流场影响
直接空冷机组以环境空气而非水作为汽轮机排汽的冷却介质，因此环境条件如气温、风速、风向的变化，将会直接影响空冷凝汽器的传热性能。此外，直接空冷电站内的建筑物如锅炉房、汽机房等，由于距离空冷岛相对较近，会影响空冷岛的冷却空气流场，从而影响空冷凝汽器的传热性能[1]。
通过进行数模试验，建立外流场考核不同外界因素综合作用下对平台换热性能的影响，得出如下结论：(1)平台换热量将随外界空气温度上升而下降；(2)低风速情况下，各个风向下外界气温对平台换热能力及汽轮机背压的影响不明显；(3)高风速情况下，外界气温对平台换热能力影响加强，在外界风从无阻碍的方向作用时，加大了平台下部的湍流强度，增加了平台上方的高压区。(4)过大的风速在平台上方形成高压区，阻碍换热后的热空气的排放，降低平台换热能力，另外，作用于平台下方增强该区域的湍流强度，使进入平台的冷空气量增加，提高换热能力。
由于外部环境及气流场的不平衡，在冬季环境温度降低，某排风机运行可能导致对流换热增强，形成管道内的蒸汽分配的不均匀，使其他空冷单元蒸汽减少，产生局部蒸汽凝结，最终导致冻结现象产生。
1.2 最小防冻流量设计不足
由于在空冷管道内易产生蒸汽分配不均匀以及局部蒸汽量少的现象，易造成冻结现象，故设计时需要考虑最小防冻流量，在最小防冻流量设计不足时，也会产生冻结现象。文献[2]针对单排管直接空气冷凝器冻结机理进行了研究，并指出空冷凝汽器内的蒸汽流量低于其设计值或冷却空气量过剩是导致单排管束直接空冷凝汽器发生冻结的主要原因。
通过数模试验，建立空冷凝汽器空气与水蒸汽换热的数学模型，首先计算单排管在不冻结情况下的最小流量，最终计算整个平台的换热情况，得出如下结论：在最外部的蒸汽管由于直接接触外界冷空气，换热最为充分，越往里走，直接接触外界冷空气的面积就越少，同时受到周围蒸汽管的辐射影响，换热能力有所下降，管内冷凝水质量分率也较低，但最内管由于一侧毗邻挡风墙，虽然外界冷空气的流动不充分，但也没有其他的蒸汽管的辐射影响，换热能力略有提高。计算所得的最小防冻流量如下图所示。
1.3 其他因素
其他因素主要有：(1) 直接空冷机组处于某些异常运行方式时，如抽真空系统异常或排汽压力控制故障时，大量的空气和凝汽器内未冷却的气体开始聚积，增加凝结水过冷度，在冬季很低的环境温度下发生凝结水冻结[3]。由于管道的真空严密性下降，导致局部管道泄漏率上升，发生冻结现象；(2)各列之间的隔离阀关闭不严，导致蒸汽进入其他管道，发生冻结现象；(3)停机前由于运行方式不当，导致蒸汽进入空冷凝汽器管道，发生冻结现象，例如停运空冷凝汽器时，如果系统内有残留的凝结水或蒸汽没有及时排尽，滞留在系统中的蒸汽在冬季很低的环境温度冷却下，将发生空冷凝汽器散热器管束、抽真空管冻结现象[3]。
2 空冷机组防冻设计
2.1 顺流面积与逆流面积比值设计
目前世界上直接空冷电站采用的空冷凝汽器形式有单排管、双排管和三排管三种。在工程实践中，一般多采用顺流式空冷凝汽器，其优点为传热效果好、汽阻小，但在低负荷及低温条件下，在散热器翅片管底部的凝结水可能会出现过冷现象，尤其是空气和不凝气体的聚集，将形成冷区或冷点，冻结凝结水，造成管子破裂，影响到机组的安全运行。因此在霍林河这样寒冷的地区，空冷凝汽器考虑采用顺流、逆流凝汽器混合布置的方式，即KD结构混合布置方式。使70％到80％的蒸汽通过蒸汽分配管道进入顺流凝汽器中被冷凝成凝结水，凝结水流到底部的蒸汽/凝结水联箱中，顺流管束即为K管束。其余的蒸汽在逆流管束中被冷凝，蒸汽是由凝结水联箱向上流动的，而凝结水从管束内壁自上向下流到蒸汽/凝结水联箱中并被排出，逆流管束即为D管束。为了保持系统的真空，在逆流管束的顶部未冷凝的蒸汽和空气的混合物将被抽真空设施抽出。这种KD结构形式的布置方式确保了在任何区域内蒸汽都与凝结水有直接的接触，因此将保持凝结水的水温与蒸汽温度相同，从而避免了凝结水的过冷、溶氧和冻害。
根据数模试验表明，采用恰当的顺流与逆流面积比，可以提高换热效率。对于严寒地区，“K:D”取小值，如6:4，7:3等，对于炎热地区，“K:D”取大值，如8:2，9:1等。最终确定霍林河电厂的K:D的值为7:1。
2.2 管道系统设计
排汽管道能够在机组启动、汽轮机旁路投运和正常运行的各种运行工况下将汽轮机排汽从排汽装置排入空冷凝汽器内。VWO工况总排汽量为1343t/h。排汽管道由排汽装置接出，接口标高3.5米。每一侧排汽装置接出一根DN6000主排汽管道，共有两根主排汽管道。每根主排汽管道在标高37.8米分为四根DN3000支管分别进入蒸汽分配联箱。
经多方案CAESARII 4.5管道应力分析计算，最终确定如下排汽管道补偿方案：每根主排汽管道设置两个水平铰链补偿器(标高为3.5m)和两个垂直万向铰链补偿器(标高为19m以下)用以代替大型直接空冷系统自主设计与制造示范工程中的曲管压力平衡补偿器。其优点是省去了复杂的曲管压力平衡补偿器的拉杆，支架导向联合管部以及封头，立管吊架恒力弹簧。在37.8m至57.513m的DN3000的立管上设置角向补偿器。
空冷凝汽器系统供汽管道上安装阀门是有效控制空冷凝汽器防冻手段，但如果该阀门开关次数过多，或者热应力影响导致阀门严密性下降，则会造成即使阀门在关闭状态下也有少量蒸汽漏入后面的空冷凝汽器，导致局部冻结现象的发生[4]。为满足机组冬季启动的要求，在空冷凝汽器的两侧共6根蒸汽分配联箱上设置电动隔离阀，阀门为真空密封阀。在两根排汽管道上各装有超压薄膜破坏阀，每根排汽管道装设两根DN900的薄膜破坏阀。当整个系统超压时薄膜破坏，爆破压力145KPa，保护排汽管道及其与之相连的附件和空冷凝汽器。
文献[5]提出在每个进入空冷单元的蒸汽支管上设置阀门，当汽轮机排热量较小且气温较低时，关闭某几个空冷单元的阀门，将热量集中在剩余的空冷单元中，保证运行单元的最小热负荷。在管道设计时，排汽管道上设计了6个隔离蝶阀。环境温度高于2℃以上时在汽轮机各种运行工况下所有隔离蝶阀均在开启状态。环境温度低于2℃及以下时隔离阀的开关数量由空冷凝汽器最小热负荷的要求来确定。
2.3 空冷单元设计
每台机组采用56个空冷单元(8列7排)，其中顺流单元为40个，逆流单元16个(KD比为7:1)，逆流单元布置在2排和6排，顺流单元布置在1、3、4、5、7排，每个空冷单元由8片(每片52根管束)以57度角组成的等腰三角“A”结构构成(两侧各4片)。每个管束宽3.020m，由单排翅片管组成。每根翅片管由率铝制椭圆管和翅片构成。不同冷却单元之间应设隔墙，以免相邻冷却单元相互影响和相邻风机的停运而降低通风效率，隔墙应便于拆装和维护，并具有一定的强度，以免由于振动而损坏。此设计有效的避免了由于相邻单元的影响而造成的管道冻结现象。
2.4 防冻程序设计
冬季环境温度较低，因此如果单纯启动某一排风机会造成该排空冷装置由于风机的外力作用，对流换热能力增加，导致该区域负压加大，从而使得大量蒸汽流向该区域，而其他空冷单元的蒸汽流量较少，这就容易造成小流量蒸汽凝结而形成过冷度，冻结现象就极易发生[6]。在冷季工况下，自动控制系统最主要的任务就是为了防止这类事故的发生。当发生不正常的气体泄漏或真空系统不稳定时，仅对压力进行控制可能就不够了。因此，所有各排空冷凝汽器单元的凝结水出口的温度都被进行监测。无论何时当某一单元的凝结水出口温度低于设定的限制值35℃时，该组冷凝器扇区的风扇将转换到下一阶较低的转速运行，甚至到停机，直到凝结水的温度恢复。
在第二级即逆流空冷凝汽器的较高位置区域的管束内，通常出现不可凝气体的过冷，当环境温度远低于冰点时，长时间的运行可能在管束内造成结冰。即使这些冰冻不会马上使管束发生危险，但它减小了空气抽气的通流面积，因此必须随时消除它们。通过周期性地使逆流空冷凝汽器的风机停运或倒转，可以使冰冻在达到某一危险厚度值之前就融化掉，逆流管束风机必须且要以给定的速度反转一段时间，然后停5分钟，给逆流管束加热，融化可能形成的冰块。每排空冷凝汽器的逆流段风机每隔30分钟以21.9 r/min(30％)反转5分钟(调试时可调)，其余风机继续运行。
3.1 冷季工况
正常工况下，将空冷凝汽器置于自动运行方式，确保顺流防冻保护、逆流防冻保护以及回暖加热循环一直处在正常投用状态。配合自动程序进行防冻。在保证过冷度的情况下，尽量保持机组背压在阻塞背压+1.5KPa范围内，任何情况下不得低于7KPa运行，若机组在360MW以下连续运行超过24小时，适当提高机组背压。
加强对排汽装置的补水量及排汽装置水位的监视，发现排汽装置水位下降，补水量异常增大时，应分析空冷散热器以及凝结水管道是否冻结。确保各列散热器之间的隔离门关闭，防止窜风。同时需要定期进行真空严密性试验，确保机组泄漏量低于270 Pa/min，此值越低越有利于防冻和空冷性能。否则，大量泄漏冷空气存于管束内无法被抽真空系统抽出，导致蒸汽过冷凝，甚至于冻结。故需定期进行真空严密性试验以确保空冷冬季的安全稳定运行。
3.2 冷季低负荷工况
冷季低负荷工况下，应当尽量保持各列同时运行，以免发生蒸汽蝶阀关闭不严密造成该列冻结。必要时可解除自动，停止所有顺流风机运行，增加逆流风机反转台数并定期切换。需要注意：无论在自动或手动状态，当该列所有风机全停后延时10分钟将关闭该列蒸汽进汽蝶阀。
在环境温度低于某设定值时，逆流冷却单元的风机需要进行间断反转，吸入空冷系统散出的热量，这是防冻的有效措施。当汽温特别低时，可手动解除某列风机自动，手动降低该列所有风机转速稳定一段时间后再恢复原转速，此项操作可从第一列和第八列空冷凝汽器单元开始，循环进行。
3.3 冷季其他工况
冬季环境温度低，启动初期，空冷散热器不能进汽，因启动初期进汽量少，庞大的空冷岛得不到足够蒸汽的预热，可能因管道冲击振动和大面积冰冻而造成设备损坏[7]。
在机组启动时，必须保证机组运行时排气量大于最小防冻流量。根据启机时的室外环境温度最小防冻流量曲线，向空冷凝汽器通汽，在空冷凝汽器进汽的同时3台真空泵持续运行，当汽轮机的排汽压力达到15kPa左右，就完成了启动期间抽真空工作，此时只需1台真空泵处于运行状态维持空冷凝汽器的真空，其余2台真空泵处于停机备用状态。这时空冷凝汽器系统可以接受全部蒸汽(额定排汽)。
机组启停机过程中，当机组负荷小于300MW以下，控制机组背压在25～30KPa之间。启、停机、事故状态下，重点监视空冷岛测点，尤其是空冷凝汽器各列凝结水温度和抽真空管温度，控制凝结水温度35℃以上，抽真空温度20℃以上，运行发现温度有异常变化，要及时分析原因，若有结冻能正确判断出部位，以便通过提高机组出力，提高机组背压、回暖、烘烤等方法进行解冻。
停机前将辅汽、汽封疏水排出至临机或锅炉定扩，防止蒸汽沿大直径排汽管道进入40、50列空冷凝汽器造成散热器冻结。随着机组负荷的降低，当风机全部停运后，应逐渐停止单列散热器运行。先关单列散热器进汽隔离阀，抽空气蝶阀、凝结水阀保持全开。汽轮机打闸后应立即关闭所有导入排气装置的疏水阀，停运真空泵，待机组转速低于400转/分时，开启真空破坏门，真空到0KPa，立即停止轴封供汽，校严各轴封供汽门，开启疏水排大汽。对系统进行检查，确保空冷凝汽器内无存水，防止发生冻结现象。
4 结语
结合国产化直接空冷机组所处高寒地区的特点，从环境影响、最小防冻流量和其他冻结因素分析了空冷凝汽器管道冻结的原因，在此基础上提出了顺流面积和逆流面积比、管道、空冷单元和程序等方面设计时的防冻要点，并提出了典型冷季工况下的防冻的措施，有利于空冷机组的稳定运行。
参考文献
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