火力发电机组大量消耗的不仅是一次能源，还有水资源，而水资源紧张是目前全世界面临的一大难题。直接空冷机组是解决这一问题的一种有效方式。在我国北方地区天气干燥，昼夜温差大，冬季寒冷、夏季干热等气候条件下，根据这一地区“富煤贫水”的现状，发展直接空冷技术是一种有效的节水途径。近年来这一地区大批直接空冷机组的建设和投运，显示了明显的环保效益、经济效益和社会效益。但是，在这些机组的运行中，也暴露出了不少问题，比如机组夏季出力受限、冬季防冻问题、经济性差等，其中夏季出力受限和冬季防冻问题是空冷机组运行中的主要问题，也是目前直接空冷机组在典型天气条件下安全运行的最大难题，而国内对于这些问题的研究也只处于初期的探索和经验积累阶段。本文就这两个问题结合运行中的一些经验，进行理论分析，并总结一些改进和防治的措施。

防冻问题是空冷机组冬季干冷天气条件下运行的一大难题，特别是在我国北方严寒地区，凝汽器冻结是常见现象，严重影响机组的安全运行。

2.1凝汽器冻结机理

空冷凝汽器管内蒸汽通过翅片管把热量传给管外空气，使蒸汽凝结，当管内蒸汽量小或管外空气量过大时，蒸汽在管束中沿管长的中间部分凝结为水，并沿管壁向下流动，且在流动过程中继续被冷却；凝结水在管内流动时，中心区为紊流区，管壁附近为层流区。理论分析认为，紊流区流体放热意对流为主，层流区以导热为主，流体在翅片管内层流区的厚度与流体的流速有关，流速越小，层流区越厚。当流速减小到一定程度时，翅片管内流体完全转变为层流，流体宏观上接近于静止状态，这时流体放热以导热为主。流体对管壁放热过程中，其温度不断下降，当温度下降至0℃以下时，流体开始冻结。随着流体不断向管壁放热，冻结程度不断加剧，最后液体变成固体，凝结为冰。

在寒冬季节，当机组处于空负荷或低负荷运行时，蒸汽流量较小，此时即使将所有风机全部停运，由于蒸汽流量较小，当蒸汽由空冷凝汽器进汽联箱进入冷却管束后，在由上而下的流动过程中，管束中的蒸汽与外界冷空气进行热交换后不断凝结，当环境温度低于水的冰点温度（0℃）时，在冷却过程中蒸汽不断凝结并在管束的下部冻结，就出现了冻结现象，使管束与凝结水联箱接口处冻结，造成管束内的蒸汽滞流，严重时会冻坏冷却管束。另外，如果运行调整不当，在冷却空气量过剩的情况下，同样也会出现冻结现象。由此可知，空冷凝汽器管束的冻结有以下三方面的主要原因：一是空冷凝汽器内的蒸汽流量低于其设计值；二是冷却空气量过剩；三是在翅片管内流体出现流动速度慢、流动中止或断流等现象。上述方三面原因出现的前提条件是环境温度低于0℃。所以对空冷凝汽器的防冻必须从“控制蒸汽流量与空气流量”来实现。

2.2原因分析

热量和流量不均是造成凝汽器冻结的主要原因之一，由于设计、制造、安装质量和运行中环境等原因，造成管束间散热能力的偏差，而管束散热能力的偏差造成了凝汽器内热量和流量的不均，有资料显示，在机组低负荷运行时，这种流量偏差可以达到5%，且这种偏差将随着大气温度的下降会更大，根据观察，随着进入空冷岛的热负荷增加，这种流量偏差是逐渐降低的；热量和流量的不均有三种情况：（1）空冷岛配汽联箱对应的各个排的热量和流量的不均，（2）对应于各排南北两侧管束的热量和流量的不均，（3）对应于各排每侧相邻管束间的热量和流量的不均；这三种热量和流量的不均会导致相应的三种温度的偏差。在环境温度低时，流量不均引起的较高蒸汽流量部分在安全的运行范围内时，流量较少的部分就可能低于设计要求的最低安全运行流量，就容易被冷空气冻结。因此，在计算直接空冷系统冬季防冻的最小蒸汽量时，应考虑热量和流量不均带来的受冻危险。

为此，在运行中应注意如下事项，防止凝汽器冻结：（1）应该密切注意以上三种温度偏差，从而控制流量的不均；（2）要根据实际情况及时调整风机的转速，防止因转速太大而引起的空气过量现象；（3）应保持凝汽器表面的清洁，因为局部的污垢会引起该部分换热能力下降，从而引起流量不均；（4）机组低负荷且环境温度低，顺、逆流段翅片温度或空气管温度低于零度以下时，及时使逆流风机反转，以达到热风再循环；（5）研究制定安全合理的机组启停方式及防冻措施，在机组启停过程中应采取相应的防冻措施；（6）制定经济合理的冬季风机运行方式，据有关理论计算，风机的合理经济运行方式是单元组风机同转速、同方式运行，避免造成局部因风机转速过大而引起的局部过冷现象。

凝结水过冷度定义为在凝汽器压力下的饱和温度和凝结水温度之差。但在电厂实际计算过冷度时，一般采用汽轮机排汽压力对应的饱和蒸汽温度与凝结水泵出口(或凝结水箱)的凝结水温度的差值进行计算。对于直接空冷系统，汽轮机排汽口到凝汽器入口之间的管道有一个压降，所以汽轮机的背压与凝汽器压力不仅概念不一样，而且它们之间也有一个差值，加上空冷凝汽器蒸汽联箱顺、逆流凝汽器的管道损失，整体压降会更大。以国电电力大同发电公司600MW直接空冷机组为例，这个整体压降有2.0kPa左右。据资料显示，在冬季运行时如果汽轮机的背压在9kPa左右时，蒸汽到达空冷凝汽器总体流动的压降可以达到2.6kPa，即：在空冷凝汽器的凝结水收集联箱处的压力是6.4kPa；而排汽压力为9kPa和6.4kPa时对应的饱和温度分别为43.79℃和37.09℃；这样，在凝结水收集联箱处的理论凝结水温度应该是在37.1℃左右，则过冷度约为6.7℃。

另一方面，由于主凝结水箱除了来自空冷凝汽器的凝结水外，还有各种高温的疏水，这部分疏水混入凝结水箱后将提高凝结水温度。如果用凝结水箱的凝结水温度来计算过冷度的话，计算出来的过冷度要比实际的过冷度小，综合以上两方面的原因，导致测得的过冷度比真实值要小很多，现场以这个“过冷度”作为运行监测值的话势必会误导运行人员，严重时会导致凝汽器冻结。因此，考虑到防冻的问题，计算过冷度时应注意：(1)凝汽器压力的选择要考虑排汽管道的压损；（2）凝结水温度不宜采用凝结水箱的温度，应将凝结水温度控制到空冷凝汽器各排凝结水收集联箱的测点，对各排温度分别进行监测控制。

为此建议，在现场“过冷度”控制是汽轮机背压对应的饱和温度与各排下联箱的凝结水平均温度的差值。在冬季运行期间，应同时监视并控制各排“过冷度”的参数。

机组运行背压和排汽饱和温度是对应的，汽轮机运行背压越低，对应于排汽压力下的饱和温度就越低；同时，在额定进汽压力下汽轮机带相同负荷时所消耗的蒸汽量也越少，进入空冷凝汽器的热量就越少。对于体积庞大的空冷散热器来说，防止冻结的重要手段是保证进入空冷凝汽器的最小热负荷。另外由前述可知，空冷系统冬季冻结的原因之一就是空冷凝汽器内的蒸汽流量低。所以，直接空冷机组在冬季运行时应确定一个最低的运行背压和最低负荷，以保证机组在防冻安全区内运行。

确定机组冬季最低运行背压时，可以从凝结水收集联箱的最低保证温度，根据确定的“过冷度”以及排汽管道压损反推到机组运行背压来确定；冬季运行最低负荷的确定应依据制造厂提供的在不同环境温度下保证防冻时进入空冷凝汽器的最小热量进行计算。确定冬季运行的最低负荷时应充分考虑凝汽器内热量和流量分配不均和冷端系统压损的影响。

真空抽气口位于逆流段的顶部，抽真空设备在此位置将凝汽器内的不凝结气体抽出以保证换热效果和维持真空。由于蒸汽主要是在顺流凝汽器内被冷却，到逆流段的蒸汽温度降低了很多，且蒸汽湿度也大，如果控制不好此点温度，容易结霜将抽气口堵住，致使在翅片管内流体出现流动速度慢、流动中止或断流等现象，极易发生本排管束全部受冻，这是直接空冷机组出现冻结现象的常见原因之一。所以，直接空冷机组在冬季运行期间，运行人员应严密监视真空抽气口温度，当发现抽气口温度过低时，应及时采取有效的措施防止凝汽器冻结。

机组出力和背压有直接的关系，夏天当环境温度升高后，凝汽器凝结能力下降，汽轮机背压上升，当机组背压太高时，只能迫使机组降负荷来维持安全运行，不能达到满发，即非满发。影响机组非满发的因素很多,而且错综复杂。一般情况下机组的非满发有两种情况：设计的非满发和设计之外的非满发。

3.1　设计非满发小时数

在空冷系统设计时ITD(初始温差)值确定后，对应于设计大气温度的机组设计背压就确定了。而空冷汽轮机不仅要有较高的背压，且背压的变化范围较大，当机组超过其最高满发背压时就不能够满负荷运行。换句话说，如果大气温度超过某一数值后，汽轮机的背压就会超过最高满发背压，机组只能降负荷运行。对应于最高满发背压的大气温度，称之为机组的最高满发气温。凡是超过最高满发气温所经历的时间，计为非满发小时数。在设计条件下，将超过最高满发气温的历时数称为设计的非满发小时数。

3.2　设计ITD（初始温差）的确定

ITD是汽轮机排汽饱和温度与空冷塔入口空气温度之差。ITD值是一个需综合考虑各种因素的优化结果，ITD值选得越大，空冷散热器的数量就越少，基建投资就越省；ITD值越小，投资就越大。因此，当优化ITD的值确定之后，空冷散热器数量就确定了，其散热能力就不可能满足机组在任意高的大气温度下都能满发的要求。很显然ITD的优化，必然会带来夏季炎热期非满发问题。因此，ITD值的优化选择是影响空冷机组设计非满发的主要原因之一。但不能为了追求夏季炎热期满发而不考虑经济效益；一般情况下，ITD值的确定要考虑实际情况，而引入余度系数等，这样选择空冷散热器数量是比较合理的，也可以解决因ITD值的优化而引起的机组设计非满发问题。

3.3　原因分析

有的空冷系统在理论上散热能力是可以保证的，但在实际运行过程中，常常会出现非满发的问题，且和理论值相差很大，可能原因有如下几点。

凝汽器的传热端差δ_t是凝汽器压力下

的饱和蒸汽温度t_c与空气出口温度t_a2之差,即：

传热端差一般设计值很小，但在机组运行时，往往偏大，在间接空冷机组中，有时能大到5～10℃，比设计值高出很多。

为了使机组满发，其背压就不能超过最高满发背压，即：t_c不能超过相应的限值t_cmax。由图1可知，t_cmax线不变，当δ_t增大时，由于ITD优化值确定后，凝汽器面积也已确定，这时空气温度线就要下移，即降低空气温度。

这就是说，δ_t增大时，最高满发气温必须相应降低，才能维持机组的满出力运行；最高满发气温降低后，超过其值的时间增加，即实际非满发小时数增加。可见，传热端差的增大是造成非满发小时数增加的重要原因。传热端差的大小，与空气温度和风量有关，同时还与真空系统的严密性、抽空气设备及管道的布置等有关。因此，实际运行中，对于凝汽器端差的增大问题，应进行多方面的综合分析。

        众所周知，环境温度高是机组夏季非满发小时数增加的主要原因，当环境温度升高后，凝汽器换热温差减小，换热能力下降，这时空气所带走的热量就减少，致使机组背压上升，当背压达到最高允许背压值甚至上升至跳闸背压时，机组只能降负荷或者跳闸；另外，夏季环境风速、风向的影响和高温时段的叠加是造成机组夏季非满发小时数增加的另一主要原因，当环境风速增大（或风向改变）时，经过空冷器的风量就会减小，空冷器换热量就会下降，机组背压上升，且运行经验表明，在背压越高的情况下，机组抗外干扰的能力越低；因此，在夏季高温下，风速、风向的影响必须引起运行人员的高度重视。国电电力大同发电公司的7#机组在调试期间（2005年6月22日），曾因为风向、风力的变化导致背压急剧升高而发生机组掉闸事故。如附图所示（蓝：负荷 红：背压 绿：环境温度），从图2可以看出，在环境温度、机组负荷基本不变的情况下，仅由于当时突起大风，背压急剧升高而致机组掉闸。

空冷凝汽器外表面积灰、积尘、积杂物等，减少了空气通道的面积，而且增大了管束的传热热阻，从而大大降低了散热器的散热能力，导致背压升高；因此，空冷器外表面清洁程度也是空冷机组夏季非满发的原因之一。另外，空冷散热器被冻坏、管子被堵死，都将减少散热面积，使机组夏季满出力运行受到限制，运行人员应高度重视这些问题。

3.4　对策

解决空冷机组在夏季炎热期非满发的问题，应从二个方面入手：（a）消除各种不利影响，使之达到或接近设计非满发小时数；（b）采取经济、适用、有效的措施，使其在设计非满发小时数内也能满发。

(1) 在夏季炎热期，增装喷淋增湿系统是空冷机组迎峰度夏的积极有效的方法，根据经验，夏天高温时，进行喷淋、增湿空气基本上能够解决机组非满发的问题，得到了空冷机组技术人员的一致认可，也是须积极推广的一种方法。

(2) 在夏季炎热期到来之前，对所有的散热器进行全面彻底的冲洗，以确保散热器不受表面污染的影响，根据间接空冷机组的运行经验，冲洗前后散热器的散热能力相差7%～8%，可见效果非常明显。

(3) 对凝汽器制造厂提供的设计传热端差进行测试分析确定，同时要研究改进的可能。

(4) 夏季机组高背压运行，应加强风速和风向对背压影响的分析判断。尤其应加强对炉后风及气象条件突变对背压影响的预想，积累控制经验，防止大风来临时失去控制手段。

 (5) 认真检查和处理真空系统的泄漏问题，保持良好的真空；适时更换已坏的散热器及其管子；必须严格控制关键性阀门，如旁路阀、紧急放水阀等的质量。

       冬天防冻和夏季出力受限是目前直接空冷机组运行中的两大突出问题，且直接影响着机组的安全经济运行，应得到电厂技术人员的高度重视。目前对于这两个问题在生产实践中也积累了一些经验，而且实际效果明显，本文对此作了理论分析，总结了一些改进措施和经验。但随着直接空冷机组不断的推广应用，更多的问题会逐步地暴露出来，有待于在生产实践中不断地摸索和改进，以提高机组的安全经济效益，更好地发挥直接空冷机组的优势，推动电力工业节能、环保技术的进步。