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[摘 要]对霍林河坑口发电有限责任公司2×600MW直接空冷机组冬季运行经验，浅析直接空冷机组在低温环境下运行中存在的问题，提出直接空冷机组，在低温环境中安全运行需要采取的安全措施，重点检查部位及时检查调整，防止机组冬季冰冻现象的发生。
[关键词]直接空冷机组 防冻措施 检查调整
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）14-0319-02
前言
我国富源辽阔，矿产资源北方居多，而水利资源却恰恰相反，又伴随着全球气候变暖，近20年来我国北方降水量减少，从原来周期性缺水变为终年缺水。直接空冷机组成为我国北方缺水富煤地区电力企业建厂的必然选择，另一方面某些电力企业为了降低生产成本，保证电力企业持续发展，也相应发展直接空冷机组。根据已投运生产单位统计，与同容量机组比较，直接空冷机组比湿冷机组节水70%左右，与间接空冷相比，具有占地面积小、环保等优点，但是直接空冷机组仍然存在在冬季低温环境下机组启停或者低负荷运行时容易结冻等问题，直接影响到机组的安全稳定运行，成为直接空冷机组发展的瓶颈。
1 直接空冷机组
霍林河坑口发电有限责任公司2×600MW为两台国产亚临界参数直接空冷燃煤机组。汽轮机选用按照引进技术进行设计和制造的亚临界参数、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。空冷岛共设计56个空冷单元，每7个空冷单元（顺5、逆2）组成一列A型框架，每列框架上有一根蒸汽分配联箱组成，总共组成8列A型框架。空冷岛标高45m。
2 直接空冷机组冬季运行存在的问题
在环境温度极低的冬季，直接空冷机组在启、停过程或低负荷运行时，空冷凝汽器易发生集水联箱、管路、阀门冻结现象，直接影响到机组的安全稳定运行。
2.1 蒸汽流量和热力分配不均
2.1.1 机组启动阶段
在锅炉、汽机均为冷态启动时，汽压和汽温会不匹配，可能出现汽压低、汽温高，蒸汽流量小的现象，难以同时满足汽机冲转和空冷最低进汽量的要求；同时大量疏水进入本体疏水扩容器，70%左右疏水通过本体疏水泵加压后排入凝结水箱，30%左右扩容蒸汽则排入空冷凝汽器系统；而且并网前期发电机空负荷试验时间较长，进入空冷凝汽器系统的蒸汽量较少。因此，在冬季环境温度低的情况下，如此少量的蒸汽进入庞大的空冷岛系统，必然造成空冷散热器内结冰，破坏正常的汽水循环流动，不及时处理，导致排汽管道积水冲击振动以及大面积冰冻而造成设备损坏。
2.1.2 机组停机阶段
在机组停机阶段，随着机组负荷的降低，进入到空冷凝汽器系统的蒸汽流量也随之减少，当蒸汽流量减少到10%额定蒸汽流量以下时就容易发生结冰现象。而当机组发生非正常停机时，进入到空冷凝汽器系统的蒸汽流量突然锐减，极易造成空冷凝汽器系统的结冰现象发生。
2.2 空冷凝汽器散热管束表面温差
根据直接空冷凝汽器的结构特点以及设计、制造和安装质量问题，在实际运行中，空冷凝汽器散热管束表面存在3种温差现象：
1）空冷凝汽器系统配汽联箱对应的各个管排由于热力和蒸汽流量不均所造成的温差；
2）对应各排冷却三角形两侧管束表面由于热力和蒸汽流量不均所造成的温差；
3）对应各排南侧或北侧相邻管束间由于热力和蒸汽流量不均所造成的温差。
由于这3种温差的存在，机组在低负荷运行期间，部分空冷凝汽器所分配的蒸汽流量将远远低于生产厂家要求的最小热负荷，在冬季低气温运行过程中，空冷凝汽器散热管束存在冻结危险。
2.1.3 空冷凝汽器系统阀门不严密
空冷凝汽器系统供汽管道上安装阀门是有效控制空冷凝汽器防冻手段，但如果该阀开关次数过多，或者热应力影响导致阀门严密性下降，则会造成即使阀门在关闭状态下也有少量蒸汽漏人后面的空冷凝汽器，导致局部冻结现象的发生。
2.1.4 抽真空系统工作不正常
如果存在设计或制造不合理、工作介质参数不合格以及部件磨损等现象，导致抽真空系统工作不正常。
2.1.5 监视手段不完善
常规机组空冷凝汽器系统凝结水温度测点均布置在空冷凝汽器单元尾部，而最容易冻结的下联箱一般都没有测点，因此有必要增加该区域的监视测点。另外，冬季受外界风力、风向等影响，没有测量数据指导运行。
3 直接空冷机组冬季运行防冻安全策略
3.1 入冬前的防冻策略
环境温度低于-2℃的情况下，根据现场实际运行情况，在入冬前采用如下防冻措施：
1）对逆流凝汽器抽真空管道及阀门加装电伴热装置，防止冻结。
2）在温度较低的凝结水联箱上加装保温棉及电伴热装置。
3）在空冷凝汽器进汽蝶阀四周加装电伴热装置。
3.2 冬季启动防冻策略
锅炉点火后，尽快提高蒸汽参数。旁路投运后，要尽快增加旁路的通流量，并控制低旁减温后温度在系统允许的较高值，尽快增加空冷凝汽器的熱负荷。达到冲车参数时，采用高中压联合启动的方式，用较高的升速率和最短的暖机时间，尽快定速和并网并带初始暖机负荷。并网带负荷后当运行背压接近于当时背压保护规定的对应报警前，应按顺序启动空冷风机，风机启动后应限制其最高转速在额定转速的1/3以下。当机组背压达到15kPa，其它风机都投入运行且转速均达到50%风机额定转速后，投入退出的空冷凝汽器。投入空冷凝汽器顺序为先开空冷凝汽器隔离阀，隔离阀全部开启后，当所有管束温度及真空抽汽温度达到并高于35℃后，再启动对应的冷却风机。
3.3 冬季停机防冻策略
机组在停机过程中，根据机组背压情况，按照供汽分配管排先两侧后中间的顺序关闭空冷各排散热器抽空气门及进汽阀门，停止冷却风机，打闸停机后，立即关闭所有至排汽装置的疏水，破坏真卒，关闭所有空冷凝汽器进汽阀门，并就地确认蝶阀在完全关闭状态，必要时手动关严各进汽阀并投入伴热。 3.4 在空冷凝汽器散热器周围設置挡风墙。挡风墙可以防止冬季寒风直接吹在空冷凝汽器的散热片上而发生局部管束过冷而冻结。
3.5 在设计上优化选择顺流、逆流空冷凝汽器的配置比例。在气候变化和低负荷工况下，蒸汽在顺流空冷凝汽器管束中充分换热后，剩余蒸汽在逆流空冷凝汽器管束得以充分放热，防止凝结水的过冷以及冰冻。
3.6 当环境温度低于空冷凝汽器设计温度时，为了避免汽轮机背压过低，防止空冷凝汽器管束局部过冷冻结，通过合理配置空冷风机组的运行方式，调节空冷风机的转速，减少空冷凝汽器的冷却空气进风量。同时利用逆流空冷凝汽器空冷风机的间断反转，可抑制自然冷风对逆流空冷凝汽器内部管束蒸汽的冷却或把空冷凝汽器上方的热空气抽回，足以使逆流空冷凝汽器散热管束解冻。
3.7 选择合理出力的抽真空设备，抽出不凝结气体，以避免其在逆流凝汽器管束中大量聚集。同时要保持真空系统的严密性，以防漏入空气量与抽真空系统的容量失衡时出现不凝结气体的聚集。
3.8 在冬季极端低温和低负荷条件下，风机转速降低到零，即便是在所有风机停转情况下，空冷凝汽器散热片由于自然对流仍散发大量的热量，空冷凝汽器的压力仍有可能低于抽真窄设备的最小允许压力而难以抽出不凝结气体，应该在蒸汽分配管道上安装阀门使空冷凝汽器系统可分段运行，增加热负荷，达到防冻目的。
3.9 机组正常运行中，当环境温度低于-20℃，并且任一排凝结水收集联箱处的凝结水温度低于15℃时，凝结水会发生过冷却，及时提高排汽压力设定值，如果经过30min凝结水过冷仍然存在，启动备用真空泵。当排汽温度与最低的凝结水温度的差小于6℃时，可以认为过冷消失，延时停运备用真空泵，同时恢复排汽压力的原设定值。当排汽温度与真空抽气温度差大于15℃时，则出现了抽真空系统过冷，延时l0min启动备用真空泵，当温度差小于6℃时，可以认为过冷消失，延时停运备用真空泵。加强直接空冷机组的监督及时调整，目前，直接空冷机组设计的温度监测点少，单从运行表计监视的数据不能及时发现机组的安全隐患，运行中必须加强监视、调整和就地检查。
4 重点监视和调整内容
4.1 机组运行背压
冬季环境温度越低，空冷凝汽器防冻需要的最小热量越大，适当提高机组运行背压，以提高汽轮机排汽及凝结水温度，增加空冷凝汽器的热负荷，有利于防冻，此时牺牲了机组的能耗指标。同时，必须限制汽轮机背压在对应工况下背压保护曲线的报警值以内。
4.2 各逆流空冷凝汽器真空抽气温度
大量的蒸汽在顺流空冷凝汽器内被冷却，剩余的蒸汽到逆流空冷凝汽器后温度降低了很多，真空抽气口位置的蒸汽温度最低，此温度是各排列冷凝汽器整体运行情况的反映，如果控制不好此点温度，容易结霜将抽气口堵住，发生本排空冷凝汽器管束全部冻结。
4.3 凝结水收集联箱表面温度
绝大多数蒸汽在顺流空冷凝汽器中凝结成水，而逆流空冷凝汽器仪有少量的蒸汽，通过实测各排凝结水收集联箱的表面温度可以直观反映出顺流空冷凝汽器的散热效果。
4.4 加强对凝结水溶氧的监视与调整
凝结水溶氧大或不合格，反映出空冷系统严密性较差，存在真空系统泄漏，易造成空冷凝汽器系统局部冻结。此时，可适当提高低压缸汽封进汽压力，并对安全门、防爆门、负压系统进行查漏、堵漏工作，直至溶氧合格。
4.5 凝结水过冷却度
5 结束语
通过对直接空冷机组冬季运行经验的摸索，发现直接空冷机组在低温环境下运行中存在的问题，采取了相应的安全措施，并加强对重点检查部位的检查反馈和及时调整，避免了直接空冷机组在冬季冰冻现象的发生，但对双排管数值模拟建立的环境温度与最小防冻排汽量关系还需进一步地实验验证和工程检验。
参考文献
[1] 顾志福，张文宏，李辉，彭继业.电厂直接空冷系统风效应风洞模拟实验研究[J].热能动力工程，2003，18（104）：159-162.
[2] 胡三季.钢制双列滴型管套矩形翅片空冷元件传热及阻力性能试验研究报告[R].西安热工研究院有限公司，2006.6.
[3] 陈胜利.钢制椭圆管矩形翅片空冷元件传热及阻力性能试验研究报告[R].西安热工研究院有限公司，2006.8.
[4] 宋富强，屈治国，何雅玲，陶文铨.低速下空气横掠翅片管换热规律的数值研究[J].西安交通大学学报，2002，36（9）：899-902.
[5] 陶文铨.数值传热学（第2版）[M].西安：西安交通大学出版社，2001.
[6] 张遐龄，杨旭，李向群，安亦然.火电厂空冷平台换热的数值模拟[J].水动力学研究与进展.2005，20（z1）：874-880.
[7] 石磊，邢苍，程远达，刘海峰.双排管外空气流动和传热性能的数值研究[J].动力工程，2008，28（4）.55（3）：18—21.
作者简介
姓名：杨天翔，职称：助理工程师，从事专业：热能与动力工程，工作单位：通辽霍林河坑口发电有限责任公司，单位地址：内蒙古通辽市霍林郭勒市友谊路东段，邮政编码：029200。
[关键词]直接空冷机组 防冻措施 检查调整
中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）14-0319-02
前言
我国富源辽阔，矿产资源北方居多，而水利资源却恰恰相反，又伴随着全球气候变暖，近20年来我国北方降水量减少，从原来周期性缺水变为终年缺水。直接空冷机组成为我国北方缺水富煤地区电力企业建厂的必然选择，另一方面某些电力企业为了降低生产成本，保证电力企业持续发展，也相应发展直接空冷机组。根据已投运生产单位统计，与同容量机组比较，直接空冷机组比湿冷机组节水70%左右，与间接空冷相比，具有占地面积小、环保等优点，但是直接空冷机组仍然存在在冬季低温环境下机组启停或者低负荷运行时容易结冻等问题，直接影响到机组的安全稳定运行，成为直接空冷机组发展的瓶颈。
1 直接空冷机组
霍林河坑口发电有限责任公司2×600MW为两台国产亚临界参数直接空冷燃煤机组。汽轮机选用按照引进技术进行设计和制造的亚临界参数、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机。空冷岛共设计56个空冷单元，每7个空冷单元（顺5、逆2）组成一列A型框架，每列框架上有一根蒸汽分配联箱组成，总共组成8列A型框架。空冷岛标高45m。
2 直接空冷机组冬季运行存在的问题
在环境温度极低的冬季，直接空冷机组在启、停过程或低负荷运行时，空冷凝汽器易发生集水联箱、管路、阀门冻结现象，直接影响到机组的安全稳定运行。
2.1 蒸汽流量和热力分配不均
2.1.1 机组启动阶段
在锅炉、汽机均为冷态启动时，汽压和汽温会不匹配，可能出现汽压低、汽温高，蒸汽流量小的现象，难以同时满足汽机冲转和空冷最低进汽量的要求；同时大量疏水进入本体疏水扩容器，70%左右疏水通过本体疏水泵加压后排入凝结水箱，30%左右扩容蒸汽则排入空冷凝汽器系统；而且并网前期发电机空负荷试验时间较长，进入空冷凝汽器系统的蒸汽量较少。因此，在冬季环境温度低的情况下，如此少量的蒸汽进入庞大的空冷岛系统，必然造成空冷散热器内结冰，破坏正常的汽水循环流动，不及时处理，导致排汽管道积水冲击振动以及大面积冰冻而造成设备损坏。
2.1.2 机组停机阶段
在机组停机阶段，随着机组负荷的降低，进入到空冷凝汽器系统的蒸汽流量也随之减少，当蒸汽流量减少到10%额定蒸汽流量以下时就容易发生结冰现象。而当机组发生非正常停机时，进入到空冷凝汽器系统的蒸汽流量突然锐减，极易造成空冷凝汽器系统的结冰现象发生。
2.2 空冷凝汽器散热管束表面温差
根据直接空冷凝汽器的结构特点以及设计、制造和安装质量问题，在实际运行中，空冷凝汽器散热管束表面存在3种温差现象：
1）空冷凝汽器系统配汽联箱对应的各个管排由于热力和蒸汽流量不均所造成的温差；
2）对应各排冷却三角形两侧管束表面由于热力和蒸汽流量不均所造成的温差；
3）对应各排南侧或北侧相邻管束间由于热力和蒸汽流量不均所造成的温差。
由于这3种温差的存在，机组在低负荷运行期间，部分空冷凝汽器所分配的蒸汽流量将远远低于生产厂家要求的最小热负荷，在冬季低气温运行过程中，空冷凝汽器散热管束存在冻结危险。
2.1.3 空冷凝汽器系统阀门不严密
空冷凝汽器系统供汽管道上安装阀门是有效控制空冷凝汽器防冻手段，但如果该阀开关次数过多，或者热应力影响导致阀门严密性下降，则会造成即使阀门在关闭状态下也有少量蒸汽漏人后面的空冷凝汽器，导致局部冻结现象的发生。
2.1.4 抽真空系统工作不正常
如果存在设计或制造不合理、工作介质参数不合格以及部件磨损等现象，导致抽真空系统工作不正常。
2.1.5 监视手段不完善
常规机组空冷凝汽器系统凝结水温度测点均布置在空冷凝汽器单元尾部，而最容易冻结的下联箱一般都没有测点，因此有必要增加该区域的监视测点。另外，冬季受外界风力、风向等影响，没有测量数据指导运行。
3 直接空冷机组冬季运行防冻安全策略
3.1 入冬前的防冻策略
环境温度低于-2℃的情况下，根据现场实际运行情况，在入冬前采用如下防冻措施：
1）对逆流凝汽器抽真空管道及阀门加装电伴热装置，防止冻结。
2）在温度较低的凝结水联箱上加装保温棉及电伴热装置。
3）在空冷凝汽器进汽蝶阀四周加装电伴热装置。
3.2 冬季启动防冻策略
锅炉点火后，尽快提高蒸汽参数。旁路投运后，要尽快增加旁路的通流量，并控制低旁减温后温度在系统允许的较高值，尽快增加空冷凝汽器的熱负荷。达到冲车参数时，采用高中压联合启动的方式，用较高的升速率和最短的暖机时间，尽快定速和并网并带初始暖机负荷。并网带负荷后当运行背压接近于当时背压保护规定的对应报警前，应按顺序启动空冷风机，风机启动后应限制其最高转速在额定转速的1/3以下。当机组背压达到15kPa，其它风机都投入运行且转速均达到50%风机额定转速后，投入退出的空冷凝汽器。投入空冷凝汽器顺序为先开空冷凝汽器隔离阀，隔离阀全部开启后，当所有管束温度及真空抽汽温度达到并高于35℃后，再启动对应的冷却风机。
3.3 冬季停机防冻策略
机组在停机过程中，根据机组背压情况，按照供汽分配管排先两侧后中间的顺序关闭空冷各排散热器抽空气门及进汽阀门，停止冷却风机，打闸停机后，立即关闭所有至排汽装置的疏水，破坏真卒，关闭所有空冷凝汽器进汽阀门，并就地确认蝶阀在完全关闭状态，必要时手动关严各进汽阀并投入伴热。 3.4 在空冷凝汽器散热器周围設置挡风墙。挡风墙可以防止冬季寒风直接吹在空冷凝汽器的散热片上而发生局部管束过冷而冻结。
3.5 在设计上优化选择顺流、逆流空冷凝汽器的配置比例。在气候变化和低负荷工况下，蒸汽在顺流空冷凝汽器管束中充分换热后，剩余蒸汽在逆流空冷凝汽器管束得以充分放热，防止凝结水的过冷以及冰冻。
3.6 当环境温度低于空冷凝汽器设计温度时，为了避免汽轮机背压过低，防止空冷凝汽器管束局部过冷冻结，通过合理配置空冷风机组的运行方式，调节空冷风机的转速，减少空冷凝汽器的冷却空气进风量。同时利用逆流空冷凝汽器空冷风机的间断反转，可抑制自然冷风对逆流空冷凝汽器内部管束蒸汽的冷却或把空冷凝汽器上方的热空气抽回，足以使逆流空冷凝汽器散热管束解冻。
3.7 选择合理出力的抽真空设备，抽出不凝结气体，以避免其在逆流凝汽器管束中大量聚集。同时要保持真空系统的严密性，以防漏入空气量与抽真空系统的容量失衡时出现不凝结气体的聚集。
3.8 在冬季极端低温和低负荷条件下，风机转速降低到零，即便是在所有风机停转情况下，空冷凝汽器散热片由于自然对流仍散发大量的热量，空冷凝汽器的压力仍有可能低于抽真窄设备的最小允许压力而难以抽出不凝结气体，应该在蒸汽分配管道上安装阀门使空冷凝汽器系统可分段运行，增加热负荷，达到防冻目的。
3.9 机组正常运行中，当环境温度低于-20℃，并且任一排凝结水收集联箱处的凝结水温度低于15℃时，凝结水会发生过冷却，及时提高排汽压力设定值，如果经过30min凝结水过冷仍然存在，启动备用真空泵。当排汽温度与最低的凝结水温度的差小于6℃时，可以认为过冷消失，延时停运备用真空泵，同时恢复排汽压力的原设定值。当排汽温度与真空抽气温度差大于15℃时，则出现了抽真空系统过冷，延时l0min启动备用真空泵，当温度差小于6℃时，可以认为过冷消失，延时停运备用真空泵。加强直接空冷机组的监督及时调整，目前，直接空冷机组设计的温度监测点少，单从运行表计监视的数据不能及时发现机组的安全隐患，运行中必须加强监视、调整和就地检查。
4 重点监视和调整内容
4.1 机组运行背压
冬季环境温度越低，空冷凝汽器防冻需要的最小热量越大，适当提高机组运行背压，以提高汽轮机排汽及凝结水温度，增加空冷凝汽器的热负荷，有利于防冻，此时牺牲了机组的能耗指标。同时，必须限制汽轮机背压在对应工况下背压保护曲线的报警值以内。
4.2 各逆流空冷凝汽器真空抽气温度
大量的蒸汽在顺流空冷凝汽器内被冷却，剩余的蒸汽到逆流空冷凝汽器后温度降低了很多，真空抽气口位置的蒸汽温度最低，此温度是各排列冷凝汽器整体运行情况的反映，如果控制不好此点温度，容易结霜将抽气口堵住，发生本排空冷凝汽器管束全部冻结。
4.3 凝结水收集联箱表面温度
绝大多数蒸汽在顺流空冷凝汽器中凝结成水，而逆流空冷凝汽器仪有少量的蒸汽，通过实测各排凝结水收集联箱的表面温度可以直观反映出顺流空冷凝汽器的散热效果。
4.4 加强对凝结水溶氧的监视与调整
凝结水溶氧大或不合格，反映出空冷系统严密性较差，存在真空系统泄漏，易造成空冷凝汽器系统局部冻结。此时，可适当提高低压缸汽封进汽压力，并对安全门、防爆门、负压系统进行查漏、堵漏工作，直至溶氧合格。
4.5 凝结水过冷却度
5 结束语
通过对直接空冷机组冬季运行经验的摸索，发现直接空冷机组在低温环境下运行中存在的问题，采取了相应的安全措施，并加强对重点检查部位的检查反馈和及时调整，避免了直接空冷机组在冬季冰冻现象的发生，但对双排管数值模拟建立的环境温度与最小防冻排汽量关系还需进一步地实验验证和工程检验。
参考文献
[1] 顾志福，张文宏，李辉，彭继业.电厂直接空冷系统风效应风洞模拟实验研究[J].热能动力工程，2003，18（104）：159-162.
[2] 胡三季.钢制双列滴型管套矩形翅片空冷元件传热及阻力性能试验研究报告[R].西安热工研究院有限公司，2006.6.
[3] 陈胜利.钢制椭圆管矩形翅片空冷元件传热及阻力性能试验研究报告[R].西安热工研究院有限公司，2006.8.
[4] 宋富强，屈治国，何雅玲，陶文铨.低速下空气横掠翅片管换热规律的数值研究[J].西安交通大学学报，2002，36（9）：899-902.
[5] 陶文铨.数值传热学（第2版）[M].西安：西安交通大学出版社，2001.
[6] 张遐龄，杨旭，李向群，安亦然.火电厂空冷平台换热的数值模拟[J].水动力学研究与进展.2005，20（z1）：874-880.
[7] 石磊，邢苍，程远达，刘海峰.双排管外空气流动和传热性能的数值研究[J].动力工程，2008，28（4）.55（3）：18—21.
作者简介
姓名：杨天翔，职称：助理工程师，从事专业：热能与动力工程，工作单位：通辽霍林河坑口发电有限责任公司，单位地址：内蒙古通辽市霍林郭勒市友谊路东段，邮政编码：029200。