严寒地区火力发电厂抗风防冻技术的研究及应用

段玉燕

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院 ,广州 510663）

1 概述

现有的规程规范中少有对处于严寒地区的火力发电厂专门的设计指导，文章针对严寒地区的气候特点，经过对北方寒冷地区电厂的充分调研，深入研究了抗风防冻的关键技术，并成功应用于多个工程与项目，对北方电厂的设计方面有着重要的指导意义。

2 设备室内室外布置方式优选

（1）锅炉。锅炉布置一般分为露天布置、半露天布置及紧身封闭等形式。对非严寒（累年最冷月平均温度高于-10℃）地区，锅炉宜采用露天或半露天布置。对于严寒或风沙大的地区，为避免冬季电站锅炉本体运转层以上部分设备、管道及仪器仪表被冻坏，一般在锅炉钢架周围采用复合型保温压型钢板进行封闭，形成封闭围护结构，称为紧身封闭。在紧身封闭结构周边应设有用于通风和采光的窗户；在锅炉房屋顶应设有屋顶通风器或轴流式屋顶风机用于夏季锅炉房通风，通风设施冬季处于关闭状态；在锅炉房底层和运转层布置散热器及暖风机等供暖设施。紧身封闭锅炉房的暖通设计既要满足夏季通风要求，又要满足冬季供暖防冻要求，暖通通风设计保持锅炉房内～5℃。

（2）一、二次风机，引风机，启动锅炉等辅机。严寒地区，一、二次风机，引风机，启动锅炉等主要辅机建议室内布置，并应设有暖气片，保持冬季室内温度。对于锅炉房附近的辅机设备，如定排、暖风器疏水扩容器、暖风器疏水泵等建议放进锅炉房紧身封闭内布置。独立设置房间的辅机，还必须注意最大尺寸部件的安装和检修，需与建筑专业配合，明确房间墙面的施工顺序，避免设备无法运进房间，并开设合理尺寸的大门，便于较大尺寸部件检修的运输。

（3）有疏水的压力容器。针对压缩空气罐这种压力容器，完全室内布置不符合安全规程，露天布置仅在疏水处增加保温，防冻效果不显著。建议此类设备采用半露天室内布置，将储气罐顶部安全放空管露在室外，罐体和底部疏水放置室内，且室内采暖。这样的布置既可以抗冻防寒，也符合压力容器安全规程。

（2）水管道。水管道室外布置在允许的情况下建议采取埋地布置，这样可以减少大量的保温和伴热费用；但埋地深度必须深于冻土层深度。

土在冻结时体积增大的现象称为土的冻胀。冻胀的原因有二：(a)由于土中水在变成冰时，体积增大，但这不是主要原因；(b)由于冻结过程中土中水分转移和重新分布，形成冰夹层使体积增大，这是冻胀的主要原因。土冻胀的大小，决定于当地气温、土的类别、冻前含水量与地下水位等因素，具体由地质专业根据项目的实际情况提供。管道埋地深度若浅于冻深，在底部将会产生法向冻胀力，融化时，冻胀力又会消失，如此反复会产生应力，损坏管道。因此，在寒冷地区，埋地管道的深度必须要深于冻土层深度。

（3）油系统。A.油管道。如果主管道输送的介质常温下易凝结，采用保温的方法不能解决，埋地也不符合安全规程，就要铺设一条加热副管道与主管道伴行给主管道加热，以保证主管道能正常运行，这种抗冻的方式就是伴热。伴热的介质可以是蒸汽或热水、和电伴热。

由于电伴热的初步投资较高，为了降低初投资，也可选用蒸汽伴热。若被伴热管道长度超过最大允许有效伴热长度，则伴热管可终止并排入疏水阀，另提供新的供汽管，以使伴热管得到延续。伴热管道的典型设计详见图1。

3 汽、水、油、空气等系统的抗冻防寒措施

（1）蒸汽管道。蒸汽排汽管道一般需伸出厂房外对空排汽，北方电厂普遍存在排汽口附近积冰问题，尤以扩容器排汽最为严重。这是由于排汽为饱和蒸汽或湿蒸汽，蒸汽中水分含量较高，在冬季低温下，100℃的饱和蒸汽喷出来后碰到冷的墙面迅速凝结成水进而结成冰。为解决排汽管结冰问题，宜在排汽管路上增加二次扩容器或汽水分离器，尽量减少排汽中水含量，其中以二次扩容方案系统简单成熟，使用较多。在二次扩容箱顶端设置雾化喷嘴，扩容箱内部用多孔钢板分隔出一个汽水分离小室，经喷水减温后疏水自箱底排出，蒸汽经孔板进入小室进一步扩容分离，最后由小室上方排汽口排往厂房外。由此室外排出的蒸汽温度降低，排量减少，同时将室外的排汽管设置保温层，排汽口离墙面距离拉长，可避免大量蒸汽在排汽口及墙面结冰。

此外，机组启动后油系统的循环伺服也是抗冻的有效措施；油系统停止循环后需立即放空油管道，这些都可以有效预防管道结冻。

B.油罐。油罐是全厂贮存来油供机组启动和助燃的设备。在严寒地区，仅靠油罐保温还不能满足抗冻的要求，在油罐内部安装局部加热器是防寒抗冻的必要手段。

根据加热器加热介质的不同，可以分为电加热器和蒸汽加热器。如机组启动前没有其它来源的启动蒸汽，需要在其中一座油罐中安装一套电加热器，待机组启动产生辅助蒸汽后，可切换运行成本较低的蒸汽加热器。

（4）烟风系统。为了防止锅炉尾部低温腐蚀，锅炉厂会对冷风的进风温度提出一定的要求，该温度主要取决于烟气中SO2的含量对应的烟气酸露点温度。为了保证尾部烟道运行的安全性，严寒地区的冷一次风和冷二次风需安装暖风器，以保证合理的进风温度。

在布置允许的情况下，暖风器尽量采用高位水平段布置，辅助蒸汽作为暖风器汽源，从节约水量和热量的角度考虑，疏水进入疏水罐后可由疏水泵打回到除氧器回收。设计时应注意，暖风器应高位布置便于暖风器疏水进入疏水箱，疏水泵应布置比疏水箱低。

4 大截面烟风道与设备抗风设计优化

有些严寒地区的风压甚至超过海边电厂的台风工况，因此对于大型截面烟风道在严寒地区的抗风设计是非常重要也是必要的。以下总结了几点该方面的设计要点：

（1）核算支吊架强度。常规工程设计，我们仅考虑管道及运行工况下产生的荷载，但对于风荷载比较大的地区，还有必要核算支架的强度，核算支架强度的核心在于非标支架钢板之间的焊缝强度。

（2）支吊架形式的设定。大型截面烟风道抗风设计除了增大固定支架的设计强度以外，合理设置支吊架形式也是有效的手段之一。对于水平烟道，除了设置固定支架外，应尽量多设置导向支架。导向支架除了有稳固管系的作用外，还可以分摊烟风截面上的风荷载，减少单个固定支架水平方向上应力。

5 室外管道及支吊架材质选择

不同种类的钢材对应不同的适用温度，应根据介质的设计温度及环境计算温度正确选择钢种。

钢材在低温条件下存在冷脆特性，在低温条件下使用时对钢材的性能有附加要求。对于输送介质的管道来说，应按照介质的设计温度选取管道材料。而支吊架等承重结构的环境计算温度可以按气象资料确定，也可以按《采暖通风和空气调节设计规范》中规范的“冬季空气调节室外计算温度”确定，对采暖房屋内的结构可按规定提高10℃采用。

6 小结

文章针对严寒地区的气候特点，深入研究了抗风防冻的关键技术，对北方电厂的设计方面有着重要的指导意义。主要关键技术与创新点如下：

（1）针对严寒地区电厂设备室内室外布置方式进行优选，推荐锅炉主机采用紧身封闭的封闭结构，风机、启动锅炉等重要辅机采用室内布置，压缩空气储气罐等压力容器采用半露天布置，这些措施不仅减少了大量保温材料，且达到了有效显著的防风抗冻效果，检修和人员作业的环境也大大改善。

（2）汽、水、油、空气等系统的抗冻防寒措施。寒冷地区的电厂应关注连续排汽在侧墙积冰问题，排汽口应远离墙面且设置保温，排汽前尽量扩容减温；水管道采用室外埋地，并深于冻土层；油罐及油管道均采用伴热措施，并且保证油循环伺服；冷风道安装暖风器，保证安全合理的进风温度，避免空预器低温腐蚀及堵灰。对于管架上布置水或者蒸汽管道，均应设置放水点，长期不用时，应将管内介质排干净。

（3）大截面烟风道与设备抗风设计优化支吊架设计除考虑管道荷载计算，应对风载进行焊缝强度校核；优化支架形式，多设导向支架分摊固定支架处的风荷载应力。

（4）室外管道及支吊架材质选择。管道和支吊架均综合考虑介质和环境温度的影响，选取管道材料。