经过近年来的快速发展，直接空冷机组已成为 山西、内蒙古等富煤缺水地区新建火力发电厂的主 力机型，单机容量已发展到1000 MW。我国北方地 区冬季寒冷，加之空冷散热器露天布置，机组冬季 运行时空冷散热器被冻事件时有发生。空冷散热 器许多部件为进口部件，冻害造成的设备损坏及停 机事故会给电厂带来很大的经济损失^[1]，因此开展 直接空冷凝汽器防冻技术研究工作，对保障直接空 冷机组的安全经济运行具有重要意义。

直接空冷凝汽器通过管外空气和管内蒸汽的 强制对流换热，实现冷凝管内蒸汽的目的。目前直 接空冷机组监测的运行参数主要有排汽压力、排汽 温度、抽汽温度、凝结水温度等（均为蒸汽侧参数）， 而对进、出口空气温度（即空气侧参数）几乎不作任 何监测^{[2, 3]}。根据传热学理论，换热平衡时管内蒸汽 的凝结放热量与管外空气的吸热量相等，因此通过测量空冷凝汽器空气侧参数，可以探知蒸汽侧的运 行状况，达到监视空冷系统运行状态的目的。尤其 在寒冷季节，监测直接空冷凝汽器空气侧温度场对 空冷系统防冻、指导运行操作具有十分重要的意 义。

我国北方高海拔地区冬季寒冷，空冷岛经常出 现管束过冷现象，如果调整不及时会因管束冻结而 导致设备损坏事故。严寒期，运行人员需要不断进 行巡视、手动测量散热器温度，巡检工作量大、工作 环境恶劣，空冷凝汽器的冬季防冻任务十分艰巨。

由于直接空冷系统非常庞大，要想全面测量散 热器进、出口空气温度，可能需要数千个测点，且采 用传统的测温元件（热电偶或热电阻）成本会非常 高，因此目前的直接空冷系统设计方案中均没有考 虑对空气温度进行测量。本文介绍的基于现场总 线技术的空冷凝汽器温度场在线监测系统，可以实 现实时监测进、出口空气温度的目的，是对传统直 接空冷系统设计缺陷的有益补充。

直接空冷凝汽器温度场在线监测系统利用特 制的测温电缆测量空冷凝汽器管束进、出口空气温 度。测温电缆内置的智能温度传感器将采集到的 数据实时传送到前置器，经过信号转换后利用现场 总线技术上传到上位机或DCS；利用测得的空冷凝 汽器各管束进、出口空气温度数据建立直接空冷凝 汽器A形冷却单元实时温度场；上位机或DCS对实 时温度场数据进行整理和分析，制订最优的防冻保 护措施或方案^[4]。

直接空冷凝汽器温度场在线监测系统主要包 括温度测点、数据采集器、专用线缆、监测主机等， 系统构成示意图如图 1[4]。

图 1(Figure 1)

图 1 直接空冷凝汽器温度场在线监测系统构成示意图

空冷凝汽器管束有单排管、双排管和3排管3 种结构型式，因各管型结构的流动特性不同，冻结 机理也不同。单排管结构在电厂应用较多，因此下 面只以单排管空冷管束为例进行分析。

单排管截面结构及汽水分布情况如图 2。

图 2(Figure 2)

图 2 单排管截面结构及汽水分布示意图

顺流管束内汽、水流动状态示意图如图 3 所 示。顺流管束内蒸汽和凝结水同时向下流动，沿着 流程蒸汽越来越少而凝结水不断增多。冬季热负 荷减少、环境温度较低时，由于空气的冷却能力较 强，进入顺流管束的蒸汽有可能在上半程就已凝结 完毕，顺流管束下端全部是凝结水，在空气冷却下 容易出现过冷情况，严重时就会发生冻结^{[2, 3]}。

图 3(Figure 3)

图 3 顺流管束内汽、水流动状态

图 4为逆流管束内汽、水流动状态示意图。逆 流管束内，蒸汽从下端进入散热管自下而上流动， 而凝结水则从上向下流动。蒸汽和凝结水反向流 动使得蒸汽可以不断向凝结水传热，所以逆流管束 下端不易出现过冷。即使逆流管束内的蒸汽在散 热管下半部分就已凝结完毕，但因管束的上半部分 没有蒸汽或凝结水，所以也不易出现过冷，因此，逆 流管束内不易结冰^[2]。但如果不凝结气体中带有蒸 汽，逆流管束上端会出现絮状结冰（即雪花状结冰） 情况。絮状结冰严重时也会造成管束堵塞，需通过 逆流风机反转回暖进行融化，通常空冷系统设计时 均考虑了该防冻措施。

图 4(Figure 4)

图 4 逆流管束内汽、水流动状态

综上所述，由于顺流 管束的下端比逆流管束更 容易结冰，因此顺流管束 下端应是重点监测部位； 在顺流管束下部布置测点 是非常必要的，能够实现 监测最容易冻结部位、防 止管束冻结的目的。

直接空冷系统蒸汽先 进入顺流管束（K）而后进 入逆流管束（D）的设计方 式称为顺逆流结构（即K/ D 结构）。采用K/D 结构 是冬季防冻的需要，K 与 D的面积比是根据不同的 防冻要求而选择的，一般 环境温度越低的地区逆流 管束占比越大。逆流区面积大时冬季防冻能力强， 但因流动阻力大不利于降低机组夏季背压。

机组负荷减小或环境温度降低时逆流区的蒸 汽量会迅速减少，负荷或环境温度降低到一定程度 时，顺流管束0 ℃以下区域会迅速蔓延到管束下 部。由于顺流管束下端蒸汽已完全凝结，管束的下 半部分完全由流动的凝结水构成，极易产生过冷。 因截面上半部分少量的蒸汽不足以对凝结水进行 加热，所以较小的逆流面积会使得逆流区的防冻调 节能力变弱，使得顺流管束下端的防冻任务变得十 分艰巨。国产300 MW机组逆流面积占总面积之比 一般选择为16%～24%（供热机组选择较大数值）。

图 5为某电厂1号直接空冷机组冬季低温时， 第1列各冷却单元的温度分布监测画面。

图 5(Figure 5)

图 5 第1列各冷却单元的温度分布监测画面

从图 5可知，即使逆流管束下端温度较高、仍有 蒸汽时，部分顺流管束下端已经没有蒸汽了（温度 显示为0 ℃以下），这是因为逆流区汇集了所有顺流 管束中未凝结的蒸汽，而顺流下端局部出现低温并 不能说明逆流下端一定没有蒸汽。由于逆流下端 仍然汇集了部分顺流管束剩余的蒸汽，所以仅仅监 测逆流管束的状态，并不能代表顺流管束下部的状 态，即逆流管束下部即使有蒸汽，也不能说明顺流 管束下部就一定都有蒸汽。因此，仅在逆流区布置温度测点是不够的，顺流区同样应该布置监测测 点。

根据上述对冻结机理的分析，考虑到逆流管束 和顺流管束内流体的流动状况，制订了主要在A形 冷却单元外侧上、下部位布置温度测点的设计方 案。分析已发生过的冻结故障案例，发现空冷管束 结冰现象往往只发生在个别管束上，所以温度监测 测点应保证一定数量、密度，并尽量覆盖到所有管 束，保证容易结冰的区域都能被准确地监测到。下 面以某300 MW机组直接空冷凝汽器温度监测设计 方案为例进行说明。

所有A形散热器每个侧面下部距离管束下端约 1.2 m 处布置1 排温度测点，每个测点横向间隔 0.75～1.12 m；在该排温度测点上方5 m处布置第2 排测点，如图 6所示。

图 6(Figure 6)

图 6 温度测点布置示意图

300 MW机组A形散热器总长约56 m，每列A形 散热器单侧面由25片管束组成（4片逆流管束，21 片顺流管束），每片管束平均宽2.24 m。测点间隔按 照0.75-1.12 m布置即可保证每片管束横向分配2-3 个测点，这样每列A形冷却单元1排温度测点数量 可达50-75个。单侧面共布置2排测点，因此单侧 面测点数可达100-150个，300 MW机组共有6列A 形散热器，则每台机组测点总数为1200-1800个。

专用监测线缆固定于空冷散热器的表面。安 装配件（如图 7a所示）采用厚铝合金板冲压成型后， 固定于翅片管的翅片上，然后再用卡件（如图 7b所 示）将监测专用线缆固定于配件上。安装配件与专 用监测线缆均能承受喷水装置冲洗时的高压水冲 击。

图 7(Figure 7)

图 7 安装配件结构与卡件外形

每列A形散热器使用2-4台采集器，每台300 MW机组共需12-24台采集器，均集中布置在1个采 集器箱内。采集器箱安装在A形散热器端部挡风墙 一侧，直接固定在挡风墙上或用支架固定在地板 上。采集器箱采用不锈钢制作，采集器箱内的每台 采集器均配有双层防护壳体，满足IP66防水、防尘 等级要求。

A形散热器至采集器的线缆用金属包塑软管、 电缆槽盒等穿线，采集器与采集器之间利用已有的 电缆槽盒穿线。采集器的数据线缆利用空冷岛的 电缆竖井引到0 m后，接入至电子间或主控室的监 控主机。

监测系统包括主机、采集器、信号线、电源及电 源线等。

空冷岛平台需提供220 V电源，经转换模块转 换成安全电源（24 V）即可向采集器供电。主控计算 机可以安置在电子间，所有温度数据可以通过 RS485接口送至DCS中（也可将主控计算机直接安 置于主控室控制台，温度数据不进入DCS）。系统 除具有实时显示、历史趋势显示及数据存储功能 外，还可以实现以下功能：

（1） 分别用不同颜色显示管束0 ℃以下、低温 和正常温度区域，供运行人员判断死区位置；

（2） 可以计算顺流区死区百分比和逆流区充 满度等。

直接空冷凝汽器管束温度场在线监测系统已 在国内多个电厂成功投入运行，经过长时间的检验 证明该系统防冻效果显著^[4]，可以实现以下设计目 标：

（1） 冬季运行时，运行人员在集控室就可以随 时掌握空冷系统的运行状态，了解空冷散热器所处 的环境状况，为防冻措施的制订提供可靠依据。

（2） 根据监测到的空冷温度场实时数据（即空 冷凝汽器进、出口空气温度），可以预判任何1组空 冷散热器可能发生的冻结故障，或某组散热器有可 能发生冻结的部位，便于及时采取相应的防冻措 施。

（3） 设备管理、维护人员能及时掌握空冷系统 的运行状态，为冬季防冻工作提供有效指导。

（4） 虽然该项技术还处于起步阶段，但伴随着 直接空冷技术的发展，直接空冷凝汽器管束温度场 在线监测系统还可以扩展出更多的功能，对空冷系 统的安全稳定与经济运行起到更大的帮助作用。