一種自動封堵裝置在空冷島上的應用

楊宏斌，丁海林

（1.國網能源哈密煤電有限公司，新疆維吾爾自治區 哈密 839000；2.陜西鼓風機有限公司，西安 710075）

0 引言

我國對熱電廠空冷技術的研究開始于20 世紀60 年代，隨著該項技術的發展，空冷方案也逐漸成熟，應用地區也由最初炎熱的南方地區轉移到寒冷的北方［1-3］。直接空冷技術是將汽輪機做功之后產生的排汽，通過管道傳輸，最后在空冷島直接與空氣換熱，并收集凝結水。在富煤少水的北方地區，直接空冷技術能夠有效節約水資源。汽輪機排出的低壓汽經過管道傳輸到空冷島，通過蒸汽分配管引入各個冷卻管束單元，并利用空冷島底部軸流風機產生的冷卻風進行冷卻，最后凝結出來的冷凝水回流到凝結水箱，循環利用。在冬季，由于供熱電廠抽汽增多導致汽輪機乏汽減少且蒸汽分配到各個冷凝管束的量不均勻，翅片很容易出現結凍現象，特別是在逆流區的管束甚至會出現爆管情況。這些隱患直接影響電廠安全運行，因此直接空冷技術的防凍問題急需解決［4-5］。

眾多學者在這方面做了很多研究并取得了相關成果，張學鐳［6］等人采用模糊層次分析法對熱電廠空冷島防凍參數進行了監測分析；文獻［7-9］建立了基于空冷單元的多點多參數監測系統，提出了凍結系數描述空冷島的凍結狀態，實現了空冷島各空冷單元凍結狀態的在線監測和監控；任岐［10］、翟永杰［11］等人運用機器學習算法建立了空冷島的背壓控制策略模型；高建強［12］等人以300 MW 機組為研究對象，研究了不同季節對機組背壓的影響規律。上述文獻對現有的空冷島防凍裝置的優化設計和防凍效果的相關研究不夠完善，本文針對國神集團某電廠2×310 MW 機組一期工程空冷機的實際環境實施了一種自動封堵裝置，為解決直接空冷技術的防凍問題提供了一種思路。

1 自動封堵防凍裝置

1.1 現有防凍裝置概述

北方地區大型供熱機組直接空冷凝汽器的擋風防凍問題嚴重影響著設備安全和經濟效益。機組在持續大流量抽汽供熱的同時，還需要避免冬季結冰以及加裝防凍裝置帶來的背壓升高。

已有專家學者開展了相關研究，目前，所有防凍裝置需有效阻擋空氣流過換熱管束，所以其安裝位置須在冷卻風的流動通道上?，F有三種典型的防凍裝置布設位置，分別是冷卻風入口、出口和翅片上，匯總分析如表1 所示。

表1 空冷島防凍措施方案及特點Tab.1 Anti-freezing measures and characteristics of air-cooled island

2018 年國神集團某電廠引進了一種可安裝于冷卻風入口的自動封堵裝置，解決了空冷島冬季凍結問題。據運行顯示，該設備有效降低了熱電廠空冷島在冬季凍結的風險。

1.2 自動封堵裝置簡介

國神集團某2×310 MW 機組空冷島單元自動封堵裝置主要系統包括：動力系統、傳動系統、牽引張緊系統及防風簾平移系統，結構如圖1 所示，各系統主要工作原理如下。

圖1 自動封堵裝置圖Fig.1 Diagram of automatic blocking device

（1）動力系統。

動力系統主要由電機和減速箱組成。具有正反轉功能的電機通過電機座安裝在支架基座上，電機輸出軸連接減速箱，減速器的輸出軸通過聯軸器與傳動系統輸出軸連接，實現動力的輸送，如圖2 所示。

圖2 動力系統Fig.2 Power system

（2）傳動系統。

減速箱輸出軸連接聯軸器，將動力傳遞給傳動短軸，再經過聯軸器，將動力傳遞給同軸布置的第一長軸和第二長軸，實現了動能的傳輸，傳動系統如圖3 所示。

圖3 傳動系統Fig.3 The transmission system

（3）牽引張緊系統。

牽引系統的基座上布置有牽引架及牽引座，通過聯軸器將動力軸動力傳遞給牽引軸，牽引座內包括兩個相互平行的動輪（從動輪、主動輪）以及連接從動輪與主動輪的牽引繩，牽引繩通過8 字纏繞結構將主動輪上動力傳遞給從動輪，如圖4 所示。8 字纏繞的方式一方面降低了轉速，另一方面保證防風簾受到牽引繩的拉力能夠均勻分布于防風簾上。

圖4 牽引系統Fig.4 Traction system

張緊系統如圖5 所示，通過張緊架固定在基座上，張緊座上內設有滑輪，牽引繩在滑輪上做滾動與滑動運動，牽引繩一端與牽引軸上主動輪連接，另一端與張緊輪連接，保證整個牽引與張緊系統的動力傳輸平穩和連貫運行。牽引座底部及張緊架一側設有螺紋孔，通過螺桿固定張緊系統，通過調節螺桿，能夠調節系統的張緊程度。

圖5 張緊系統Fig.5 Tensioning system

（4）防風簾平移系統。

防風簾平移系統包括C 型軌道、橫梁、滾輪和防風簾。三組C 型槽鋼軌道布置在封堵裝置基座上，鋼軌一端為動力及傳動系統，另一端為張緊系統。橫梁兩端設有滾輪且能夠在C 型槽鋼軌上運動，沿鋼軌長度方向上每間隔一定距離布置一道橫梁。橫梁布置在防風簾上，且中間設置有通孔，牽引繩穿過通孔帶動防風簾在鋼軌上運動，實現封堵，如圖6 所示。

圖6 防風簾平移系統Fig.6 Windscreen mobile system

2 自動封堵裝置運行機制

當啟動封堵按鈕時，電機通過聯軸器及傳動軸帶動?？吭谘b置一側的第一根橫梁和防風簾布沿著鋼軌長度方向運動，當防風簾移動到限位開關2 位置處，電機停止，實現25%面積封堵。當繼續啟動封堵按鈕時，電機通過各個系統繼續帶動防風簾運動到限位開關3 處，電機停止，實現50%面積封堵。同理，限位開關4 可以實現75%面積的封堵，限位開關5 可以實現全部面積的封堵。電機自動繼續運行，帶動防風簾運動，當運動到限位開關6 時，電機自動停止；同理，當防風簾返回到限位開關1 處，電機停止。該裝置的封堵面積在0～100%之間可調，開關功能匯總結果見表2。

表2 開關功能匯總Tab.2 Summary of Switch Functions

3 工程實施效果

3.1 自動封堵裝置整體運行效果檢驗

在國神集團某2×310 MW 機組一期工程的空冷島對自動封堵裝置進行了適應性設計和試運行。該廠所在地區夏季燥熱，冬季寒冷，常年少雨，年、日溫差大，其空冷島在運行中存以下問題：

（1）為滿足冬季防凍，通常采取相對較高的背壓運行，導致空冷優勢得不到充分發揮。

（2）空冷機組性能受制于環境風場，空冷島抵御環境大風的能力差；空冷系統龐大，冷卻空氣流場、溫度場極不均勻，空冷凝汽器傳熱面積得不到充分利用，造成傳熱能力浪費。

（3）采取人工鋪篷防凍措施，勞動力消耗較大，操作人員高空作業存在一定的安全隱患，實施后篷布容易被吹走，防凍效果不理想，存在隱患。

本文所采用的自動封堵裝置能夠部分及完全覆遮擋風機出風口，在冬季最低溫度天氣情況下，通過調節自動防風簾布置在出風口的封堵面積，能控制進入空冷島室內的冷卻風量，同時配合調節空冷島冷卻系統的冷卻水量，這樣就達到了冬季空冷島室內防凍控溫的效果。低溫和高溫條件下風機等裝置工作狀態匯總結果見表3。

表3 高溫和低溫條件下風機等裝置工作狀態匯總Tab.3 Summary of working status of fan and other devices under high and low temperature conditions

檢驗結果顯示，在自動封堵裝置實施后，空冷島室內溫度能夠保持在9 ℃左右，能夠保證空冷島管束不結凍，即便是在熱電廠機組抽汽較高的冬季，也能夠保證翅片全部正常運行。夏季電廠運行期間，自動封堵裝置完全收回，布置在風機筒一側，空冷島冷卻風機正常運行。

該方案解決了北方地區冬季熱電廠空冷島單元的凍結問題。實際運行情況說明，該裝置實施以來有效降低了該熱電廠在冬季啟停機以及正常運行過程中的冷卻管路結冰，甚至系統癱瘓等安全隱患的發生率，保證了電廠生產的正常進行。同時，在一定程度上降低了設備和操作人員的安全風險。

3.2 自動封堵裝置運行節能和經濟效果

針對運行中空冷島翅片因溫度低可能結凍的問題，國神集團某2×310 MW 機組空冷島動自動封堵裝置可實現快速調節空冷島室內溫度。冬季機組運行時，不需要因防凍問題采取相對較高的背壓運行，從而降低了發電系統煤耗。當自動封堵裝置封堵面積為100%時，可以減小空冷風機的投運數量，降低廠用電率。自動封堵裝置與人工鋪篷措施的運行優勢對比結果見表4。

表4 自動封堵裝置與人工鋪篷措施的對比結果Tab.4 Comparison between automatic plugging device and manual covering measures

據統計，該套防凍裝置有效壽命為10 年，總投資70 萬元。采用人工鋪篷方式，需要工人5 人，人工費約720 元/（人·天），每年鋪篷與拆篷施工時長約5 天，鋪篷與拆篷的人工費共計1.8 萬元/年。

空冷風機在自動封堵裝置實施之后，與實施前相比，停運風機數量由原來的8 臺增加到18 臺。新疆地區冬季較長，全部封堵期間空冷風機每年停運時間為50 天，風機額定功率為110 kW，在冬季運行期間，空冷島防凍措施實施之后，風機降低運行頻率，此時實際功率為90 kW。根據空冷島內部溫度，在降低風機運行頻率的基礎上，進一步停運部分風機節約電量。

人工防凍措施工況下，風機停運8 臺，節省電量為：

采用自動封堵裝置工況下，風機停運18 臺，節省電量為：

冬季防凍期間熱電廠運行熱電比為2.8，期間電廠發電煤耗296.59 g/（kW·h），按照原煤600 元/t 計算，則人工防凍措施下，節省電費為：

同樣情況下，采用自動封堵裝置可節省電費為：

則與人工鋪裝防凍措施相比，自動封堵裝置封堵效果顯著，每年能夠為公司節約電費為：

結合表4 的運行維護成本統計，采用自動封堵裝置每年可節約成本22.81 萬元。

此計算只考慮了風機完全停止運行，沒有考慮風機降低功率運行工況。綜上所述，采用自動封堵裝置預防空冷島結凍的節能和經濟效果顯著。

4 結論

針對北方地區大型供熱機組空冷島擋風防凍工作的重要性及特殊性，本文對國神集團某電廠空冷凝汽器擋風防凍裝置的優化設計工作進行研究，結論如下。

（1）應用了由動力系統、傳動系統、牽引張緊系統以及防風簾平移系統組成的自動封堵裝置，并介紹了其運行機制，即通過控制電機正反功能旋轉，實現防凍裝置防風簾對空冷島入風口的全部或者部分封堵。

（2）自動封堵裝置可以根據實際熱電廠空冷島運行情況及時調節空冷風機的遮擋面積，保證電廠維持正常運行，在一定封堵面積下，將部分冷卻軸流風機關閉，降低了電耗，具有一定的節能效果。

（3）該裝置能在一定程度上緩解空冷島翅片凍結以及空冷蝶閥凍結造成的安全隱患，間接節省了電廠維修人員日常維修的難度和頻次，間接節約了人力和備件成本，降低了由人工作業鋪、拆篷造成的安全風險。根據工程實例驗證，該空冷島防凍裝置具有較大的應用空間和推廣價值。