间冷塔冻结机理分析及防冻措施研究

文珏， 魏江

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北分公司，西安 710021）

0 引言

三北地区水资源缺乏，新建电厂多采用空冷技术，常见的有两种，一种是直接空冷系统，一种是间接空冷系统[1-4]。间接空冷系统有中间介质循环水做媒介，能够使系统保持较高的鲁棒性，其背压较直接空冷系统来说更加稳定，但依旧会受到环境条件较大的影响[5-6]。在极寒地区，冬季气温远低于0℃。图1为新疆地区某电厂所在县从2003-2016年间冬季月最低平均气温及其出现次数，由图可以看出，这14年间，此地的平均气温最低可达-26℃，远低于水在大气压下的冰点，且间接空冷系统多为翅片式换热管，使用间冷系统的电厂如果运行不当非常容易发生管束冻结现象。

图1 新疆某地月平均最低温度及出现次数

徐冬[7]从进入防冻期前应进行的工作，保护投退的规定，循泵的运行方式，扇区的投切等方面详细阐述了660 MW间接空冷机组冬季防冻措施。顾红芳[8]对采用数值方法对某电厂冬季工况下百叶窗对间冷塔散热情况的影响，仅降低迎风、背风区域的百叶窗开度，反而会恶化其他扇段的运行环境。温新宇[9]认为中间隔板短路是造成间冷塔循环水管束冻裂主要原因，针对此原因提出了解决方案。邢照凯[10]研究了低温条件下间冷塔的运行策略。高运[11]分析间接空冷循环水系统的水阻特性，对间接空冷循环水系统的启动模式和旁路运行模式进行了论述。

虽然间冷塔一周有开度可控的百叶窗，但由于环境温度过低，负荷变化频繁导致投切列频繁、百叶窗缝隙不严等原因，间冷塔结冻事件时有发生，严重时需要整列更换翅片管束，影响机组正常运行。对于间冷塔冬季防冻的现有研究未能从机理上深入分析并提出具有可行性的系统改进方案，本文通过分析间冷塔冻结原因，提出三种间冷塔防冻解决方案，为机组的安全稳定运行提供可靠参考。

1 冬季间冷塔冻结原因分析

通过归纳分析，可以得到间冷塔冻结原因主要有以下三点：

1.1 冻结原因一

通过水的相图可以知道大气压下水的冰点在0℃，当环境温度低于0℃时就存在结冰的危险。

1.2 冻结原因二

散热器铝翅片管内的水流速较低或静止。流体在管内流动时在管壁上会形成一定厚度的边界层。如图2所示，当换热管内流体流速过低，特别是当换热管内雷诺数低于临界值，流动状态由湍流变成层流，流体的换热能力大幅下降，层流边界层的厚度大于湍流边界层的厚度，在边界层内，热量以热传导的方式传出，根据傅里叶定律，管内外温差相同时，边界层越厚，单位时间传导的热量就越小，即传热速率越慢，单位时间越靠近管内壁的流体吸收的热量越小，而管外壁的温度与极低的环境温度基本一致，远低于水的冰点。综上所述，换热管内流体的雷诺数越小，冻结的危险就越高。最危险的情况是在充放水时，由于流量小且不均匀，结冻的可能性会成倍增加。

1.3 冻结原因三

图2 流体边界层

根据张薇[12]的研究结果，当存在侧风时，最危险的点在迎风面。当侧风风速高于某一值时，背风面散热器的进风能力受到抑制,而迎风面的散热器换热效果显著增加，如图3所示。因此，迎风面的换热管应成为防冻的关注点。

图3 侧风影响下间冷塔的危险点

2 解决方案

根据间冷塔冬季冻结机理分析，结合电厂实际运行状况，提出三种切实可行的改进方案：循环水多重利用方案、循泵变频改造方案和防冻预暖系统方案。

2.1 循环水多重利用方案

为确保间冷塔管束内流量达到最小防冻流量，循环水泵全高速方式运行，使间冷塔全扇区运行。间冷塔出塔凉水分为两部分:一部分进入凝汽器冷凝低压缸排汽，维持机组真空；另一部分进入开式水系统，与开式水混合，作为部分辅机冷却水的冷源。开式水回水在进入机力冷却塔之前分为两路，一路回间冷塔，一路回机力冷却塔。如图4所示。

图4 循环水多重利用方案示意图

其优点在于大流量循环水运行可以降低间冷塔冬季结冻的可能性的同时，且能够充分利用间冷塔凉水冷量，降低开式循环水泵功耗。

表1 某电厂设备参数

以某电厂为例，其设备参数如表1所示。冬季进间冷塔水温40℃，出水温度28℃。开式水冷却塔出水温度30℃，因此，冬季运行时，间冷塔出水温度与开式冷却水塔出水温度匹配，可以混合供开式水用户。根据此电厂负荷情况，一般冬季循环水泵仅需两台低速运行，凝汽器需要的流量按31 924 m3/h计算，开式冷却水需要流量为5100 m3/h，开启两台高速循泵后循环水流量可达36 180 m3/h，当满足了凝汽器需要流量后，还剩4256 m3/h流量可供开式循环水用户，当开式水用户需水量不大时，完全可以停止开式水泵的运行，仅以循环水作为开式冷却水供开式水用户，节省开式水泵功耗约600 kW。

2.2 循泵变频改造方案

循环水泵变频改造。运行时，在环境温度未达到零下时就开启固定数目的部分扇区，选择未在迎风面的扇区开启，保证即使循环水泵在最低频率下运行，间冷塔开启扇区管束内的水流量都高于其最小防冻流量。实际运行时，根据负荷的变化，调整循环水泵频率，维持机组真空。

计算得到最小防冻流量，以最小防冻高流量作为循环水泵变频改造后的最低流量，计算需要开启的扇区数目，选择背风区的扇区开启。高负荷时提高凝泵频率，增加管道内水流速度，提高对流换热系数，而且可以适当开启百叶窗开度，降低回水温度，维持机组真空。

根据1.2节分析，层流状态的流体比湍流状态的流体传热能力大大下降，因此，最小防冻流量首先要保证管内流体的流动状态为湍流状态，根据文献中记载[13]，圆管内的流体的雷诺数大于2320时即为湍流状态。某电厂的间冷塔传热管束直径18 mm，环境温度按0.1℃计算，水的运动黏度为1.79×10-6，密度为999.8 kg/m3，可以计算出，基管内流速需要达到0.23 m/s，则基管内流量需要达到0.058 kg/s，此电厂每个散热器有480只基管，全扇区有176个冷却三角，如果只开启一半的扇区运行，总流量需要达到2470.5 kg/s，即8893.62 t/h。以此电厂为例，冬季流量需要达到8893.62 t/h以上才能有效防止管束冻裂，因此，选择此流量作为循泵变频改造的最小流量。根据此电厂实际情况，最小防冻流量小于一台循泵低速运行时的流量，因此，只需将一台循泵做变频改造，节省改造费用的同时有效防冻。

2.3 防冻预暖系统方案

投切扇区时，保证扇区管束温度在0℃以上。当环境温度处于比较低的水平，关闭百叶窗对防冻已经不能提供任何帮助时，除了增加电伴热、百叶窗密封条以外，还可以将电厂其它部分的热量引入间冷塔管束外侧，加热管束，提高管束温度，使投切列时即使管束流量较小也不会引起管束结冻。

一种可行的选择是采用空预器出口热空气作为热源，其温度能达到300℃，通过增设管路，引入间冷塔冷却三角，在投切列时提前开启，加热冷却三角，有效防止管束投切列时结冻。神华神东电力有限公司新疆五彩湾发电分公司的预热工程即采用此思路[14-15]，同时，此系统还能在结冻实际发生时及时融冰，防止结冻进一步恶化。另一种可行的选择是将过热蒸汽引入间冷塔冷却三角，但此方法直接影响了汽轮机的做功能力，调峰机组可作考虑。

3 结论

通过分析间冷塔结冻机理，从提升温度、提高流量、远离迎风面三个角度提出三种切实可行的解决方案，并通过实际电厂运行参数验证了方案的可行性，为高寒地区间冷塔防冻提供有效的指导意见。