350MW超临界供热机组空冷岛防冻技术措施

350MW超临界供热机组空冷岛防冻技术措施

徐漠北 1 张敏 1 赵一丹 2

1 中电投东北能源科技有限公司 辽宁沈阳 110179； 2 国家电投朝阳燕山湖发电有限公司 辽宁朝阳 122000

摘要：本文首先分析了某热电公司350MW超临界供热机组目前运行方式，并收集相关材料。在综合考虑深度调峰、采暖供热及增加电锅炉效益三个需求的基础上，结合环境条件，机组条件，供热条件等因素，通过对机组供热变工况计算，分析得出在满足空冷岛防冻需求条件下，空冷岛6列运行与切除1列或2列运行对于机组供热能力的影响。尤其是在加入电锅炉运行后，在满足空冷岛防冻需求及机组供热需求的同时，可以增加热电公司的总体收益。最后，提出在目前运行期间空冷凝汽器防冻技术措施并得到实践验证，避免了该热电公司因空冷岛结冻导致利润受损。

关键词: 350MW；超临界；供热机组；空冷凝汽器；防冻

中图分类号：TK267 文献标志码： A

Antifreeze Technical Measures for Air-cooling Island of 350MW Supercritical Heating Unit

XU Mobei¹ ，ZHANG Min¹ ，ZHAO Yidan²

（1. SPIC Northeast Electric Power CO., LTD, Shenyang 110179, China；

2. SPIC Chaoyang Yanshan Lake Power Generation Co., LTD, Chaoyang 122000, China）

Abstract：In this paper, the current operating mode of 350MW supercritical unit of a thermal power company is analyzed at first, and gathers materials. On the basis of comprehensive consideration of the three requirements of deep peak shaving, heating and increasing efficiency of electric boilers, combining environmental conditions, unit conditions, heating conditions and other factors, with calculating of the heating unit under variable conditions, the analysis shows that under the condition of meeting anti-freezing requirements of air-cooling island, the impact of all air-cooling islands operating and cutting 1 or 2 rows on the heating capacity of the unit. Especially after adding the electric boiler to run, which can increase the overall revenue of the thermal power company while meeting anti-freezing demand of air-cooled island and heating demand of the unit. At last, anti-freezing technical measures are also proposed for the air condenser during the current running period, and have been verified in practice, which has avoided the profit loss of the thermal power company due to the freezing of the air cooling island.

Keywords: 350 MW; supercritical; heating unit; air-cooling island; anti-freezing

0 引言

为适应国家火电机组灵活性改造相关政策，满足电力深度调峰的需求，该热电公司计划安装240MW电极式供热电锅炉，同时近期预计增加工业供汽能力。由于机组深度调峰的同时满足供热需求，空冷凝汽器热负荷下降，存在冬季防冻的压力，为此开展空冷凝汽器防冻措施的研究，主要考虑三个方面：一是机组尽最大可能降低负荷，适应深度调峰的需求；二是在保证汽轮机安全运行的条件下，匹配工业供汽增长的需求，同时满足采暖供热需求；三是提供电锅炉供热空间，获得调峰补偿，增加经济效益。

1 机组概况

1.1 设备概况

该机组汽轮机为哈尔滨汽轮机厂设计制造的超临界、一次中间再热、双缸双排汽双抽汽直接空冷凝汽式汽轮机。型号为CZK350/259-24.2/1.5/0.40/566/566。工业供汽由汽轮机四段抽汽供出，通过旋转隔板开度来调整供汽参数，采暖抽汽由汽轮机五段抽汽供出(中压缸排汽)，可通过中低压导汽管蝶阀开度来调整供汽参数。

空冷凝汽器为哈尔滨空调股份有限公司生产，每台机组空冷排汽装置均由6列“A”型架翅片管排构成。每列包含5个单元（3个顺流单元和2个逆流单元）。空冷风机为变频调速，具备10% 超频运行能力。蒸汽各通过一根大排汽管道进入排汽装置，排汽管道分支为6根立管和每列上部的蒸汽分配管。蒸汽由分配管从顺流的冷凝管束上部流入翅片管。不可冷凝的气体积聚在冷凝管束顶部，并被抽进逆流管束顶部的抽真空管。蒸汽/凝结水联箱内收集的凝结水在重力作用下排入空冷凝汽器下的排汽装置。

1.2 运行现状

据统计，该地区冬季最低气温零下20℃左右，最大热负荷400MW，供热面积约800m²。

统计2018至2019年采暖期的机组运行参数如表1-1所示。

表1机组运行参数统计

Table 1 Operating parameter statistics of unit

2 空冷凝汽器冻结因素分析

2.1 空冷凝汽器冻结原因

1）低温环境^[1]

造成空冷凝汽器管内流体结冻的条件有两个：一是当外界环境温度低于0℃时，凝汽器管内的蒸汽流量小于其设计时规定的最小防冻流量的时间达到限制值；二是当外界环境温度低于0℃时，散热器翅片管内的流体流动受到阻碍，导致流速下降，流体在管内前半段也已凝结完毕，在后半段就会出现过冷却而发生结冰现象。

2）蒸汽流量分配不均匀^[2]

直接空冷机组空冷岛的设计是按照各空冷单元的蒸汽负荷分配来考虑的，而且在设计时把沿程压损及局部压力损失均已考虑进去。但在实际运行中，蒸汽分配管道的压力非常有可能存在分布不匀的状况，这样就会导致进入凝汽器的蒸汽流量分配也不均匀，特别在机组低负荷运行期间，蒸汽流量偏差可达5％左右，这样就会严重降低了机组的经济性和安全可靠性。特别是机组在启停过程中蒸汽流量较低、热负荷变化也比较缓慢，再加上蒸汽流量分配不均匀，使得部分蒸汽分配管道获得较少的蒸汽流量，这样蒸汽在顺逆流凝汽器中很快就会被凝结成水，在冬季低温环境下，凝结水又很快被凝结成冰，从而很容易造成空冷单元翅片管束冻裂，这就破坏了机组的真空，影响了机组的正常运行。

3）不凝结气体的聚集^[3]

由于直接空冷机组空冷岛为负压系统，并且体积庞大很难保证良好的严密性，故必然会导致凝汽器基管内积聚不凝结气体，从而会导致管道内局部蒸汽被不凝结气体堵塞，流阻增加，流量减少，使得蒸汽的放热量小于基管的吸热量，因此管壁温度会降低，致使凝结水流过低温管壁时发生结冰。

4）机组停运后凝汽器管道凝结水或蒸汽的残留^[2]。

在直接空冷系统停运时，如果系统内有残留的蒸汽或凝结水没有及时排尽，在冬季极低的温度下，就会致使滞留在管束中的凝结水或蒸汽冷凝冻结，还将会引起空冷凝汽器散热器管束、抽真空管发生冻结。

5）空冷岛进汽隔离阀不严密^[3]

在冬季北方寒冷地区，由于防冻的要求，需要对空冷岛部分列通过进汽隔离阀进行隔离。但由于空冷岛进汽隔离阀有可能因为某些原因关闭不严密，少量蒸汽就会进入被隔离的空冷管道，这样也将会引起空冷岛散热器管束局部冻结。

2.2 空冷凝汽器冻结典型现象

1）翅片管冻结

根据椭圆大直径单排翅片管设计特点，当管束内发生冻结时椭圆翅片管会发生变形，“S”形可以在化冰后逐渐恢复，但对于钝角或直角变形，管束将无法恢复。图2.1分别为“S”和钝角变形情况，钝角变形已成为永久性变形，给运行带来安全隐患。因此冬季运行人员如何对空冷岛进行调整显得尤为重要。

图1 翅片管冻结后变形照片

Fig. 1 Photo of deformed fin tube after freezing

2）凝结水集箱冻结

空冷岛停运或切除列运行时，注意隔离应彻底，进汽阀、凝结水阀、抽真空阀应关闭严密。 隔离后应确保管束不进汽，轻微的进汽对翅片危害是巨大的，会引起管束冻结破裂。 隔离后，应及时对下侧的凝结水箱进行放空操作，排尽凝结水箱中积存的水，防止管道冻裂。 如图2.2所示，隔离列因存水未排尽发生凝结水集箱膨胀、凝结水管道冻裂现象。

图2 凝结水管道冻裂照片

Fig. 2 Freeze crack photo of condensate pipe

3 机组供热工况计算分析

3.1 空冷岛防冻需求参数

表2 汽轮机冬季冷态启动时，ACC最小热负荷与气温的关系

Table 2 The relationship between ACC minimum heat load and air temperature when the steam turbine starts in cold state in winter

3.2 汽轮机变工况性能计算结果分析

在满足空冷岛最小防冻热量及最小防冻流量，两台机组平均分配最大采暖供热量400MW，最大工业抽汽200t/h，不投入电锅炉条件下，分别在空冷岛运行6列、运行5列（切除1列）及运行4列（切除2列）时，计算得出机组采暖供热量随环境温度变化情况。如图3所示，在额定进汽量时，采用单台机组供暖，当环境温度低于-9℃左右时，不满足采暖供热需求。随着切列运行，当环境温度降低时，机组采暖供热量增大，适应温度降低的能力越强。

图3 空冷岛运行方式与采暖供热能力的关系

Fig.3 The relationship between air-cooling island operation mode and heating capacity

如图4所示，在额定进汽量时，2台机组供暖，工业供汽总量200t/h，空冷岛6列运行时，当环境温度为-20℃左右时，不能满足采暖供热需求。切除1列，便可满足空冷岛防冻和采暖供热需求（-20℃条件下）。

图4 单台机组发电负荷随环境温度变化关系

Fig.4 The relationship between the power generation load of a single unit and the ambient temperature

如图5所示，根据环境温度的变化，2台机组通过调整负荷，可满足空冷岛防冻、工业抽汽及采暖供热的需求。

图5 空冷岛运行方式与采暖供热能力的关系

Fig.5 The relationship between air-cooling island operation mode and heating capacity

在相同边界条件下，分别计算空冷岛运行6列、运行5列（切除1列）及运行4列（切除2列）时，机组供热量与电锅炉投入热量，并得出富裕热量，分析该工况下运行是否同时满足空冷岛防冻与采暖热负荷要求。计算结果如表3、表4及表5所示。

其中边界条件为：满足采暖热负荷、防冻热负荷要求，每台机组工业抽汽各100t/h，最大采暖热负荷需求为400MW，电锅炉最大投入热量为228MW。

计算时机组工况：汽轮机进汽压力24.2MPa，进汽温度566℃，排汽压力12kPa，工业抽汽压力1.5MPa，采暖抽汽压力0.4kPa，空冷岛风机（30台）全停。

如表3所示，在最大供热量400MW，最大工业抽汽量200t/h，两台机组平均分配热电负荷，50%电负荷、6列空冷岛运行条件下。深度调峰期间可以投运电锅炉供热满足采暖供热需求，但在环境温度低于-10℃以下时，电锅炉投入热负荷达到最大，富裕热量小于0，即机组供热量与电锅炉投入热量之和小于采暖需求热量，此时仍需要通过提高机组负荷来满足供热及空冷岛防冻的需求。

如表4所示，切除空冷岛1列，基本满足-20℃时的防冻需求，但不满足供热需求。

如表5所示，切除空冷岛2列，环境温度-15℃，不考虑风速。机组负荷175MW，工业抽汽量100t/h，空冷凝汽器4列运行，进汽量222.47t/h，满足防冻需求时采暖抽汽量147.11t/h，供热量107MW。两台机组工业供汽200t/h，采暖供热量214.01MW，电锅炉投入133.39MW，全厂供热量347.4MW，满足严寒期供热需求。

环境温度-10℃，不考虑风速。机组负荷175MW，工业抽汽量100t/h，空冷凝汽器4列运行，进汽量202.80t/h，满足防冻需求时采暖抽汽量167.06t/h，供热量121.52MW。两台机组工业供汽200t/h，采暖供热量243.04MW，电锅炉投入51.77MW，全厂供热量294.80MW，满足采暖供热需求（300MW）。可以同时满足防冻需求和采暖供热需求。

表3空冷岛运行6列计算结果

Table 3 Air-cooled island running 6 columns of calculation results

表4空冷岛运行5列计算结果

Table 4 Air-cooled island running 5 columns of calculation results

表5空冷岛运行4列计算结果

Table 5 Air-cooled island running 4 columns of calculation results

4 空冷岛防冻技术措施

4.1 切列防冻措施

当汽轮机面临冬季启动或低负荷和低温等极端条件下运行的情况时，若风机转速降低到0，凝汽器由于自然对流的影响，仍散发大量的热量。此时凝汽器的压力仍有可能低于抽真空设备的最小允许压力而难以抽出不凝结气体，造成冻结。安装在排汽管道上的蝶阀则是有效的防冻控制手段，通过在蒸汽分配管道上安装蝶阀旁路部分散热段的方式，可以增加热负荷，达到防冻目的。在冬季低负荷或启动工况下，可以调整蝶阀开闭数量，达到切除部分散热器管束运行，防止冻结的目的。

关闭空冷岛运行列时，同时兼顾机组发电负荷、汽轮机低压缸最小排汽量、工业抽汽压力、采暖供热量等参数。

结合上述计算结果，建议机组电负荷达到50%时，结合环境温度、风速、工业抽汽量、采暖抽汽量，电锅炉投入情况等因素，切除1列、2列，极端情况下可切除3列。

空冷岛的切列操作可分为临时性切列和长期性切列两种。

（1）临时性切列

临时性切列的优点是空冷岛运行比较灵活，能够快速满足空冷岛不同负荷不同环境温度下的最小防冻流量。缺点一是频繁地切、投列操作可能会导致空冷岛排汽蝶阀密封垫磨损，影响排汽蝶阀严密性；二是需要加强对被切除列的监视和检查，较长时间需切列运行时应定期对被切除列进行轮换，每列切除时间建议不超2小时。

临时性切列应作为全部防冻措施的最后一项予以施行。

（2）长期性切列

机组进入供暖中期，环境温度接近全年最低值，机组供热量接近最大，此时选择1～2列长期切除能显著缓解空冷岛防冻压力，并且长期性切列除了切列过程较为复杂以外几乎没有其他不良影响。

4.2 空冷系统运行背压的控制

机组运行时由于空冷汽轮机利用空气作为空冷系统的冷却介质，除空气干球温度明显高于湿球温度外，年月和昼夜温度变化也大。空冷机组的设计背压要高于湿冷汽机组，空冷机组的允许运行背压范围也大。因此应按汽机厂机组运行限制范围(背压限制曲线)来运行，背压限制曲线如图4.1所示。

图6 空冷机组运行限制曲线(背压限制运行曲线)

Fig.6 Air cooling unit operation limit curve (back pressure limit operation curve)

据空冷机组的运行特点，空冷机组大部分时间都处在高背压小容积流量工况下运行。首先控制汽轮机的排汽温度，以在规定的排汽温度以下能够长期安全运行。其次是对末级叶片的保护，使末级叶片在控制区域内能够长期安全运行。在低负荷，高背压时，主要是控制汽轮机的排汽温度，此时由于通流部分效率低，负荷小，排汽温度高。其次由于小负荷、高背压时如相对容积流量过小，末级叶片产生鼓风损失，引起排汽温度进一步的升高。两者的结合引起排汽温度过大，因此必须通过喷水来控制排汽温度的升高。

在本文计算过程中，考虑低压缸最小冷却蒸汽流量为176t/h。在运行中加入小汽机排汽量，通过凝结水流量的监测，在中低压导汽管蝶阀的调整过程中，使低压缸排汽量大于176t/h。

在机组所带负荷一定的条件下，运行背压越高，汽轮机低压缸的排汽温度也会随之升高，相对应的排汽热量也会加大，这将有利于机组防冻，但对机组经济性造成了严重影响，在机组的安全性和经济性双方面综合考虑，合理适当地提高机组的运行背压是非常必要的，但也一定要有限度。为了达到机组的防冻目的并考虑机组的经济运行，该热电公司应根据直接空冷机组在冬季运行时需要确定一个最低运行背压。在理论上来说，冬季最低运行背压可以结合凝结水收集联箱的最低保证温度的过冷度以及汽轮机排汽管道沿程阻力来倒推确定。

4.3 机组在大雪天气下的防冻措施

正常情况下降雪不会给空冷岛带来额外的防冻压力，特殊情况下大雪或暴雪天气下时：

（1）当发现空冷器的散热片表面温度低于0℃时，应加大机组负荷并立即停止相应的风机运行。应提高机组背压以快速提升空冷散热片表面温度^[5]。

（2）若发现空冷器散热片表面有冻结部位，汽机主管应立即组织人员进行对冻结部位用棉被敷设风筒，以加快其解冻速度。

（3）投入相应排的逆流风机反转，并启动备用真空泵^[4]。

（4）当发现空冷器散热片发生大面积冻结且长时间不能解冻时，运行人员可停止全部风机运行。

（5）若冻结部位相应列的进汽蝶阀已经关闭停止运行，应及时组织维护人员用加热装置为冻结部位解冻，以防止冻实而损坏散热片而掉系统真空。

（6）若汽轮机排汽分配隔离阀发生冻结时，运行人员应检查伴热管路是否投入，如未投入应及时投入，并将其停电，以防开关过程损坏电机。保持机组的负荷在较高数值^[6]。

4.4 空冷岛防冻其他有效措施

（1）定期对空冷岛进行检漏及真空严密性试验；

（2）加强空冷系统重要部位的就地监视^[7]；

（3）加强空冷系统重要部位DCS测点监视；

（4）控制凝结水过冷度的变化；

（5）加强防冻逻辑保护；

5 结论或结语

本文结合350MW超临界供热机组的热力特性，在环境温度对空冷岛防冻需求和采暖供热需求的基础上，提出了空冷岛冬季防冻的措施。2020年至2021年采暖期间，机组运行深度调峰至50%负荷时，采用本文所给出了空冷岛防冻措施针对性有效地进行运行调整，加强监视空冷凝汽器系统，严格按照背压限制运行曲线进行背压控制，运用切列防冻技术针对性调整，整个采暖期间空冷岛未出现冻结，避免因空冷凝汽器结冻导致热电公司经济受损。

参考文献：

[1]蒋晓明,张来平,陈全明. 直接空冷岛启动阶段冬季防冻措施优化[J]. 电力勘测设计,2018(6):28-32.

JIANG Xiao ming, ZHANG Lai ping, CHEN Quan ming. Optimization of an-freeze Measures for the Direct Air Cooling Unit at Start-up Period in the Winter. Electric Power [J]. Survey & Design, 2018(6):28-32.

[2]吕蒙,周斌,张鹏,等. 350MW直接空冷机组空冷岛冬季运行优化研究[J]. 华北电力技术,2015(4):45-50.

LV Meng, ZHOU Bin, ZHANG Peng, et al. Optimization Research on Winter Operation of Air-cooling Island of 350 MW Direct Air-cooling Unit[J]. North China Electric Power, 2015(4):45-50.

[3]马强,王洋,柴艳东,等. 严寒地区660 MW超临界直接空冷机组低负荷空冷岛防冻技术应用[J]. 吉林电力,2015,43(6):54-56.

MA Qiang, WANG Yang, CHAI Yan dong, et al.Antifreeze Measure of Low Load 660 MW Supercritical Direct Air Cooling Units in Severe Cold Region[J]. Jilin Electric Power, 2015,43(6):54-56.

[4]孙志伟. 300MW直接空冷机组空冷岛的防冻措施[J]. 山东工业技术,2015(20):248.

SUN Zhi wei. Antifreeze Measures for Air Cooling Island of 300MW Direct Air Cooling Unit[J]. Shandong Industrial Technology, 2015(20):248.

[5]周亚民,安锦民,高恩厚. 300 MW直接空冷供热机组防冻措施探讨[J]. 内蒙古电力技术,2007,25(3):19-21,24. 

ZHOU Ya min, AN Jin min, GAO En hou. Discussion to Antifreezing Measure of 300 MW Direct Air Cooling Thermal Power Unit[J]. INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER, 2007,25(3):19-21,24. 

[6]王学民. 300MW直接空冷机组空冷岛的防冻措施[J]. 科技资讯,2012(4):74-74,76.

WANG Xue min. Antifreeze Measures for Air Cooling Island of 300MW Direct Air Cooling Unit[J]. Science & Technology Information, 2012(4):74-74,76.
[7]李学哲. 660MW直接空冷汽轮机冬季防冻措施[J]. 产业与科技论坛,2013,12(1):93-94.

LI Xue zhe. Antifreezing Measures for 660MW Direct Air-cooled Steam Turbine in Winter[J]. Estate and Science Tribune, 2013,12(1):93-94.

作者简介：

徐漠北（1994—），男，通信作者，硕士，助理工程师，从事汽轮机及热力系统节能工作与研究，18240268727，xumobei@163.com；

张敏（1965—），男，硕士，教授级高工，从事汽轮机及热力系统节能工作与研究；

赵一丹（1979—），男，本科，高级工程师，从事热能与动力设备管理工作。