空冷岛技术资料

目录

一.直接空冷系统基础知识

二.空冷散热器的基本结构

三.直接空冷系统的设备

四.接空冷系统的运行调节及自动控制

五.直接空冷系统的冬季防冻问题

六.空冷散热器的热风再循环现象

七.空冷散热器的清洗系统

一．直接空冷系统基础知识

1．汽轮机排汽的冷却方式

凝汽设备是凝汽式汽轮机的一个重要组成部分。由热力循环来讲，凝汽设备实质是一个冷源。汽轮机排汽的热量是通过凝汽设备而最终传递给环境空气，形成凝结水，返回锅炉，促使新蒸汽源源不断地流进汽轮机，而排汽源源不断地排入凝汽设备，形成热力循环。因此凝汽设备其工作的好坏直接影响整个机组运行的经济性和安全性。

凝汽设备的作用有两个：

（1）在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空。

（2）回收洁净的凝结水作为锅炉给水的一部分。

根据凝汽设备工作介质的不同，而将汽轮机的凝汽系统分成两大类：

第一类：二次循环水冷却系统既湿冷。

第二类：空气冷却系统。

由于空气冷却系统采用工艺流程的不同，而又将空气冷却系统分成三种：

（1）直接空气冷却系统简称ACC系统。

（2）采用混合式凝汽器的间接冷却方式简称海勒（HL）系统。

（3）采用表面式凝汽器的间接冷却方式。

2．直接空冷系统的冷却原理

直接空气冷却系统（以下简称直接空冷系统）的冷却介质是环境空气。汽轮机排汽所携带的热量经过空冷散热器的金属表面，通过与环境空气的对流传热直接传递给环境空气，散发到环境中。

由传热基本方程：Q=UA Tm（其中Q为热交换量，U为传热系数，Tm为传热平均温差）得知：在热交换面积、传热平均温差一定的情况下，影响热交换量的因素为传热系数，而传热系数与散热器的结构形式、材质、表面清洁程度、工作介质的流速有关。

3．空气冷却方式和水冷却方式的比较

空气冷却方式和水冷却方式由于采用的工作介质不同，而形成的相应冷却系统不相同，采用的设备也不相同。二者相比较具有如下的优缺点：

A：空气冷却优于水冷却：

空气冷却的优点：

（1）空气可以免费取得，不需要各种辅助设备。

（2）采用空冷，厂址选择不受限制。

（3）空气腐蚀性低，不需要采取任何清垢的措施。

（4）由于空冷器空气侧压力降为100~200Pa左右，所以运行费用低。

（5）空冷系统的维护费用一般为水冷却系统的20~30%。

水冷却的缺点：

（1）冷却水一般难于取得，即使可以取得也必须设置各种泵站和各种管线。

（2）特别是大厂的厂址取决于水源条件。

（3）水有腐蚀和水垢，需进行清理。

（4）水的运行费用高，循环泵的压头高。

（5）在水冷器中，某些生物能附着在换热器表面上，需要停下设备清除，增加了维护费用。

B：水冷却优于空气冷却：

水冷却的优点：

（1）水冷却能将工艺流体冷却到比环境空气温度低2~6℃，且循环水在冷却塔中可以被冷却到接近环境湿球温度。

（2）水冷却器结构紧凑，冷却面积比空冷器要小得多。

（3）水冷却对环境气温的变化不敏感。

（4）水冷器可以放在其它设备之间。

（5）一般的管壳式换热器即可满足要求。

空气冷却的缺点：

（1）由于空气比热小，且冷却效果取决于空气的干球温度，不能将流体冷却到环境气温。

（2）空气侧换热系数低，空气比热小，所以空冷器需用较大的面积。

（3）空冷器性能受环境气温、雨雪、大风的影响。

（4）空冷器不能靠近大的建筑物，以免形成热风再循环。

（5）空冷器要求采用特殊制造的翅片管。

4．直接空冷系统的工艺流程：

直接空冷系统的工艺流程简述如下：

汽轮机排汽经过主排汽管道进入蒸汽分配管，进入空冷散热器，汽轮机的排汽被空气冷却后形成的凝结水由汇集管道进入凝结水总管，流入凝结水箱，最后由凝结水泵打出供给锅炉。

环境中的冷空气被轴流风机加压后横向吹向空冷散热器，吸收了热量的冷空气变成热空气后经空冷散热器散发到环境中。

其中，由于真空系统不严密处漏入的空气和汽轮机排汽中的不凝气体被抽真空设备由空冷散热器的逆流管束的顶部抽出。

5．直接空冷系统的组成和范围：

直接空冷系统的组成和范围与湿冷系统不完成一致。

范围和组成：自汽轮机的排汽口至凝结水泵入口范围内的设备和管道。主要包括：汽轮机排汽管道；二级旁路进入空冷散热器的三级减温减压器（漳山项目中没有）；？蒸汽分配管及空冷器管束；凝结水管道（包括：凝结水箱；连接管道；凝结水再循环管）；空气管道；疏水管道；风机（包括：风机；减速箱；电动机）；风机平台及其上的“A”型构架；风机平台以下支架；自控系统及仪表；各种管制件（如阀门）；系统

保护设备（如安全阀；爆破片）；清洗系统。

根据国际惯例，下列设备包括在直接空冷系统内：抽气器；凝结水泵；水的精处理设备。

对上述组成部分需要特别关注的是：排汽管道、空冷凝汽器管束、凝结水箱、风机。这些设备直接关系到直接空冷系统运行的经济性和安全性。同时不要误认为凝结水箱是一个一般的储水箱，它除具有储水作用为，还具有除氧、预热以减少凝结水过冷度等作用。

在系统中，一台风机，几片管束及“A”型构架组成一个冷却单元（漳山300MW 空冷机组直接空冷系统有25台风机，250片管束，组成25个冷却单元）。冷却单元又可分成顺流管束冷却单元和逆流管束冷却单元（漳山300MW空冷机组有20个顺流管束冷却单元和5个逆流管束冷却单元）。

应特别关注的是自控系统和仪表以及保护设备。它们的成败直接影响空冷系统能否自控运行，能否达到经济运行，甚至能否安全运行。

二．空冷散热器材的基本结构

1．空冷散热器的分类：

通常有以下几种分类方法：

（1）按管束布置方式：立式、水平式、斜顶式、V形、圆环形、多边形。

（2）按通风方式：鼓风式、引风式、自然通风式。

（3）按冷却方式：干式空冷、湿式空冷、联合型。

（4）按防寒方式：热风内循环式、热风外循环式、蒸汽拌热式。

水平式空冷散热器的特点是管束水平布置，为了防止冷凝液滞留在管内，而一般有3度或1%的倾斜，管束长度不受限制，管内热流体和管外空气分布比较均匀。

斜顶式空冷散热器的特点是管束倾斜呈人字形放置，夹角一般在60度左右，其占地面积小，为水平式的40%左右；结构紧凑；管内介质和管外空气分布不够均匀，易

形成热风再循环；建造成本高。适用于老厂改造和场地较小的情况，特别适用于空冷汽论机的空冷器。

2．空冷器的基本结构

一台空冷器的基本构件如下：

（1）管束：包括管箱、换热管束侧梁、支持梁。

（2）风机：包括轮毂、叶片、支架、驱动机构、转动机构和附件。

（3）百叶窗：包括窗叶、调整机构、百叶窗侧梁。

（4）构架：用于支撑管束、风机、百叶窗及其附件的钢结构。

（5）风箱：用于导流空气的组装件。

（6）附件：如蒸汽盘管、平台、梯子。

对于风机采用变频调节的风机或采用双速电机的空冷器，一般不采用百叶窗。

3．管束

（1）管束的基本结构：

管束是空冷器的核心部件，空气横向掠过管束，冷却管内的热流体，达到换热目的。

管束主要由管箱、翅片管、框架组成。是一个钢性的、独立的结构，应设计成可以完整地在空冷器框架上进行装卸，其造价为空冷器的60%。

（2）管束的分类及作用：

根据翅片管内的汽、水流动方向的不同而将管束分成两大类。分别为顺流管束和逆流管束。

顺流管束内蒸汽流动方向与凝结水的流动方向相同，逆流管束内的汽、水流动方向相反。

汽轮机的排汽由蒸汽分配管首先进入顺流管束，在顺流管束中将有70%的蒸汽被凝结成水，剩余30%的蒸汽经过管束下部联箱而进入逆流管束，继续被冷却成水。在

逆流管束的顶部有抽真空管，将系统内的气体及不凝结的部分蒸汽由抽真空设备抽出。

（3）对管束的基本要求：

①管束应为独立结构，是便于整体装卸的组合体。

②管束应有适应翅片管热膨胀的措施。

③管束在构架上的横向位置，至少在两边有6mm或一边有12mm的移动量。

④最低一排翅片管下面应有支持梁，支持梁间距不应超过1800mm，且与管束两侧固定。支持梁部位的各排翅片管应有支撑件。

⑤用于冷凝的管束应向出口方向倾斜，倾斜度不得小于1%。

⑥管束中凡产生空气旁流的部位，当间隙大于10mm时，均应设置挡风件。挡风件的厚度不小于3mm，且须固定。

（4）翅片管

翅片管是空冷器的核心和关键部件，它的性能直接影响空冷器的性能和应用。对翅片管的基本要求如下：

①良好的传热性能。②良好的耐温性能。③良好的耐大气的腐蚀性能。④良好的耐热冲击力。⑤易于清理尘垢。⑥较低的制造费用。⑦足够的管内耐压能力，较低的管内压降。⑧较小的空气侧阻力。⑨良好的抗机械振动性能。⑩易于取得的金属材料。

4．风机

风机由叶片、轮毂、支架、传动机构、风筒及电动机组成。风机在空冷散热器的强化传热中起着关键的作用，风机性能的优劣是衡量空冷散热器性能优劣的重要标志。

由于空冷器需要的风量很大，而需要的压头不是很大，所以，空冷器的风机采用低压轴流风机，主要由叶轮、传动装置、驱动装置组成，此外，还有风筒、防护网、支架。自动调角风机还有一套比较复杂的自调机构。

风机已标准化，一般标准直径为1500~9140mm，每台风机有4~12枚叶片，以4~6枚叶片为最多。叶片调角范围为0~45度，风机叶片调角有手动和自动两种。为了控制

风机的噪音，风机叶片叶尖的速度不大于60m/s。

风机的驱动机构一般采用电动机，有定速电动机、双速电动机和变频电动机。动力转动形式主要有三角皮带、伞型齿轮等。

（1）对风机的基本要求如下：

①在额定转速下，通过改变叶片角度应使风机增加10%的风量或风压增加。

②风机为轴流式，其叶尖速度不大于60m/s。

③风机回转的最小面积不小于管束迎风面积的40%，风机对管排中心的扩散角不大于45度。

④风机轮毂上设有防止空气倒流的回流挡盘。

⑤风机叶片尖端与风筒内壁之间的径向间隙，不应大于风机直径的0.5%和19mm 的最小值，且不小于9mm（风机直径小于2400mm的风机不小于6mm）。

⑥风机叶片应具有互换性。

⑦风机轴承应密封，风机轴承在最大载荷及转速条件下的额定寿命不小于50000小时。

⑧每台风机的总声功率级躁声不大于110dB。

⑨如有要求，风机应设有带有灵敏度调整器的手控复位振动开关。

（2）风机的传动方式：

有两种：①调角式：电动机与风机叶轮直接连接。要求采用多级电动机，效率高，

适用于调速式风机。

②齿轮传动：运行可靠，效率高，构造复杂，躁声大。

（3）风机叶片类型：

有两种：①玻璃纤维增强塑料叶片：即玻璃钢叶片。应用广泛，强度好，但耐温性差。

②铸铝叶片：强度及耐温性能好由于重量原因而应用不广泛。

漳山300MW空冷机组空冷风机，采用轴流风机。风机叶片采用玻璃刚叶片，数量为5枚。传动装置为变速齿轮箱，从防冻角度出发，风机和齿轮箱具有反转功能。驱动装置为变频调速电动机，变频调速的范围为0~110%的额定转速。同时，为了防止由于风机振动大损害设备而设有手动复位的振动开关。

5．构架：

空冷散热器的构架由立柱、横梁、风箱组成，应具有良好的稳定性。

构架设计应满足在风机转速和功率下，构架本身及驱动装置机构上测得的峰与峰之间最大振幅不得大于0.15mm。

设计构架时必须考虑以下载荷和作用力：设备的重力载荷、平台梯子活载荷、动力载荷、热推力、风载荷、地震载荷、雪载荷。

三直接空冷系统的设备：

1．漳山300MW空冷机组空冷系统简介：

（1）空冷系统的范围：

由汽轮机排汽装置的出口到凝结水泵的入口间的所有设备和管路系统及附件。

（2）空冷系统简介：

空冷汽轮机的排汽经过排汽装置后，进入到主排汽管道固定点前的汽机排汽管道。这段排汽管道直径∮5500mm，材料为碳钢。排汽管道上设有大拉杆伸缩节，用于吸收此段管道的热膨胀。在管道底部有滑动支座。

汽轮机的排汽经过固定点后进入固定点后的主蒸汽排汽管道。这段管道上设有固定点、安全阀、爆破片。#1机的管道经过三次变径逐次变成∮4900mm、∮4000mm、∮2800mm，#2机的管道在固定点的右侧由∮5500mm变径到∮2800mm，左侧由∮5500mm分两次变成∮4000mm、∮2800mm。在此段管道上分别引出五根∮2800mm 的蒸汽分配管道。这五根蒸汽分配管由﹢3.7m垂直上升到﹢41.117m，分别与五列空冷器的蒸汽分配管相连。

通过蒸汽分配管汽轮机排汽首先进入顺流管束被冷却，然后进入逆流管束最终冷却。本机组的空冷器由大管径的三排椭圆翅片管组成的管束、蒸汽分配管、凝结水联箱、支撑管束的构架组成。单台机共有250片管束，分成200片顺流管束和50片逆流管束，与风机组成20个顺流单元和5个逆流单元。

排汽冷却成的凝结水汇集到空冷器的下部联箱，由凝结水管路引到凝结水箱。凝结水泵有两台，一台运行一台备用。

由于系统不严密而漏入的空气和未完全冷却的蒸汽，在逆流管束的顶部抽真空管路被抽真空设备抽出而排到大气中。抽真空系统由三台100%容量的水环真空泵以及所需的管道和阀门组成。启动时三台泵同时运行在40分钟内将系统的压力抽到30Kpa，正常运行时一台运行两台备用。

为了防止落在空冷器表面上的灰尘及其杂物影响散热效果和对管束的腐蚀，设有移动式的水力自动清洗系统，定期对空冷器表面进行清洗。

2．漳山300MW空冷机组空冷系统的组成设备：

（1）．汽轮机主排汽管道：

（2）．空冷散热器管束：

（3）．凝结水箱：

（4）．除氧头（凝结水箱上）

（5）．凝结水箱管道：

（6）．轴流风机：

（7）．轴流风机电动机：

（8）．轴流风机减速器：

（9）．空冷系统保护设备：

（10）．清洗系统：

（11）．清洗系统的高压水泵：

（12）．清洗系统高压水泵的电动机：

（13）．水环真空泵：

（14）．水环真空泵电动机：

（15）．凝结水泵：

（16）．凝结水泵电动机：

四．直接空冷系统的运行调节及自动控制：

1．直接空冷系统的运行调节

空冷系统的运行调节的任务：

（1）保持最佳的汽轮机的排汽背压。

（2）最小的风机电能消耗。

（3）空冷系统的防冻。

为了达到上述三个任务，有两种基本手段：空气流量控制

和蒸汽流量控制。由于蒸汽流量控制需要大型切断阀门，还需要处于真空条件下的排水阀、空气阀，同时这些阀门还需要正确的选择、安装和保护，以确保无故障运行。因此，在工程实际中难于被采用。从运行的防冻角度来看，在低温环境条件下，保持蒸汽流量高于最小的蒸汽流量是非常必要的。

空气流量控制可以通过采用不同的送风设备，例如：百叶窗、调角风机、双速电动机、调频风机等，很方便地实现，固在工程中得到广泛应用。因此，空冷系统的运行和控制可归结为一句话，即“空气流量控制”。在夏季环境温度较高时，采用大风量以提高冷却能力。在冬季环境温度较低时，从防冻考虑，保持较低的管间风速是非常重要的。

在直接空冷系统中，热交换面积确定后，对于汽轮机排汽背压的调节方法在工程实际中有两种方法：改变空气流量和喷湿。

（1）改变空气流量既空气流量控制：

空气流量控制采用的实际手段有：风墙、风裙、百叶窗、内部热风循环、外部热风循环、调角风机、双速电机和调频风机。其中，调频风机是空气流量控制的最佳设备，风墙对在冬季防止大风对散热器的袭击是非常重要的，同时在夏季可以防止热风再循环。

漳山2×300MW空冷机组空冷风机全部采用变频风机，同时在空冷平台上设有档风墙。

（2）喷湿：

喷湿有增加空气湿度和冷却表面加湿两种方法。可以是一种也可以是两种方法的结合。它随系统装置的不同而不同。在理论上，前者是增加进口空气湿度，以降低进口空气温度，从而加大传热温差。后者是增加表面蒸发冷却，以提高表面换热效果。据有关资料介绍，空冷系统喷湿在夏季最高环境温度下可以降低汽轮机排汽背压3kpa 或可使排汽温度降低3℃左右。

2．直接空冷系统的自动控制

对直接空冷系统自动控制的要求：

根据环境温度、汽轮机负荷的变化，及时调节轴流风机的转速，使空冷散热器的冷却能力适应空冷汽轮机对排汽背压的要求，确保空冷汽轮发电机组安全、经济地运行。

3．空冷系统控制系统的控制功能和目的：

（1）汽轮机排汽压力对可调设置点Ps的控制由空冷系统的变频电动机来进行。

（2）空冷散热器的防冻，通过监控以下信号来完成：环境空气温度、抽真空温度、凝结水温度。

（3）开起（运行）抽真空用的真空泵。在发生事故时，可将故障泵停下同时启动备用泵。

（4）启动和停止用来维持排汽装置液面高度的疏水泵，在故障时启动备用泵并停

止事故泵。

（5）启动/运行凝结水泵，通过循环、排液来维持凝结水箱的液位，在事故时启动备用泵并停止事故泵。

4．漳山300MW空冷机组空冷系统的自动控制：

（1）控制系统的组成部分：

控制系统按下列方式进行控制。

①分组控制：用于连接/断开ACC系统和凝结水系统。随着分组控制的启动，根据有关数据逐步开启子回路控制、闭路循环控制和自动装置开关。

②子回路控制：用于控制排汽装置疏水泵和水环真空泵的启动/断开，来调节排汽装置的液位高度和空冷系统的压力（真空）。

③闭路循环控制：用于控制轴流风机、凝结水泵的启动/断开，来调节空气流量和凝结水箱的液位高度。

④自动装置开关：用于在振动大、油压低的情况下，自动停止轴流风机，起到对其的保护作用。

漳山2×300MW空冷机组的空冷系统通过DCS系统来完成以上的控制。

5．空冷机组的自动运行：

空冷机组空冷系统的自动运行方式根据环境温度的不同而分成两种：

（1）夏季运行模式。当环境气温高于设计气温时（漳山项目为17℃），空冷系统的调节控制既进入夏季运行模式。此时空冷风机在额定转速或高于额定转速的转速下运行，控制系统不再调节风机转速。如果汽轮机的排汽背压超过规定值，汽轮机只能降低热负荷来保证其安全性。

在设计气温与无效低温之间，空冷风机在额定转速下运行，汽轮机的负荷随着环境温度的变化而变化。当环境温度处于无效低温以下时，空冷风机的转速随着环境温度的变化而变化，既开始调节空冷系统的特性，以维持汽轮机的排汽背压不随着气

温的下降而继续下降（在运行中应使背压高于阻塞背压）。

（2）冬季运行模式既冬季保护模式。冬季保护措施只有在环境气温低于3℃时才被启动。当ACC系统在自动控制程序限定的40分钟内启动结束后，同时环境温度低于或等于3℃时，下列冬季保护措施将被启动，开始对ACC系统的控制。

A：顺流冷凝单元的保护控制：

（1）保护控制投入条件：

①在逆流冷凝器保护不启动的条件下，既逆流风机保持当时转速不变。

②凝结水温度低于15℃时。

③环境温度低于3℃时。

（2）保护控制操作：

当顺流冷凝单元风机保护被启动时，逆流冷凝单元风机被锁定，转速保持不变。然后，顺流冷逆单元风机按照规定的下滑曲线，以每分钟下降10%的转速降低，直到降到0%，最终结果为顺流冷逆单元风机被停止。

值得注意的是：在顺流冷凝单元风机保护模式起作用期间，逆流冷凝单元风机的转速保持不变是很重要的。因为，在顺流冷凝风机转速下降的同时，顺流冷凝单元的冷凝能力将下降，汽轮机的排汽背压将升高，这时候如果逆流冷凝单元风机转速如果升高，将导致逆流管束出现进一步的过冷情况。

当凝结水的温度大于25℃时，顺流冷凝单元风机保护复位，风机重新由控制系统根据有关参数进行控制。

B：逆流冷凝单元的保护控制：

（1）保护控制投入条件：

①顺流冷凝单元的保护控制未被再次起动。

②逆流冷凝单元的抽气温度低于15℃。

③环境空气温度低于3℃。

（2）保护控制操作；

当逆流冷凝单元风机保护被启动时，顺流冷凝单元风机被锁定，转速保持不变。然后，逆流冷逆单元风机按照规定的下滑曲线，以每分钟下降10%的转速降低，直到降到0%，最终结果为逆流冷逆单元风机被停止。

值得注意的是：在逆流冷凝单元风机保护模式起作用期间，顺流冷凝单元风机的转速保持不变是很重要的。因为，在逆流冷凝风机转速下降的同时，逆流冷凝单元的冷凝能力将下降，汽轮机的排汽背压将升高，这时候顺流冷凝单元风机转速如果升高，将导致顺流管束出现进一步的过冷情况。

当逆流冷凝单元的抽气温度大于25℃时，逆流冷凝单元风机保护复位，风机重新由控制系统根据有关参数进行控制。

C：逆流冷凝单元风机不可失的反转功能：

随着环境温度的降低以及ACC系统热负荷的减少，当全部风机停运时，ACC

系统仍然存在冻结的危险时，逆流冷凝单元的风机将会反转，消除冻结因素。反转的转速为——r/min。

D：逆流冷凝单元的加热循环：

当下列条件具备时，逆流冷凝单元的加热循环将被起动：

①环境温度低于2℃。

②凝结水温度低于25℃。

③抽气温度低于15℃。

具备上述条件后，第一列的逆流风机将被切断10分钟，20分钟后第二列逆流风机也被切断，直至第五列逆流风机被切断。这意味着，在150分钟内5个逆流风机将全部被切断。

如果上述条件仍存在，加热循环将再次被起动。

6．空冷系统运行中的报警：

（1）凝结水温度太低报警

当凝结水管路中任何一点的温度下降到﹢15℃以下时，系统进行报警，提示凝结水管路温度偏低。报警通过每升高10℃的温度滞后复位。

（2）抽真空温度太低报警

当抽真空管路里的抽真空温度下降至﹢15℃以下时，系统发出报警。报警通过每升高10℃（大于25℃）的温度滞后复位。

五．空冷系统的冬季防冻问题

1．空冷散热器发生冻结的原理

在我国北方，冬夏两季的气温相差很大，有的地方可达60~70℃，再加上空冷散热器各管排之间的热负荷分配不均匀，以及不凝气体的存在，如果设计不当，在一般情况下不易发生的问题，例如，管内流体发生凝固、堵塞和冻结，在低温环境气温下就会发生。

空冷器在稳定条件下，底部和顶部排管与空气相接触的先后的次序不相同，各排管的蒸汽冷凝区的分配是不相同的。由于底部排管首先与冷空气相接触，如果上面的管排，冷凝在管子末端结束，则在底部排管，冷凝会在管子中间的某一点结束，其余管长就形成冷却区。在此冷却区内，凝结水急剧过冷，在低温下就会发生冻结。

在空冷器中，如果不凝气体不能及时排出，也会在低温条件下发生冻结。以两排管的空冷器为例，由于第二排管冷凝的蒸汽量较第一排管少，这样，第二排具有较低压力降。出口管箱的压力等于入口管箱的压力减去流体流过第二排管的压力降，因此，第二排管出口的压力就大于第一排管的压力，这样导致蒸汽进入第一排管的两端，不凝气体在第一排管端聚集，一直延伸到全部管长，等到第一排管末端压力等于出口管箱的压力，第一排管的蒸汽才会排到出口管箱。由于第一排管只有较少的带有不凝气的蒸汽通过，第一排管的管壁就变冷了。当凝结水流过这段管子时，就可能发生冻结。