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1、超临界直接空冷机组调试及运行技术,河北省电力研究院吴瑞涛2010.01,1.引言,哥本哈根会议的召开，将对环境及资源保护提到了前所未有的高度。作为能源消耗与制造的一个重要环节，“节能减排”已成为火力发电面临的一项重大课题。,我国淡水资源约24129亿立方米，居世界第6位 人均淡水资源仅1856.3立方米，不足世界人均1/4 是贫水国家。近年来因过度开发及环境破坏，北方部分地区已从周期性缺水变为终年缺水。我国山西、内蒙、陕西及新疆等西北部地区煤炭资源比较丰富，但水资源匮乏，限制了当地的火电建设。超临界空冷机组兼具了超临界机组的高效节能与空冷机组可节约水资源75%以上的特点，目前已成为我国北方缺水
2、地区重点发展的主力机型。,2.超临界空冷机组的结构特点：2.1表面凝汽式间接空冷系统（哈蒙系统）由表面式凝汽器与空冷塔构成，冷却水系统为密闭式循环，其散热器是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的。优点：设备少，系统比较简单，节约厂用电；冷却水系统与汽水系统分开，两者水质可按各自要求控制。缺点：冷却水进行两次交换，传热效果差；在同样设计气温下，汽轮机背压较高，导致经济性下降。,2.2混合式间接空冷系统（海勒系统）由喷射式凝汽器和装有散热器的空冷塔构成，系统中的冷却水进入凝汽器直接与汽轮机乏气混合并使其冷凝。受热后的冷却水80%由循环泵送至空冷塔散热器，经与空气对流换热冷却后再
3、送至喷射式凝汽器进入下一个循环。优点：混合式凝汽器体积小；汽轮机排汽管道短，真空系统小，保持了水冷的特点；经济性好。缺点：设备多，系统复杂，设备布置比较困难；由于采用了混合式凝汽器，系统中的冷却水量相当于锅炉给水的30倍，从而增加了处理费用全铝制散热器的防冻性能差，冷却效果受风的影响大。,2.3直接空冷系统 是指将汽轮机的乏气直接用空气来冷凝，所需冷却空气通常由机械通风方式供应，其散热器是由外表面镀锌的椭圆形钢管外套矩形钢翅片的若干个管束组成的。优点：一次性投资低；易于在所有大气温度下实现冷却空气的均匀和稳定分布。缺点：风机消耗电力；冷却空气与汽轮机乏气直接进行热交换。,2.4综合比较,以上三
4、种空气冷却方式都已得到成功的应用，技术上是成功的，运行上是可靠的。直接空冷系统无论在单机容量还是在应用上都发展较快，间接空冷系统的发展较为缓慢。通过综合比较，直冷空冷是相对较为折中的方案，具有初投资小、占地少的优势，根据目前我国电厂建设的特点，广泛采用直接空冷系统。当今世界上最大的空冷机组单机容量：直接空冷机组为南非马丁巴发电厂(665MW)；具有表面式凝汽器的间接空冷机组为南非肯达尔发电厂(686MW)；具有混合式凝汽器的间接空冷机组为伊朗(325MW)。,2.5经济性比较（2600MW机组）直接空冷比间接空冷投资省：1.6亿元左右节水方面：直冷0.2m3/s；湿冷：0.8 m3/s 两台机
5、组组年节水：17002000万吨 比常规湿冷机组增加投资：1012%设计煤耗比湿冷高：9g/kWh；实际运行煤耗增加：15 g/kWh 比湿冷机组耗电量增加：3000kW/h,3.超临界直接空冷汽轮机结构及系统特点3.1本体结构特点 空冷汽轮机背压高，蒸汽的焓降小，要达到与湿冷汽轮机相同的功率，最重要的措施是改进汽轮机低压部分的热力设计和动力设计。,在本体结构方面目前主要采用的技术包括：低压通流部分采用光滑的斜通道型式，从而增大通流轴向间隙；各级静叶为反扭可控涡型式，控制静叶出气边厚度，减少尾迹损失；次末级及次次末级采用蜂窝式气封，起到除湿与提高效率的作用；末级叶片的线型使叶型损失随气流速度的
6、变化较小并采用高强度的能承受交变应力的材料；采用较湿冷机组更短的末级叶片等。,3.2凝汽系统结构特点 鉴于直接空冷机组的真空容积较大，是同类型湿冷机组的34倍，凝结水温度在夏季工况下可达到50-65，较同类型湿冷机组高20-30，为保证凝结水中钠、氧含量达到运行设备要求，空冷机组一般在凝结水回水管道上设计低压除氧器或在凝结水回水进入排汽装置内部设计有特制的雾化喷头，对凝结水进行初步除氧，以提高凝结水品质。,3.3辅机系统结构特点 直接空冷机组系统变频空冷风机（如600MW等级超临界直接空冷机组一般配备56台），另有辅机循环水系统对闭冷水及冷油器等设备进行冷却，辅机循环水配备单独的湿冷水塔或机力
7、冷却塔。,3.4超临界直接空冷机组给水泵配备特点 一般的直接空冷机组常规设计配备三台50%容量的电动给水泵，但对于超临界空冷机组而言，由于主汽参数高，要求给水泵出口压力要达到30MPa以上，50%容量给水泵流量达到1000t/h以上。目前该参数的电动给水泵电机及耦合器一般需采用进口产品，造价很高。因此，目前超临界直接空冷机组配备给水泵采用了多种灵活的方案。,方案一：三台35%容量的电动给水泵；方案二：两台50%容量配有单独湿冷系统的汽动给水泵加一台30%容量电动给水泵。在方案一中三台35%容量电泵比三台50%容量电泵造价节约一半以上，但同时在机组带大负荷工况下系统无备用泵，对给水泵可靠性及日常
8、运行维护水平要求较高。在方案二中配备汽泵的超临界空冷机组，经济性较好，但汽泵需配备单独的抽真空、凝结水、循环水等系统，增加了设备投运的复杂性。,4.超临界直接空冷机组的调试及运行关键技术4.1 酸洗 超临界直接空冷机组直流锅炉没有汽包，无法排污，因此对汽水品质要求极高。而对汽水品质的控制从酸洗过程中就要开始，并严格把关。超临界直接空冷机组的酸洗特点为要求高、范围大，包括炉本体、启动循环泵及系统、凝汽器及高低压给水系统。如某600MW超临界直接空冷机组进行了高压给水管道、炉本体的酸洗，并在酸洗阶段即通过临时管道对除氧器及2高加进行加热。启动凝泵对低压管道进行碱洗。酸洗结束后对主要部位进行了割管检
9、查，效果良好。,4.2 吹管超临界直接空冷机组可选择稳压与降压吹管两种方式。超临界机组蓄热量少，稳压吹管具备对锅炉主要承压部件及设备热冲击小、有效吹管时间长、吹管效果好等优点，但这种方法实施起来相对更为复杂。,主要体现在：吹管蒸汽流量大，燃烧强度高，需投粉吹管，易造成过、再热器超温；稳压吹管除盐水量消耗大，超出设计补水能力；机侧需投运更多的系统，对辅助辅汽需求量大。应用稳压吹管方案需进行的主要工作有：在过热器出口增加临时减温水管路；加装临时补水系统向凝汽器补水；给水泵的投运需满足给水流量在额定工况的30%以上，对于配备汽泵的超临界直接空冷机组则需要投运至少一台电泵及一台汽泵，由于在超临界直接空
10、冷机组中汽泵配备单独的真空、汽封、凝结水系统，相对于常规湿冷机组与主机系统的隔离更简便。,应用稳压吹管，锅炉侧需具备投粉条件，由于目前超临界机组普遍采用等离子、少油点火等技术，这一工作实施难度不大。总体而言，在超临界直接空冷机组中采用稳压吹管是可行的。超临界空冷机组应用降压吹管方式，操作相对简单。在系统布置中，一般在高排管道上加装集粒器，过、再热器一段式吹管。实际应用数据表明降压法吹管过再热器吹管系数均可达到1.0以上，满足吹管导则的相关要求。,降压法吹管过程易于控制，一般分两阶段进行，进行大冷却一次，大冷却过程中清理集粒器。汽机侧给水系统只需投运一台电泵即可满足吹管需求。应用降压法吹管方案时
11、需注意的问题有：部分集粒器阻力过大，影响了吹管效果及吹管系数，在大冷却过程中应去除集粒器；降压吹管对除盐水的消耗同样较大，若储水不足或控制不当会造成吹管中断等水的情况，这样会造成对管道进行了计划外的冷却，直接影响吹管进度及吹管质量的控制。,吹管过程中存在大量临时系统，包括为了加快进度、节约工质等进行的系统临时改造。在系统投送蒸汽前除对正式系统进行全面检查外，临时系统的检查更不容忽视。特别是至凝汽器的疏水要有效隔离；吹管临时管的布置是否存在过多的直角弯；临时管道及消音器的膨胀是否受阻；临时管道的布置是否离油管道过近；临时管道的疏水排放是否安全，应注意不要造成排放管的喷溅；在集粒器安装前应对其通流
12、面积进行检查，对其阻力有大概的估计，以决定在第一阶段结束后是否有必要去除等等问题。,4.3 汽动给水泵的试运 直接空冷机组的驱动给水泵用小汽机系统构造的特点是：具有独立的真空系统及凝结水系统。凝结水最终由小机凝结水泵输送到主机排汽装置；汽封、EH油与主机共用，配备有有隔离阀；进汽管的及本体的部分疏水排放至主机排汽装置；部分主机阀门门杆泄汽也回收到汽封供汽母管。,小机投运的理想状态是主机具备抽真空、送汽封条件。在条件不具备的情况下，可对系统进行了改造。如某机组在汽泵投运时主机真空尚不具备条件，改造情况包括在门杆泄汽管道上加装了隔离阀；在部分疏水管道上加装了排地沟支管，并与主机排汽装置隔离。考虑到
13、主机汽封隔离阀可能不严的问题，试运小机时主机投入盘车。由于小机低负荷工况下汽量较小，试运过程中小机凝汽器水位变化不大，并且真空较好，水温较低，可正常向主机排汽装置输送。此外，在EH油循环过程中要确保小机同步进行，包括调节部套及蓄能器等，以避免小机投运造成油质下降。,4.4空冷系统的热态冲洗空冷系统临时系统的布置如图所示。,其中容易被忽视的一点是化学取样口必须低于水箱液面，否则有可能被抽干，放不出水。排放出水口最好能够目测到，以便于观察冲洗情况。空冷系统的管道一般锈蚀的比较厉害，安装时的清理工序必不可少，对排汽管道、配汽管道等大口径管道安装时需对内壁用钢丝刷进行清理等。清理不到位将严重影响热态冲
14、洗的时间进度。为保证冲洗效果，空冷岛热态冲洗需保持水温在70左右，对应背压为32kPa。,4.5 空冷系统真空检漏空冷系统真空系统庞大，而空冷机组对真空要求非常高。除排汽装置需进行常规的灌水找漏外，空冷系统还需进行正压方式的气密性试验，一般试验压力为0.3bar。试验时间24小时，压降不超过50mbar/24h为合格。正压试验时不加装排汽管道上的防爆膜。在实际试验过程中漏点不少。并且试验所需时间也不短，对这部分所需工时应给予充分考虑。,部分制造厂商还要求正压试验合格后进行一小时负压试验。在检漏合格后，需恢复空冷临时系统，包括拆除排汽管道大堵板，安装防爆膜等，这部分工作量需用时1.52天时间。在
15、机组正式送汽封抽真空过程中若仍存在明显的漏真空问题，则应重点对后来恢复的临时系统进行检查。在初期抽真空过程中，真空泵滤网因系统存在大量的锈皮、污垢极易堵塞，应注意观察电流及空冷背压的变化情况，做好随时清理滤网的准备。,600MW等级机组空冷系统热态冲洗耗水量约为400500t/h，由于为开放式排放，储水工作非常关健。并且由于一般凝补水泵没有如此大的补水量，需在除盐水箱处加装临时补水泵进行补水。,如果前期工作到位，流量、温度控制得当，空冷系统各列冲洗34次，总体工时约需2天左右的时间可冲洗合格，Fe离子含量降至1ppm左右，安装单位恢复临时系统、再次点火、热态冲洗合格一般需要2天时间。同时，为了
16、加快进度，在凝结水排水管及临时排放管可考虑上加装真空阀门，这样冲洗合格后通过切换阀门即将系统切换为正式运行方式，凝结水回收至排汽装置，进行汽机冲转，节省了恢复系统及再次点火的时间。,4.6机组启动带负荷 一般制造厂规定冷态冲车参数为8MPa/380（主汽），1MPa/360（再热汽）。但从实际情况来看，冷态启动工况下，锅炉维持这样的主汽要温度很困难，而该参数的确定主要是为保证锅炉最小质量流速。因此，如果锅炉流量控制没问题，冲车参数实际选择为6MPa/380或8MPa/400。实际证明应用较低的压力，对暖机更为有利。,超临界直流锅炉对水质要求极高。这要求在启动前应尽快投运精处理系统。根据要求，冲
17、车前机组主汽铁与硅的指标需达到50及30g/L以下。启动初期要达到这一指标相当困难，并且由于热态冲洗过程中水质差的条件下大量通过泄放阀排放，耗水量过大。针对这种情况在精处理投运正常后，炉水铁与硅的指标达到200g/L以下时，即回收至排汽装置以节约工质。实际证明精处理正常投运后，汽水品质的改善是很显著的。主汽硅很快可降至100以下，Fe含量由于在升参数过程中有所反复。同时，超临界空冷机组在锅炉吹管阶段即应投入精处理，可加强对系统的冷热态冲洗。,除及时投运精处理外，对汽水品质的控制还有加强启动放水的排放等手段。在玉环电厂100万超超临界机组试运中，在3高加危急疏水管道加装临时管引至锅炉疏水箱，扩容
18、后进行排放，水质合格后回收，对蒸汽品质的影响效果明显。目前机组高加均可进行随机启动，这样应在3000rpm或初负荷工况下进行投运。同时，利用一切停机、停炉机会进行锅炉及汽机各容器的放水及滤网清洗工作对改善汽水品质有着明显效果。,5.超临界直接空冷机组运行中的典型问题及对策5.1 锈垢对空冷系统的影响超临界直接空冷机组配汽管道及换热管束由于与空气接触，新机或大修后机组投入运行之前会而在内表面生产铁锈，此外现场安装或检修工作将导致系统内残留焊渣和尘垢，这些对系统正式运行都将带来不利影响，如滤网堵塞、凝结水铁含量超标、精处理装置故障等，影响机组出力。,因此，在安装和调试最后阶段，必须对有关部件进行清
19、洗。对于能够解体的管道及系统一般的处理方法为管道内壁喷砂、人工刷洗、压缩空气吹扫等，并在机组启动后进行热态冲洗。对于非安装阶段的机组一般不再安装临时冲洗管道，可通过凝结水启动放水对冲洗水进行排放，同时在启动前应做好储水及清洗凝泵滤网的准备工作。,4.2 冬季防冻的问题超临界直接空冷机组冬季环境温度低，如果排汽凝结放热量小于其管线对环境的散热量，排汽就在散热片内结冰，不能实现正常的汽水循环流动。可能阻塞空冷设备汽水工质的正常凝结和流动过程，部分换热板发生变形，排汽管线和散热片中出现涌水现象，局部出现水击现象和积水冰冻现象。通过对冻结机理进行的分析与研究，超临界直接空冷机组空冷系统冻结的原因，主要
20、有：空冷凝汽器内的蒸汽流量低于其设计值；冷却空气量过剩；真空系统漏入不凝结气体过多等。,上述两方面原因出现的前提条件是环境温度低于0。通过现场实践、研究，造成上述问题发生的主要情况包括在低负荷工况下，汽轮机的总体排汽量减少，相应地进入各列的进汽量也就减少；蒸汽分配箱入口蝶阀的严密性不好，在停运空冷凝汽器时，有少量蒸汽漏入蒸汽箱中，致使空冷凝汽器管束出现大面积结冰，冻坏管束；真空系统漏点多，导致蒸汽汽流被不凝结气体阻塞，使蒸汽不能畅通地循环流动，变相加强了凝结水在回流管束中的冷却效果。所以对空冷凝汽器的防冻必须从“控制蒸汽流量与冷却介质一空气流量”来实现。,超临界空冷机组在冬季的主要防冻方法有：
21、启动初期加快燃烧增加进入空冷系统的蒸汽流量，使空冷机组在短时间内有足够的进汽。特别是在启动阶段，空冷系统开始进汽后，进汽量必须在30分钟内达到其额定汽量的20。同时注意每一个凝结水温度、抽气温度测点的变化。如果长期偏离所对应的饱和温度甚至低于0，应马上通过旁路或加强锅炉燃烧的方法，增加进汽量。,当由于某种原因，机组不能增加燃烧，空冷系统的进汽量小于最低要求时，如短时间不能恢复，则应切断空冷进汽；当不能切除进汽时应果断灭火停炉，查明原因后再重新点火，以免发生空冷冻结。在空冷凝汽器进汽后，应根据背压、空冷凝汽器出口热风温度、各列散热器联箱凝结水出口温度，以及各列抽空气温度等参数综合考虑后，适时启动
22、风机。此外，较为常用的防冻手段还包括逆流风机倒暖的方法，具体为根据各监测点凝结水温度的变化情况，逆流风机已停运而空冷系统的抽气温度低于15时，则将逆流风机切为手动，运行倒转程序。,4.3 强风对空冷系统的影响。过强的环境风速对空冷系统造成的影响也是不容小视的。当大风掠过空冷冷却管束时，一方面使空冷管束下部吸风困难，另一方面使管束上方被大风压制，空冷排出的热气团无法迅速消散，反而回流到空冷系统，这就是热风回流现象。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，严重时会导致机组因低真空保护动作跳闸。对这一问题，在设计时应根据机组所在地的气象条件，加装适当高度的挡风墙。同时，在机组运行过
23、程中，需设立较为准确的风速测点，在大风来临前，应对机组负荷及真空进行调控，以保证有足够的裕量，切忌机组真空“压红线”运行。,4.4 受热面的清洗问题 超临界直接空冷机组普遍建设于我国北方干旱地区，气候条件比较恶劣，沙尘天气较多。直接空冷系统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，使整个机组效率下降。目前，一般空冷系统均设计有较完善的外表面清洗系统，在运行维护过程中，要特别重视这一问题，定期对空冷凝汽器进行清洗，保持良好的换热状态。,4.5 夏季高温对空冷系统的影响 过高的环境温度，会造成空冷机组
24、冷却效果减弱，真空变差，甚至可能影响机组出力的问题。以某600MW等级超临界直接空冷机组为例，夏季最高温度可达到33以上，导致机组真空变差达到-32kPa，凝结水温度达到70以上，造成精处理床料失效，退出运行。同时，汽水质变差，机组带负荷受阻。由于夏季背压高、变化幅度大而频繁，真空异常引起的后果更为严重。,针对这一问题，部分机组加装了尖峰喷淋装置，在夏季极热条件下每天投运2小时左右，真空可提高68kPa，效果显著。而这一措施应用的是除盐水，600MW等级机组消耗量约为150t/h左右。对这一方案，应根据机组的实际情况及环境、真空特性进行确定。,4.6 超临界直接空冷机组最佳真空的控制 机组冬季
25、运行时，空冷凝汽器的防冻问题较为突出，对机组安全经济运行来说，如何使空冷凝汽器不被冻结的情况下保持较高的真空显然非常关键。超临界空冷机组运行过程中靠降低空冷风机转速，维持较高的背压，较高的排汽温度能达到一定的防冻效果，但这对于机组经济运行来说显然很不利，背压越高，汽轮机热耗越大。,要想提高机组运行的经济性则应提高空冷风机运行转速，降低机组背压。但机组背压降低到一定程度，则凝结水过冷度会快速提高，抽真空温度下降较快，靠逆流风机停运及反转提高抽真空温度，降低凝结水过冷度愈困难。通过现场进行变背压试验表明：对600MW超临界空冷机组，冬季环境温度较低时，将机组背压维持在9-10kPa较为合理。维持较
26、低的背压，在逻辑上必须增加空冷凝汽器及管路冻结的判断，这一点犹为关键。一般情况靠逆流风机的停运完全可以实现防冻，但在空冷凝汽器或管路已经冻结时，逆流风机应进行反转。,应进一步完善增加控制逻辑有：当环境温度低于3且抽真空温度低于15应停运相应逆流风机，当抽真空温度高于35时，启动相应逆流风机；当环境温度低于3且抽真空温度低于5应停运相应逆流风机，逆流风机反转运行当抽真空温度高于20时，停运反转逆流风机。当抽真空温度高于35时，正转启动逆流风机；当环境温度低于3且两个凝结水温度中任一凝结水温度低于15，停运相应顺流风机，当两个凝结水温度都大于30时，启动停运风机。上述逻辑通过在现场的实际应用，取得了较好的真空控制效果及机组运行经济性。,超临界直接空冷机组目前在北方缺水地区的应用越来越广泛，特别适用于内蒙、山西等煤炭资源丰富而水资源相对欠缺的地区的坑口电站，节能减排的效果非常显著。在机组选型、安全、运行技术等方面仍需做进一步研究，以提高该类型机组运行的经济性与可靠性。需进行的研究工作还很多，恳请各位专家同行批评指正。,
