郭維維

（兗礦新疆煤化工有限公司空分車間)

眾所周知，我國水資源匱乏地區(qū)分布著豐富的煤炭資源。隨著煤化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，因地制宜利用煤炭資源發(fā)展下游產(chǎn)業(yè)，提高煤炭附加值，已是大勢所趨。與此同時，如何解決水資源緊缺問題已成了發(fā)展的關(guān)鍵。目前，大型煤化工項目越來越多地選擇空氣冷凝器作為汽輪機乏汽冷凝裝置。兗礦新疆煤化工有限公司空分空冷器裝置是由常熟某公司負責設(shè)計并指導(dǎo)安裝的，用于曼恩機械有限公司生產(chǎn)的RIKT-160機組汽輪機乏汽的冷凝。該套空冷器裝置為常熟某公司在新疆啟用的首套裝置，目前已累計投入運行23個月，運行情況良好。

1 空氣冷凝器系統(tǒng)的組成和流程

空氣冷凝器 （簡稱空冷器）系統(tǒng)流程如圖1所示。空冷器系統(tǒng)主要由以下6個子系統(tǒng)組成。

圖1 空氣冷凝器系統(tǒng)流程

（1）排汽系統(tǒng) 排汽系統(tǒng)設(shè)1根主排汽管道，排汽管道疏水直接引入排汽裝置下的疏水罐，管道上不設(shè)閥門。

（2）空氣冷凝器系統(tǒng) 空氣冷凝器系統(tǒng) （aircooled condenser system，簡稱ACC系統(tǒng)）通過蒸汽與空氣的熱交換來冷凝汽輪機排汽，以維持汽輪機的低背壓。整個空氣冷凝器系統(tǒng)按換熱介質(zhì)不同可劃分為蒸汽系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)。圖2為空冷器換熱管管束結(jié)構(gòu)示意圖。

①蒸汽系統(tǒng)。整個ACC系統(tǒng)由3列換熱管束組成，管束受熱面均采用兩級冷凝布置，即先順流(蒸汽流向與凝結(jié)水流向相同)后逆流 （蒸汽流向與凝結(jié)水流向相反）。在低溫低負荷情況下，可以選擇性停運部分換熱管束，以減少整體換熱面積。在逆流換熱器上聯(lián)箱設(shè)有抽氣口，以便將不凝結(jié)氣體抽出。

②空氣系統(tǒng)?？諝庀到y(tǒng)主要指風機組，包括12臺軸流風機及風機變速箱、電動機、振動開關(guān)、變頻器等附屬設(shè)施。風機轉(zhuǎn)速通過變頻器可在20%～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在低溫低負荷情況下，通過改變風機的轉(zhuǎn)速或運轉(zhuǎn)風機臺數(shù)可以改變空氣流量以減少換熱量。

（3）抽真空系統(tǒng) 抽真空系統(tǒng)設(shè)置2臺真空抽氣器，1臺為正常運行時使用，1臺啟動抽氣器，用以汽輪機啟動時快速降低汽輪機背壓。真空抽氣器將逆流換熱管束上聯(lián)箱中的不凝結(jié)氣與很少量蒸汽一起抽出，不凝結(jié)氣經(jīng)過抽氣器兩級水冷，最終排入大氣。

（4）凝結(jié)水系統(tǒng) 凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)置2臺凝結(jié)水泵，凝結(jié)水系統(tǒng)連續(xù)運行。ACC系統(tǒng)中的凝結(jié)水靠重力自流輸送到集液箱，由凝結(jié)水泵通過凝結(jié)水管輸出。

（5）啟動旁路裝置 由于汽輪機在暖機階段的流量非常低，在極端寒冷的情況下，不能滿足空冷器最小流量要求，因此必須使用ACC系統(tǒng)啟動旁路，以達到防凍的目的。旁路蒸汽系統(tǒng)包括一組隔離閥、減溫減壓裝置以及連接管道等。

（6）清洗系統(tǒng) 清洗系統(tǒng)配置1臺清洗水泵，水泵布置在室內(nèi)，采用半自動清洗方式，即水平移動為手動，垂直運動為電動。清洗系統(tǒng)的控制完全獨立，由就地開關(guān)控制，不進DCS。

2 空冷器裝置凍管故障及原因分析

2.1 空冷器裝置凍管

2012年冬，該套裝置所處最低氣溫達-30℃，屬于極端惡劣環(huán)境。隨著氣溫降低，先采取了逐漸降低風機負荷、停運風機、減小空冷器的換熱面積等方法維持空冷器運行。后來，隨著氣溫進一步降低，選擇了蒸汽乏汽最遠端一列換熱管束，關(guān)閉該列蒸汽進氣隔離閥，停止該列運行。初期運行情況良好，在環(huán)境溫度達最低時也沒有出現(xiàn)異常情況。但運行約60天后，環(huán)境溫度開始回升，2013年1月17日發(fā)現(xiàn)汽輪機排壓突然持續(xù)上升。為維持汽輪機正常背壓，啟動主抽氣器維持運行約2 h，在此期間凝結(jié)水溫度大幅度波動，且相鄰列溫差大于5℃，判斷為蒸汽嚴重偏流?？绽淦鳜F(xiàn)場框架上，可聽到停運列管束發(fā)出明顯的漏氣聲，敲擊漏氣聲附近管束，聲音沉悶，因此可判斷為現(xiàn)場管束凍堵。

由于部分管束因凍堵而發(fā)生局部脹裂，隨著氣溫上升，凍堵處自然化凍，自裂縫處倒吸空氣進入空冷器，導(dǎo)致空氣進入空冷器系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生嚴重偏流，抽氣器抽吸能力達不到要求，汽輪機背壓持續(xù)上升，最終汽輪機被迫停車。

2.2 凍管原因分析

根據(jù)此次故障的情況進行了以下分析。停運一列風機，關(guān)閉蒸汽進氣隔離閥，以降低空冷器換熱面積，但并沒有將停運的這列風機完全隔離。頂部抽取不凝氣的閥門處于打開狀態(tài)，同時底部冷凝液與運行列相通。在同一水平面上，停運列冷凝液底部下聯(lián)箱保持一定液位。由于進氣隔離閥關(guān)閉，沒有蒸汽進入停運列，頂部抽氣閥一直處于吸氣狀態(tài)，在停運列頂部與底部冷凝液產(chǎn)生了壓差，導(dǎo)致底部下聯(lián)箱的冷凝液被抽至一定高度。在極低環(huán)境溫度下，雖然管道脹裂，但由于凍堵并沒有發(fā)生泄漏。在環(huán)境溫度回升過程中，部分位置出現(xiàn)化凍現(xiàn)象，凍裂管道處開始出現(xiàn)漏氣，空冷器真空度難以維持，最終停車。

一般情況下導(dǎo)致凍管常見的有以下一些原因：蒸汽流量偏低；在意外情況下空氣進入系統(tǒng)的真空部分；由于長時間運行，系統(tǒng)中不凝氣體積聚太多；蒸汽分配不均導(dǎo)致某一列管束蒸汽量較少，風量過大，冷凝液過冷。而本次空冷器凍結(jié)是因為單獨停運了一列管束，又不能將該列管束完全隔離，所以最終導(dǎo)致部分管束凍管。

2.3 凍管處理措施

（1）快速處理，恢復(fù)系統(tǒng)運行。由于需要較大的換熱量，空冷器的管束一般管壁較薄，所以焊接堵漏方法不可行。對于凍裂管束暫時通過割斷處理方式，堵死有漏點管束，以便盡快恢復(fù)系統(tǒng)運行。此法為治標不治本，且可能導(dǎo)致蒸汽分配惡化，極易產(chǎn)生更為嚴重的凍管后果。因此，不建議大面積使用。

（2）更換管束，優(yōu)化工藝流程。利用檢修機會對割斷管束進行更換，同時對原有設(shè)計進行改造，在單列冷凝液匯流進入冷凝液總管處增加手閥，閥前增加導(dǎo)淋，配合頂部抽氣閥對停運列進行完全隔離。在完全停運一列后，關(guān)閉蒸汽進氣閥、頂部不凝氣抽氣閥、底部新增手閥，打開手閥前導(dǎo)淋閥，排凈底部冷凝液，對停運列完全隔離。經(jīng)試驗，可以完全隔離停運列，并且對機組運行沒有影響。

2.4 采取措施后的效果

2012年冬，采取快速處理的方法恢復(fù)了系統(tǒng)運行，但一直存在蒸汽偏流問題。2013年5月采取更換管束、優(yōu)化工藝流程的方法從根本上解決了凍管和偏流問題。2013年冬季伊始，對優(yōu)化后的工藝流程進行了試驗，完全達到了預(yù)期效果，可以徹底隔離停運列管束。從2014年的運行情況來看，空冷器運行情況良好，未再發(fā)生大面積凍管故障。

3 工藝參數(shù)異常情況處理

（1）不凝結(jié)氣體溫度低。當不凝結(jié)氣體溫度低時，檢查系統(tǒng)是否存在泄漏。通常情況下，如該溫度與排氣溫度的差值大于10℃，開啟主抽氣器以使系統(tǒng)外泄漏的空氣被抽出。但是使用主抽氣器以后應(yīng)注意汽輪機排氣壓力不能過低，必須高于35 kPaA（經(jīng)驗值），過冷度在3℃以內(nèi)，不超過5℃，一旦汽輪機壓力低于35 kPaA，系統(tǒng)將會在運行一段時間以后產(chǎn)生偏流現(xiàn)象。

（2）排氣壓力高，冷凝液溫度低。如果出現(xiàn)這種狀況，一般為偏流的后期反應(yīng)，即管束內(nèi)可能發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致管道內(nèi)部結(jié)冰，換熱效率下降。若凍管情況在可接受范圍內(nèi)，可采取在線化凍處理，即采用風機底部點火，人為營造溫熱環(huán)境，融化管束內(nèi)部冰的方法恢復(fù)空冷器的正常運行。若凍管嚴重，應(yīng)迅速停止汽輪機運行，停運所有風機和百葉窗，切斷旁路蒸汽，等待系統(tǒng)內(nèi)的冰融化。再次啟動前，需要檢查ACC系統(tǒng)的真空嚴密性，做真空衰減試驗 （具體值應(yīng)當參考廠家給定的設(shè)計值）。若真空度下降趨勢在廠家給定范圍內(nèi)，證明系統(tǒng)無明顯泄漏點；若真空度下降趨勢明顯，則需現(xiàn)場排查，對不正常泄漏點進行處理。

4 日常監(jiān)控運行措施

（1）巡檢人員務(wù)必要間隔一段時間檢查空冷器內(nèi)部迎風面管道上部、中部以及下部的壁溫，通常情況壁溫高于45℃。當環(huán)境溫度低于-20℃時，管束壁溫會有明顯降低，此時應(yīng)注意空冷島整體溫度的監(jiān)控。若整體溫度均降低，則在條件允許范圍內(nèi)，可以通過適當提高汽輪機排壓來提高乏汽冷凝溫度，以滿足防凍需要。

（2）由DCS通過迎風面管束測量壁溫趨勢及真空度、環(huán)境溫度、冷凝液溫度、排氣溫度、不凝氣溫度等相互關(guān)系，判斷風機的運行方式。

（3）在運行過程中應(yīng)注意防止凝結(jié)水過冷、不凝氣過冷。防止凝結(jié)水過冷的目的是避免由于冬季抽真空系統(tǒng)在低背壓下抽吸能力下降或嚴重漏氣致使凝結(jié)水過冷繼而結(jié)冰。切記在凝結(jié)水過冷情況下不能通過增加風機負荷來降低汽輪機背壓。如果汽輪機排氣溫度高于冷凝液溫度15℃以上，可選擇啟動第二臺運行抽氣器；若汽輪機排氣溫度與冷凝液溫度溫差在6℃以內(nèi)，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，則可以停第二臺運行抽氣器。

（4）當環(huán)境溫度降到0℃以下時，就要考慮防凍問題。如果進入空冷器的蒸汽流量很小，即使風機不運行，空冷器也可能因為自然換熱而結(jié)凍。特別是在汽輪機啟動階段，此時可以啟動旁路蒸汽，人為增加空冷器的蒸汽處理量。該蒸汽流量隨空冷器換熱面積的減少和環(huán)境溫度的升高而降低。

（5）管束的清潔程度對空冷器的性能影響很大。入夏前必須對管束進行清洗，否則可能因為高背壓導(dǎo)致機組不能滿負荷運行。

總之，在實際運行中，通過不斷優(yōu)化工藝流程，改進操作方法，有效地提高了空冷器運行的可靠性?？绽湓O(shè)備的有效利用，大大降低了空分耗水量。