張貴勇

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

[關(guān)鍵詞]600MW直接空冷機(jī) 優(yōu)化運(yùn)行 經(jīng)濟(jì)

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

一、引言

600MW直接空冷機(jī)組在我國“三北”地區(qū)氣候和氣象條件下的運(yùn)行具有許多特殊性，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(fēng)機(jī)的優(yōu)化調(diào)整等，認(rèn)識還很粗淺，有時(shí)甚至存在截然相反的觀點(diǎn)，要形成科學(xué)、可靠的優(yōu)化運(yùn)行體系尚須大量工作。因此結(jié)合600MW直接冷空機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，對直接空冷機(jī)組的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)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(guān)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(jié)，當(dāng)管內(nèi)蒸汽量過小或管外空氣量過大時(shí)，蒸汽在管束中沿管長大部分提前凝結(jié)為水，并沿管壁向下流動(dòng)，且在流動(dòng)過程中繼續(xù)被冷卻；凝結(jié)水在翅片管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，中心區(qū)為紊流區(qū)，管壁附近為層流區(qū)。理論分析認(rèn)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(dǎo)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(guān)，流速越小，層流區(qū)越厚。當(dāng)流速減小到一定程度時(shí)，翅片管內(nèi)流體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?，流體宏觀上接近于靜止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)流體放熱以傳導(dǎo)為主。流體對管壁放熱過程中，其溫度不斷下降。當(dāng)溫度下降至0℃以下時(shí)，流體開始凍結(jié)。隨著流體不斷向管壁放熱，凍結(jié)程度不斷加劇，最后液體變成固體，凝結(jié)為冰。凍結(jié)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(dòng)速度慢、流動(dòng)中止或斷流等現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇空冷翅片管內(nèi)流體凍結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會凍壞冷卻管束。

（一）空冷凝汽器負(fù)荷

空冷凝汽器負(fù)荷即指進(jìn)入空冷凝汽器的蒸汽量?？绽淠髫?fù)荷越小，發(fā)生凍結(jié)的可能性越大。機(jī)組正常運(yùn)行中空冷凝汽器的負(fù)荷取決于機(jī)組負(fù)荷。機(jī)組在運(yùn)行期間空冷風(fēng)機(jī)8排全投的情況下，最低負(fù)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(jié)的最小蒸汽量越大，即要求機(jī)組在運(yùn)行期間的最低負(fù)荷越高。也可以看出，機(jī)組的調(diào)峰低限300MW是可以滿足大多數(shù)環(huán)境溫度對負(fù)荷的要求的，因此負(fù)荷300MW以上能夠同時(shí)滿足調(diào)峰和防凍的要求，應(yīng)作為600W直接空冷機(jī)組在冬季運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷低限來控制。依此指導(dǎo)思想，機(jī)組在啟、停過程中，應(yīng)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(dòng)的方式來增加進(jìn)入空冷凝汽器蒸汽量，以防止發(fā)生凍結(jié)。

（二）空冷凝汽器壓力

忽略管道流動(dòng)壓降，空冷凝汽器壓力即指機(jī)組背壓。機(jī)組背壓和排汽飽和溫度是對應(yīng)的，機(jī)組背壓越低，對應(yīng)于排汽壓力下的飽和溫度就越低；同時(shí)，在額定進(jìn)汽壓力下汽輪機(jī)帶相同負(fù)荷時(shí)所消耗的蒸汽量也越少，進(jìn)入空冷凝汽器的熱量就越少，空冷凝汽器發(fā)生凍結(jié)的可能性就越大。因此，機(jī)組背壓也是空冷防凍的一項(xiàng)重要控制因素。直接空冷機(jī)組在冬季運(yùn)行時(shí)必須確定一個(gè)最低的運(yùn)行背壓。根據(jù)海勒式間接空冷系統(tǒng)多年來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可得出如果能夠保證凝結(jié)水收集聯(lián)箱平均水溫達(dá)到35℃及以上時(shí)，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(jī)冬季最低的理論運(yùn)行背壓時(shí)，可以按照上述方法結(jié)合凝結(jié)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(jī)排汽管道沿程阻力倒推到汽輪機(jī)排汽口的壓力(運(yùn)行背壓)來確定。空冷機(jī)組冬季運(yùn)行時(shí)背壓的選擇應(yīng)綜合考慮安全和經(jīng)濟(jì)性的要求。前已述及，600MW直接空冷機(jī)組的背壓如果6.95kpa提高到10kpa時(shí)，相應(yīng)背壓所對應(yīng)的凝結(jié)水溫度增加較多，相同功率下對應(yīng)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(jì)性又可以得到保證。因此，根據(jù)已有的一些運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議冬季運(yùn)行時(shí)空冷機(jī)組的背壓低限取9kpa，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度的變化以及空冷系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)組龐大的空冷散熱系統(tǒng)在機(jī)組運(yùn)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(yīng)均等地分配汽輪機(jī)的排汽量，但由于設(shè)計(jì)、制造與安裝的因素，同時(shí)也由于運(yùn)行中空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式及環(huán)境因素變化等原因，對應(yīng)汽輪機(jī)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(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行期間，有資料顯示，這種流量偏差可以達(dá)到5%。運(yùn)行中觀察，隨著進(jìn)入空冷島的熱負(fù)荷的降低，這種熱力和流量的偏差是逐漸增大的。在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行期間，個(gè)別散熱單元所分配的汽量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生產(chǎn)廠家要求的最小熱負(fù)荷。所以，在直接空冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行期間，應(yīng)特別考慮因熱力和流量不均導(dǎo)致散熱管束表面溫度偏差而帶來的散熱管束凍壞的危險(xiǎn)。

根據(jù)600MW直接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)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(yīng)的八個(gè)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(yīng)于同一排南北兩側(cè)管束的熱力和流量的不均所造成的溫差；（4）對應(yīng)于同一排南側(cè)或北側(cè)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(dǎo)致散熱管束表面出現(xiàn)溫差，同時(shí)導(dǎo)致各排凝結(jié)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(yùn)行檢查時(shí)必須對上述現(xiàn)象予以重視并嚴(yán)肅對待。運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)與停運(yùn)風(fēng)機(jī)相鄰間的管束。

（四）凝結(jié)水過冷度

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

對于直接空冷系統(tǒng)，汽輪機(jī)的背壓與空冷凝汽器的內(nèi)部壓力不是一個(gè)概念。汽輪機(jī)的排汽口到空冷蒸汽分配聯(lián)箱入口之間的管道有一個(gè)壓降，空冷蒸汽分配聯(lián)箱管道本身也有一個(gè)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(yùn)行時(shí)，如果汽輪機(jī)的背壓在9kPa左右時(shí)，蒸汽到達(dá)空冷凝汽器總體流動(dòng)的壓降可以達(dá)到2.6kPa，即：在空冷凝汽器的凝結(jié)水收集聯(lián)箱處的壓力是6.4kPa；而排汽壓力為9kPa和6.4kPa時(shí)對應(yīng)的飽和溫度分別為43.79℃和37.09℃；這樣，在凝結(jié)水收集聯(lián)箱處的理論凝結(jié)水溫度應(yīng)該是在37.1℃左右，則過冷度約為6.7℃。可見，直接空冷機(jī)組的凝結(jié)水過冷度相對于濕冷機(jī)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(jié)冷卻，到逆流凝汽器的未凝結(jié)蒸汽量已比較小，同時(shí)蒸汽溫度也已降低很多，未凝結(jié)的蒸汽濕度又是比較大的。所以，在整個(gè)空冷凝汽器中，真空抽氣口位置的蒸汽溫度應(yīng)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(jié)現(xiàn)象。因此，直接空冷機(jī)組在冬季運(yùn)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(diǎn)溫度，真空抽氣口極容易被結(jié)霜堵住，由于還有大量的蒸汽進(jìn)入散熱管束，極易發(fā)生流動(dòng)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(jié)成冰，最后導(dǎo)致本排管束全部受凍，后果將不堪設(shè)想。

三、空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式優(yōu)化

（一）空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式

空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式是導(dǎo)致空冷凝汽器凍結(jié)的一個(gè)重要因素，因此通過運(yùn)行試驗(yàn)來確定空冷風(fēng)機(jī)在機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)或正常運(yùn)行中的組合運(yùn)行方式。在分析之前，作如下說明：（1）機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，300MW負(fù)荷是機(jī)組的調(diào)峰低限，因此以下例證均以300MW負(fù)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(diǎn)。（3）由于安裝結(jié)構(gòu)的因素，空冷機(jī)組#1排汽管對應(yīng)的是空冷凝汽器5-8排，#2排汽管對應(yīng)的是空冷凝汽器1-4排。（4）空冷風(fēng)機(jī)出口溫度測點(diǎn)共有6個(gè)，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(jié)水溫測點(diǎn)有2個(gè)，分南北兩側(cè)。

（二）優(yōu)化方案的確定

經(jīng)過冬季長時(shí)間的試驗(yàn)和調(diào)整，可以得出如下結(jié)論：

（1）在空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式不合理的情況下，空冷翅片溫度低點(diǎn)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(fēng)機(jī)應(yīng)盡可能最后停運(yùn)，（3）根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)力及環(huán)境因素的變化，空冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整。（4）空冷風(fēng)機(jī)不同頻時(shí)，容易導(dǎo)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(fēng)機(jī)應(yīng)對等停運(yùn)，避免因空冷負(fù)荷分配不均而導(dǎo)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(fù)荷下，應(yīng)盡可能多地維持風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且低頻運(yùn)行。（8）停運(yùn)1、7列或3、5列空冷風(fēng)機(jī)應(yīng)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(shè)計(jì)上考慮的防凍措施

從設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)處于迎風(fēng)面和背風(fēng)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(shè)置逆流段。設(shè)置逆流段一方面防止進(jìn)入空冷凝汽器的蒸汽在凝結(jié)過程中在空冷凝汽器下部出現(xiàn)過冷進(jìn)而發(fā)生凍結(jié)的可能性，另一方面可使系統(tǒng)內(nèi)空氣和不凝結(jié)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(jìn)入 1、8 排散熱單元的蒸汽管道上設(shè)置閥門。當(dāng)汽輪機(jī)排汽量較小且氣溫較低時(shí)，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(fù)荷。停運(yùn)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(shí)投運(yùn)。（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(dāng)?shù)墓苁Y(jié)構(gòu)型式。

（二）運(yùn)行上采取的防凍措施

（1）機(jī)組在運(yùn)行中的措施

1、機(jī)組在冬季運(yùn)行期間，應(yīng)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(yīng)比本排下聯(lián)箱凝結(jié)水溫度低1～5℃，但在任何時(shí)候不得低于15℃。運(yùn)行中若發(fā)現(xiàn)抽氣口溫度下降后，應(yīng)降低對應(yīng)排的逆流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或停止風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，若溫度沒有回升，則還應(yīng)適當(dāng)降低本排順流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)將反轉(zhuǎn)防凍功能投入。必要時(shí)在上述調(diào)整的基礎(chǔ)上啟動(dòng)備用真空泵，通過增加抽氣口的空氣流速來提高溫度。

2、機(jī)組在運(yùn)行期間，任何情況下機(jī)組負(fù)荷不得低于不同環(huán)境溫度對應(yīng)下的最低出力。

3、機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行期間，應(yīng)加強(qiáng)空冷島各散熱管束表面溫度偏差的檢查測量。單個(gè)散熱管束表面溫度不允許有＜15℃的情況出現(xiàn)，否則應(yīng)繼續(xù)降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或增加機(jī)組負(fù)荷。

4、冬季低負(fù)荷運(yùn)行期間每班應(yīng)就地實(shí)測各排散熱器及聯(lián)箱溫度不少于兩次，尤其應(yīng)注意各排凝結(jié)水溫度測點(diǎn)對側(cè)的聯(lián)箱溫度。

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

6、冬季運(yùn)行中應(yīng)注意檢查各排南北兩側(cè)凝結(jié)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(cè)溫度偏差不得大于5℃。若發(fā)現(xiàn)有偏差大于5℃時(shí)，應(yīng)及時(shí)解除自動(dòng)，降低本排所有風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

7、直接空冷機(jī)組在冬季運(yùn)行期間，應(yīng)密切監(jiān)視各排凝結(jié)水的過冷度。冬季凝結(jié)水的過冷度最大不應(yīng)超過6.7℃。否則，應(yīng)啟動(dòng)一臺真空泵或提高機(jī)組背壓。

（2）啟動(dòng)和停機(jī)過程中的措施

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

2、鍋爐點(diǎn)火前，嚴(yán)禁在汽包有壓力時(shí)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(rèn)空冷凝汽器已經(jīng)抽起真空且背壓低于30.0 kPa。

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

4、啟動(dòng)過程中投入旁路系統(tǒng)時(shí)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(jī)組背壓降低到40kPa 以下。同時(shí)高、低壓旁路的投入操作必須緩慢進(jìn)行。

5、汽輪機(jī)定速后應(yīng)根據(jù)汽缸金屬溫度盡快帶至相對應(yīng)的負(fù)荷，在汽輪機(jī)應(yīng)力允許條件下，應(yīng)盡快升負(fù)荷至對應(yīng)值。

6、冬季啟停機(jī)過程中各值應(yīng)設(shè)專人對空冷島各排散熱器南、北側(cè)下聯(lián)箱及散熱器管束進(jìn)行就地溫度實(shí)測，有異常時(shí)應(yīng)加大空冷島的進(jìn)汽量或提高其進(jìn)汽參數(shù)。同時(shí)增加檢查和測量次數(shù)。

7、停機(jī)后應(yīng)及時(shí)將主凝結(jié)水箱內(nèi)水以及向空冷島補(bǔ)水管道存水放盡。

參考文獻(xiàn)：

[1]武俊，600MW機(jī)組直接空冷技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用．華北電力技術(shù)，2005.

[2]田亞釗，600MW直接空冷機(jī)組冬季運(yùn)行防凍要點(diǎn)，電力建設(shè)，2006.

[3]嚴(yán)俊杰，直接空冷系統(tǒng)變工況特性的理論研究，熱能動(dòng)力工程，2000.