1、间接空冷机组极端气候下的运行控制杨志军（神华神东电力新疆准东五彩湾发电有限公司，新疆.昌吉 831700）摘要: 极端气候环境下运行的间接空冷发电机组，若控制不好，易造成间冷散热器管束冻结及机组运行的不稳定。通过对两台新建机组在高寒、炎热、大风环境下运行情况的分析和研究，总结出一套较为成熟的控制措施，消除了机组运行中产生的诸多危险因素。Abstract: In direct air-cooled generators running under extreme climatic conditions, if not properly managed, could easily lead to
2、the cold freezing of radiator tube bundle and the instability of the set running. Via analysis and research in the cold, hot and wind environment to the two new units running condition, we sum up a more sophisticated control measures and eliminate many risk factors arising from the operation of the
3、unit.关键词：间冷机组，极端气候，控制措施Keywords: Indirect air-cooled，extreme climatic ，control measures0 引言新疆准东五彩湾地区煤炭蕴藏丰富，但水资源严峻短缺，间接空冷机组以其节水和环保优势已成为该地区电厂建设的主流。但该地区气候特征严峻：冬季寒冷（最低气温-41.1），夏季炎热（最高气温41.6），春、秋两季多风（最大风速达到28 m/s以上）。采用间接空冷系统的机组必须要解决三个问题：一是高寒气候下散热器翅片管束的防冻；二是高温天气下凝汽器真空的控制；三是大风给机组带来的不稳定运行。本文对以上三个问题进行深入分析后总结
4、出的控制措施进行阐述。1 间接空冷机组简介1.1间接空冷机组系统工作原理间接空冷发电机组冷端换热采用表面式凝汽器间接空冷系统，一台机组配置一座冷却塔。汽轮机排汽与给水泵小汽轮机排汽统一进入表面式凝汽器水侧，通过金属钢管进行表面换热，由循环水进行凝结，循环水受热后经循环水泵升压进入自然通风间冷塔，通过空冷散热器与空气进行表面换热，冷却后的循环水再返回表面式凝汽器去冷却大、小汽轮机排汽，如此构成了一个闭式循环，如图一所示：图1间接空冷系统工作原理示意图Fig.1 indirect air cooling system working principle diagram1.2五彩湾地区某电厂间冷系统
5、该厂两台350MW超临界间接空冷燃煤发电机组每台对应一座自然通风冷却塔,塔内平均分布六个换热扇区,每个扇区由22个冷却三角组成，直立布置于冷却塔周圈。循环水系统按照单元制布置，每台机组配3台循环水泵，1套独立的进水/出水循环水管道, 2个高位膨胀水箱和6个地下储水箱，2台补水泵、2台充水泵等主要设备，间冷系统布置如图二所示。M M M M MM M M M MM M M M M M M M M M M MMMMM# 1 扇 区 # 2 扇 区 # 3 扇 区 # 4 扇 区 # 5 扇 区 # 6 扇 区膨 胀 水 箱M# 3扇区旁路门# 4扇区旁路门PP地 下 储 水 箱化 学 除 盐 水
6、来A 稳 压 泵 B 稳 压 泵热 水 母 管 紧 急 泄 水 门冷 水 母 管 紧 急 泄 水 门MA 充 水 泵B 充 水 泵M外 排 至 水 渠MPPPA 循 环 水 泵B 循 环 水 泵C 循 环 水 泵MM凝 汽 器 A 侧凝 汽 器 B 侧MMMMM回水门进水门泄水门泄水门回水门进水门泄水门泄水门回水门进水门泄水门泄水门回水门进水门泄水门泄水门回水门进水门泄水门泄水门回水门进水门泄水门泄水门图2 350MW间接空冷系统图表 面 凝汽 器循 环 水 泵循 环 冷 却 水水 蒸 汽空 冷 塔热 空 气冷 空 气空 冷 散 热 器冷 空 气凝 结 水Fig.2 350 MW indire
7、ct air cooling system diagram2 间接空冷机组高寒天气下的防冻环境温度降至0以下时，间冷系统散热器翅片管内循环水容易产生冻结导致管束胀裂。近几年投运的间冷机组，多次发生散热器的冻结事故，严重时造成循环水中断、间冷系统退出及机组停运。散热器冻坏的修复技术难度高、工作量大，造成的损失巨大，因此要在高寒地区使用间接空冷系统，就必须解决间冷系统散热器冬季防冻问题。2.1间冷系统投运过程中的防冻冬季间接空冷系统投运，在扇区充水时最易使散热器翅片管束发生冻结，因为此时散热器管束、翅片、上下联箱，各固定件等的温度均与环境温度相一致，五彩湾地区所处环境极端温度可达 -40以下。散热
8、器管束、翅片、上下联箱等要吸收大量的热量而升高温度，所需加热的金属元件质量越大，吸收的热量越多，环境温度越低，所吸收的热量也越多。充水时由于散热器吸收的热量很多，同时循环冷却水在散热器冷却柱内的散热表面积很大，所以充水时循环冷却水温下降的速度很快，控制不好会降到危险点出现冰水，进一步产生冻结事故。间冷散热器管束冻结应满足2个条件：冷却介质温度低于；散热器铝翅片管内的水流速较低或静止。向扇形段充水时发生冻结的可能性与注水温度、速度有关，注水温度越高、注水越快，发生冻结的可能性越小，实践证明注水温度控制在4050，注水时间要求低于120秒，注水时关闭百叶窗即可满足充水时防冻要求，根据对该地区两台间
9、冷机组冬季扇区投运防冻经验的总结及国内同类型机组考察、调研制定出扇区投运过程中的防冻措施。2.1.1冬季循环水系统投运前应试验：各扇区阀门开关灵活，程控充、泄水动作正常；各扇区百叶窗调整灵活、开度一致；扇区充水时所有扇区百叶窗关闭严密。2.1.2循环水泵投运前应检查：所有扇区进、回水门在关闭位；紧急泄水阀在开启位；冷、热水母管放水蝶阀在关闭位；地下储水箱各排气口畅通；膨胀水箱高位溢流阀在关闭位； #3、#4扇区旁路阀开启；循环水泵启动后应尽快冲转小机，用其排汽作为循环水系统热源。2.1.3为达到扇区充水阶段间冷管束防冻要求，环境温度在-16以上时，控制循环水温达40对扇区充水；环境温度在-16
10、以下时，控制扇区循环水温达50是比较安全的；同时此两个温度情况下对扇区充水也能满足金属管束之间连接“O”型胶圈的抗热冲击温差。2.1.4冬季应采用扇区程控充水（时间90秒），充水过程中应保持一台充水泵运行，就地检查扇区紧急泄水阀、进回水阀开关时间（开度）满足要求，观察排空立管排出空气量正常，否则应立即对扇区泄水，查明原因后方可重新充水。2.1.5扇区充水完成后应重点检查排空立管液位正常；扇区进回水压差不低于50Kpa；各冷却三角无泄漏现象；百叶窗应保持关闭时间不低于2小时，期间每隔半小时对扇区所有进回水管束进行测温，检查正常后方可开启百叶窗进行温度调节；百叶窗开启过程中，每次幅度不大于5%且应
11、确认各管束温度正常，管间温度偏差小于15。2.1.6冬季第一个扇区投运后，如循环水温度仍50可投入下一个扇区运行，一台循环水泵运行时投运三个扇区运行后应关闭#3、#4扇区旁路阀，开启百叶窗正常对循环水温进行调节，百叶窗开度超过15应投运第二台循环水泵及五个扇区运行，冬季应采取多投扇区关小百叶窗的方式运行，运行扇区控制百叶窗开度不得大于30%。2.2间冷系统冬季运行中的扇区防冻2.2.1间冷散热器翅片管内介质冻结的原因分析：散热器的散热大致分为三个过程:翅片管内热水与管内壁的对流换热；管内壁与管外壁及翅片的导热；管外壁及翅片表面与冷空气的对流换热。正常运行时，循环冷却水在冷却柱翅片管中不停地流动
12、，根据流体力学理论分析，水在翅片管内的流动呈两种状态，如图3所示。靠近管壁处为层流区，中心区域为紊流区。一般情况下层流区很薄，翅片管内的大部分水流都为紊流，流体放热是对流放热，流体的热量很快就可以达到并穿过层流区域，流体不会发生冻结；层流区域的厚度与流速有关，流速越小，层流区越厚，当管内的水流速度小到一定程度时，管内水流完全变为层流，此时流体的放热由原来的以对流放热为主转变为以传导放热为主，由于传导放热的速度远小于对流放热，与金属直接接触的表层流体温度迅速降低而结冰，结冰导致管道阻力增加，流量减少，进一步加剧了流体的冻结，于是在局部发生冻结事故。层 流 层过 渡 层紊 流 核 心图3流体管内流
13、动状态示意图Fig.3 The flow state diagram in fluid tub冬季间冷机组运行时，保持较高的流速比保持较高的温度更显得重要，因此在冬季：一是要保持较多的循环水泵投入运行，提高散热器管束内循环水流速，维持系统总压力在合理范围的高限；二要保证各扇段循环冷却水压力表计布置合理，能及时了解各处循环水流动状况。当发现循环水流速异常时及时调整，无法挽回时紧急泄水，以保证散热器管束内循环水不因流动静止而发生冻结。2.2.2翅片管间介质流速或温度不平衡导致的局部翅片管束冻裂分析扇区运行中各翅片管间存在不平衡温差，它包括3个部分温差:各扇形段出水温度的不平衡温差，主要是冷却塔四周
14、的风力、风向、阳光等各种自然条件和循环水压力不同造成的，运行中各扇段百叶窗的开度不均匀也是原因之一。试验结果是，在各扇形段百叶窗全开，风力小于3 m/s的条件下，各扇形段的出水温度不平衡温差一般为35 。一个扇形段内各个冷却三角出水温度的不平衡温差，主要是由于循环水压力不同，百叶窗开度调整不均匀等造成的，实测结果一般在3.13.5之间，设计上考虑10 左右。一个冷却三角内各翅片管出口水温不平衡温差。产生的主要原因是结构上引起的循环水阻力不同，结构原因影响的大小决定对各翅片管出口水温不平衡温差的高低，此问题运行中又无法避免。在设计制造时，各冷却柱上下联箱的尺寸宜大不宜小，即联箱内冷却水流速越大，
15、此项不平衡温差越大。分析上述3个部分翅片管束间不平衡温差，取过低的冷却水出水温度是不合适的，当出水平均温度正常时，在某些扇段翅片管内水温已下降至0，开始产生冻结。五彩湾地区地处高寒，实际运行中为确保扇区管束在冬季的安全运行，根据国内外间冷系统的资料和运行经验，冷却水出水温度不低于25就能满足防冻对温度的要求。2.2.3综合分析间冷扇区运行中的各冻结因素，结合五彩湾地区间冷机组防冻经验的总结，制定出扇区运行过程中的防冻措施。2.2.3.1环境温度低于2，间冷系统处于冬季模式，投运三台循环水泵及六个扇区运行，使运行扇区进回水压差达到60-70KPa，以保证循环水流速，利于防冻。2.2.3.2正常运
16、行中应监视排空立管液位不低于9m、扇区进回水压差50Kpa、百叶窗开度不大于30%，各扇区回水温度按以下标准控制：环境温度0-10时，保持扇区出水温度不低于28；环境温度-11-20时，保持扇区出水温度不低于32；环境温度-21-30时，保持扇区出水温度不低于35；环境温度低于-31时，保持扇区出水温度不低于38；2.2.3.3如遇环境温度大幅下降（特别是环境温度在-10以下时，下降5以上），或机组负荷大幅下降超过50MW后，应及时调整百叶窗开度控制运行扇区出水温度在规定范围，同时派巡检对运行各扇区间冷管束进行测温检查，发现管束温度偏离正常值及时关闭该扇区百叶窗，如确认部分管束温度降至0以下，
17、及时将该扇区进行解列泄水，隔离该冷却柱后再将该扇区投运。2.2.3.4降雪及大雾天气应检查塔内百叶窗操作机构处无积雪,否则及时清除；发现扇区百叶窗有挂霜现象,应通过活动百叶窗予以消除,但百叶窗活动幅度不能超过30%。2.3间冷系统退出过程中的防冻2.3.1冬季模式泄水采用程控方式，程控启动前应确认百叶窗在全关位，就地安排人员监视进回水阀关闭和紧急泄水阀开启情况，当发现进回水阀无法全关时，应立即终止程控泄水程序迅速打开进回水阀，重新投入扇区运行。查明原因消除故障后方可重新启动泄水程序；紧急情况下确认进回水阀全关后可手动强制对扇区泄水；当程控无法对扇区进行泄水时应迅速关闭所有百叶窗，开启扇区进回水
18、母管紧急放水阀及各扇区进回水阀进行泄水。2.3.2机组正常停运过程中，当循环水温度低于35时应逐步退出扇区运行直至水温度升至40以上。扇区运行数量小于三组时应逐渐开启#3、#4扇区旁路控制运行扇区排空立管液位不超过10m，所有扇区退出后应全开#3、#4扇区旁通阀进行地下水循环。机组停运初期，应维持一台小机运行，保持一台循环水泵、一个扇区运行方式，直至排汽缸温度稳定在50以下、无热汽水进入凝汽器，方可退出最后一个扇区运行。3 夏季高温情况下的运行五彩湾地区气象记录最高环境温度41.6，实测环境最高温度44.93，该温度下控制机组背压在30Kpa以下，无法接带满负荷（间冷厂家制造时出于对建设投资、
19、机组年发电量等因素综合考虑成本，一年中均允许有145小时不能满出力运行，这也是系统优化设计所需要），下表为该电厂夏季高温情况下接待负荷及真空等参数记录：负荷（MW）环境温度()背压（KPa）排汽缸温()凝结水温()扇区进水温度()扇区回水温度()环境气压（KPa）305 44.93 64.92 68.15 67.98 66.02 55.59 92.19330 42.41 65.39 67.93 68.76 66.86 54.65 92.95340 40.29 67.54 66.15 66.94 64.58 52.89 93.04350 37.45 68.38 65.57 64.98 63.71
20、 51.5 93.33从上表可看出，本机组在环境温度37.5以下能满足接待350 MW，此时凝结水温也能控制在65以下，因超临界机组凝结水高速混床内树脂允许温度要求控制在65以下；当环境温度达44以上时，维持机组真空在安全范围，负荷仅能接带300MW左右，此时凝结水高速混床内树脂要经受考验；为使机组安全渡过夏季高温天气，制定了以下运行措施。3.1入夏前的准备3.1.1对间接空冷系统进行缺陷处理，保证设备健康运行。3.1.2投入扇区清洗装置，除去各冷却三角脏污，实践证明各扇区清洗前后，循环水温能下降3左右。3.1.3主机三台循环水泵均能正常运行或可靠备用。3.1.4空冷系统扇区百叶窗开关同步，操
21、纵机构灵活全行程开关到位。3.1.5间接空冷系统温度、风速、风向、大气压测量装置良好投入。3.2高温天气下机组的运行3.2.1每班核对一次远方和就地百叶窗的开度，发现扇区冷却三角百叶窗因机械连接销子脱落造成部分或全部关闭，及时联系维护处理。3.2.2机组在运行期间，控制凝汽器背压在30Kpa以下，否则应通过降低机组负荷等进行控制；当凝结水温度接近65时，凝结水精处理高速混床退出，此时做好机组汽水品质的监督。3.2.3机组在低真空运行期间，应加强对主机运行参数的监视，控制汽轮机主汽流量、调节级压力不超限，排汽缸温度、轴向位移、各轴承振动等参数在规程规定范围，若超限尽快降低机组负荷，直至参数回至规
22、定范围之内；加强对循环水泵的监视和检查，保证循环泵出入口压差大于0.1Mpa，就地巡检仔细倾听泵内声音，防止循环水泵汽化。4 机组大风天气下的运行4.1大风天气对间冷机组运行的影响五彩湾地区春、秋两季多风，夏季工况无风时空气由塔高抽力作用向上流动，各扇区进入的空气量是均匀的，扇形段的运行是安全的，温度调整也简单，无风和微风（小于3m/s）天气百叶窗可以全开。 EGI厂家做过这样的试验：当风速大于4m/s,可以观察到以下现象：大风横穿布置在冷却塔底部散热器，在塔内底部形成正压，部分区域有涡流存在；在塔的背风外侧明显感到热流通过；大风经过冷却塔上部造成涡流，增大通风阻力，减弱自抽风能力，使机组排气
23、压力升高，出力降低，风速越大对间冷散热器的散热能力削减越严重。匈牙利加加林电厂试验结果表明：环境风速至5m/s，相当于气温升高2；环境风速为15 m/s，相当于气温升高14。当风速很高时，迎风的扇区进空气量很大，塔内风速也很大，而风的流动方向朝着背风面的扇区，这样大风就严重影响了背风面扇区进入的空气量，严重时甚至使背风面扇区空气的流向有塔内流向塔外，使该扇区完全没有散热效果；塔两侧的扇区是弧形的，如果靠近塔外面的空气流速增加，大气压力下降，同样影响空气的进入量；由于大风影响扇形段的进风量，所以其出水温度升高。新疆准东五彩湾地区实测最大风速达到28 m/s以上，夏秋相交时节该地区赶上高温与大风重
24、叠天气，应迅速调整迎风面扇区百叶窗，时断时续的大风使机组真空最大在710Kpa左右波动，控制不当极易引起机组跳闸。4.2大风气候条件下间冷机组运行控制措施4.2.1每日接班前了解当日风力与风向，做好事故预想，防止由于大风造成间接空冷散热器换热效果不好导致机组真空波动威胁机组稳定运行；4.2.2大风天气应加强对空冷扇区百叶窗外部的巡检，发现杂物堵塞百叶窗及时清理，必要时联系维护人员进行清理，防止百叶窗堵塞影响间接空冷扇区换热效果不良。4.2.3大风天气时应通过关小迎风面扇区百叶窗开度，控制迎风面与背风面扇区进回水温差之和达到最大值。4.2.4机组在高温天气高负荷运行时，应保证一定的真空安全裕量，
25、防大风天气对机组真空的扰动，真空突然降低，应快速调整迎风面扇区百叶窗，同时通过降低机组负荷控制凝汽器真空在安全运行范围。4.2.5夏季应投运全部扇区运行，禁止退出迎风面扇区或全关其百叶窗运行，因该扇区换热能力最大。5 结束语通过对五彩湾地区两台间接空冷机组在极端气候条件下运行经验的总结，制定出的控制措施基本满足了机组稳定运行的需要，但在经济和安全运行之间还面临很大挑战。下一步通过实践经验的积累和学习，对过程中出现的新问题及时分析研究，不断优化形成先进的运行控制方法，使机组在稳定运行的基础上提高经济性。参考文献：1 丁尔某，发电厂空冷技术M. 北京: 水利电力出版社, 1992Ding er m
26、ou，Air cooling technology of power plant M. Beijing: hydraulic and electric power press, 19922 王佩章，我国空冷火电机组的实践J.发电设备2006.20（3）:66-67Wang pei zhang，Air cooling units in China practice of J. Power generation equipment 2006.20 (3): 66-673 李春山 600MW间接空冷系统冬季防冻控制研究J .电力安全技术 2010.36(7):16-17Li chun shan，60
27、0MW indirect air cooling system in winter antifreeze control research of J. Electric power safety technology 2010.36 (7): 16-174 刘培忠、杨志军 高寒地区间接空冷机组散热器防冻预暖措施J.中国 电力 2013.46,(5):18-22Liu pei zhong、Yang zhi jun. In alpine area of the indirect air-cooled unit radiator antifreeze pre warming measures J. Chinese power 2013.46, (5): 18-22作者简介：杨志军（1970），男，河南鹤壁人，电力工程热动工程师，从事电力企业项目管理E-mail： 电话:18899668696
