张捷尚
（宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司，宁夏 青铜峡 751607）
【摘要】根据宁夏大唐国际大坝发电公司2* 600MW投产五年以来的实际运行情况, 针对直接空冷机组凝汽器在冬季运行过程中出现的冻结问题，在大量统计资料及试验的基础上, 分析出空冷凝汽器在冬季运行过程中冻结的原因，提出直接空冷机组在冬季运行中应该采取的措施，保证了直接空冷机组冬季的安全稳定运行。
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关键词 空冷凝汽器；冻结；防冻措施
The Analysis of the 5th air Cooled Condenser Freeze Dryer in DaBa Power Plant
ZHANG Jie-shang
(Ningxia Datang International DaBa Power Gneration Co., Ltd., Qingtongxia Ningxia 751607, China)
【Abstract】According to 2* 600MW actual production of Ningxia Datang international daba power generation company in five years and the basis of a large number of statistics and tests, the article attaches much importance to study the congealment problems existing in direct air-cooling condenser running in winter, makes a summary about the causes for congealment of air-cooling condenser, brings up the measures for anti-freezing of direct air-cooling condenser and ensure the safe and stable operation of direct air cooling unit in winter.
【Key words】Air-cooling condenser; Congealment; Anti-freezing measures
1 直接空冷系统概述
大坝电厂三期2*600MW机组是东方汽轮机厂采用日立技术设计成产的NZK600-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、两缸两排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。两台机直接空冷系统是由斯必克斯公司(SPX)生产。其系统组成为空冷凝汽器、空冷风机、凝汽器抽真空系统及空冷散热器清洗系统等[1]。
空冷凝汽器布置在主厂房A列外的标高45.0m空冷平台上。每台机组共安装有64组空冷凝汽器，分为8列冷却单元垂直A列布置，每列有8排空冷凝汽器，其中第2、6排为逆流凝汽器，其余6排为顺流凝汽器。每组空冷凝汽器由10个散热器管束组成，下部设置1台轴流变频调速冷却风机[2]。
顺流凝汽器管束是冷凝蒸汽的主要部分，逆流凝汽器管束主要是为了将系统内空气和不凝结气体排出，防止运行中在管束内部的某些部位形成死区，避免冬季形成冻结。
2 冻结实例
2012年12月30日夜班，5号机组负荷363MW，背压12.7kPa，环境温度-10.7℃，空冷主控自动，回暖保护投入、防冻保护投入。
根据DCS画面显示空冷凝结水及抽气温度，运行人员逐渐降低机组背压至8.4kPa。
空冷3列1单元（包括3列1、3列2、3列3、3列4风机，其中3列2风机为逆流风机）凝结水温度右侧温度下降至25℃，将3列1风机启动（反转），该温度最低降至14℃后开始回升至45℃。后该温度再次下降至15℃，通过启动3列1风机（反转）调整，维持在正常温度。
空冷3列2单元（包括3列5、3列6、3列7、3列8风机，其中3列6风机为逆流风机）左侧凝结水温度下降至25℃，启动3列5风机（反转），由于转速提不起来，解除3列防冻保护，启动3列7、3列8风机，加大3列的进汽量，同时启动3列3风机（反转）、3列4风机运行（反转），温度开始回升至正常值后维持。
清晨由于环境温度低（-15℃）、多个凝结水温度有下降趋势，设置背压15kPa。DCS画面显示3列2单元左侧凝结水温度下降至24℃，反转启动3列3、3列4、3列5风机，作用不明显，又将3列7、3列8风机设置为反转并启动，将背压继续提高至25kPa，但3列2单元凝结水温度仍较低，其中3列2单元左侧凝结水温度测点1显示8.9℃、3列2单元左侧凝结水温度测点2显示8.9℃。
随后安排人员对空冷岛进行了检查，当用手触摸直接空冷凝汽器的翅片管时感觉第3列排汽管束存在局部过冷却现象，后用红外线温度测试仪测其翅片温度只有-12℃，表明这些管束可能冻结，而其余无“冰冷”感的顺逆流管束的翅片温度竟高达45～50℃。检查到3列7风机管束时有明显吸气声，确定3列7管束冻裂。如图1所示：
3 冻结原因分析
3.1 直接空冷凝汽器发生冻结的机理
大坝电厂冷凝管束为三排管结构，在防冻方面存在一定难度，由于第三排管冷凝的蒸汽量比第二排管少，第二排管又比第一排管冷凝的蒸汽量少，这样，第三排管具有较低压力降。出口管箱的压力等于入口管箱的压力减去流过第三排管和第二排管的压力降，因此，第三排管出口的压力就大于第二排管的压力，第二排管的压力就大于第一排管的压力，这样就导致蒸汽进入第一排管的两端，不凝气体在第一排管端聚集，一直延伸到全部管长，等到第一排管末端压力等于出口管箱的压力，第一排管的蒸汽才会排到出口管箱。由于第一排管只有较少的带有不凝结气体蒸汽通过，第一排管壁就变冷了。当凝结水流过这段管子时，就可能发生冻结。
另外，即使空冷凝汽器在稳定运行条件下，底部和顶部排管与空气接触的先后次序不相同，各排管的蒸汽冷凝区的分配也是不相同的。由于底部排管首先与冷空气接触，上面的管排冷凝在管子末端结束，而底部的管排冷凝会在管子中间的某一点结束，其余管长就形成冷却区。在此冷却区凝结水急剧过冷，在低温下也会发生冻结。
3.2 直接空冷系统产生冻结的原因
通过对于大坝电厂5 号机组冻结原因的分析，总结出直接空冷机组冻结主要基于以下几方面原因。
3.2.1 冬季极低的环境温度
空冷凝汽器的冷却能力在一定通风量的条件下，取决于环境空气温度。在冬季低温时，空冷凝汽器的换热效果好，易导致凝结水过冷度增大，当气温继续下降到零度以下某一限度，蒸汽已在前一段凝结完毕，在后段管束内的凝结水很快被冷却到管壁温度，发生过冷却甚至冰冻现象。这种情况如造成空冷凝汽器大面积冻结，后果不堪设想，在我国刚刚引进直接空冷机组时，极低温度下发生空冷凝汽器冻结还是很多的。
3.2.2 换热能力大于热负荷
当环境温度降到0℃以下时，如果机组负荷较低，则进入直接空冷系统的蒸汽流量将会很小，即使风机不运行，直接空冷系统也有可能因为自然换热而结冻，特别是在启动时间长，蒸汽流量小的机组冷态启动工况。要满足防冻要求必须保证直接空冷系统有一定的进汽量（最小防冻流量）且达到该进汽量的时间应尽可能短，且在连续运行的过程中也不能低于这个流量；另外要尽量避免长时间在低温环境下低负荷运行[3]。
3.2.3 不凝气体导致的冻管
应该说大部分的冻管源于冷区，而冷区源于系统中有空气聚集。空冷凝汽器系统漏气量大，抽气系统功能下降，换热不均都会造成空气在系统中聚集形成冷区。 如果蒸汽中含有空气就会在管束中形成冷区如图2所示。在冷区里，蒸汽的含量很少， 凝结放热很小，而空气本身因为比热小，很容易被冷却到环境温度。当凝结水流经冷区的时候就会被冷却，如果在冷区内被冷却到冰点，就会结冰。所以所有可能导致空气聚集的因素都会增加冻管的风险。
3.2.4 运行过程中的监视调整不及时
空冷风机在自动情况下运行时，如果背压实际值大于设定值，按照指令它会提升风机转速，但它根本不考虑是由于何种原因造成的背压升高。在这种工况下，风机转速越高，管束冻得越厉害；管束冻得越厉害，背压越高，风机转速提得越高，形成了恶性循环，直至机组无法承受为止。若运行人员监视不到位，没有及时采取措施，会导致空冷凝汽器管束冻裂事故发生。
综上所述，以上几个方面是目前空冷机组产生冻结的主要原因，空冷凝汽器管束产生冻结，轻者会使空冷凝汽器传热性能大大降低，热耗增加，重者管束被冰块堵塞、真空下降，甚至会出现冻裂翅片管或使翅片管变形，造成永久损害。这些在国内外已投运的空冷系统上都曾发生，因此直接空冷系统冬季运行的防冻问题引起了大家广泛重视。
4 防冻措施
4.1 空冷风机的转速应保持一致
由于风机叶轮的作用，在空冷岛内形成旋转气流，若风机转速不一致，则形成的气流分布就会不均匀，将影响空冷换热器的传热系数，造成空冷散热器各管排之间的热负荷分配不均匀，容易出现冷区。因此应保持空冷风机的转速一致，特别是同一列内的各风机应保持转速一致。
4.2 注意逆流管束区的运行方式
保持逆流管束强有力的换热效果有利于将汽/气混合物从顺流管束“抽”（利用凝结产生的真空）向逆流管束，从而防止顺流管束两端进汽，以避免顺流管束出现冷区（这也是设置逆流管束来解决防冻问题的真正目的）。具体操作上应避免长时间反转逆流风机、停运逆流风机或让逆流风机以低于顺流风机转速运行。否则顺流风机会被迫提高转速以维持背压，从而决大部分蒸汽在顺流管束内完全冷却而导致空气聚集。
4.3 保证抽汽系统的运行
抽气系统的运行对于直接空冷系统来讲非常重要。当抽气温度下降过冷时应该立刻起备用的真空泵。降低逆流风机的转速或停止逆流风机、反转逆流风机是可以提高抽气温度，但是如上所说，这样的操作会导致空气聚集在顺流管束中而导致在“高”抽气温度下仍然产生冻结。关键点在于时间的控制与过冷度的把握。
4.4 要保证系统严密性
若系统不严密，则可能出现空冷岛局部有空气漏入管束，造成凝结水温度和抽汽温度偏差大、凝结水过冷度高，同时空气在管束内形成气阻，造成局部换热不均，冬季低负荷时管束内汽量逐渐减少、流速降低，容易管束变形、冻裂。因此，真空严密性试验要经常做，尽量控制在100pa/min 以下。如果漏气比较大，建议机组冬季运行至少2台真空泵维持真空。冬季运行对于泄漏量比较大的机组，建议背压设定值提升至18kPa以上。
大坝电厂5号机通过2013年7月小修，对每一列散热器管束进行打压查漏。通过查漏，共发现了4列3管束焊缝、5列2排汽管道焊缝等5处漏点，全部处理完之后在2013年进入冬季后空冷岛3列1、6列1单元散热器凝结水温度和抽汽温度偏差大问题得到改善，2013年5号机11月、12月的背压控制在12kPa以下，优于年初1、2月份的13.5kPa的背压水平。
根据我们的经验，在一个严密性好的系统里，冷区的数量少且小，而且随着工况的变动（如风机转速的变动，风向的变动等）冷区在“移动”。在这种情况下管道不会冻裂。但是如果漏气量很大或抽气系统功能失效则会使较多的冷区出现，而且冷区的面积也会加大，冷空气无法排除而导致冰结实。因此，我们不仅在DCS画面上加强监视，而且而要就地对凝汽器管束测温，防止发展到管子冻裂。
4.5 注意事项
（1）以自动控制为主，手动控制为辅，运行过程中尽量减少投切运行列的操作。
（2）根据机组负荷情况，采取多投运行列，风机保持低转速运行的方式要好于少投运行列，风机保持高速运行的运行方式。
（3）防冻以逆流防冻为主，顺流防冻为辅。
（4）根据环境温度的情况，适当的调整或增加巡检次数。
5 结语
直接空冷技术在我国发展较晚。只要我们在运行过程中不断努力，不断总结经验和教训，合理安排启动方式及制定空冷岛防冻措施，及时关注空冷凝汽器中凝结水温度，在确定机组低负荷运行时，应充分考虑到机组存在冻结的可能，并采取有效、合理的措施予以控制。空冷机组在冬季安全运行还是能够得到保证的。
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参考文献
［1］宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司.集控运行规程[Z].2010,12,20.
［2］宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司.空冷系统设计说明书[Z].
［3］哈志坚．浅谈直接空冷发电机组的冬季防冻[J]．宁夏电力,2008(2):46-49.
［责任编辑：汤静］