李金剛，李亞中，郭洪波，王國珍

(華電內(nèi)蒙古能源有限公司卓資發(fā)電分公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012300)

0 引言

海勒式間接空冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，冬季運行極易發(fā)生凍損事故，在內(nèi)蒙古地區(qū)，冬、夏兩季環(huán)境溫度差高達70℃，冬季環(huán)境溫度低達－35℃，風(fēng)速23 m/s，冷卻系統(tǒng)的運行條件十分惡劣，因此間接空冷系統(tǒng)防凍工作必須引起高度重視。華電內(nèi)蒙古能源有限公司卓資發(fā)電分公司(以下簡稱卓資發(fā)電公司)圍繞空冷系統(tǒng)冬季防凍及安全經(jīng)濟運行問題，提出將空冷塔冷卻三角出口改為進口的建議，并在#1機組5個冷卻扇段上首先實施改造，冬季可起到防止空冷器凍損，降低循環(huán)水溫，提高凝汽器真空度的效果，為今后#2～#4機組改造和國內(nèi)同類間接空冷系統(tǒng)改造積累經(jīng)驗。改造4臺機組冷卻柱上水室排空氣管連接方式和空氣環(huán)管微循環(huán)系統(tǒng)后，經(jīng)過運行證明防凍效果良好。

1 海勒式間接空冷系統(tǒng)運行情況

1.1 海勒式空冷系統(tǒng)工作原理

海勒式空冷系統(tǒng)的換熱與常規(guī)的閉式濕冷系統(tǒng)相似，為二次換熱:即以水為中間冷卻介質(zhì)，將汽輪機排汽和空氣之間的熱交換分為蒸汽和冷卻水、冷卻水和空氣之間2個換熱過程。在海勒式空冷系統(tǒng)中，蒸汽和冷卻水之間的換熱過程是在噴射式凝汽器中進行的，為混合換熱，即經(jīng)空冷散熱器冷卻后的冷卻水進入凝汽器，由噴嘴噴射成極薄的水膜，水膜與汽輪機的排汽直接接觸，將排汽冷卻凝結(jié)成水，完成1個熱交換過程。冷卻水與空氣的換熱過程是在空冷塔內(nèi)進行的，溫度升高的冷卻水通過空冷散熱器的翅片管與空氣進行換熱，熱量被流動的空氣帶走，水被冷卻后再送回到凝汽器中。

1.2 冷卻柱結(jié)構(gòu)及其冷卻介質(zhì)流程

卓資發(fā)電公司每臺空冷塔四周布置有119個冷卻三角，每個冷卻三角由2片成60°角的冷卻柱組成，其中冷卻柱就是本文中所說的散熱器。每個冷卻柱高15m，內(nèi)有6排鋁管，每排有40根? 18 mm×0.75 mm的鋁管，每個冷卻柱共計有240根鋁管，分為上、下水雙流程，上、下水管各120根。另外每個冷卻三角外面都裝有百葉窗，靠百葉窗的開度來調(diào)節(jié)進塔空氣量，以此調(diào)節(jié)扇形段的出口冷卻水溫。如圖1所示，循環(huán)冷卻水冷卻柱內(nèi)為雙流程，進水口和出水口均布置在冷卻柱的下部，分別接熱水管和冷水管。在每個冷卻柱頂部有一根空氣管，接在空氣總管上，每個扇形段的20對冷卻柱均有1個獨立的水路程控系統(tǒng)，裝有進/出水電動閥和2個排水電動閥。

圖1 循環(huán)水在冷卻柱內(nèi)鋁管中的流動示意

1.3 環(huán)境風(fēng)速對空冷塔運行的影響

環(huán)境風(fēng)速對海勒式間接空冷系統(tǒng)運行有影響，匈牙利加加林電廠試驗表明，風(fēng)速大于4 m/s時，會降低空冷散熱器的散熱能力。

(1)當(dāng)環(huán)境風(fēng)速大于4 m/s時，空冷塔底部形成正壓，部分區(qū)域產(chǎn)生渦流，空冷塔背風(fēng)面外側(cè)形成負(fù)壓區(qū)，增加了空冷塔底部的對流效應(yīng)，使空冷塔底部形成穿堂風(fēng)，降低了空冷塔的散熱能力。

(2)在冬季環(huán)境風(fēng)速大于4 m/s時，由于空冷塔四周風(fēng)力、風(fēng)向、陽光等自然條件和循環(huán)水壓力不同，造成迎風(fēng)面百葉窗進風(fēng)量大，根據(jù)牛頓冷卻定律可知，流體表面換熱流速增加，傳熱效率加快，換熱量增加，則該冷卻三角散熱器出水溫度比其他散熱器低，使扇形段出水溫度的不平衡溫差進一步加劇，造成冷卻柱水管凍損。

2 空冷系統(tǒng)凍損分析

2.1 冷卻柱凍損原理

所謂“防凍”就是在冬季防止冷卻柱鋁管內(nèi)冷卻水因凍結(jié)膨脹而損壞，冷卻柱凍損嚴(yán)重時影響機組冷卻系統(tǒng)的安全運行，造成事故停運。另外，冷卻柱的修復(fù)技術(shù)難度高，工作量大，時間也長。

為了更好地解決冷卻柱防凍問題，首先要對冷卻柱凍損的原理有比較清楚的認(rèn)識，下面從循環(huán)冷卻水在冷卻柱內(nèi)的流動情況來闡述凍損原理。

在正常運行時，冷卻水在冷卻柱鋁管中不停地流動，根據(jù)流體力學(xué)理論分析，水在鋁管內(nèi)的流動呈2種狀態(tài):靠近管壁處為層流區(qū)，一般情況下層流區(qū)很薄，區(qū)域內(nèi)水的流速很小，層流區(qū)內(nèi)流體的放熱以傳導(dǎo)放熱為主;中心區(qū)為紊流區(qū)，紊流區(qū)內(nèi)流體的放熱是對流放熱。層流區(qū)域的流速與厚度有關(guān)，流速越小，層流區(qū)越厚。當(dāng)進入冬季環(huán)境溫度較低時，流體對管壁放熱，其溫度不斷下降，當(dāng)水溫降到0℃時，緊挨管壁的水開始凍結(jié)，流速降低，層流區(qū)逐漸加厚，當(dāng)管內(nèi)的水流速度小到一定程度時，管內(nèi)水流完全變?yōu)閷恿鲄^(qū)，此時從宏觀上看流體已處于靜止?fàn)顟B(tài)，管內(nèi)流體由原來的以對流放熱為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐詡鲗?dǎo)放熱為主，完全停止流動。但流體對管壁的放熱仍不斷進行，凍結(jié)不斷加劇，凍結(jié)后的流體成為固體，由于體積膨脹而將鋁管脹裂，造成冷卻柱凍損。

2.2 冷卻柱凍損條件

綜上所述，冷卻柱凍損應(yīng)有2個條件:一是環(huán)境溫度低于0℃，二是鋁管內(nèi)的水停止流動(流速較小，接近于0)。環(huán)境溫度是無法人為控制的，所以在冬季，防凍問題的關(guān)鍵在于防止冷卻柱鋁管內(nèi)的水流停滯。

2.3 冷卻柱凍損原因分析

由于卓資發(fā)電公司4×200 MW國產(chǎn)海勒式空冷機組在設(shè)計、制造、安裝上存在諸多不完善之處，加之投產(chǎn)時運行技術(shù)措施還不完善，冬季環(huán)境溫度較低時曾發(fā)生過幾起冷卻元件凍損現(xiàn)象，分析其主要原因如下。

(1)扇形段冷卻柱上水室排空氣管的布置位置及排空氣管的直徑不合理，在冷卻柱充水時，易引起冷卻柱管束排空氣不均勻，不能在短時間內(nèi)把冷卻柱內(nèi)的空氣排盡，極易導(dǎo)致部分管束內(nèi)的水短時間內(nèi)出現(xiàn)停滯并凍結(jié)的現(xiàn)象，造成設(shè)備的損壞。

(2)空冷百葉窗控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)控制失靈、閥位不準(zhǔn)、開度不同步、部分百葉窗過開或卡澀不能關(guān)回等現(xiàn)象，這樣會造成部分冷卻三角回水溫度下降到0℃以下而產(chǎn)生凍結(jié)損壞現(xiàn)象。

(3)當(dāng)運行中發(fā)生全廠停電、循環(huán)泵故障或系統(tǒng)嚴(yán)重泄漏時，安全排水閥是確?？绽湎到y(tǒng)安全的有力保證，若此時安全排水閥A103，A104不能開啟或不能及時開啟，造成系統(tǒng)斷流，冷卻柱內(nèi)的水不能及時排空，會使冷卻柱發(fā)生凍損。

(4)扇形段頂部排空氣管的保溫、加熱裝置投運不好，充水時扇形段頂部排空氣管有冰堵，使水循環(huán)受阻。

(5)實踐表明，扇形段充水時進水溫度與環(huán)境溫度的溫差大于60℃時，會造成散熱器結(jié)合面處嚴(yán)重泄漏。當(dāng)發(fā)生局部泄漏時會造成流動分布變化，水的蒸發(fā)造成局部環(huán)境溫度下降，發(fā)生冷卻柱凍損。扇形段充水時循環(huán)水熱水溫度小于25℃時，冷卻柱回水側(cè)瞬間局部溫度會下降到0℃以下，造成凍損。

(5)系統(tǒng)壓力維持過低，冷卻柱中混入空氣形成氣塞，水循環(huán)受阻，充水時扇形段各電動閥開關(guān)不正常，會造成段內(nèi)存有死水，循環(huán)受阻，可能造成冷卻柱凍損。

3 空冷系統(tǒng)改造

空冷系統(tǒng)安全過冬一直是卓資發(fā)電公司冬季防凍工作的重中之重，卓資發(fā)電公司在空冷系統(tǒng)的設(shè)備改造方面下了很大的工夫，取得了很好的效果，為空冷系統(tǒng)的安全過冬及提高機組經(jīng)濟性提供了有力保障。

3.1 空冷循環(huán)水進出水方式改變

海勒式空冷機組按防凍要求:當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時為防凍期?？绽湎到y(tǒng)防凍首要問題是要防止冷卻柱鋁管內(nèi)的水流停滯并及時調(diào)整冷卻柱進風(fēng)量(即百葉窗的開度)，保證每根循環(huán)水回水管內(nèi)水溫高于0℃以上，不結(jié)冰。冬季改變空冷三角循環(huán)水進/出口方式，提高空冷三角易凍區(qū)溫度，防止空冷三角凍壞。由于出水改為進水，原出水側(cè)(塔外端)管內(nèi)溫度平均提高10℃以上，冬季運行時，百葉窗相同開度下避免了塔外冷卻管易凍區(qū)溫度低于0℃而結(jié)冰，而原進水側(cè)(塔內(nèi)端)環(huán)境溫度高于塔外，改為出水后可適當(dāng)降低回水溫度，既保證冷卻三角安全又提高了真空度，機組安全和經(jīng)濟性都得以提高。改造前、后空冷系統(tǒng)循環(huán)水進出口管道閥門布置如圖2所示。

圖2 改造前、后循環(huán)水進出口管道閥門布置

空冷系統(tǒng)循環(huán)水回水最低溫度的調(diào)節(jié)應(yīng)兼顧安全與經(jīng)濟兩方面的因素。從經(jīng)濟利益出發(fā)，空冷系統(tǒng)循環(huán)水溫低一些，可使機組凝汽器真空度提高，使機組的循環(huán)熱效率得以提高;從安全防凍角度出發(fā)，則要求空冷系統(tǒng)的循環(huán)水回水溫度不能調(diào)整得過低。冬季運行環(huán)境溫度較低時，扇形段出水溫度調(diào)整原則:百葉窗開度要小且均勻，循環(huán)水系統(tǒng)總壓力不小于170 kPa，扇形段頂部壓力不小于45 kPa，平均出水溫度為25℃以上，這樣就可保證空冷散熱器不發(fā)生凍損。改造前在環(huán)境溫度低于5℃時，卓資發(fā)電公司規(guī)定冬季空冷塔扇段出水溫度應(yīng)控制在25～30℃，改造后扇段出水溫度可控制在20～25℃。

3.1.1 改造后性能分析

由于施工條件所限，#1機組6個扇段只改了5個，為了明確改造后效果，卓資發(fā)電公司請內(nèi)蒙古電力(集團)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院對改造后的空冷塔進行性能試驗，對#1機組改造前后運行參數(shù)、#1機組與#2機組、#1機組與#3機組、#1機組與#4機組同期進行對比試驗，對比運行參數(shù)見表1。

3.1.2 試驗分析

(1)當(dāng)?shù)囟经h(huán)境溫度在5℃以下，在相同負(fù)荷下進行對比試驗，改造后的#1機組冷卻效果較好，由于排汽凝結(jié)水溫度較高，水進入空冷塔扇段外側(cè)運行環(huán)境較差的第1流程大幅降溫后，再進入環(huán)境溫度相對較高的空冷塔扇段內(nèi)側(cè)第2流程，經(jīng)小幅降溫后回到凝汽器。最容易凍損的扇段外側(cè)管束平均溫度升高了10℃左右，有效地解決了冷卻器防凍問題。

(2)改造后冬季運行可將百葉窗相對開大，冷卻塔出塔水溫可降低到20～25℃，比原規(guī)定的冷卻塔出水溫度25～30℃低了5℃左右，排汽背壓可降低2 kPa，冬季運行時，供電煤耗可下降4～5 g/(kW·h)，運行經(jīng)濟性有較大幅度的提高。

表1 空冷系統(tǒng)改造對比試驗記錄

(3)改造后的#1機組循環(huán)水第1流程冷卻效果顯著，扇段進水和扇段頂部水的溫差達10～14℃;第2流程冷卻效果變差，水的溫差為3～4℃。

(4)經(jīng)#1機組與#3機組相同負(fù)荷下對比試驗，環(huán)境溫度在0～5℃時，運行空冷塔百葉窗在同樣開度下，改造后的#1機組扇段出口水溫要比#3機組高，如30%開度下，#1機組出口水溫升高4～5℃;100%開度下，#1機組出口水溫升高6～10℃。因此改造后的機組要想達到未改造機組的真空度，就要相應(yīng)改變百葉窗的開度，增加10%～20%為宜。

(5)對于改造后的機組，當(dāng)環(huán)境溫度升高至10℃左右、60%～65%額定負(fù)荷或環(huán)境溫度升高至5℃左右、90%以上額定負(fù)荷時，空冷塔百葉窗要100%全開才能維持較高真空度，但環(huán)境溫度繼續(xù)升高，已無法增加通風(fēng)量，排汽溫度會很快升高，真空度下降較快，使機組運行經(jīng)濟性降低。如#1機組與#3機組對比試驗，環(huán)境溫度15～16℃，同樣60%～65%額定負(fù)荷(120～130 MW)，百頁窗開度100%，#1機組真空度為－72 kPa，#3機組真空度為－77 kPa，降低5 kPa;#1機組與#2機組對比試驗，環(huán)境溫度 15～19℃，同樣 75%～80%額定負(fù)荷(150～160 MW)，百葉窗開度100%，#1機組真空度為－69～－68 kPa，#2機組真空度為－74～－73 kPa，也降低5 kPa。因此，4月份環(huán)境平均溫度在5℃以上時，改造后的冬季運行方式就要切換回改造前的夏季運行方式，以提高機組運行經(jīng)濟性。

3.1.3 試驗結(jié)果

(1)卓資發(fā)電公司冬季改變間接空冷系統(tǒng)冷卻器循環(huán)水進/出口方式，提高了空冷三角易凍區(qū)溫度，相同運行工況下，由于出水改為進水，原出水側(cè)(塔外端)管內(nèi)溫度平均提高10℃以上，冬季運行避免了塔外冷卻管因易凍區(qū)溫度低于0℃而結(jié)冰，提高了間接空冷系統(tǒng)冬季運行的安全性。

(2)原進水側(cè)(塔內(nèi)端)環(huán)境溫度高于塔外，也無大風(fēng)干擾急速降溫的隱患，改為出水后，在環(huán)境溫度低于5℃時，可控制循環(huán)水回水溫度比原運行方式降低5℃，提高了機組真空度，排汽背壓可降低約2 kPa。

(3)改造后的機組當(dāng)環(huán)境平均溫度升高至5℃以上時，冬季運行方式就要切換回改造前的夏季運行方式，以提高機組運行經(jīng)濟性。

3.2 冷卻柱上水室排空氣管連接方式改造

3.2.1 冷卻柱上水室排空氣管原連接方式

冷卻柱上水室排空氣管暢通與否，直接關(guān)系到扇形段冷卻柱充/排水的安全性。原設(shè)計冷卻柱排空氣管與空冷塔上環(huán)管之間用2 m長的無縫鋼管焊接連接，其存在2個缺點:由于鋼管鋼度較強且不能自由膨脹、收縮，在扇形段充/排水時，上排空氣管原焊口極易裂開而發(fā)生呲水，這時不得不將運行的扇形段退出運行;在退出的冷卻三角加堵時，上空氣管需要用電焊機焊接堵板，冬季在空冷塔外17 m處進行焊接工作，環(huán)境溫度較低且風(fēng)速較大，檢修很困難。

3.2.2 改造應(yīng)滿足的條件

(1)排空氣暢通，不因積水、結(jié)冰引起堵塞。

(2)當(dāng)冷卻柱受溫度變化影響時，上下膨脹不受影響。

(3)當(dāng)冷卻柱發(fā)生故障時，便于與空冷塔上部的環(huán)形管解列。

3.2.3 冷卻柱上水室排空氣管改后的連接方式

改造的方法是延長冷卻柱上水室排空氣管鋼管的長度，將原上水室與空冷塔上環(huán)管之間2 m長的連接膠管中間增加一段0.45 m長的金屬軟管，金屬軟管兩端與鋼管法蘭相連接，這樣做可以使扇形段在充/排水時自由膨脹、收縮;同時，在冷卻柱需要加堵時，改為專用堵板加堵即可，無需再動用電焊機焊接，減輕了冬季冷卻三角加堵的檢修工作量，降低了維護費用。改造后的冷卻柱上水室排空氣管連接方式如圖3所示，當(dāng)冷卻柱故障需要解列時，在零件2和3之間加裝堵板。為防止排空氣管凍損，在其外表面應(yīng)加設(shè)保溫層。

圖3 改造后上水室排空氣管與上環(huán)管連接方式

3.3 空氣環(huán)管微循環(huán)系統(tǒng)改造

3.3.1 空氣環(huán)管微循環(huán)系統(tǒng)改造前運行情況

由扇段熱水母管引出2根? 45 mm管子接入扇段頂部空氣環(huán)管，再通過1根? 45 mm管子將空氣環(huán)管接入扇段冷水母管，即扇形段回流管。在正常運行時，由于熱水壓力較高(一般為0.25 MPa左右，冷水壓力為0.17 MPa)使空氣環(huán)管內(nèi)形成水循環(huán)，但由于目前的回流管直徑較小，使空氣環(huán)管內(nèi)微循環(huán)受阻，嚴(yán)重時易使水循環(huán)停滯而結(jié)冰，尤其在冬季在扇形段充/排水時更易出現(xiàn)此現(xiàn)象，極易凍壞扇形段冷卻元件。

3.3.2 空氣環(huán)管微循環(huán)系統(tǒng)改造后運行情況

將扇形段回流管由原來的? 45 mm改為? 100 mm，加大回水流量，增強空氣環(huán)管內(nèi)微循環(huán)，避免空氣環(huán)管內(nèi)微循環(huán)受阻，并在該管上加裝閥門，可以進行開關(guān)調(diào)整。冬季開啟該管路以增加空氣環(huán)管的防凍能力，夏季關(guān)閉該管路以保證正常的扇形段出水溫度?？諝猸h(huán)管微循環(huán)系統(tǒng)改造前、后對比如圖4所示。

圖4 扇形段微循環(huán)系統(tǒng)改造前、后對比

4 經(jīng)濟效益分析

(1)卓資發(fā)電公司通過改造#1機組空冷系統(tǒng)冷卻器循環(huán)水進/出口方式、冷卻柱上水室排空氣連接方式和空氣環(huán)管微循環(huán)系統(tǒng)，加強了間接空冷系統(tǒng)冬季防凍能力，提高了空冷系統(tǒng)運行安全性，#1機組改造前空冷系統(tǒng)平均維護費用20萬元/a，改造后空冷系統(tǒng)平均維護費用6萬元/a，改造后空冷系統(tǒng)維護費用每臺機組可節(jié)約14萬元/a。

(2)經(jīng)過改造#1機組空冷系統(tǒng)冷卻器循環(huán)水進/出口方式，冬季#1機組循環(huán)水回水溫度可降低5℃，排汽背壓可降低約2 kPa，機組發(fā)電煤耗可降低4～5 g/(kW·h)。根據(jù)所在地氣象局統(tǒng)計，全年環(huán)境溫度在－5℃以下約有160 d，每臺機組全年發(fā)電量按9億kW·h計算，全年可節(jié)約標(biāo)煤1800 t/臺，按卓資發(fā)電公司年度標(biāo)煤單價392元/t計算，單機年節(jié)約成本約70萬元。

(3)#1機組改造后全年可直接降低發(fā)電成本約84萬元，如公司4臺機組全部完成改造，全年可直接降低發(fā)電成本約336萬元。

5 結(jié)束語

由于我國引進海勒式空冷系統(tǒng)技術(shù)較晚，設(shè)計、制造、安裝等技術(shù)還不夠成熟，還沒有深刻地掌握其運行特性，存在許多不完善之處。本文中的技術(shù)改造是經(jīng)過2年空冷系統(tǒng)運行實踐經(jīng)驗總結(jié)得出的。運行實踐證明，改造后冬季空冷系統(tǒng)的防凍及安全運行能力得到提高，機組經(jīng)濟指標(biāo)提高，維護費用降低。