海勒式间接空冷系统防冻改造及经济性分析

2014-10-20李金刚李亚中郭洪波王国珍

综合智慧能源 2014年6期

李金刚，李亚中，郭洪波，王国珍

(华电内蒙古能源有限公司卓资发电分公司，内蒙古乌兰察布 012300)

0 引言

海勒式间接空冷系统结构复杂，冬季运行极易发生冻损事故，在内蒙古地区，冬、夏两季环境温度差高达70℃，冬季环境温度低达－35℃，风速23 m/s，冷却系统的运行条件十分恶劣，因此间接空冷系统防冻工作必须引起高度重视。华电内蒙古能源有限公司卓资发电分公司(以下简称卓资发电公司)围绕空冷系统冬季防冻及安全经济运行问题，提出将空冷塔冷却三角出口改为进口的建议，并在#1机组5个冷却扇段上首先实施改造，冬季可起到防止空冷器冻损，降低循环水温，提高凝汽器真空度的效果，为今后#2～#4机组改造和国内同类间接空冷系统改造积累经验。改造4台机组冷却柱上水室排空气管连接方式和空气环管微循环系统后，经过运行证明防冻效果良好。

1 海勒式间接空冷系统运行情况

1.1 海勒式空冷系统工作原理

海勒式空冷系统的换热与常规的闭式湿冷系统相似，为二次换热:即以水为中间冷却介质，将汽轮机排汽和空气之间的热交换分为蒸汽和冷却水、冷却水和空气之间2个换热过程。在海勒式空冷系统中，蒸汽和冷却水之间的换热过程是在喷射式凝汽器中进行的，为混合换热，即经空冷散热器冷却后的冷却水进入凝汽器，由喷嘴喷射成极薄的水膜，水膜与汽轮机的排汽直接接触，将排汽冷却凝结成水，完成1个热交换过程。冷却水与空气的换热过程是在空冷塔内进行的，温度升高的冷却水通过空冷散热器的翅片管与空气进行换热，热量被流动的空气带走，水被冷却后再送回到凝汽器中。

1.2 冷却柱结构及其冷却介质流程

卓资发电公司每台空冷塔四周布置有119个冷却三角，每个冷却三角由2片成60°角的冷却柱组成，其中冷却柱就是本文中所说的散热器。每个冷却柱高15m，内有6排铝管，每排有40根ø 18 mm×0.75 mm的铝管，每个冷却柱共计有240根铝管，分为上、下水双流程，上、下水管各120根。另外每个冷却三角外面都装有百叶窗，靠百叶窗的开度来调节进塔空气量，以此调节扇形段的出口冷却水温。如图1所示，循环冷却水冷却柱内为双流程，进水口和出水口均布置在冷却柱的下部，分别接热水管和冷水管。在每个冷却柱顶部有一根空气管，接在空气总管上，每个扇形段的20对冷却柱均有1个独立的水路程控系统，装有进/出水电动阀和2个排水电动阀。

图1 循环水在冷却柱内铝管中的流动示意

1.3 环境风速对空冷塔运行的影响

环境风速对海勒式间接空冷系统运行有影响，匈牙利加加林电厂试验表明，风速大于4 m/s时，会降低空冷散热器的散热能力。

(1)当环境风速大于4 m/s时，空冷塔底部形成正压，部分区域产生涡流，空冷塔背风面外侧形成负压区，增加了空冷塔底部的对流效应，使空冷塔底部形成穿堂风，降低了空冷塔的散热能力。

(2)在冬季环境风速大于4 m/s时，由于空冷塔四周风力、风向、阳光等自然条件和循环水压力不同，造成迎风面百叶窗进风量大，根据牛顿冷却定律可知，流体表面换热流速增加，传热效率加快，换热量增加，则该冷却三角散热器出水温度比其他散热器低，使扇形段出水温度的不平衡温差进一步加剧，造成冷却柱水管冻损。

2 空冷系统冻损分析

2.1 冷却柱冻损原理

所谓“防冻”就是在冬季防止冷却柱铝管内冷却水因冻结膨胀而损坏，冷却柱冻损严重时影响机组冷却系统的安全运行，造成事故停运。另外，冷却柱的修复技术难度高，工作量大，时间也长。

为了更好地解决冷却柱防冻问题，首先要对冷却柱冻损的原理有比较清楚的认识，下面从循环冷却水在冷却柱内的流动情况来阐述冻损原理。

在正常运行时，冷却水在冷却柱铝管中不停地流动，根据流体力学理论分析，水在铝管内的流动呈2种状态:靠近管壁处为层流区，一般情况下层流区很薄，区域内水的流速很小，层流区内流体的放热以传导放热为主;中心区为紊流区，紊流区内流体的放热是对流放热。层流区域的流速与厚度有关，流速越小，层流区越厚。当进入冬季环境温度较低时，流体对管壁放热，其温度不断下降，当水温降到0℃时，紧挨管壁的水开始冻结，流速降低，层流区逐渐加厚，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区，此时从宏观上看流体已处于静止状态，管内流体由原来的以对流放热为主转变为以传导放热为主，完全停止流动。但流体对管壁的放热仍不断进行，冻结不断加剧，冻结后的流体成为固体，由于体积膨胀而将铝管胀裂，造成冷却柱冻损。

2.2 冷却柱冻损条件

综上所述，冷却柱冻损应有2个条件:一是环境温度低于0℃，二是铝管内的水停止流动(流速较小，接近于0)。环境温度是无法人为控制的，所以在冬季，防冻问题的关键在于防止冷却柱铝管内的水流停滞。

2.3 冷却柱冻损原因分析

由于卓资发电公司4×200 MW国产海勒式空冷机组在设计、制造、安装上存在诸多不完善之处，加之投产时运行技术措施还不完善，冬季环境温度较低时曾发生过几起冷却元件冻损现象，分析其主要原因如下。

(1)扇形段冷却柱上水室排空气管的布置位置及排空气管的直径不合理，在冷却柱充水时，易引起冷却柱管束排空气不均匀，不能在短时间内把冷却柱内的空气排尽，极易导致部分管束内的水短时间内出现停滞并冻结的现象，造成设备的损坏。

(2)空冷百叶窗控制系统经常出现控制失灵、阀位不准、开度不同步、部分百叶窗过开或卡涩不能关回等现象，这样会造成部分冷却三角回水温度下降到0℃以下而产生冻结损坏现象。

(3)当运行中发生全厂停电、循环泵故障或系统严重泄漏时，安全排水阀是确保空冷系统安全的有力保证，若此时安全排水阀A103，A104不能开启或不能及时开启，造成系统断流，冷却柱内的水不能及时排空，会使冷却柱发生冻损。

(4)扇形段顶部排空气管的保温、加热装置投运不好，充水时扇形段顶部排空气管有冰堵，使水循环受阻。

(5)实践表明，扇形段充水时进水温度与环境温度的温差大于60℃时，会造成散热器结合面处严重泄漏。当发生局部泄漏时会造成流动分布变化，水的蒸发造成局部环境温度下降，发生冷却柱冻损。扇形段充水时循环水热水温度小于25℃时，冷却柱回水侧瞬间局部温度会下降到0℃以下，造成冻损。

(5)系统压力维持过低，冷却柱中混入空气形成气塞，水循环受阻，充水时扇形段各电动阀开关不正常，会造成段内存有死水，循环受阻，可能造成冷却柱冻损。

3 空冷系统改造

空冷系统安全过冬一直是卓资发电公司冬季防冻工作的重中之重，卓资发电公司在空冷系统的设备改造方面下了很大的工夫，取得了很好的效果，为空冷系统的安全过冬及提高机组经济性提供了有力保障。

3.1 空冷循环水进出水方式改变

海勒式空冷机组按防冻要求:当环境温度低于5℃时为防冻期。空冷系统防冻首要问题是要防止冷却柱铝管内的水流停滞并及时调整冷却柱进风量(即百叶窗的开度)，保证每根循环水回水管内水温高于0℃以上，不结冰。冬季改变空冷三角循环水进/出口方式，提高空冷三角易冻区温度，防止空冷三角冻坏。由于出水改为进水，原出水侧(塔外端)管内温度平均提高10℃以上，冬季运行时，百叶窗相同开度下避免了塔外冷却管易冻区温度低于0℃而结冰，而原进水侧(塔内端)环境温度高于塔外，改为出水后可适当降低回水温度，既保证冷却三角安全又提高了真空度，机组安全和经济性都得以提高。改造前、后空冷系统循环水进出口管道阀门布置如图2所示。

图2 改造前、后循环水进出口管道阀门布置

空冷系统循环水回水最低温度的调节应兼顾安全与经济两方面的因素。从经济利益出发，空冷系统循环水温低一些，可使机组凝汽器真空度提高，使机组的循环热效率得以提高;从安全防冻角度出发，则要求空冷系统的循环水回水温度不能调整得过低。冬季运行环境温度较低时，扇形段出水温度调整原则:百叶窗开度要小且均匀，循环水系统总压力不小于170 kPa，扇形段顶部压力不小于45 kPa，平均出水温度为25℃以上，这样就可保证空冷散热器不发生冻损。改造前在环境温度低于5℃时，卓资发电公司规定冬季空冷塔扇段出水温度应控制在25～30℃，改造后扇段出水温度可控制在20～25℃。

3.1.1 改造后性能分析

由于施工条件所限，#1机组6个扇段只改了5个，为了明确改造后效果，卓资发电公司请内蒙古电力(集团)有限责任公司电力科学研究院对改造后的空冷塔进行性能试验，对#1机组改造前后运行参数、#1机组与#2机组、#1机组与#3机组、#1机组与#4机组同期进行对比试验，对比运行参数见表1。

3.1.2 试验分析

(1)当地冬季环境温度在5℃以下，在相同负荷下进行对比试验，改造后的#1机组冷却效果较好，由于排汽凝结水温度较高，水进入空冷塔扇段外侧运行环境较差的第1流程大幅降温后，再进入环境温度相对较高的空冷塔扇段内侧第2流程，经小幅降温后回到凝汽器。最容易冻损的扇段外侧管束平均温度升高了10℃左右，有效地解决了冷却器防冻问题。

(2)改造后冬季运行可将百叶窗相对开大，冷却塔出塔水温可降低到20～25℃，比原规定的冷却塔出水温度25～30℃低了5℃左右，排汽背压可降低2 kPa，冬季运行时，供电煤耗可下降4～5 g/(kW·h)，运行经济性有较大幅度的提高。

表1 空冷系统改造对比试验记录

(3)改造后的#1机组循环水第1流程冷却效果显著，扇段进水和扇段顶部水的温差达10～14℃;第2流程冷却效果变差，水的温差为3～4℃。

(4)经#1机组与#3机组相同负荷下对比试验，环境温度在0～5℃时，运行空冷塔百叶窗在同样开度下，改造后的#1机组扇段出口水温要比#3机组高，如30%开度下，#1机组出口水温升高4～5℃;100%开度下，#1机组出口水温升高6～10℃。因此改造后的机组要想达到未改造机组的真空度，就要相应改变百叶窗的开度，增加10%～20%为宜。

(5)对于改造后的机组，当环境温度升高至10℃左右、60%～65%额定负荷或环境温度升高至5℃左右、90%以上额定负荷时，空冷塔百叶窗要100%全开才能维持较高真空度，但环境温度继续升高，已无法增加通风量，排汽温度会很快升高，真空度下降较快，使机组运行经济性降低。如#1机组与#3机组对比试验，环境温度15～16℃，同样60%～65%额定负荷(120～130 MW)，百页窗开度100%，#1机组真空度为－72 kPa，#3机组真空度为－77 kPa，降低5 kPa;#1机组与#2机组对比试验，环境温度 15～19℃，同样 75%～80%额定负荷(150～160 MW)，百叶窗开度100%，#1机组真空度为－69～－68 kPa，#2机组真空度为－74～－73 kPa，也降低5 kPa。因此，4月份环境平均温度在5℃以上时，改造后的冬季运行方式就要切换回改造前的夏季运行方式，以提高机组运行经济性。

3.1.3 试验结果

(1)卓资发电公司冬季改变间接空冷系统冷却器循环水进/出口方式，提高了空冷三角易冻区温度，相同运行工况下，由于出水改为进水，原出水侧(塔外端)管内温度平均提高10℃以上，冬季运行避免了塔外冷却管因易冻区温度低于0℃而结冰，提高了间接空冷系统冬季运行的安全性。

(2)原进水侧(塔内端)环境温度高于塔外，也无大风干扰急速降温的隐患，改为出水后，在环境温度低于5℃时，可控制循环水回水温度比原运行方式降低5℃，提高了机组真空度，排汽背压可降低约2 kPa。

(3)改造后的机组当环境平均温度升高至5℃以上时，冬季运行方式就要切换回改造前的夏季运行方式，以提高机组运行经济性。

3.2 冷却柱上水室排空气管连接方式改造

3.2.1 冷却柱上水室排空气管原连接方式

冷却柱上水室排空气管畅通与否，直接关系到扇形段冷却柱充/排水的安全性。原设计冷却柱排空气管与空冷塔上环管之间用2 m长的无缝钢管焊接连接，其存在2个缺点:由于钢管钢度较强且不能自由膨胀、收缩，在扇形段充/排水时，上排空气管原焊口极易裂开而发生呲水，这时不得不将运行的扇形段退出运行;在退出的冷却三角加堵时，上空气管需要用电焊机焊接堵板，冬季在空冷塔外17 m处进行焊接工作，环境温度较低且风速较大，检修很困难。

3.2.2 改造应满足的条件

(1)排空气畅通，不因积水、结冰引起堵塞。

(2)当冷却柱受温度变化影响时，上下膨胀不受影响。

(3)当冷却柱发生故障时，便于与空冷塔上部的环形管解列。

3.2.3 冷却柱上水室排空气管改后的连接方式

改造的方法是延长冷却柱上水室排空气管钢管的长度，将原上水室与空冷塔上环管之间2 m长的连接胶管中间增加一段0.45 m长的金属软管，金属软管两端与钢管法兰相连接，这样做可以使扇形段在充/排水时自由膨胀、收缩;同时，在冷却柱需要加堵时，改为专用堵板加堵即可，无需再动用电焊机焊接，减轻了冬季冷却三角加堵的检修工作量，降低了维护费用。改造后的冷却柱上水室排空气管连接方式如图3所示，当冷却柱故障需要解列时，在零件2和3之间加装堵板。为防止排空气管冻损，在其外表面应加设保温层。

图3 改造后上水室排空气管与上环管连接方式

3.3 空气环管微循环系统改造

3.3.1 空气环管微循环系统改造前运行情况

由扇段热水母管引出2根ø 45 mm管子接入扇段顶部空气环管，再通过1根ø 45 mm管子将空气环管接入扇段冷水母管，即扇形段回流管。在正常运行时，由于热水压力较高(一般为0.25 MPa左右，冷水压力为0.17 MPa)使空气环管内形成水循环，但由于目前的回流管直径较小，使空气环管内微循环受阻，严重时易使水循环停滞而结冰，尤其在冬季在扇形段充/排水时更易出现此现象，极易冻坏扇形段冷却元件。

3.3.2 空气环管微循环系统改造后运行情况

将扇形段回流管由原来的ø 45 mm改为ø 100 mm，加大回水流量，增强空气环管内微循环，避免空气环管内微循环受阻，并在该管上加装阀门，可以进行开关调整。冬季开启该管路以增加空气环管的防冻能力，夏季关闭该管路以保证正常的扇形段出水温度。空气环管微循环系统改造前、后对比如图4所示。

图4 扇形段微循环系统改造前、后对比

4 经济效益分析

(1)卓资发电公司通过改造#1机组空冷系统冷却器循环水进/出口方式、冷却柱上水室排空气连接方式和空气环管微循环系统，加强了间接空冷系统冬季防冻能力，提高了空冷系统运行安全性，#1机组改造前空冷系统平均维护费用20万元/a，改造后空冷系统平均维护费用6万元/a，改造后空冷系统维护费用每台机组可节约14万元/a。

(2)经过改造#1机组空冷系统冷却器循环水进/出口方式，冬季#1机组循环水回水温度可降低5℃，排汽背压可降低约2 kPa，机组发电煤耗可降低4～5 g/(kW·h)。根据所在地气象局统计，全年环境温度在－5℃以下约有160 d，每台机组全年发电量按9亿kW·h计算，全年可节约标煤1800 t/台，按卓资发电公司年度标煤单价392元/t计算，单机年节约成本约70万元。

(3)#1机组改造后全年可直接降低发电成本约84万元，如公司4台机组全部完成改造，全年可直接降低发电成本约336万元。