新疆地处西北属于大陆性干旱气候，北疆平原年平均气温低于10℃。乌鲁大齐冬季常年最冷时达-20、-30多度，历史上曾出现过-41.5℃的极端最低气温，其中-25～-35℃可持续1-2月。由于新疆冬季漫长，乌鲁木齐的供暖期长达半年之久。
摘 要：针对火电直接空冷供热机组冬季运行的问题，从空冷机组的结构设计、技术措施、运行操作方面，提出了相关的安全运行措施。
关键词：工程类中级职称论文,直接空冷;空冷凝汽器;供热;冬季防冻
所以，空冷供热机组的防冻成了机组冬季保证市区居民供热安全的重要环节。空冷凝汽器作为汽轮发电机组的重要组成部分，它的作用就是把汽轮机排除的乏汽凝结成水，与真空抽气装置一起维持汽轮机排汽缸和排汽装置内部的真空。在直接空冷凝汽器中，汽轮机排出的蒸汽在装有翅片管束的管道内流动，冷空气在翅片管外表面换热，对管内的蒸汽进行冷却。凝结后的水经过凝结水回水管路回至排汽装置，再由凝结水泵送回汽轮机的凝结水系统，经处理后再送至锅炉。
一、直接空冷系统的构成及特点
1.系统的构成
以米东电厂两台直接空冷为例，空冷凝汽器布置在主汽机房A排外的空冷平台上。空冷平台边距主汽机厂房A列的距离为17.5m，两台汽轮机排汽管中心线间距为75.0m，每台机组设30个冷却单元，沿A排方向布置6列空冷器，每列为5个冷却单元，每个单元由10片管束组成。每台机组空冷平台面积为66.84m×54.35m，两台机组空冷平台之间布置宽为8.16m的连接钢板，风机平台高度35.00m。每列共有一个逆流单元和四个顺流单元，单台空冷凝汽器的总散热面积为838625m2。
每个空冷凝汽器单元下部安装一台直径约为∮9144m的轴流风机，所有风机均采用变频调速电机，每台电动机功率110KW。风机平台高度35m，空冷管束冷却元件采用单面覆铝钢基管、铝翅片、单排管结构。
汽轮机低压缸排出的乏汽，从通过一根DN5500mm的水平排汽管从主汽机房引至A排轴线外1.0m后设大小头变径为DN6000mm的水平排汽管道，而后DN6000mm的排汽管道向上爬升至水平高度后，水平分为两根DN6000mm干管，再从每根干管分别引出三根DN2400mm支管至空冷凝汽器顶部的蒸汽分配管，向空冷凝汽器管束分配排汽，轴流风机使空气流过管束外表面带走热量，将排汽凝结成水，再由凝结水管汇集，排至主汽机厂房的汽轮机排汽装置。
图1 空冷凝汽器结构示意图
2.空冷凝汽器的结构特点
基于防冻的要求，直接空冷系统一般需设置顺流凝汽器和逆流凝汽器。直接空冷系统中大部分蒸汽在顺流凝汽器中被冷凝，剩余的小部分蒸汽再通过逆流凝汽器被冷凝。在逆流凝汽器中，由于蒸汽和凝结水的运动方向相反，凝结水不易冻结。在逆流凝汽器的顶部设有抽真空系统，可将系统内的空气和不凝结气体抽出。空冷凝汽器的结构有顺流式、逆流式和顺逆流联合式3种。顺流式：汽轮机排汽沿配汽管由上向下进入空冷凝汽器被冷凝，冷凝后的凝结水的流动方向与蒸汽流动方向相同，称之为顺流式空冷凝汽器。顺流空冷凝汽器具有凝结水液膜较薄、传热效果好、汽阻小等特点。但在低负荷和低气温条件下，凝结水箱内可能出现凝结水过冷却现象。过冷却会使凝结水含氧量增多，引起翅片管的腐蚀，还有导致冰冻的危险。逆流式：汽轮机排汽沿配汽管由下向上进入空冷凝汽器被冷凝，冷凝后的凝结水流动方向与蒸汽流动方向相反，称之为逆流式空冷凝汽器。逆流式空冷凝汽器虽然没有凝结水过冷却和冰冻现象，但散热管管内凝结水液膜较厚，汽阻大，故传热效果差。顺逆流联合式：在直接空冷系统中，既要提高传热效果，又要防止凝结水冻结，空冷凝汽器绝大多数采用顺逆流联合方式的结构，即以顺流为主，逆流为辅，且两者间散热面积维持一定比例。空冷凝汽器分主凝汽器和分凝汽器两部分：主凝汽器多设计成汽水顺流式，它是空冷凝汽器的主体;分凝汽器则设计成汽水逆流式，可形成空冷凝汽器的抽空气区。米东电厂空冷机组为SPX冷却技术公司设计生产的，每一列的第三排风机对应的是空冷的逆流段，每台机组的30个冷却单元，共设有300个管束，其中252个顺流管束和48个逆流管束。顺流面积：704445m2，逆流面积：134180m2 ， 顺逆流段数比：4：1，工作原理如图2所示。
图2 空冷凝汽器工作原理
二、空冷凝汽器的冻结原因
在机组处于空负荷或低负荷运行时，蒸汽流量很小，实际运行中发现，即使加上旁路系统的蒸汽流量也不能达到空冷凝汽器全部投入时的设计流量。由于蒸汽流量很小，当蒸汽由空冷凝汽器进汽联箱进入冷却管束后，在由上而下的流动过程中，冷却管束中的蒸汽与外界冷空气进行热交换后不断凝结。由于环境温度远远低于水的冰点温度，其凝结水在自身重力的作用下沿管壁向下流动的过程中，其过冷度不断增加，当到达冷却管束的下部(冷却管束与凝结水联箱接口处)时达到结冰点即产生冻结现象。在冷却过程中，蒸汽不断凝结并在冷却管束的下部冻结。即会出现北方地区冬季的“井口”冻结现象(冷却管束与凝结水联箱接口处被全部冻结)，从而造成冷却管束内的蒸汽发生滞流，最终使冷却管束冻坏。另外，即使空冷凝汽器内的蒸汽流量在其设计值之内，如果运行调整不当，在冷却空气量过剩的情况下，同样也会出现上述冻结现象。一般来讲，空冷凝汽器的冻结原因如下。
在环境温度低于0℃时，空冷凝汽器内的蒸汽流量小于其设计值。
在环境温度低于0℃时，冷却介质空气流量过剩。
空冷凝汽器自动控制不当。
空冷凝汽器风机投、停顺序不当，导致凝结水自然流动不畅，形成死区。
在严寒地区K/D结构设计不当，K/D值过大。
在逆流区管束上部及抽气口处由于剩余蒸汽量很小，容易形成过冷发生冻结;
机组真空严密性差， 不凝结气体在管束形成“气塞”导致管束内与蒸汽流动不畅形成阻滞。
综上所述，空冷凝汽器冷却管柬的冻结主要由原因第1条和第2条所致。这2个原因发生的前提条件是环境温度低于0℃。环境温度的高低是不能以人的意志而改变的。所以，对空冷凝汽器的防冻只能从控制蒸汽流量与冷却介质(空气)流量来实现。新机组投产初期，由于有些电厂运行经验制约，致使空冷翅片大面积结冻，造成机组被迫停运事故。米东电厂是新疆最早投入运行的直接空冷机组，运行三年来没有发生空冷翅片结冻现象。
三、空冷凝汽器的防冻措施
1.入冬前的设备防冻措施
空冷设计要求环境温度低于-3℃时，空冷机组运行必须采取防冻措施。根据现场实际情况，在设备方面采取如下防冻措施。检查挡风墙是否完好，防止冷空气从挡风墙外串入。准备足够的帆布，如发生空冷翅片结冻，可将帆布覆盖在翅片上来解冻。每列的进汽蝶阀、凝结水阀、抽空气阀加装伴热带;确保伴热功率足够，并把伴热自动投入。运行中将每列冷却单元的分隔墙隔离门关闭，避免运行单元的冷空气串流至停运冷却单元。每月必须定期做真空严密性试验，要求真空下降小于130pa/min，如果超标必须进行真空查漏，因为当真空严密性很差的时候，空冷很容易结冻，并且机组运行经济性较差。环境温度大于-10℃空冷采用自动控制方式下运行，环境温度在-15～35℃采用手动方式。冬季启动必须采用高、中压缸联合启动方式(带旁路)。
2.冬季机组冷态启动时的防冻措施
冬季机组冷态启动锅炉点火前，应检查汽机高、低旁在关闭状态，主、再热蒸汽管道疏水至疏水扩容器疏水门关闭。辅汽等进入排汽装置的疏水全部关闭，开启疏水至无压放水系统。防止启动暖管的少量气体进入空冷凝汽器。 锅炉点火，汽机抽真空，以防止误操作后大量疏水进入排汽装置，导致真空系统变为正值，导致空冷防爆门、及低压缸大气安全门动作。空冷程控保持在自动投入模式。锅炉通过过热器疏水和集汽联箱排大气的方式进行升温升压。当炉侧主汽压力达到1.52MPa,温度在200℃左右时，开启主、再热蒸汽管道输水及高、低旁，适当进行暖管后，尽量开大低旁开度可到100%，高旁保持开度在40%～50%。保障进入空冷散热器中有更多的蒸汽，并拟据主汽压力进行调整、减缓结冻的可能性。在空冷系统进汽前应检查各系统投人正常，尽可能的加快启动速度，尽量缩短小流量蒸汽进入空冷系统的时间。合理调整燃烧，尽快达到冲转参数.减少空冷岛内小流量蒸汽的进汽时间。在机组并网后，及时安棑锅炉加强燃烧，加快带负荷的速度.使蒸汽流量能尽快达到最小流量以上.其主要意图是加大蒸汽流量，使得整个翅片管朿的流程中都能存在汽水混合物，减小结冻的可能性。并网后，随着负荷增加，空冷按照逻辑，逐渐投入各列运行。在50MW～100MW期间可以缓慢升负荷.同时加强对排汽装置的水位控制。
3.冬季机组跳闸及热态启动防冻措施
在机组跳闸时，进人空冷系统的蒸汽骤然减小，此时进人空冷岛的蒸汽为排汽装置内积存的高溫水的汽化、部分管道内的积水、积汽以及汽封漏汽.蒸汽量不会太大，此时最容易导致空冷管束冻结。所以在这个时候主、再热蒸汽系统的疏水不得开启，其原因是：开启后，蒸汽的流量相对会大些。此时发生结冻的可能性会更大，而且开启疏水主再热蒸汽的温度会下降得更快，不利于机组的恢复。锅炉停炉，及时关闭减温水，机组尽快减负荷到零。汽机跳闸，锅炉维持温度、压力稳定，汽机检査具备启动条件则重新启动。主汽门前汽温高于汽机上缸内壁金属温度时，高、低压旁路可不开启，直接进行冲车;若汽温低于允许参数，拉升汽温时.高旁开度要在60%左右、低旁保持全开。汽机挂闸冲转前.开启主、再热蒸汽管道疏水。待疏水放尽后再开始汽轮机冲转。尽量加快机组启动和带负荷速度，使空冷系统大流量进汽，降低结冻可能性。机组跳闸后，检査背压变化情况和风机及每列散热器停运的情况.检査停运列的进汽隔离阀关闭严密，防止因进汽量小而使散热器结冻，背压维持在18～25KPa,太低时可停止真空泵运行，背压高于30KPa 时启动备用真空泵。
4.冬季机组停机时的防冻措施
机组滑停，随着空冷岛进汽量的减少，维持背压在15KPa～20KPa运行，检査程控运行情况，并用红外线测溫仪检测进汽隔离门后温度.停机后除特殊原因尽量不破坏真空.使停机后系统内的存水,存汽能及时返回到热井，排汽缸不出现超温现象，一般在停机24小时后破坏真空。机组打闸后，关闭所有进排汽装置的疏水，检查高、低旁及主汽门关闭的严密性。机组停运后，要定期启动真空泵运行，防止真空泵人口结冰而影响启动或冻坏设备。
5.机组正常运行时的防冻措施
当环境温度大于-10℃时空冷采用自动方式运行。当环境温度低于-10℃时空冷采用手动方式运行，原则是风机低频运行，频率不允许超过最低频率15HZ，绝对禁止风机高频运行，否则空冷翅片极易结冻。在机组运行过程中随着负荷的增加，机组背压始终维持在阻塞背压与额定背压之间，让空冷所有列都进汽。正常运行时每列运行1～2台风机，运行半小时启动该列其他风机，将运行风机停运，以防止每列长期运行固定风机，导致该空冷单元的蒸汽管束过冷结冰。
6.空冷防冻重点检查部位
各投运列顺流管束翅片下部、逆流管束上部。各未投运列进汽阀、凝结水阀、抽空气阀等阀门前后温度。每个冷却单元相邻的蒸汽散热管束。正常运行时，在监盘的同时加大巡检力度。运行人员应每两小时在就地利用红外线测温仪，对空冷翅片重点防冻部位进行一次测温。
7.运行过程中各参数控制
背压设定8KPa～10 KPa。空冷风机运行，各运行风机尽量控制在同一频率：保持低频运行，频率在15HZ。风机轮流启动。机组运行时，排汽温度与凝结水回水温度之差(过冷度)不大于3～4℃，否则要调整排汽背压降低过冷度。空气抽出管的温度与凝结水温度的温差控制在10～15℃以内。当抽空气温度小于0℃时，将该列顺流风机停运，逆流风机倒转，使抽空气温度高于15℃。
四、空冷凝汽器管束发生结冻的处理
运行人员检查时发现翅片表面温度低于0℃时，及时将该翅片对应的风机停运。如果是逆流风机将该风机倒转，使抽空气温度达到15℃以上再启动该风机。
如果发现某列风机翅片结冻严重，并且发生严重变形，则及时将结冻翅片对应风机及相邻两边风机停运，将帆布覆盖在结冻翅片和相邻翅片上，通过热气将结冻翅片解冻。
如果空冷翅片发生大面积结冻并变形，则立即将变形翅片所对应的顺流区域风机停运，对应列的逆流风机进行倒转，同时降低机组负荷，使能够运行的风机频率降至最低频率，维持较高背压，然后将变形翅片上覆盖帆布，停运的风机风筒入口也覆盖帆布，阻止冷空气流动，利用相邻散热管束的热量将冻结的管束化开。
五、结语
随着直接空冷机组在新疆大力发展，空冷安全运行也将直接影响着电网的安全稳定运行，所以，我们各电厂人员必须掌握空冷机组的结构、原理、控制逻辑及防冻措施，才可以确保机组、电网的安全运行。
