朱大宏，趙弦，馮璟

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市 100120）

0 引 言

間接空冷系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代中期，當(dāng)時(shí)從匈牙利引進(jìn)帶混合式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)（海勒式）的專(zhuān)利技術(shù)和空冷設(shè)備，建成了大同第二發(fā)電廠5、6號(hào)機(jī)組海勒式間接空冷系統(tǒng)。隨后豐鎮(zhèn)電廠3、4、5、6號(hào)機(jī)組海勒式空冷系統(tǒng)的建成投運(yùn)，標(biāo)志著海勒式空冷系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化技術(shù)已成熟。20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)（哈蒙式）在太原第二熱電廠四期工程2臺(tái)200MW機(jī)組上成功應(yīng)用［1］。

2007年7月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)600MW級(jí)間接空冷機(jī)組在山西陽(yáng)城電廠正式建成投運(yùn)，標(biāo)志著擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SCAL型間接空冷系統(tǒng)技術(shù)已成熟。傳統(tǒng)的哈蒙式系統(tǒng)的散熱器需布置于塔內(nèi)支撐環(huán)梁上，空冷塔占地大，基建投資多；海勒式系統(tǒng)需凝結(jié)水精處理，設(shè)備多、自動(dòng)控制復(fù)雜；SCAL型間接空冷系統(tǒng)采用表面式凝汽器和垂直布置于塔外的鋁制散熱器，解決了空冷塔體型龐大、水質(zhì)要求高、控制復(fù)雜等問(wèn)題，滿(mǎn)足了機(jī)組容量大型化對(duì)空冷系統(tǒng)的要求［2－4］。

作為發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的冷端，間接空冷系統(tǒng)容易受外界環(huán)境影響，尤其在冬季，空冷散熱器管內(nèi)常會(huì)發(fā)生冰凍現(xiàn)象。在已投運(yùn)的間接空冷電廠中就發(fā)生過(guò)因冷卻三角冰凍、破裂、泄漏而停機(jī)的事件。本文論述間接空冷機(jī)組冬季運(yùn)行時(shí)的防凍問(wèn)題，研究空冷散熱器管內(nèi)發(fā)生冰凍現(xiàn)象的原因，提出針對(duì)SCAL型間接空冷系統(tǒng)的防凍措施，為SCAL型間接空冷系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 國(guó)內(nèi)各種間接空冷系統(tǒng)的冰凍問(wèn)題

1.1 海勒式空冷系統(tǒng)冰凍問(wèn)題

安裝海勒式空冷系統(tǒng)的大同第二發(fā)電廠5、6號(hào)機(jī)組和豐鎮(zhèn)發(fā)電廠3、4、5、6號(hào)機(jī)組建成投運(yùn)至今已有20多年，總結(jié)這些機(jī)組的建設(shè)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，歸納出以下海勒式空冷系統(tǒng)常見(jiàn)的冰凍問(wèn)題。

1.1.1 設(shè)備選型方面

空冷散熱器按逆流換熱設(shè)計(jì)，最外排管束循環(huán)水溫度最低，冬季易冰凍，據(jù)統(tǒng)計(jì)冬季凍壞的管束中，最外排管束占82%［5］?？绽渖崞魃纤遗趴諝夤苤睆叫?，且布置不合理，造成進(jìn)排氣不暢，延長(zhǎng)充排水時(shí)間。排空氣管與環(huán)管的連接為橡膠接管，冬季易變形結(jié)冰，影響空冷散熱器進(jìn)排氣［6－7］。

1.1.2 控制系統(tǒng)方面

扇段僅設(shè)1個(gè)回水溫度測(cè)點(diǎn)，無(wú)法檢測(cè)每個(gè)空冷散熱器的回水溫度，據(jù)統(tǒng)計(jì)空冷散熱器間的不平衡溫差最大達(dá)16℃。扇段頂部未設(shè)壓力測(cè)點(diǎn)，無(wú)法判斷斷流情況。扇段頂部排空管未設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)，無(wú)法判斷排空管加熱器工作是否正常。凝汽器液位測(cè)量裝置選型不當(dāng)，常誤發(fā)信號(hào)［8］。扇段僅監(jiān)測(cè)1組百葉窗開(kāi)度，無(wú)法了解每個(gè)百葉窗的開(kāi)度情況［6－7］。

1.1.3 實(shí)際運(yùn)行方面

冬季因扇段平均出水溫度控制較低，造成扇段內(nèi)局部空冷散熱器出水溫度過(guò)低而發(fā)生冰凍［5－11］。將循環(huán)水泵出口母管水溫大于35℃作為充水必要條件，使最后充水的扇段水溫過(guò)低而發(fā)生冰凍；或水溫超45℃，較大的熱應(yīng)力破壞了空冷散熱器“O型”圈，造成泄漏致使冰凍［6－7］。因運(yùn)行中循環(huán)水泵故障、系統(tǒng)泄漏、凝汽器水位過(guò)低、排空氣管進(jìn)排氣不暢，導(dǎo)致空冷散熱器管內(nèi)流速過(guò)低而發(fā)生冰凍［9－10］。在充排水期間，因各閥門(mén)動(dòng)作不正?；騼?nèi)漏而發(fā)生冰凍［11］。

1.2 哈蒙式空冷系統(tǒng)冰凍問(wèn)題

安裝哈蒙式空冷系統(tǒng)的太原第二熱電廠7、8號(hào)機(jī)組建成投運(yùn)至今已近20年，總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)，歸納出以下哈蒙式空冷系統(tǒng)常見(jiàn)冰凍問(wèn)題。

1.2.1 設(shè)備選型方面

哈蒙式空冷系統(tǒng)采用表面式凝汽器，避免了混合式凝汽器液位控制的難題，且循環(huán)水泵與常規(guī)濕冷系統(tǒng)相同，相比海勒式空冷系統(tǒng)故障率小，降低了空冷系統(tǒng)發(fā)生冰凍的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.2 控制系統(tǒng)和實(shí)際運(yùn)行方面

雖然借鑒了大同第二發(fā)電廠的經(jīng)驗(yàn)，但仍發(fā)生過(guò)因閥門(mén)內(nèi)漏造成空冷散熱器管內(nèi)流速降低，使管子凍裂；因百葉窗故障造成空冷散熱器管內(nèi)水溫過(guò)低，使管子凍裂，最后導(dǎo)致真空破壞迫使機(jī)組停機(jī)等事故［12－13］。

1.3 SCAL型間接空冷系統(tǒng)冰凍問(wèn)題

安裝SCAL型間接空冷系統(tǒng)的陽(yáng)城電廠7、8號(hào)機(jī)組建成投運(yùn)至今已滿(mǎn)5年，經(jīng)受了當(dāng)?shù)刈畹蜌鉁剡_(dá)－20℃的考驗(yàn)，基本解決了SCAL型間接空冷系統(tǒng)冬季運(yùn)行的冰凍問(wèn)題，為該系統(tǒng)在北方寒冷地區(qū)的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)?？偨Y(jié)陽(yáng)城電廠經(jīng)驗(yàn)，歸納出以下SCAL型間接空冷系統(tǒng)冰凍問(wèn)題。

1.3.1 設(shè)備選型方面

SCAL型間接空冷系統(tǒng)與哈蒙式空冷系統(tǒng)相同，采用表面式凝汽器，降低了凝汽器和循環(huán)水泵故障帶來(lái)的空冷散熱器冰凍風(fēng)險(xiǎn)；與海勒式空冷系統(tǒng)相同，空冷散熱器垂直布置于塔外，雖然相比哈蒙式空冷系統(tǒng)塔內(nèi)水平布置的方式，冬季更易受環(huán)境影響，但塔外垂直布置方式能滿(mǎn)足空冷系統(tǒng)大型化的需要，大大降低初投資。

1.3.2 設(shè)計(jì)及運(yùn)行方面

陽(yáng)城電廠在設(shè)計(jì)階段就吸取了大同第二發(fā)電廠、豐鎮(zhèn)發(fā)電廠、太原第二熱電廠的防凍經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)備選型、控制系統(tǒng)等方面解決了哈蒙式空冷系統(tǒng)和海勒式空冷系統(tǒng)存在的問(wèn)題。另外，針對(duì)空冷散熱器塔外垂直布置的特點(diǎn)，在運(yùn)行中采取一系列措施有效地解決了冬季冰凍問(wèn)題［14－16］。這些措施為：保證至少2臺(tái)循環(huán)水泵運(yùn)行，極端低溫時(shí)運(yùn)行3臺(tái)循環(huán)水泵，從而提高散熱器管束內(nèi)流速；低溫、大風(fēng)時(shí)，迎風(fēng)側(cè)2個(gè)扇段泄水退出運(yùn)行，且關(guān)閉相鄰2個(gè)扇段百葉窗；若發(fā)現(xiàn)管束發(fā)生泄漏，關(guān)閉泄漏區(qū)域及相鄰區(qū)域百葉窗；機(jī)組停機(jī)或掉機(jī)后，關(guān)閉各扇段百葉窗并及時(shí)泄水；對(duì)百葉窗、各閥門(mén)加強(qiáng)巡檢，確保正常工作。

2 SCAL型間接空冷系統(tǒng)的防凍措施

隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，新疆地區(qū)將在今后幾年內(nèi)建設(shè)一批百萬(wàn)kW級(jí)空冷電廠。由于新疆地區(qū)氣象條件十分惡劣，部分廠址極端情況下會(huì)出現(xiàn)－40℃以下低溫，對(duì)于以空氣為工作介質(zhì)的間接空冷系統(tǒng)影響巨大。

近幾年，華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)華北院）根據(jù)新疆地區(qū)所承接項(xiàng)目的氣候特點(diǎn)，結(jié)合神華準(zhǔn)東五彩灣電廠的設(shè)計(jì)優(yōu)化開(kāi)展了多項(xiàng)間接空冷系統(tǒng)的防凍研究。五彩灣地區(qū)冬季寒冷（極端最低氣溫為－41.1 ℃），夏季炎熱（極端最高氣溫為41.6℃），春夏季多風(fēng)（最大風(fēng)速達(dá)到24m／s），氣象條件非常惡劣。為優(yōu)化五彩灣電廠間接空冷系統(tǒng)和解決新疆工程所面臨的防凍問(wèn)題，神華神東電力公司、雙良節(jié)能系統(tǒng)股份有限公司和華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司于2011年冬季在電廠現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合開(kāi)展了實(shí)地模擬間冷散熱器防凍試驗(yàn)研究。試驗(yàn)包括冷卻器采用順向交叉流和逆向交叉流的對(duì)比試驗(yàn)、采用變片距和等片距垂直布置散熱片的對(duì)比試驗(yàn)、百葉窗風(fēng)阻特性試驗(yàn)和散熱器防凍流量特性試驗(yàn)等，積累了若干SCAL型間接空冷系統(tǒng)防凍的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2.1 設(shè)計(jì)方面的防凍措施

根據(jù)陽(yáng)城電廠的防凍設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采取了以下常規(guī)設(shè)計(jì)措施。

（1）為防止空冷塔內(nèi)的配水管和閥門(mén)受凍，宜將閥門(mén)布置在半地下或地下閥門(mén)井內(nèi)，閥門(mén)前的配水管道埋地布置在凍土層下，閥門(mén)后的配水管道設(shè)置與地下水箱連通的排水系統(tǒng)，將閥后配水管道內(nèi)和空冷散熱器內(nèi)部的循環(huán)水排空至地下水箱。

（2）每個(gè)空冷散熱器設(shè)置獨(dú)立的百葉窗和調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)循環(huán)水回水溫度由分散控制系統(tǒng)（distribution control system，DCS）自動(dòng)控制百葉窗開(kāi)度，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量，在0%～30%開(kāi)度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)最為有效。

（3）空冷散熱器分扇段布置，每個(gè)扇段設(shè)置獨(dú)立的充、排水系統(tǒng)，與地下水箱連接。扇段根據(jù)回水溫度獨(dú)立投入或退出運(yùn)行。

（4）塔內(nèi)進(jìn)水母管和回水母管末端設(shè)置旁路，配備調(diào)節(jié)型電動(dòng)蝶閥。當(dāng)機(jī)組冬季啟動(dòng)時(shí)，在低負(fù)荷小流量工況下循環(huán)水先通過(guò)旁路，待水溫升高后，再進(jìn)入空冷散熱器；回水溫度非常低時(shí)，旁路扇段，避免空冷散熱器內(nèi)循環(huán)水在低流速或低溫下發(fā)生冰凍現(xiàn)象。

（5）為貯存扇段停運(yùn)時(shí)的放水，設(shè)置地下貯水箱、排水管道及閥門(mén)，并設(shè)置扇段再次投入運(yùn)行的充水系統(tǒng)。

（6）空冷散熱器上部的排氣管沿空冷塔內(nèi)壁垂直設(shè)置，適當(dāng)放大排氣管的管徑并增設(shè)電伴熱設(shè)施，使充水、放水時(shí)能夠迅速排氣、補(bǔ)氣，避免因充排水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、水溫過(guò)低而造成冰凍。

（7）在每個(gè)扇段末端或容易發(fā)生冰凍現(xiàn)象的空冷散熱器處增設(shè)回水溫度測(cè)點(diǎn)，避免局部空冷散熱器水溫過(guò)低而造成冰凍。

針對(duì)新疆地區(qū)氣候特點(diǎn)，增加了以下可選擇的設(shè)計(jì)措施。

（8）根據(jù)大同第二發(fā)電廠的經(jīng)驗(yàn)，空冷散熱器采用雙流程系統(tǒng)運(yùn)行，在每個(gè)扇段的進(jìn)出水干管處設(shè)置切換閥，夏季為逆流運(yùn)行方式，冬季通過(guò)切換閥改為順流運(yùn)行方式。

（9）針對(duì)間接空冷系統(tǒng)冬季扇段充水操作過(guò)程中，易使散熱器翅片管束結(jié)冰或密封圈失效問(wèn)題，設(shè)置預(yù)暖設(shè)備，向空冷塔內(nèi)局部扇段送熱風(fēng)，既可預(yù)熱空冷散熱器管束，也可對(duì)冰凍管束進(jìn)行融冰。

（10）在展寬平臺(tái)上設(shè)置通風(fēng)口，必要時(shí)打開(kāi)，使部分空氣旁路，控制空冷散熱器的通風(fēng)量。

2.2 運(yùn)行方面的防凍措施

（1）冬季啟動(dòng)時(shí)，首先開(kāi)啟進(jìn)、回水母管旁路上的調(diào)節(jié)閥，形成循環(huán)，待循環(huán)水溫升高至一定溫度時(shí)，開(kāi)始對(duì)扇段充水，進(jìn)入正常運(yùn)行后隨時(shí)監(jiān)控充水扇段的進(jìn)水溫度。充水期間關(guān)閉百葉窗，待正常運(yùn)行后根據(jù)水溫調(diào)節(jié)百葉窗開(kāi)度。

（2）冬季運(yùn)行時(shí)保證空冷系統(tǒng)的回水溫度不低于設(shè)定溫度。當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)的回水溫度接近設(shè)定值時(shí)，應(yīng)首先調(diào)節(jié)百葉窗開(kāi)度。當(dāng)百葉窗全關(guān)仍不能控制水溫時(shí)，應(yīng)關(guān)閉部分扇段，加快空冷散熱器管道內(nèi)流速。若水溫繼續(xù)降低，當(dāng)?shù)扔诨蛐∮趫?bào)警值時(shí)，應(yīng)迅速放掉全部空冷散熱器內(nèi)的水，利用旁路保持循環(huán)。

（3）冬季運(yùn)行時(shí)保持運(yùn)行2臺(tái)循環(huán)水泵，以提高空冷散熱器的管內(nèi)介質(zhì)流速，減輕冰凍現(xiàn)象，極端惡劣環(huán)境下應(yīng)運(yùn)行全部循環(huán)水泵。

（4）冬季運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)循環(huán)水回水溫度情況，在接近阻塞背壓的工況下運(yùn)行，當(dāng)回水溫度過(guò)低時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高機(jī)組的運(yùn)行背壓。

（5）冬季主機(jī)停機(jī)后，循環(huán)水在運(yùn)行一定時(shí)間后，當(dāng)回水溫度降至設(shè)定值時(shí)，必須迅速放空空冷散熱器內(nèi)的水至地下貯水箱。

2.3 其他需關(guān)注的防凍問(wèn)題

（1）扇段閥門(mén)的嚴(yán)密性是防凍的關(guān)鍵，若應(yīng)該關(guān)閉時(shí)而關(guān)閉不嚴(yán)，會(huì)導(dǎo)致空冷散熱器管束發(fā)生冰凍現(xiàn)象。

（2）增加扇段末梢的回水溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)可供百葉窗開(kāi)度調(diào)節(jié)時(shí)參考。

（3）在各冷卻三角間設(shè)置密封條，可有效防止漏風(fēng)，具有較好的防凍作用。

（4）在空冷散熱器安裝前，清理內(nèi)部殘留雜物，避免因雜物堵塞而降低管內(nèi)流速，導(dǎo)致冬季低溫時(shí)管束發(fā)生冰凍現(xiàn)象，造成空冷散熱器損壞。

（5）冷卻三角的百葉窗由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，由于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量較多，調(diào)整檢查工作必須由運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行確認(rèn)，只要有調(diào)整不到位之處，就會(huì)使百葉窗關(guān)閉不嚴(yán)，造成空冷散熱器結(jié)冰凍壞。

神華五彩灣電廠2臺(tái)350MW機(jī)組已于2012年12月通過(guò)168h運(yùn)行，SCAL型間接空冷系統(tǒng)經(jīng)受了當(dāng)?shù)貥O寒低溫的考驗(yàn)，成為新疆地區(qū)間接空冷系統(tǒng)成功運(yùn)行的典型案例。

3 結(jié) 論

（1）空冷散熱器管束內(nèi)發(fā)生冰凍現(xiàn)象的主要原因是：管內(nèi)介質(zhì)流速過(guò)低或停滯；回水溫度控制過(guò)低且監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量不夠；低溫環(huán)境時(shí)，充、放水不暢；百頁(yè)窗動(dòng)作與環(huán)境條件不協(xié)調(diào)；閥門(mén)不嚴(yán)密引起內(nèi)漏。

（2）針對(duì)SCAL型間接空冷系統(tǒng)提出的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面的防凍措施，可為SCAL型間接空冷系統(tǒng)在“三北”地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

（3）設(shè)計(jì)之初必須認(rèn)真收集、分析當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，結(jié)合低溫時(shí)段氣候特點(diǎn)，采取針對(duì)性的防凍措施。

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