科曼机电

空冷机组防冻节能新技术

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项目背景

在缺水的北方地区空冷机组得到了迅速的发展，但在其运行过程中，空冷系统冬季防冻是空冷机组冬季运行的一个很重要的问题。

由于蒸汽提前凝结在顺流管束下部和逆流管束上部都容易出现低温区，顺流管束下端凝结水流量增多，出现冻结现象;虽然逆流管束的上部随着凝结过程完成蒸汽量减少，同时凝结水量也减少，但是不凝气体含有的水蒸汽凝华仍有可能形成絮状结冰，堵塞翅片管的流通面积,空冷系统容易产生结冰的部位是顺流换热管束的下部和逆流换热管束的上部。

造成空冷散热器结冰的主要原因有：进入空冷系统蒸汽流量太小，散热负荷太低，即使风机全部停运采用自然通风的方式，也不能避免局部出现低温；自然通风的方式下，很容易造成空冷岛空气的流动不均匀，因此局部过冷就会造成管束局部结冰，通常逆流单元比顺流单元更容易结冰，空冷岛边缘处的单元比内部单元更容易结冰。

空冷系统运行中还有一些其它问题，如：夏季背压高，背压设定缺乏根据，在机组启、停过程期间以及夜间或低负荷运行等汽轮机排汽量较少的工况下，空冷系统散热器易发生配汽不均匀现象，为保证空冷散热器防冻以及安全运行，通常需要将机组背压控制在15KPa以上，使空冷岛不能在最经济的背压区间运行。

由于高寒区冬季环境温度通常低于零度，火电机组受设计限制，排汽温度远高于环境温度。一般情况下运行背压不低于阻塞背压，特别是在深度调峰时，排气量较小，凝结水过冷度大，使空冷系统更容易冻。常用的调节方法是减小风机转速直至停运，个别风机倒转回流保暖等，极限状态后再无手段。常用防冻手段是挡风、保暖、退出部分空冷列等。

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解决空冷岛防冻节能新的技术路线

从传热方程看，传统的空冷防冻技术是减小传热系数，保暖，减少换热面积。其中换热面积减小后受负荷变化的幅度的限制，而保暖、减小传热系数已经用到当前能力的极限。因此我们提出采用减小传热对数平均温差的手段来进一步防冻。具体讲，就是降低背压，减小凝结水过冷度，减小排汽温度与环境温度的差。

从安全角度上机组深度调峰需保证汽轮机各级差压在合理范围，汽轮机各级蒸汽流量满足连续性方程，即蒸汽容积满足在允许的范围内。阻塞工况即排汽容积大于最大允许值，一般的排汽鼓风即排汽容积小于最小允许值。对于抽汽供热机组，当热负荷增加超供时要考虑低压缸鼓风以及中压缸排汽鼓风；当热负荷减少或机组主动增加供热量时，要考虑低压缸鼓风以及中压缸排汽超压。对于纯凝机组，低负荷时汽轮机可能鼓风，高负荷时背压阻塞。当前供热机组超低背压灵活性改造是成功应用案例。

通过技术改造，提高机组抽真空系统的低背压抽真空能力，在原抽真空设备正常运行方式下，在低环境温度下，可实现机组运行背压能随负荷下降而下降。在环境温度零度以下，机组50%负荷时，机组运行背压可由原10kPa降到5kPa，深度调峰至30%负荷时，机组运行背压可下降到3.5kPa。冬季机组调峰滑参数低负荷降背压过程运行平稳，凝结水过冷度不增加。空冷散热器温度场均匀，无局部温度过低现象。

结合汽轮机实际运行情况，从抽真空设备优化改造和空冷岛抽真空管道减小流程阻力优化改造入手实现机组在低气温、低负荷下超低背压运行。

2.1真空系统防冻节能分析

新的电力供需形势下，对机组深度调峰能力及运行安全经济性提出更高要求，而解决空冷系统防冻压力大，实现超低背压运行，提高机组调峰能力及低负荷运行经济性的作用将更加明显。

目前大多数直接空冷机组冬季最低运行背压在8-10kPa左右，严寒地区实际运行背压更高，现有抽真空条件下，受最小防冻流量的限制，机组低负荷下仍维持较高背压运行，往往采用风机停用、退列、封堵等被动防冻措施来解决空冷系统防冻问题。在低气温、低负荷下可实现低背压运行的节能潜力未能得以发挥。

直接空冷机组冬季超低背压防冻运行的理论基础：通过提高抽真空系统抽吸能力，降低机组极限背压，降低真空系统内不凝气体含量，同时通过改造抽真空管道系统，优化平衡空冷各单元抽气阻力，减少过冷度分配严重不均匀的现状。在此基础上，使空冷岛内蒸汽流通更为顺畅，解决了逆流单元过冷阻塞的问题，同时由于运行背压下降，空冷岛乏汽与外界空气的传热温差降低，弱化传热，以此实现直接空冷机组冬季超低背压运行，即解决防冻压力，又提升了机组经济性。

改造后实现直接空冷机组冬季运行背压能接近相应低压缸排汽量所对应的阻塞背压运行。在环境温度零度以下可实现在50%负荷下，机组运行背压由10kPa下降到5kPa，供电煤耗也可下降幅度不小于7g/kWh；在30%负荷下，机组运行背压由10kPa下降到3.5kPa，机组供电煤耗下降15g/kWh以上。

2.2汽轮机抽真空设备优化改造

机组现有抽真空系统极限背压为3kPa，不能满足超低背压运行的要求，需串接辅助抽真空设备来提高现有抽真空设备的入口压力2.5kPa以上，辅助抽真空设备的极限背压，应达到 1kPa 以下，自身抽真空的容积流量应达到现有抽真空单列设备的4-5倍，辅助抽真空系统应配置大容量冷却设备使辅助抽真空设备抽出的水蒸汽充分凝结，原抽真空设备的入口蒸汽分压力控制在2.5kPa的范围以下，必要时应对原闭式冷却水温度进行冷却。辅助抽真空设备技术路线可选择高性能罗茨真空泵或射汽抽气器两种方案。罗茨真空泵应为气冷泵并能实现变频调节。辅助抽真空系统暂考虑布置在汽机房零米、原水环真空泵附近布置，通过串接方式接至原水环真空泵母管前，同时增加大、小旁路，便于投退切除。

罗茨真空泵应用图

2.3空冷岛抽真空管道减小流程阻力优化改造

考虑到电厂空冷系统空冷凝汽器抽真空管路布置情况及其阻力特性，进行辅助抽真空设备改造后，整体抽真空系统的能力增大，原抽真空管路尺寸维持不变的情况下，该管路的沿程阻力会同步增大，造成真空系统整体阻力增大，所以需要对抽真空支管路进行改造（整体通流能力按照不小于 2.5 倍考虑），使得抽气支管路系统阻力降低。抽真空支管路扩径改造后，原有手动抽真空隔离阀需同步进行改造。同时，原空冷岛平台水平抽空联通母管为逐渐缩径形式，此段管路需进行改造更换为通径管路，或在空冷平台增加一根通径管路（原抽真空母管与新增管路相连，扩容后的支管路连接至新增管路上），以减小抽真空系统阻力。

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增加空冷岛测温设备

3.1 防冻预警

利用空冷系统温度场监测装置，通过监测温度场帮助判断空气侧流动的不均匀性，迼成局部过冷的情况，帮助判断蒸汽侧在小流量情况流量分配不均造成局部过冷的情况，当环境空气温度低于0°C后，通过监测散热管束出口空气温度，间接判断管束的散热状态，可以达到帮助判断管束内是否结冰的可能性，结合背压、凝结水温度、过冷度等数据，对散热器管束出口热空气的低温度作出规定，并与凝结水温度作关联，可以实现空冷系统防冻预警，在空冷管束冻结前采取相应的防冻措施。

3.2 监测热风回流现象

空冷岛受自然风影响流场容易发生混乱，经空冷系统加热过的空气又回到空冷系统入口被空冷风机重新吸入，发生热风回流现象，通过监测空冷散热器入口空气温度，可以帮助判断发生热回流的程度，并计算热回流率，通过监测空冷温度场判断热回流现象发生时，在热回流影响到汽轮机之前操作人员及时做出反应，进行预知性调节，减少停机、停炉或甩负荷。

3.3 监测空冷散热管束积灰污染

空冷散热器容易积灰影响换热，通过温度场监测制定合理的高压冲洗方案，评价散热器局部和整体洁净程度并指导清洗操作。

3.4 优化空冷运行

空冷凝汽器和湿冷凝汽器一样，也存在端差、温升等评价空冷凝汽器运行的小指标，利用空冷温度场监测装置，可以弥补这一缺陷，空冷系统庞大，空气流动场和蒸汽侧流量分配都容易造成不均匀，通过监测空冷系统温度场，为运行人员调节提供依据，可以在机组运行的前提下，减少背压，增加真空，实现节能降耗，优化空冷运行的目的。

3.5测温电缆在空冷岛上的应用

空冷岛示意

在 A 型散热塔两侧垂直高度方向每隔一米布置一根测温电缆，水平方向每隔 960mm 安置一个测温点。每一组散热片安装一台温度采集器，数据总线电缆连接所有的采集器，通过 RS485 接口连接至网络通讯箱，转成光纤信号通过光纤进行远距离传输至控制室，由数据处理服务器，进行处理和显示。  

空冷岛测温系统图

测温电缆采用钢丝制护管，外面用耐高压、耐温、防腐蚀、防水、阻燃的工业级橡胶护套中安装数字式温度传感器的电缆，温度测量范围-55℃～+125.0℃，精度±0.5 ℃。高强度，抗拉耐磨。

空冷岛散热塔测温电缆布置图

3.6轨道平台热成像测温在空冷岛的应用

在空冷岛散热器上端安装固定支架，并在固定支架上安装导轨，导轨上安装可移动的智能小车，小车上装有自动对焦镜头的在线式热成像仪。实现对直冷机组散热器温度信息的采集。

小车每移动到两组 A 型塔中间控制热成像仪旋转一周对空冷岛散热器温度进行采集，热成像仪采集的温度信息通过光纤传输到远程数据服务器。通过热红外分析软件对实时采集的热像进行处理、记录和报警。 

空冷岛轨道平台热成像仪在线测温系统图

系统软件实时工作图

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结论

结合汽轮机实际运行情况，从抽真空设备优化改造和空冷岛抽真空管道减小流程阻力优化改造入手实现机组在低气温、低负荷下超低背压运行，同时增加空冷岛测温设备提高运行人员实时检测手段，从而解决空冷岛防冻难题并且降低背压提高了机组效率，一举两得。