两机一塔间冷系统设计和运行

高运 于萌萌 袁龙

摘要：以某项目2×350 MW机组两机一塔间冷系统为例，对两台机组联合运行中的循环水系统单元制运行及循环水系统母管制运行进行了分析，提出了机组在夏季运行、冬季防冻运行中需要注意的事项，为汽轮机房两机一塔间冷系统的设计及运行管理提供了参考。

关键词：间接空冷;两机一塔;单元制运行;母管制运行

1 系统描述

汽轮机排汽通过汽轮机房内表面式凝汽器与循环冷却水进行热交换，冷凝成凝结水。循环水通过管道进入自然通风冷却塔的空冷散热器进行散热冷却。两台机组共用一座自然通风间冷塔，间接空冷系统的冷却三角垂直布置在空冷塔进风口的圆周上。

本文以某项目2×350 MW机组两机一塔间冷系统为例进行分析，全塔空冷散热器一般分为12个扇区，每台机组6个扇区。两台机组扇区采用间隔布置型式，以保证空冷塔内的流场和温度场均匀。两台机组循环水系统采用扩大单元制运行，循环水泵位于循环水热水侧。每台机组配备2×50%容量的循環水泵、1条循环水供水管道、1条循环水回水管道。

2 两台机组的联合运行

2.1    循环水系统单元制运行

当两台机组循环水系统处于单元制运行时，如果两台机组处于同等负荷和同等循环水流量下，两台机组的水温一致，空冷塔的自然抽力和通过空冷散热器的空气量也会相近。

如果两台机组的负荷不同，例如1号机组的负荷低于2号机组，则2号机组的水温及空冷散热器出口的空气温度会高于1号机组。两种不同温度和密度的空气在塔内混合，混合后的空气密度会低于2号机组空冷器出口的空气密度。对于2号机组而言，空冷塔总的抽力和性能也会相应下降，这对于处于高负荷运行的2号机组是不利的（1号机组性能会因此得到提高）。

理论上，减小1号机组百叶窗开度，提高1号机组水温和出口空气温度（降低1号机组性能）可以保持2号机组的性能不降低。极限状况下，1号机组停运，1号机组百叶窗全部关闭。此时，空冷塔总空气流量下降，塔各部分阻力及出口余速损失降低，空冷塔性能和2号机组的性能会因此得到提高。

2.2    循环水系统母管制运行

当两台机组循环水系统的热水和冷水母管上设置有联络管道及联络门时，打开循环水母管之间的联络门，两台机组循环水系统可以实现公用制运行，即母管制运行。

当两台机组循环水系统处于母管制运行时，在两台机组管道阻力特性和循环泵流量相似的条件下，无论两台机组的排汽热负荷是否一样，联络管两侧压差都很小，联络管中的流量会很小（两台机组的循环水基本没有混合），对降低高负荷机组背压作用不大。因此，两台机组是否采用母管制运行应视情况而定，夏季工况循环水系统推荐采用单元制运行模式。

当两台机组循环泵流量不同时，如果打开机组间联络阀门，情况会发生变化。假设1号机组循环泵转速降低，2号机组循环泵组仍然保持高转速。在新的系统阻力平衡点上，总的水量下降，2号机组泵组的流量会增加。2号机组泵组出口循环水通过热水联络管流向1号机组循环水管道，再通过冷水母管联络管分流至两台机组凝汽器。由此，两台机组的循环水发生混合，水温也将混合。两台机组空冷散热器的散热性能会发生变化，这种变化量的多少取决于有多少水会相互混合。

当夏季仅单台机组运行时，主机循环水系统采用母管制运行可实现一机带全塔全部扇区运行，可以将运行机组背压降低8 kPa以上，对于夏季运行机组的经济运行意义重大。

循环水母管制运行时，需要注意在联络门打开过程中，两台机组联络管两端的压力差会使其中一台机组的循环水流向另外一台机组，出现一台机组膨胀水箱水位瞬间降低到跳机低水位，而另外一台机组膨胀水箱出现水位高溢水的现象。为避免这种现象的发生，两台机组膨胀水箱间应设置有足够尺寸的联络管道及联络门。循环水母管联络门打开前应先打开膨胀水箱之间的联络门，用以平衡两台机组循环水系统的静压[1]。

3 机组的夏季运行

当机组运行在环境空气温度≥4 ℃条件下时，我们认为机组处于夏季运行工况。

3.1    夏季运行注意事项

机组夏季运行，特别是高温季节运行，保负荷是核心目标。机组在夏季运行工况下，百叶窗全开，循环水应全流量通过空冷塔。两台机组应尽可能处于相近负荷下运行。如果两台机组负荷相差较大，从经济运行角度来看，可考虑采用一台机组停用，另一台机组带全塔扇区运行的方式[2]。

机组应在夏季高温季节来临之前进行充分清洗。在夏季高温季节，采用喷雾降温系统可以提高空冷塔性能。但由于耗水量巨大，且由于空气降温后会降低自然通风空冷塔的抽力和性能，因此喷雾系统不宜使用在自然通风空冷塔上[3]。

3.2    机组非高温季节运行工况分析

以某两机一塔项目为例，在不同负荷条件下，对百叶窗全开维持空冷塔出水温度在20 ℃的最低环境温度进行计算，机组非高温季节运行工况如表1所示。空冷塔出水温度在20 ℃可以保证机组运行在最低的阻塞背压工况下。

由表1可知：

（1）在工况1阻塞背压工况条件下，冷却塔进口水温与出口水温分别为30.6 ℃与20.0 ℃，假设此时凝汽器端差为5 ℃，则对应的热水温度约为32 ℃，与2.2 ℃环境气温下百叶窗全开所对应的最低热水温度已经非常接近。结合冬季防冻水温，机组能运行在阻塞背压下的温度区间非常小[4]。

（2）工况1至工况4为全部扇区投运，循环水全流量通过空冷塔的工况。从工况1到工况4机组随着机组排汽热负荷降低，百叶窗全开对应的最低气温依次升高。因此在低负荷下，可以不关闭百叶窗，通过降低循环泵流量的方式来控制水温。在这种条件下，可以通过水泵降速达到节约厂用电的目的。

（3）采用大功率变频调速循环水泵将会增加泵组投资，因此间冷机组推荐采用双速循环水泵，基本可以满足各种工况要求。

4 机组冬季防冻运行

当机组运行在环境空气温度<4 ℃条件下时，我们认为机组处于冬季运行工况。

对于汽轮机带冬季采暖抽汽的机组，采暖季机组排汽热负荷会急速降低，冬季防冻问题成为影响机组安全运行的重要问题。

在讨论机组冬季防冻问题之前首先需要了解管束冻伤机理。冬季百叶窗开度减小，塔进风量降低，空气温升非常大，塔内散热器附近的负压将会数倍于百叶窗全开工况。换热后的热空气不能像夏季运行那样充满整个塔的截面，而是沿塔壁面向上流动，在塔壁面形成一个热空气薄层。而冷空气则从塔顶向下流进塔内部，冷热空气在塔内部形成循環。当这个流场处于均匀而稳定状态时，间冷散热器被热空气层包裹保护，不会发生冻伤现象。但一旦流场被破坏，冷空气抵达塔底部散热器附近，散热器就会被冻伤。因此，维持塔内流场均匀，对于间冷散热器的防冻有着重要意义。

（1）可靠的控制系统是间冷散热器防冻的最有效保证。采用调节型百叶窗执行机构，百叶窗开度通过DCS控制系统可实现与扇区出水温度自动调节。根据实际运行经验，当环境气温不低于-10 ℃时，建议扇区出水温度为30 ℃;当环境气温低于-10 ℃时，建议扇区出水温度为35 ℃;当扇区出水水温低于18 ℃时，自动启动扇区排水保护程序，扇区退出运行。

（2）百叶窗控制以扇区为单位，每个扇区的全部百叶窗统一开度，防止因空气温度不均匀造成局部气流紊乱，增大局部过冷风险。

（3）当项目设置有换热管壁温防冻监测系统时，可适当降低扇区出水温度。当环境气温不低于-10 ℃时，建议扇区出水温度不低于28 ℃;当环境气温低于-10 ℃时，建议扇区出水温度不低于32 ℃。

（4）对于两机一塔间冷系统，当两台机组采用负荷接近的单元制运行或采用母管制运行时，塔内空气流场会更加稳定，有利于提高机组的整体防冻性能。

（5）当非全部扇区投运时，两台机组扇区应采用间隔均分投运方式，以维持塔内温度场均匀稳定。

（6）机组在低负荷下或冬季运行时，允许循环水系统低流量运行。应采用不少于两台循环水泵低速运行或采用非全部循环水泵投运的母管制运行，在降低厂用电的同时，可以确保当有循环水泵出现故障停机时不会导致机组跳机。

（7）合格的循环水水质对机组冬季防冻有着重要意义。当有杂物堵塞换热管时，低温下换热管内不流动的死水在数分钟内就会开始结冰，最终导致爆管。机组投运前的循环水管道冲洗和清扫，对于保护空冷散热器意义重大。对于两机一塔机组，常规设计为两机共用地下水箱，但由于两台机组并不是同时投运，为防止后投运机组管道冲洗后的脏水混入已投运机组循环水系统，在后续项目中我们采用了每台机组各设置一组地下水箱的方式，两组地下水箱还设置有电动联络阀，可以通过充水泵将一台机组地下水箱中的多余水输送至另外一台机组水箱中，达到节水目的。

5 结语

两机一塔间冷系统应用广泛，随着科学技术的不断发展，两机一塔间冷系统设计也得到了极大创新。两台机组循环水系统采用扩大单元制运行具有良好的效果。机组在运行期间需要注意夏季高温与冬季低温对机组运行造成损害。两机一塔间冷系统的设计和运行研究，对于确保系统可靠运行，促进相关行业发展具有重要意义。

[参考文献]

[1] 郝学明.表面式间冷技术的应用及两机一塔运行措施[J].山东工业技术，2017（14）：22.

[2] 文精卫，李文斌.造纸厂电气间冷却塔供冷系统设计计算[J].煤气与热力，2017，37（2）：27-30.

[3] 薛海君，王永新，江翰，等.风向对半塔运行间冷散热器性能影响的数值研究[J].华北电力技术，2017（1）：45-49.

[4] 李林达，洪晓涵，陈胜朋，等.“闭式冷却塔+磁悬浮冷水机组”用于数据中心空调系统的节能设计[J].制冷与空调，2017（8）：63-67.

收稿日期：2020-05-06

作者简介：高运（1970—），女，北京人，硕士，高级工程师，研究方向：间接空冷。