600MW直接空冷凝汽器冻结因素与防冻措施

600MW直接空冷凝汽器管束冻结因素与防冻措施摘要：空冷凝汽器冬季运行中，凝汽器翅片管内饱和蒸汽热负荷与翅片管冷却能力不平衡是导致直接空冷凝汽器管束发生冻结的主要因素，而不凝结气体在内部聚积则加剧了冻结的发生。防止空冷凝汽器的冻结的措施有：设计上采用顺逆流结构等；运行上控制蒸汽流量和冷空气流量以及不凝结气体的抽出等关键词：空冷凝汽器冻结因素防冻措施600MWdirectair-cooledcondensertubebundleoffreezingfactorsandantifreezingmeasuresLiuzhenshengNingxiaDatangInternationalDabaPowerGenerationCo.,Ltd.,NingXiaQingtongxia751600Abstract:Thecondenseroperationinwinter,condenserfintubesaturatedsteamheatloadandthecoolingcapacityoffinnedtubeunbalancearethemainfactorsleadingtotheoccurrenceoffreezingofdirectaircooledcondensertubebundle,whilenoncondensablegasintheinternalaccumulationwasexacerbatedbytheoccurrenceoffreezing.Topreventtheaircoolingcondenserfreezingmeasuresare:designusingtheflowstructure;controllingthesteamflowandthecoldairflowoperationandnoncondensablegasextractionetc.Keywords:Aircooledcondenserfreezingfactorsantifreezemeasures1前言直接空冷系统是将汽轮机排出的乏汽经排汽管道引入空冷凝汽器(Air．CooledCondenser，简称ACC)的钢制换热管束中，采用机械通风方式由环境空气直接将其冷凝为水的系统。但是由于空冷凝汽器换热管束呈“A”型布置在距地面一定高度的平台上，在一定热负荷与风量的条件下，凝汽器的冷却能力取决于周围环境空气的干球温度，受气温的影响较大。同时表面积庞大的空冷凝汽器在运行过程中不可避免地存在着散热量和蒸汽流量的不均衡现象，尤其是在负荷较低、汽轮机起停过程中这种现象更加明显。如果此时气温下降到某一极限时，凝汽器内的凝结水将过冷却，就有可能发生冻结，严重时甚至会冻裂换热管束或使换热管束变形，造成不可逆的永久性损害。本文对直接空冷凝汽器发生冻结的因素进行分析，提出防止凝汽器发生冻结的措施。2直接空冷凝汽器冻结因素2．1热负荷不均当空冷凝汽器采用三排管、两排管或者单排管管束时，由于各排管束与空气相接触的先后次序不相同，各排管束的热负荷也是不相同的。靠近迎风侧的第一排管先与冷空气接触，传热温差大，热负荷也大，其所凝结的蒸汽量将大于第二排管，第三排管次之，这样第三排管由于蒸汽流量小而具有较低压降。而管束的出口压力等于入口压力减去流体流过此管的压降，因此，在相同的入口压力下，第三、第二排管束出口压力就大于第一排管的出口压力，第三排管束出口蒸汽将倒流到第一排管的出口形成“死区”，未凝结的蒸汽及所含的少量不凝结气体将无法顺利排入出口联箱，不凝结气体的不断聚集使出口压力逐渐提高，直至含气很大的少量汽气混合物排到出口联箱，在第一排管束中形成一个含汽量很少的汽气混合物低温管段，凝汽能力很低，致使第一排管的金属温度接近冷却空气温度，于是该段管子的管壁被过度冷却，在低温条件下当凝结水流过这段管子时，冷凝水就有可能结冰。冻结初期在管内或部分管段形成一个冰壳，如果蒸汽流量没有增大，随着时问的延续冻结过程将继续进行，冰壳逐渐加厚，直至第一排管全部冻结。2．2蒸汽流量过低或冷却空气量过大在机组启停机过程中由于蒸汽流量较低，此时即使将所有风机全部停运，由于空冷凝汽器大面积的自然换热，使其仍然具有一定的冷却能力。当蒸汽由空冷凝汽器进汽联箱进入冷却管束后，在由上而下的流动过程中，管束中的蒸汽与外界冷空气进行热交换后不断凝结，若环境气温继续下降，饱和蒸汽等温冷凝段缩短，凝结水冷凝段增加，过冷度增大，换热管束管内的凝结水过冷却而发生冻结现象，使管束与凝结水联箱接口处冻结，造成管束内的蒸汽滞流。另外，即使空冷凝汽器内的蒸汽流量在设计值之内，如果运行调整不当，在冷却空气量过剩的情况下同样也会出现冻结现象。因此，空冷凝汽器内的蒸汽流量低于其设计值或冷却空气量过剩也是导致空冷凝汽器发生冻结的因素。2．3不凝结气体的聚积由于直接空冷凝汽器内部属于负压，环境中的空气会漏入，这些漏入的空气在凝汽器中将阻碍蒸汽凝结放热，需要及时地抽出。抽气口通常位于逆流换热管束的上方，在抽气过程中，抽出的气体混合物的流动方向与凝结水的流动方向相反，其温度低于凝结水的温度。在气温极低时，在抽气口附近的内表面，蒸汽有可能被不凝结气体冷却而产生絮状结冰现象。此絮状结冰长时间聚集就会堵塞抽气口，妨碍不凝结气体的抽出，将会使换热管束中充满不凝结气体而形成死区，随之在顺流凝汽管束中形成结冰。3空冷凝汽器的防冻原理和措施从以上分析可知，为避免冻结的发生，可从空冷凝汽器的设计与运行上采取措施保证换热管束的冷却能力与蒸汽的热负荷相匹配，并采用能够避免和减少不凝结气体的聚集的管束结构，同时提高空冷凝汽器真空严密性，减少空气漏入等措施。3．1空冷凝汽器的设计3．1．1换热管束的选择由于单排管管束不存在“死区”问题，管内流通面积较之同样长度和宽度下的双排管、三排管管束大30％以上，管内压降和阻力小，有利于汽液两相的分离，具有优良的防冻性能，所以优先采用单排管结构。管束结构采用能抗冻的椭圆管，可以减少管束冻裂的可能性。3．1．2空冷凝汽器设置逆流单元为了防止抽出不凝结气体时出现絮状结冰现象，在空冷凝汽器最初设计时采用顺逆流结构(K／D)。排汽首先进入顺流管束(K型)，蒸汽边往下流边凝结。凝结水与蒸汽以相同的方向流入下部联箱，此时大部分的蒸汽(70％～80％)已在顺流凝汽器中凝结。剩余的蒸汽与不凝结气体一同进入逆流换热管束(D型)，蒸汽在向上流动的过程中被凝结，凝结水在重力的作用下与汽流逆向流回底部联箱，不凝结气体在逆流管束上方被真空泵抽吸排出。3．2直接空冷凝汽器的运行防冻控制3．2．1蒸汽流量控制蒸汽流量控制就是控制空冷凝汽器管内蒸汽的流量，保证换热管束内流动的蒸汽足以加热凝汽器。如果进入凝汽器的蒸汽量较小会使凝结水过冷进而导致凝结水冻结，这时可以关闭空冷凝汽器蒸汽分配管道上的电动真空蝶阀来解列某几列散热单元，以减少空冷凝汽器散热面积，将热量集中在剩余的散热单元中，确保散热单元运行时的蒸汽流量在设计值内，防止凝结水过冷度太大造成冻结。同时冬季机组启动时严格控制进入空冷岛的蒸汽流量，保证进入空冷岛的蒸汽流量大于最小防冻流量要求，避免长时间向空冷凝汽器排入小量蒸汽。并且把真空抽到6-15Kpa(尽可能低)之后，再导入蒸汽。导入蒸汽时必须将空冷置于自动运行方式，确保顺流防冻保护、逆流防冻保护以及回暖加热循环一直处在正常投用状态。3．2．2冷空气流量控制对冷空气量进行合理控制是一种有效的防冻措施，通常采用风机电机的变频调速。冬季运行时监视抽真空管道及冷凝水管道温度的过冷度，正常情况下冷凝水比排汽温度低2～3℃，抽真空温度比排汽温度低5～10℃。如果空冷凝汽器凝结水收集管有任意一点温度比其他温度点低，且过冷度大于以上规定值，且环境温度小于2℃，则可以相应的减小该处风机转速，甚至停止该列几台或者全部风机，必要时在风机入口加盖帆布，直至此处凝结水温度升高。冬季启动风机时确保先启逆流单元风机，后启顺流单元风机，停运时操作反之，并时刻保持逆流风机转速高于或等于顺流风机的转速，以确保蒸汽、凝结水自然流动畅通，防止形成气阻。3．2．3不凝结气体的抽出当泄漏进入真空系统(汽轮机低压缸和凝汽器)的空气量与抽真空系统的容量失衡时便要出现不凝结气体的聚集，形成气阻，而不凝结气体的焓值较低，当气温下降到一定极限时，极易造成空冷凝汽器管束内冻结现象的发生。为了保持逆流管束的冷凝能力和提高管束传热性能，要及时有效地排除管束内大量聚集的不凝结气体。当环境温度远低于冰点时，空冷凝汽器逆流段抽气口位置可能会结一层薄冰。虽然这些冰冻的形成不会马上使管束发生危险，但它减小了空气抽气的流通面积，因此，必须要及时消除。通过周期性地反转逆流风机（如果空冷凝汽器上方环境温度过低，不要将逆流侧风机反转，因为此时空气温度远远低于蒸汽凝结后空冷岛的温度，风机反转后抽进空冷凝汽器的空气起不到防冻的作用）或停运逆流单元风机，使冰冻在达到某一危险厚度值之前就融化掉。3．2．4采用防冻的自动保护控制对空冷系统的防冻自动保护控制是一种非常有效的手段。控制系统可根据环境温度、凝结水温度、抽气温度、机组背压等自动进行调节。如某电厂的自动保护控制为：当环境温度低于-2℃时开始启动回暖加热，在环境温度高于0℃停止回暖加热。回暖加热的顺序是：从第1列开始，列1的逆流风机停机，1分钟后，列1风机以15Hz的速度反转3分钟，然后再停机1分钟。2.5分钟后，列2逆流风机进行同样的过程，这样一直进行到第8列，共用1小时(8x7.5＝1小时)。然后再从第1列开始，反复循环。如果某列蒸汽立管阀关闭，则回暖加热循环将跳过这一列。冬季工况(环境温度低于3℃)下，在暖机阶段结束30分钟后，防冻保护将处于可触发状态。防冻保护有两种：防冻保护I和防冻保护II，均对空冷系统每列一单元(包括1、2、3、4排)和二单元(包括5、6、7、8排)进行防冻保护。防冻保护I的触发条件：该单元任一凝结水温度低于25℃或任一抽汽温度低于25℃且环境温度低于3℃，复位条件：该单元所有冷凝水温度高于35℃且所有抽气温度高于30℃或环境温度高于等于5℃。防冻保护II的触发条件：该单元任一抽汽温度低于20℃且环境温度低于3℃，复位条件：该单元所有抽汽温度高于30℃或环境温度高于等于5℃。3．2．4提高空冷凝汽器真空严密性冬季空冷凝汽器运行时，每个月定期做真空严密性试验，确保机组泄漏量达到100Pa/min（国家节能技术导则和汽轮机标准委员会），此值越低越有利于防冻和空冷性能（欧洲标准50Pa/min）。否则，大量泄漏的冷空气积存于换热管束内无法被抽真空系统抽出，容易导致蒸汽过冷凝，甚至于发生冻结。试验时如果真空严密性达不到100Pa/min，则要对真空系统进行查漏和处理，直到严密性试验合格。3．2．5空冷凝汽器换热管束装设温度在线监测在空冷凝汽器换热管束上加装在线温度监测装置，使运行人员实时了解空冷岛蒸汽凝结状态，了解管束局部温度分布，运行人员根据其温度分布对空冷风机有效的进行实时调整，提高空冷凝汽器越冬抗冻能力，同时也可有效提高空冷凝汽器防冻工作的质量，减小防冻工作的盲目性。4结论对直接空冷凝汽器冬季管束冻结因素进行了分析和研究，认为导致换热管束内凝结水发生冻结的主要原因是换热管束冷却能力与饱和蒸汽热负荷的不平衡，从控制蒸汽流量和冷却空气量、不凝结气体的抽出等方面提出了防止空冷凝汽器发生冻结的措施。根据空冷凝汽器的特点，对于冬季气温低或年气温变化大的地区推荐采用防冻性能优越的单排管管束。参考文献：[1]朱斌．直接空冷机组防冻控制策略分析[J].东北电力技术,2013,（12）:37[2]傅松，于淑梅．空冷电站冬季防冻措施[J].东北电力技术,1998,（08）:39-42[3]王军，张宏胜．极寒地区机组停运后防冻措施探讨[J].东北电力技术,2011,（07）:12-15[3]李波，杨辉．600MW直接空冷机组空冷控制系统逻辑优化[J].东北电力技术,2010,（04）:40[4]徐传海，刘刚，李晋鹏．三排管直接空冷凝汽器冻结原因[J]．电力设备．