劉振盛

600 MW三排管空冷凝汽器結(jié)凍因素分析及防凍措施探討

劉振盛

（寧夏大唐國際大壩發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 青銅峽 751607）

空冷凝汽器在冬季低負(fù)荷運(yùn)行時，換熱管束內(nèi)蒸汽熱負(fù)荷與管束換熱能力不匹配是導(dǎo)致空冷凝汽器管束發(fā)生結(jié)凍的主要原因，不凝結(jié)氣體未及時抽出，在空冷凝汽器內(nèi)部聚集使結(jié)凍現(xiàn)象加劇。本文對直接空冷凝汽器發(fā)生結(jié)凍的因素進(jìn)行分析，并提出防止空冷凝汽器結(jié)凍的有效措施，主要有：設(shè)計(jì)時管束采用順流和逆流結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式；運(yùn)行時控制冷空氣流量與蒸汽流量相匹配，并提高真空系統(tǒng)嚴(yán)密性，及時抽出真空系統(tǒng)內(nèi)不凝結(jié)氣體。

空冷凝汽器；結(jié)凍因素；防凍措施

直接空冷系統(tǒng)是將汽輪機(jī)低壓缸排出的乏汽經(jīng)由各排汽支管引入空冷凝汽器的換熱管束中，采用機(jī)械通風(fēng)方式由環(huán)境空氣直接將其冷凝為水的系統(tǒng)。但是由于空冷凝汽器換熱管束呈“A”型布置在距地面一定高度的平臺上，在一定熱負(fù)荷與風(fēng)量的條件下，空冷凝汽器的冷卻能力取決于周圍環(huán)境空氣的干球溫度，受氣溫影響較大。同時換熱面積很大的空冷凝汽器在低負(fù)荷運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)換熱量和蒸汽流量不均衡現(xiàn)象，尤其在機(jī)組啟停過程中以及低負(fù)荷運(yùn)行時這種現(xiàn)象更加突出。當(dāng)冬季環(huán)境溫度降至0℃以下時，空冷凝汽器內(nèi)的凝結(jié)水過冷，可能結(jié)凍，如果環(huán)境溫度繼續(xù)下降，仍不采取可靠的防凍措施，換熱管束會結(jié)凍變形，甚至凍裂，造成不可逆的永久性損害。

1 空冷凝汽器結(jié)凍因素

1.1 管束內(nèi)蒸汽流量過少或管束表面冷風(fēng)量過大

在機(jī)組啟停機(jī)時，流入空冷凝汽器的蒸汽量較少，而換熱面積未發(fā)生變化，此時雖然停運(yùn)了全部空冷風(fēng)機(jī)，但空冷凝汽器的換熱量遠(yuǎn)大于進(jìn)入的蒸汽量［1］。當(dāng)蒸汽經(jīng)排汽支管流入換熱管束時，在流動過程中迅速發(fā)生凝結(jié)，如果環(huán)境溫度持續(xù)降低，蒸汽等溫冷凝過程縮短，凝結(jié)水過冷度增大，從而發(fā)生結(jié)凍現(xiàn)象。在環(huán)境溫度較低情況下，如果運(yùn)行人員對空冷風(fēng)機(jī)頻率調(diào)整不當(dāng)，在流經(jīng)管束表面的冷風(fēng)量過大情況下也會發(fā)生管束結(jié)凍現(xiàn)象。

1.2 換熱管束各排管熱負(fù)荷不均衡

由于三排管空冷凝汽器管束與空氣接觸的順序不同，造成各排管束所受的熱負(fù)荷也不同。當(dāng)冷風(fēng)通過管束時，首先與“A”型架內(nèi)部靠近迎風(fēng)面的第1排管接觸，流經(jīng)后再與第2排管接觸，最后與第3排管接觸。所以第1排管束內(nèi)所凝結(jié)的蒸汽量將大于第2排管，第3排管次之。在入口壓力相同的情況下，第3、第2排管束出口壓力將大于第1排管的出口壓力，第3排管束出口未凝結(jié)蒸汽會倒流進(jìn)入第1排管的出口形成停滯死區(qū)，致使第1排管內(nèi)蒸汽中所含的微量空氣無法排入出口凝結(jié)水集箱而被抽走，隨著空氣不斷聚集，最終形成氣堵，氣堵使第1排管內(nèi)的凝結(jié)水無法流走，在低溫條件下，該段管束會發(fā)生過冷，直至使凝結(jié)水結(jié)凍［1］。結(jié)凍初期，在管束內(nèi)形成的冰殼較為疏松，如果此時不增加蒸汽流量或減少冷空氣流入量，冰殼將急劇增大，直至第1排管束全部結(jié)凍，管束發(fā)生變形或脹破。

1.3 空冷凝汽器系統(tǒng)內(nèi)漏入的空氣未及時抽出

機(jī)組運(yùn)行時空冷凝汽器系統(tǒng)內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，環(huán)境中的空氣會通過泄漏點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)，這些漏入的空氣在管束中會嚴(yán)重阻礙蒸汽凝結(jié)放熱，因此需要及時將其從系統(tǒng)中抽出。由于抽真空管口裝設(shè)于逆流換熱管束的最頂部，因此在抽真空過程中，所抽的氣汽混合物流向與凝結(jié)水流向相反，且溫度低于凝結(jié)水溫度，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，逆流管束中未完全凝結(jié)的蒸汽在抽真空管口發(fā)生凝結(jié)而結(jié)冰，此時若不及時進(jìn)行防凍，結(jié)冰現(xiàn)象會加劇，最終堵塞管口而阻止管束中漏入空氣的抽出，這樣管束內(nèi)的空氣會越積越多，最終使順流管束發(fā)生結(jié)凍［2］。

2 空冷凝汽器防凍措施

2.1 前期設(shè)計(jì)中的防凍控制

a.優(yōu)先選擇單排管換熱管束。從結(jié)構(gòu)上看，單排管換熱管束流通截面積較三排管換熱管束大，管道內(nèi)的流動阻力和壓降較小，有利于汽液兩相分離，因此單排管換熱管束具有良好的防凍性能，在冬季低溫環(huán)境下運(yùn)行時抗凍能力較三排管強(qiáng)，所以在空冷凝汽器前期設(shè)計(jì)時優(yōu)先選用單排管換熱管束結(jié)構(gòu)［3］。

b.采用順流和逆流結(jié)構(gòu)相結(jié)合的換熱單元。為了有效防止逆流管束中未完全凝結(jié)的蒸汽在抽真空管口發(fā)生凝結(jié)而結(jié)冰，在空冷凝汽器最初設(shè)計(jì)時應(yīng)采用順流和逆流結(jié)構(gòu)（K／D）相結(jié)合的方式［4］。經(jīng)過汽輪機(jī)低壓缸的蒸汽首先進(jìn)入順流換熱管束（K），在管束內(nèi)蒸汽向下流動同時凝結(jié)，此時凝結(jié)水和蒸汽以相同的方向流入底部匯集聯(lián)箱。經(jīng)過順流換熱管束后大部分蒸汽已凝結(jié)，剩余的部分蒸汽和不凝結(jié)氣體一起進(jìn)入逆流換熱管束（D），此時凝結(jié)水和蒸汽以相反的方向流動，未凝結(jié)蒸汽在向上流動的過程中完成凝結(jié)，凝結(jié)水在自身重力的作用下向下流入底部匯集聯(lián)箱，不凝結(jié)氣體由抽真空管被真空泵抽走［5］。

2.2 運(yùn)行中的防凍控制

a.空冷凝汽器進(jìn)汽量控制。機(jī)組啟停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行時進(jìn)入空冷凝汽器的蒸汽流量較小，換熱量和蒸汽流量不均衡，通過控制進(jìn)汽量，保證換熱管束內(nèi)流過的蒸汽與換熱量匹配。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)機(jī)組啟停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行時，關(guān)閉空冷凝汽器排汽支管上的真空電動蝶閥來解列某幾列溫度較低的換熱單元，以減小空冷凝汽器的換熱面積，將全部蒸汽集中在剩余的換熱單元中，確保進(jìn)汽量與換熱面積匹配，防止凝結(jié)水過冷度過大造成換熱管束結(jié)凍。同時，冬季機(jī)組啟動時應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)入空冷凝汽器的蒸汽流量，保證進(jìn)入空冷島的蒸汽流量大于最小防凍流量要求，避免長時間向空冷凝汽器排入蒸汽，且應(yīng)將真空抽到6～15 kPa（盡可能低）之后，再導(dǎo)入蒸汽，導(dǎo)入蒸汽時必須將空冷凝汽器置于自動運(yùn)行方式，確保順流、逆流防凍保護(hù)以及回暖加熱循環(huán)一直處在正常投用狀態(tài)。

b.空冷風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量控制。通過控制空冷風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻調(diào)速的方式，合理控制空冷風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量是最有效的防凍措施。冬季運(yùn)行時監(jiān)視抽真空管道及冷凝水管道溫度的過冷度，正常情況下冷凝水溫度比排汽溫度低2～3℃，抽真空溫度比排汽溫度低5～10℃。如果空冷凝汽器凝結(jié)水收集管上有任一點(diǎn)溫度比其它溫度點(diǎn)低，且過冷度大于以上規(guī)定值，環(huán)境溫度小于2℃，則可以相應(yīng)減小該處風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至停運(yùn)該列幾臺或者全部風(fēng)機(jī)，必要時在風(fēng)機(jī)入口加蓋帆布，直至此處凝結(jié)水溫度升高。冬季啟動風(fēng)機(jī)時，確保先啟動逆流風(fēng)機(jī)，后啟動順流風(fēng)機(jī)，停運(yùn)時操作反之，時刻保持逆流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于或等于順流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以確保蒸汽、凝結(jié)水流動暢通，防止形成氣阻。

c.空冷凝汽器內(nèi)不凝結(jié)氣體的抽出。當(dāng)漏入的空氣進(jìn)入真空系統(tǒng)后形成不凝結(jié)氣體，由于空冷凝汽器的真空度很高，這些不凝結(jié)氣體便在換熱管束內(nèi)聚集，形成氣阻。同時，由于不凝結(jié)氣體的焓值較低，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，很容易造成空冷凝汽器換熱管束結(jié)凍。為了保證逆流換熱管束的傳熱能力，應(yīng)及時抽出空冷凝汽器內(nèi)聚集的不凝結(jié)氣體，通常在環(huán)境溫度較低時啟動2臺或3臺真空泵同時運(yùn)行，以便最大限度抽出空冷凝汽器系統(tǒng)內(nèi)的不凝結(jié)氣體［6］。

d.冬季采用防凍自動保護(hù)控制。冬季運(yùn)行時空冷凝汽器采用防凍自動保護(hù)控制也是一種非常有效的方法，投入后控制系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境溫度、凝結(jié)水溫度、抽氣溫度、機(jī)組背壓等自動進(jìn)行調(diào)節(jié)［7］。某發(fā)電公司的自動保護(hù)控制為：環(huán)境溫度低于-2℃時開始啟動回暖加熱，當(dāng)環(huán)境溫度高于0℃時停止回暖加熱?；嘏訜岬捻樞蚴牵簭牡?列開始，列1的逆流風(fēng)機(jī)停運(yùn)，1 min后，列1風(fēng)機(jī)以15 Hz的指標(biāo)反轉(zhuǎn)3 min，然后再停運(yùn)1 min。2.5 min后，列2逆流風(fēng)機(jī)進(jìn)行同樣的操作，一直進(jìn)行到第8列，共用時間為1 h。然后再從第1列開始，反復(fù)循環(huán)。如果某列蒸汽立管閥關(guān)閉，則回暖加熱循環(huán)將跳過這列。冬季工況（環(huán)境溫度低于3℃）下，在暖機(jī)階段結(jié)束30 min后，防凍保護(hù)將處于可觸發(fā)狀態(tài)。防凍保護(hù)有2種：防凍保護(hù)Ⅰ和防凍保護(hù)Ⅱ，均對空冷系統(tǒng)每列1單元（包括1、2、3、4排）和2單元（包括5、6、7、8排）進(jìn)行防凍保護(hù)。防凍保護(hù)Ⅰ的觸發(fā)條件：該單元任一凝結(jié)水溫度或抽汽溫度低于25℃且環(huán)境溫度低于3℃；復(fù)位條件：該單元所有冷凝水溫度高于35℃且所有抽汽溫度高于30℃或環(huán)境溫度不低于5℃。防凍保護(hù)Ⅱ的觸發(fā)條件：該單元任一抽汽溫度低于20℃且環(huán)境溫度低于3℃；復(fù)位條件：該單元所有抽汽溫度高于30℃或環(huán)境溫度不低于5℃。

e.提高空冷凝汽器真空嚴(yán)密性。冬季空冷凝汽器運(yùn)行時，應(yīng)定期做真空嚴(yán)密性試驗(yàn)，確保機(jī)組泄漏量小于100 Pa／min，此值越低越有利于防凍和空冷性能（歐洲標(biāo)準(zhǔn)為50 Pa／min）。否則，大量泄漏的冷空氣積存于換熱管束內(nèi)，無法被抽真空系統(tǒng)抽出，容易導(dǎo)致結(jié)凍。試驗(yàn)時如果真空嚴(yán)密性大于100 Pa／min，要對真空系統(tǒng)進(jìn)行查漏和處理，直到嚴(yán)密性試驗(yàn)合格為止。

f.空冷凝汽器換熱管束裝設(shè)在線溫度監(jiān)測裝置。在空冷凝汽器換熱管束上加裝在線溫度監(jiān)測裝置，使運(yùn)行人員實(shí)時了解空冷島蒸汽凝結(jié)狀態(tài)，了解管束局部溫度分布，運(yùn)行人員根據(jù)其溫度分布對空冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時有效的調(diào)整，提高空冷凝汽器抗凍能力，同時也可有效提高空冷凝汽器防凍工作的質(zhì)量，減小防凍工作的盲目性［8］。

3 結(jié)束語

對空冷凝汽器換熱管束冬季結(jié)凍因素進(jìn)行探討，認(rèn)為換熱管束內(nèi)凝結(jié)水發(fā)生結(jié)凍的主要因素是換熱管束冷卻能力與蒸汽熱負(fù)荷不平衡，從控制空冷凝汽器蒸汽進(jìn)汽流量和風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)量、不凝結(jié)氣體的抽出、采用防凍自動保護(hù)控制、提高空冷凝汽器真空嚴(yán)密性等方面提出了防止空冷凝汽器換熱管束發(fā)生結(jié)凍的措施。同時根據(jù)空冷凝汽器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地處環(huán)境區(qū)域，對于冬季環(huán)境氣溫較低的地區(qū)，在進(jìn)行空冷凝汽器前期設(shè)計(jì)時建議選用抗凍性能更好的單排管換熱管束，同步裝設(shè)換熱管束在線溫度監(jiān)測裝置，所有排汽支管均安裝真空電動蝶閥。

［1］ 徐傳海，劉 剛，李晉鵬.三排管直接空冷凝汽器結(jié)凍原因［J］.電力設(shè)備，2006，7（9）：51-54.

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［7］ 李 波，楊 輝.600 MW直接空冷機(jī)組空冷控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化［J］.東北電力技術(shù)，2010，31（4）：40-41.

［8］ 金秀章，許 鐵，張建輝.300 MW機(jī)組空冷島溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2013，30（11）：112-114.

Analysis on Freezing Factors of 600 MW Three?row?piped Air?cooled Condenser

LIU Zhen?sheng
（Ningxia Datang International Daba Power Generation Co.，Ltd.，Qingtongxia，Ningxia 751607，China）

Themain reason is that heat loads and heat transfer capability in the tube bundles do notmatch which lead to air cooled steam condenser freeze at low load operation of air cooled steam condenser in winter.If non?condensable gas is not removed timely，non?condensable gas does collect result in increased freeze.Antifreezing measures are adopted，tube bundles design mix with down stream structure and contraflow structure and make sure cooling air flow matches steam flow during the operation，improving the tight?ness and non?condensable gas is removed timely in vacuum system.

Air?cooled condenser；Freezing factors；Antifreezingmeasures

TM621；TQ545

A

1004-7913（2015）07-0041-03

劉振盛（1979—），男，工程師，主要從事火力發(fā)電廠輔機(jī)技術(shù)管理工作。

2015-01-26）