直接空冷機(jī)組運(yùn)行芻議

摘要：介紹了直接空冷機(jī)組設(shè)備的布置及其優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上論述了直接空冷機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，分析了出現(xiàn)問題的原因，提出了相應(yīng)的措施和解決方案，降低了故障發(fā)生率，保證了機(jī)組正常運(yùn)行。 　　1直接空冷機(jī)組設(shè)備布置及其優(yōu)點(diǎn) 　　1.1空冷裝置簡(jiǎn)介 　　華電寧夏靈武發(fā)電有限公司一期工程空冷島系統(tǒng)由德國(guó)GEA設(shè)計(jì)，#1機(jī)組設(shè)備安裝由山東電建三公司施工，鋼構(gòu)架由寧夏電建公司施工。從2006年10月開始鋼構(gòu)架安裝，到2007年3月設(shè)備安裝完成，歷時(shí)7個(gè)月。 　　空冷凝汽器布置在主廠房A排外高架平臺(tái)上，鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)由16根混凝土支柱支撐，支柱高38m，直徑4m，柱底標(biāo)高-4m。鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)長(zhǎng)93.72m，寬81.3m，高7m，平臺(tái)標(biāo)高45m，鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量3300t。為減小外部空氣對(duì)空冷凝汽器的影響，在鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上部周圍布置擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻高13.5m，空冷島最頂部標(biāo)高58.5m。 　　出廠房為2根直徑6m的水平段排汽管道，至空冷島頂部分為8根直徑3m支管(即蒸汽分配管)，蒸汽從蒸汽分配管由上到下經(jīng)翅片管束冷卻凝結(jié)成水，在管束下部集水箱匯流后由凝結(jié)水管道輸送回廠房?jī)?nèi)排汽裝置下部熱井內(nèi)，進(jìn)入下一個(gè)做功循環(huán)。 　　在每列管束的8片逆流管束頂部，安裝抽空氣管道，在機(jī)組啟動(dòng)前開啟3臺(tái)真空泵抽出凝汽器內(nèi)的空氣，機(jī)組正常運(yùn)行開啟1臺(tái)真空泵維持真空。 　　空冷島共有560片翅片管束，它與56臺(tái)風(fēng)機(jī)組成56個(gè)換熱單元，分為8列，每列7組，每組之間裝有分隔墻，使每個(gè)換熱單元相對(duì)獨(dú)立。風(fēng)機(jī)直徑為8910mm，每臺(tái)風(fēng)機(jī)由6片葉片組成。電機(jī)功率為132kW，額定電壓為380V，最高轉(zhuǎn)速為86r/min，可根據(jù)機(jī)組背壓及氣溫經(jīng)過調(diào)頻降至20r/min。風(fēng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下日耗電量17萬kW·h，廠用電占全廠的1.2%。 　　1.2空冷機(jī)組的優(yōu)點(diǎn) 　　(1)可以大量節(jié)水。直接空冷凝汽器采用空氣作為最終冷卻介質(zhì)，無敞開式的蒸汽/水同空氣間的換熱過程，無水分蒸發(fā)/漂移損失，避免工作用水的水質(zhì)污染。因此，采用直接空冷凝汽器系統(tǒng)的機(jī)組比水冷凝汽器發(fā)電機(jī)組節(jié)水約70% ，這是直接空冷機(jī)組的最大優(yōu)勢(shì)。 　　因?yàn)闆]有循環(huán)冷卻塔，也就沒有循環(huán)水系統(tǒng)的排污問題，沒有冷卻塔及其臨近地區(qū)形成水霧和結(jié)冰問題，電廠選址非常靈活(電廠無需靠近水源建設(shè))。這給今后電站的建設(shè)特別是富煤而干旱缺水地區(qū)的電站建設(shè)開辟出了一條新路。 　　(2)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了空冷系統(tǒng)占地面積。在水冷凝汽器系統(tǒng)中，循環(huán)冷卻水塔和循環(huán)水泵房要單獨(dú)占用一定的建設(shè)用地。采用直接空冷凝汽器系統(tǒng)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將上述用地全部省掉。比如，將直接空冷凝汽器安裝到汽輪機(jī)廠房房頂，或者安裝在汽輪機(jī)廠房A列外電氣設(shè)備的上面等，可使機(jī)組總占地面積減少。 　　(3)由于蒸汽與空氣直接換熱，省去了中間介質(zhì)和二次換熱，綜合換熱效率提高，運(yùn)行更經(jīng)濟(jì)。 　　(4)具有較高的社會(huì)效益和與水冷凝汽器機(jī)組可比的經(jīng)濟(jì)性。在發(fā)電廠中，水冷凝汽器和直接空冷凝汽器都有其存在的價(jià)值。 　　2直接空冷機(jī)組運(yùn)行中的問題及對(duì)策 　　直接空冷系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)處于起步階段，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行上均缺乏更多經(jīng)驗(yàn)，眾人所關(guān)注的不僅是空冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性，更關(guān)心的是空冷系統(tǒng)的安全性，所謂安全性主要包括2個(gè)方面：夏季高溫能否保證設(shè)計(jì)考核點(diǎn)的滿發(fā);在冬季低溫條件下能否有效防凍。 　　2.1夏季出力問題 　　由于采用空氣直接冷卻，在1年中，凝汽器真空隨著環(huán)境空氣溫度大幅度變化，尤其在炎熱的夏季，空冷凝汽器效率較低、真空低，可能降到50kPa、甚至40kPa以下。汽輪機(jī)必須能適應(yīng)較寬背壓范圍尤其是高背壓工況的需要。在高背壓工況運(yùn)行，汽輪機(jī)會(huì)出現(xiàn)高溫排汽。很多經(jīng)驗(yàn)和各種實(shí)際機(jī)組的運(yùn)行過程中的參數(shù)分析表明，影響機(jī)組夏季出力的關(guān)鍵因素在于汽輪機(jī)本身處于高背壓工況下長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和凝結(jié)水溫度高對(duì)于精處理數(shù)值的要求及給水泵的能力。 　　直接空冷凝汽器的傳熱面積是按照一定的環(huán)境溫度設(shè)計(jì)的。當(dāng)環(huán)境溫度超過該溫度時(shí)，汽輪機(jī)背壓必然升高。雖然汽輪機(jī)可以適應(yīng)較大范圍的背壓變化，但1年中總會(huì)有一段時(shí)間因背壓超出設(shè)計(jì)范圍使汽輪機(jī)被迫降低出力。可以采用沖洗的方法保持直接空冷凝汽器管束外表面清潔，減小熱阻，提高直接空冷凝汽器的換熱效率。在萬不得已的情況下，也可以采用向冷卻空氣流中噴水的方法提高換熱系數(shù)，雖然該方法耗水量很大，但在嚴(yán)重缺電的情況下，在不多的幾天或者十幾天時(shí)間里使用還是可行的。 　　2.2冬季防凍問題 　　由于直接空冷凝汽器在室外露天布置，在寒冷的冬季有發(fā)生冰凍的危險(xiǎn)因素，尤其是在設(shè)備啟動(dòng)過程中和負(fù)荷較低時(shí)及系統(tǒng)中聚集不可凝氣體的地方易發(fā)生冰凍，這是空冷系統(tǒng)面臨的一個(gè)嚴(yán)重的問題。直接空冷凝汽器系統(tǒng)結(jié)冰，會(huì)使管束和凝結(jié)水管變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將管子凍裂，造成相關(guān)設(shè)備停運(yùn)。 　　直接空冷系統(tǒng)的冬季防凍是影響電廠安全運(yùn)行的一個(gè)重要問題，從國(guó)外設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)有許多措施來保證防凍是有效的。關(guān)于防凍的具體措施可以參照有關(guān)設(shè)計(jì)、調(diào)試單位的技術(shù)資料，更重要的是有關(guān)人員必須加強(qiáng)防凍意識(shí)，從工藝設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，主要考慮的防凍措施有以下3個(gè)方面。 　　(1)設(shè)置逆流空冷凝汽器，防止凝結(jié)水在空冷凝汽器下部出現(xiàn)過冷，進(jìn)而凍結(jié)的情況發(fā)生，另外可使空氣和不凝結(jié)氣體比較順暢地排出，不致形成“死區(qū)”，變成冷點(diǎn)而使水凍結(jié)，凍裂翅片管(此方案已在華電寧夏靈武發(fā)電有限公司機(jī)組中實(shí)行)。 　　(2)在蒸汽管道上設(shè)置閥門，當(dāng)汽輪機(jī)排熱量較小且氣溫較低時(shí)，切斷某幾個(gè)散熱單元的閥門，將熱量集中在剩余的散熱單元中，以增加其熱負(fù)荷。停運(yùn)的散熱單元仍保持真空狀態(tài)，可防止空冷凝汽器腐蝕，并可隨時(shí)投運(yùn)。華電寧夏靈武發(fā)電有限公司每臺(tái)機(jī)組安置了4臺(tái)排汽蝶閥，分別安裝在第1，2，7，8列，可根據(jù)環(huán)境溫度狀況制定運(yùn)行措施對(duì)散熱單元進(jìn)行割離。 　　(3)調(diào)解風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 　　2.3存在熱空氣再循環(huán)的可能 　　對(duì)于直接空冷凝汽器系統(tǒng)，由于有空冷風(fēng)機(jī)強(qiáng)制通風(fēng)，從冷空氣入口到熱氣出口之間，會(huì)產(chǎn)生局部熱空氣再循環(huán)。熱空氣再循環(huán)與直接空冷凝汽器的幾何參數(shù)有關(guān)，也與外部風(fēng)速、風(fēng)向等有關(guān)。熱空氣再循環(huán)會(huì)嚴(yán)重影響直接空冷凝汽器的效率，特別是在炎熱的夏天。一般在直接空冷凝汽器周圍安裝蒸汽分配管的擋熱板后，可解決熱空氣再循環(huán)的問題。 　　2.4風(fēng)機(jī)運(yùn)行中所遇到的諸多問題 　　2.4.1風(fēng)機(jī)的作用和重要性 　　直接空冷系統(tǒng)所需要的冷卻空氣，通常以機(jī)械通風(fēng)方式由軸流風(fēng)機(jī)提供。在日常的運(yùn)行中，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)汽輪機(jī)的背壓來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組的負(fù)荷變化、環(huán)境溫度變化、雨雪、風(fēng)向、風(fēng)速等因素均會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)背壓在一定范圍內(nèi)變化，進(jìn)而引起風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的相應(yīng)變化。變頻裝置可以控制風(fēng)機(jī)在20% ～100% 額定轉(zhuǎn)速內(nèi)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)工況要求。如果較長(zhǎng)時(shí)間在最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，程控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停轉(zhuǎn)部分風(fēng)機(jī);如果已投運(yùn)風(fēng)機(jī)均達(dá)到最高轉(zhuǎn)速，則程控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)其他備用風(fēng)機(jī);此外，空冷機(jī)組的冬季防凍措施也主要依靠風(fēng)機(jī)的調(diào)整來實(shí)施。確切地說，風(fēng)機(jī)的可靠性決定了發(fā)電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)性，其重要性不言而喻。 　　2.4.2風(fēng)機(jī)最低運(yùn)行頻率 　　為了保護(hù)風(fēng)機(jī)的電機(jī)，GEA及設(shè)備廠家設(shè)定了一個(gè)風(fēng)機(jī)最低頻率10Hz，即額定工況頻率的20%。后來電廠方面考慮到要保證風(fēng)機(jī)齒輪箱的潤(rùn)滑油壓力，將風(fēng)機(jī)最低頻率設(shè)定為30% 額定頻率，即15Hz。 　　在夏季，由于環(huán)境溫度普遍較高，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)普遍高于15Hz，最低頻率的設(shè)定值變化沒有影響。但在冬季，環(huán)境溫度大大低于0℃，可能會(huì)出現(xiàn)風(fēng)機(jī)在最低頻率狀況下運(yùn)行，且有凝結(jié)水過冷度依然過大的問題，可能會(huì)導(dǎo)致管束凍結(jié)。盡管可以采取停止部分風(fēng)機(jī)的手段，但在某些負(fù)荷工況下這是需要人為判斷的，或者重新設(shè)計(jì)程控以考慮最低頻率下的凝結(jié)水過冷。 　　既要考慮冬季管束防凍，又要兼顧風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑，這是目前風(fēng)機(jī)設(shè)定最低頻率定值的要求。 　　2.4.3風(fēng)機(jī)最高運(yùn)行頻率 　　風(fēng)機(jī)額定最高轉(zhuǎn)速頻率為50Hz，超速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)頻率可以達(dá)到52.5Hz。但以目前的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到50Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部分風(fēng)機(jī)的電流已經(jīng)達(dá)到高限并報(bào)警。如果以52.5Hz頻率運(yùn)行，電流肯定超標(biāo)，而且會(huì)發(fā)生風(fēng)機(jī)變頻裝置跳閘的事故。 　　在夏季，機(jī)組要盡量維持滿發(fā)，必定要求風(fēng)機(jī)超出額定50Hz運(yùn)行，達(dá)到52.5Hz。甚至可以說，機(jī)組全年的限滿負(fù)荷出力時(shí)間在很大程度上取決于風(fēng)機(jī)能否超速運(yùn)轉(zhuǎn)。 　　目前，應(yīng)該要求風(fēng)機(jī)變頻裝置廠家確認(rèn)此問題，即風(fēng)機(jī)能否以52.5Hz長(zhǎng)期運(yùn)行。應(yīng)該在夏季之前進(jìn)行這樣的試驗(yàn)，以確認(rèn)機(jī)組的極限能力。 　　2.4.4順流風(fēng)機(jī)與逆流風(fēng)機(jī)的出力匹配問題 　　現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)控制方式下，順流風(fēng)機(jī)和逆流風(fēng)機(jī)接受同樣的指令而同時(shí)提高或降低轉(zhuǎn)速。其實(shí)，順流和逆流風(fēng)機(jī)不一定要同等程度的增減頻率，逆流風(fēng)機(jī)可以有稍許偏置，例如，順流風(fēng)機(jī)35Hz時(shí)，逆流風(fēng)機(jī)達(dá)到38Hz，這樣，也許能夠更快更有效地保證真空，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)性更好。這一點(diǎn)尚需要實(shí)際運(yùn)行來檢驗(yàn)。 　　2.5有關(guān)保護(hù)的設(shè)置 　　由于涉及到防凍問題，因此，對(duì)于風(fēng)機(jī)的控制設(shè)計(jì)了一項(xiàng)保護(hù)措施，即某一排凝汽器的左右任何一個(gè)凝結(jié)水溫度低于35℃時(shí)，相應(yīng)這一排凝汽器的所有風(fēng)機(jī)將跳閘;只有當(dāng)凝結(jié)水溫度2個(gè)測(cè)點(diǎn)均高于35℃且比環(huán)境溫度高5℃以上時(shí)，才允許啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。這樣，可能會(huì)導(dǎo)致以下一些工況發(fā)生時(shí)，運(yùn)行人員缺乏靈活的應(yīng)對(duì)手段。 　　2.5.1凝結(jié)水溫度測(cè)點(diǎn)故障 　　如果任一凝結(jié)水溫度測(cè)點(diǎn)故障，導(dǎo)致顯示值低于35℃而致使風(fēng)機(jī)跳閘，將可能帶來機(jī)組背壓的劇烈擾動(dòng)。 　　2.5.2發(fā)生溫度低導(dǎo)致風(fēng)機(jī)跳閘后的恢復(fù) 　　如果真正發(fā)生了實(shí)際凝結(jié)水溫度低導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)跳閘，這時(shí)運(yùn)行人員要啟動(dòng)風(fēng)機(jī)必須滿足上述要求，這需要一定時(shí)間，在這一段時(shí)間內(nèi)會(huì)導(dǎo)致其他風(fēng)機(jī)和凝汽器的工況發(fā)生變化，可能需要對(duì)機(jī)組的負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整。但若運(yùn)行人員能夠判斷凍結(jié)并未實(shí)際發(fā)生，可根據(jù)程度實(shí)際情況(機(jī)組負(fù)荷、備用風(fēng)機(jī)數(shù)量情況)及時(shí)啟動(dòng)部分風(fēng)機(jī)，避免負(fù)荷的擾動(dòng)。 　　2.5.3回暖工況不合理 　　對(duì)于逆流風(fēng)機(jī)，必須由熱工人員強(qiáng)制模擬35℃以上溫度才能使逆流風(fēng)機(jī)倒轉(zhuǎn)，不方便且存在隱患。 　　2.6散熱器運(yùn)行中出現(xiàn)的問題 　　2.6.1散熱器的腐蝕 　　火電空冷散熱器的內(nèi)表面積極大。當(dāng)散熱器內(nèi)冷卻水放空后就暴露于大氣中。若是鋼管鋼片散熱器極易在內(nèi)表面生成鐵銹，造成腐蝕。這種腐蝕產(chǎn)物帶到全廠水汽系統(tǒng)里影響蒸汽品質(zhì)。既使有防腐保護(hù)措施，在啟/停頻繁、內(nèi)表面積極大的情況下，腐蝕仍是突出問題。另外，煙囪飛灰易吸附在翅片管的表面，會(huì)與空氣中的酸發(fā)生反應(yīng)而形成翅片管的局部腐蝕，這種產(chǎn)物是很難除去的。 　　2.6.2散熱器的積灰 　　電廠粉塵污染很嚴(yán)重，濕度也很大，這就給散熱器的積灰提供了有利條件。散熱器的積灰將影響散熱器的傳熱效果，所以，定期對(duì)散熱器進(jìn)行沖刷除塵是很有必要的。 　　2.6.3散熱器的防凍 　　直接空冷系統(tǒng)的防凍是影響電廠安全運(yùn)行的一個(gè)重要問題。在有的地區(qū)，冬季的溫度很低，就有可能使散熱器結(jié)冰凍結(jié)，會(huì)給散熱器的傳熱效果帶來很大的影響，所以，必須采取有力的措施來防止散熱器結(jié)冰。 　　3結(jié)論 　　由于華電寧夏靈武發(fā)電有限公司的2臺(tái)空冷機(jī)組為華電國(guó)際有限公司的首臺(tái)空冷機(jī)組，在運(yùn)行、檢修中，相關(guān)人員存在著生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不足及其他問題。對(duì)此，在機(jī)組運(yùn)行中，要不斷吸取經(jīng)驗(yàn)，最大程度的獲取各種信息，盡可能地降低故障發(fā)生率，保證最大的經(jīng)濟(jì)效益。