直接空冷系统学习

什么是直接空冷系统

直接空冷是指火电厂直接采用环境空气来冷凝汽轮机排汽的冷却系统，采用直接空冷的机组称为直接空冷机组。直接空冷机组的冷却介质温度接近“干球”温度。汽轮机排汽通过的排汽管道送到室外的空冷凝汽器内，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水再经泵送回汽轮机的回热系统。直接空冷所用的空冷凝汽器一般是由外表面镀铝(锌)的扁平(椭圆形)钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成。

空冷系统流程

直接空冷凝汽器布置于汽机房A排外，安装在空冷平台上，空冷平台与汽机房毗邻布置。空冷凝汽器由“A”屋顶型翅片管排构成，管束从顶部到底部被三角形结构支撑（A型框架）。每组管排包含8个模块（6个顺流模块和2个逆流模块）。每个模块由10个翅片管束构成。

下方布置的轴流风机迫使冷却空气流过翅片，模块间有隔墙，空冷器管束外围周圈被风墙包围着，外围风墙板包围整个空冷器岛，将热空气出口与冷空气入口分开，阻止排出的热空气被短路吸入。

汽轮机排汽通过2组大孔径管道流入空冷凝汽器各分配管道。主排气管道被支撑在大约40米高处的钢结构悬臂梁处。为平衡2组排汽管道之间的压力，安装了1个平衡管。每个管道系统分流成4个上升管和沿每组管排的顶部布置的蒸汽分配管，蒸汽通过蒸汽分配管进入顺流冷凝管束顶部的翅片管道。

汽轮机排气管道

蒸汽分配管内部图片

蒸汽在管道内下行的过程中已经被部分冷凝。凝结水和非冷凝蒸汽通过'A'型屋顶结构底部的大尺寸蒸汽／凝结水联箱收集。大约80％的蒸汽通过顺流管束冷凝（蒸汽和凝结水自上而下同向流动），大约20％剩余蒸汽进入与蒸汽／凝结水联箱的底部连接的逆流冷凝管束，蒸汽通过逆向流动冷凝，即：剩余蒸汽和不可冷凝的气体向上流动，而凝结水向下流入蒸汽／凝结水联箱。通过这种方式，凝结水总能从蒸汽获得热能，避免发生过冷现象。

不可冷凝的气体在逆流冷凝管束顶部附近汇集，被吸入逆流冷凝管束顶部布置的空气集管内。这些集管与抽真空系统相连，以便从空冷凝汽器内抽走不可冷凝的气体。

蒸汽／凝结水联箱内收集的凝结水在重力作用下排入汽轮机排汽装置下的凝结水箱，由凝结水泵输送至除氧器。

在排汽装置内，冷凝水通过布置在内部的喷嘴喷淋出来，被汽轮机排汽加热，达到减小凝结水过冷度和真空除氧的目的。

流程原理图如下：

空冷系统的组成

空冷凝汽器系统由主要由蒸汽分配管道、变频风机、散热管束、抽真空系统、清洗系统、爆破膜、蝶阀、清洗系统等组成。

散热管束

冷却元件即翅片管，它是空冷系统的核心，其性能直接影响空冷系统的冷却效果。散热管束分为单排管、双排管、三排管，从目前运行效果来看，单排管效率高、防冻能力强。

冷却风机

直接空冷凝汽器均采用强迫通风冷却方式。通风装置为大直径轴流风机，风机的调节方式有单速、双速、变频调速三种。一般均采用变频调节。

爆破膜

爆破膜用于保护空冷凝汽器系统避免过强的压力破坏。爆破膜安装在户外的排汽管道上。

阀门

一般空冷系统除第4列外，其他7列都有控制进汽的蝶阀、抽真空阀及凝结水阀。在冬季启停机或低负荷时，进入空冷凝汽器的汽量少，为了防止管束过冷或冻结，可通过这些阀门将某列隔离，减少运行冷却单元数量，达到防冻目的。为防止阀门冻结而无法开关，阀体都设有伴热装置。

水清洗系统

空冷凝汽器运行一段时间后，翅片管束表面受灰尘等污染，将使空气流动和热交换效率降低，从而引起ACC性能的下降，特别是夏季高温天气，无法保证机组较高真空，电厂整体循环效率下降，会造成发电量降低，从而引起运行成本增加。为了保证管束表面的清洁，空冷系统配有水清洗装置。

清洗系统包括下面的组件：

1）   高压泵组件，用于对水压和水流量进行优化

2）   驱动部分，带半自动或全自动控制（包括电机）

3）   喷嘴部分，用于清洗椭圆形翅片管。

经过了优化设计后，适合翅片管的几何形状，始终维持一个不变的喷射角度，从而保证了最佳的清洗效果。喷嘴装置由电机驱动成直线运动。

4）   梯子

直接空冷系统运行中存在的问题

1） 环境温度影响

环境温度对空冷凝汽器的影响非常大，为了保证夏季高温环境下机组安全运行，通常采用的方法有：

(1)夏季环境温度大幅度变化时，应及时调整，并应根据天气情况尽量做好提前控制工作。

(2)夏季环境温度较高时机组能在较高负荷下保持运行，必须保证各加热器正常运行，抽汽全部投运以减少空冷凝汽器的进汽量。

(3)当环境温度较高时，将轴流风机保持全速甚至超速运行。

(4)在风机叶片强度及电机功率允许条件下，调整轴流风机叶片安装角度，加大风机通风量，以强化ACC冷却能力。

(5)夏季环境温度极高时，机组必须减负荷运行。以600MW空冷电厂为例，当环境温度高于37℃时，为了保证机组真空不致过低而威胁安全运行。机组必须减负荷运行。处理办法是在冷空气区加装雾化喷淋装置，降低冷空气的温度。

2 ）大风的影响

当大风掠过空冷人字排时，一方面使空冷人字排下部吸风困难，另一方面使人字排上方被大风压制，造成热风回流。当大风突然袭来时，可能造成机组排汽压力急剧升高，真空下降导致机组保护动作。所以，为了减小大风对ACC正常运行的影响，在空冷人字排安装时必须考虑风向和设置良好的挡风墙。

3 ）热风回流问题

正常运行中不可避免的存在热风回流，即热风从四周流向轴流风机入口并被重新吸入流过ACC冷却单元，设置牢固、完整的挡风墙将会减小这一问题对整个ACC的影响。措施是保证A型架及挡风墙密封良好，如是多台机组，则应保证机组间的伸缩缝密封良好，尽量减少热风回流到冷空气区，影响换热效率。

4 ）冷风对流问题

    空冷的每台风机及其换热管束形成一个单独的冷却单元，由风机强制把冷空气吸入，再经翅片间的空隙散出，冷空气在通过翅片过程中吸收翅片及管束中的热量，变成热空气。期间如相邻两台风机之间间隔密封不好甚至是相通，就会造成冷风对流，对流后的冷风不能迅速通过翅片，慢慢接受被翅片和管束的辐射热量，变成热风，大大降低了换热效率，因此在运行过程中，应保持相邻两台风机间隔密封良好。

5）泄漏问题

由于直接空冷凝结器体积庞大，虽然密封性能要求高，但由于不可避免的存在锈蚀。当存在泄漏时，普通的查漏仪器很难对其检漏，查漏工作很难进行。建议在机组运行过程中采用超声波查漏仪，在不明确露点或是明确露点不是很大的时候，选择良好的抽真空装置，对于保证机组循环效率和减少机组非计划停运更为有利。

6 ）冰冻问题

由于冷却单元布置在室外，当冬季环境温度低于0℃时，通过冷却单元的空气也己低于0℃，此时靠近冷却管内表面的蒸汽很快被凝结成水并且在流动过程中不断被冷却，从而造成凝结水过冷，此时若管内蒸汽量过小则凝结水会在管内结冰。陕北某NZK135直接空冷机组在整体安装完进行ACC热清洗时，由于恰好是在冬季且热清洗时蒸汽量过小，曾发生过ACC结冰的情况。由于空冷单元的管型一般采用图3所示扁平管，管内结冰后一方面会使扁平管变形，另一方面由于ACC钢架强度在设计时是按照管内充满蒸汽和少量凝结水设计的，当空冷单元结冰时，整个ACC重量将比正常运行增加很多，有可能使ACC钢架受力过大而被压垮。

空冷单排管、双排管示意图

为了防止空冷单元结冰，通常采用的方法有：

(1)多个空冷凝结器冷却人字排在蒸汽分配管上安装真空蝶阀，从而在蒸汽流量较小、环境温度低于0℃时可以停止单个或多个人字排，而只运行其中一排，使换热面积减少，减缓凝结水过冷和冰冻的可能性，而不通蒸汽的人字排则因管内无冷凝水也不会存在冰冻。

(2)采用逆转冷却风机的方法，即在寒冷季节，可以使多排人字排逆流区风机轮流倒转，冷却单元上部热空气重新回到人字排下部，热空气对冷却单元起到加热作用，降低冰冻的可能性。

(3)在冬季运行时，当遇到寒流来临等特殊的气象情况，应联系调度，适当增加机组负荷，保证ACC不发生冰冻。

(4)在严冬季节机组启、停前，做好气象情况调查，以免在启机初期和停机后期，因进入凝汽器蒸汽过少而发生ACC结冰现象。

(5)在冬季启停机时，正确的使用旁路系统，使进入ACC的蒸汽量不少于制造厂要求的最小进汽量。

7、冷却面积灰

由于空冷凝汽器普遍应用于我国北方干旱地区，气候条件比较恶劣，沙尘天气较多，ACC冷却单元散热翅片间距较小，散热翅片表面不可避免的会存在积灰。一旦散热面发生积灰，则会使冷却空气流动阻力增加，换热效果变差，引起机组真空下降，机组背压升高，使整个机组效率下降。目前较好的方法是配套安装性能良好、冲洗效率较高的表面清洗装置，对ACC定期进行清洗。清洗手段有压缩空气和高压水两种。从资料来看，高压水冲洗比压缩空气清洗效果好，故本设计采用高压水冲洗。拟考虑设移动式冲洗装置两套，每台机一套。清洗水压个根据凝汽器管束的形式和空冷平台的高度确定，我厂设计为600MW单排管空冷管束，平台高45米，水压控制在6Mpa(泵出口压力)。

结束语

直接空冷系统在运行及设计过程中还有如下问题需要解决：

1 、空冷凝汽器配汽管道配汽不均，空冷管束温度不一致。

2 、直接空冷系统有一特点是节约用地。有些发电厂将主变等电气设备布置于空冷下方，这就为机组的安全稳定运行埋下了隐患。尤其是夏季，空冷凝汽器表面需要清洗，清洗后的污水对下方电气设备的安全稳定运行造成了威胁。

3 、空冷凝汽器钢架主要安装在高空，随着运行时间的加长，空冷钢架的稳定性也就随着下降，由于钢架在高空，日常巡检无法到达，建议在设计安装阶段在考虑空冷荷重的基础上，设计加装相应的平台廊道，方便对钢架的巡检。