0 引言

在我国西北地区，由于季节变化明显、昼夜温差大、冬季环境温度偏低等因素，使得直接空冷机组的空冷凝汽器极易发生冻结，尤其是机组在低负荷下运行时或启停过程中，如果空冷凝汽器进汽量小于冬季最小防冻流量，会导致空冷凝汽器大面积冻结^[1-5]。本文对红外成像技术探测获得的直接空冷凝汽器冷却单元的低温区的成因进行分析，并据此设计一种空冷凝汽器防冻卷帘，解决现行空冷凝汽器防冻技术存在的弊端。

1 空冷凝汽器运行中的低温区及其成因

文献[6]利用红外成像技术对运行中的A形空冷凝汽器（以下简称空冷凝汽器）不同部位的壁温进行了探测。结果显示，空冷凝汽器顺流区下部壁温高于上部壁温，最易发生冻结的部位是空冷凝汽器顺流区的上部散热翅片和末端散热翅片及逆流区的上部散热翅片。

分析发现，造成空冷凝汽器顺流区下部壁温高于上部壁温的原因是空冷凝汽器冷却单元内换热风场不均匀。在空冷凝汽器冷却单元内，大直径通风风机送入的冷却空气的风场并不均匀，风机叶片边缘出风速度最快，出风量最大，风机中心部位几乎不出风，风机送出的冷却风风向与风机运转方向相同且旋转上升。这样造成冷却空气不是垂直流过而是切向流过空冷凝汽器散热翅片的内表面，且沿管长方向迎风面风速也不同，流经散热翅片至空冷凝汽器外的冷却空气很少，大部分冷却空气随螺旋上升的空气场到达空冷凝汽器上部，经散热翅片空气通道散入大气，因此空冷凝汽器上部的冷却风量远大于其下部冷却风量，造成空冷凝汽器下部壁温高于上部壁温。所以不能由于空冷凝汽器顺流区上部散热翅片中流过的是干饱和蒸汽，下部散热翅片中流过的是饱和蒸汽与凝结水的混合物，而误认为其上部壁温高于下部壁温。

至于空冷凝汽器末端壁温低的现象，是因为空冷凝汽器末端冷却单元分配的蒸汽量小，且空冷风机入口受集群效应影响较小，冷却单元效率较高，所以其壁温较低。

2 空冷凝汽器防冻技术存在的弊端 2.1 生产厂家配置的防冻保护措施

空冷凝汽器生产厂家配置的凝结水过冷防冻保护、抽空气过冷防冻保护、空冷逆流管束回暖防冻保护及运行等级切换等防冻保护措施，在机组负荷较高、环境温度高于-20 ℃时实施效果较明显。但在机组低负荷、机组启停或环境温度低于-20 ℃时，效果并不好。因空冷凝汽器布置在40多米的高空，冷却单元内存在虹吸效应，即使停运所有空冷风机，散热翅片仍会发生较严重的冻结现象。另外，在空冷凝汽器运行等级的切换过程中，切除冷却单元时，若隔离阀内漏，也会造成未完全隔离的冷却单元发生严重冻结。空冷凝汽器散热翅片冻结后，即使启动空冷风机反转回暖程序，反转的空冷风机只能消除部分由虹吸效应产生的上升气流，因此解冻过程非常缓慢，给空冷凝汽器的安全运行带来较大隐患。

2.2 空冷凝汽器常规防冻技术

许多电厂在空冷凝汽器发生冻结后，普遍采用帆布封堵空冷风机入口的方法为空冷凝汽器解冻。该方法的优点是消除了空冷风机停运后冷空气因高度差在冷却单元内形成虹吸效应对散热翅片继续冷却的问题，使得空冷凝汽器解冻速度加快，且解冻范围大，解冻彻底，效果明显。但该方法也存在需对空冷风机进行停电操作、有高空坠落风险及封堵缓慢（每台空冷风机的封堵作业从开始到结束至少需要60 min）、空冷凝汽器对环境因素的响应速度慢等诸多弊端。

3 空冷凝汽器防冻卷帘的研制

受帆布封堵空冷风机入口方法的启发，经长期论证和试验，研究设计了直接空冷凝汽器防冻卷帘（以下简称防冻卷帘）^[7]，目的是当空冷凝汽器发生冻结时加快其解冻速度，同时有效消除用帆布封堵空冷风机入口存在的弊端。

3.1 工作原理

防冻卷帘的工作原理是隔绝空冷凝汽器冷却单元的冷却介质，利用进入空冷凝汽器的乏汽热量解冻已发生冻结的区域。防冻卷帘借鉴了普通商用卷闸门的工作原理，不同的是卷闸门为垂直开关，而防冻卷帘是水平开关。另外防冻卷帘增设相关配件，可防止其落入空冷风机风筒内对空冷风机的正常运行造成影响。

3.2 结构

防冻卷帘主要包括卷帘主体、电动机、导向轨道、支撑轨道等部分。防冻卷帘的结构示意图如图 1所示，局部示意图如图 2、图 3所示。

3.2.1 卷帘主体

卷帘主体是防冻卷帘装置的主要部分，采用不锈钢材料制作，具有较好的抗腐蚀和抗变形性能。卷帘主体端部留有半圆形风机轴承预留孔，防止卷帘关闭后对风机轴承造成损伤，同时保证空冷风机除轴承外的风筒部分完全封堵。

3.2.2 电动机

电动机是防冻卷帘的驱动装置，选用双向旋转电动机，以控制防冻卷帘的打开与关闭，并将其控制回路接入DCS系统中，实现防冻卷帘的远程控制。对于有空冷喷淋系统的冷却单元，最好选用防水性能较好的电动机，以减少故障率。

3.2.3 导向轨道

导向轨道的作用是保证卷帘主体的打开与关闭沿着设计的方向进行。轨道内侧并排安装多个橡皮滚轮，使卷帘的打开与关闭更为灵活，延长装置的使用寿命；在轨道两端及中间位置分别安装限位器，当卷帘开关到位时，向操作人员发送开关到位信号，同时停运电动机。

3.2.4 支撑轨道

支撑轨道的作用是为卷帘主体的中间部位提供下侧支撑，防止卷帘落入空冷风机风筒内。在支撑轨道上侧也并排安装多个橡皮滚轮，便于卷帘的打开与关闭。

3.2.5 卷帘护罩及其他设备结构

卷帘护罩是为卷帘及其内部的卷帘轴提供外部防护，起防水防尘作用。其他设备结构与商用卷闸门相似。

3.3 安装位置及功能

防冻卷帘安装在空冷风机风筒平台上（如图 4所示）。沿空冷凝汽器散热翅片两侧安装导向轨道，在空冷风机风筒平台的另外两侧安装卷帘主体及电动机，将电动机的控制回路接入DCS系统中，实现防冻卷帘的远程操作。当空冷凝汽器的某一冷却单元发生冻结时，远程停运该冷却单元的空冷风机，并关闭防冻卷帘，从而实现对该冷却单元空冷风机风筒的封堵操作，达到防冻、解冻的目的。在环境温度、风向、风速及负荷等工况变化、需要增加空冷风机运行数量时，可远程打开处于关闭状态的防冻卷帘，使空冷风机快速启动，以达到迅速增加空冷风机运行数量、提高机组真空的目的。也可增设空冷凝汽器壁温分布监控系统，并将防冻卷帘的开关及空冷风机的启停控制回路接入该系统，或加入空冷凝汽器的防冻逻辑中，从而实现空冷凝汽器防冻、空冷风机启停及防冻卷帘开关等操作的自动化。

因空冷风机位于风筒的中央，且装有电动机、变速箱及传动轴承等设备，因此防冻卷帘必须从两侧安装，其开关操作也从两侧同时进行。

3.4 特点

防冻卷帘不仅消除了因空冷凝汽器高度差而产生的虹吸效应，达到快速、彻底解冻的目的，而且有效规避了用帆布封堵空冷风机入口存在的弊端。

（1）防冻卷帘的开启与关闭无需对空冷风机进行停电操作，也无需工作人员进入空冷风机风筒内作业，在降低工作人员劳动操作强度的同时，大大缩短了作业时间，而且消除了工作人员发生高空坠落等人身伤害事故的风险。

（2）防冻卷帘控制的远程化、自动化，有效缩短了封堵作业和空冷凝汽器解冻的时间，缩短了空冷凝汽器对环境温度、风向、风速及机组负荷等工况变化的响应时间，不仅提高了防冻措施实施的灵活性，而且提高了空冷凝汽器冷却单元对机组工况变化的应对能力。

4 效果测试

为了进一步验证防冻卷帘的解冻效果，在某100 MW直接空冷汽轮机的空冷凝汽器上进行了测试。此次测试，没有按照设计原型制造防冻卷帘，选用2个废旧的卷闸门，也未制作专用的导向轨道，而是在空冷凝汽器的1个逆流冷却单元内搭建临时的支撑轨道进行测试。

测试时机组负荷为50%额定负荷，环境温度为-27 ℃，风速为0.7 m/s。DCS画面显示，进行测试的空冷凝汽器抽空气温度由47 ℃缓慢降至35 ℃，初步判断该冷却单元的散热翅片发生冻结。现场测温证实该冷却单元的中上部发生大面积冻结。立即远方停运该冷却单元的空冷风机，手动关闭防冻卷帘。对该冷却单元的抽空气温度和散热翅片壁温进行监视。8 min后，该冷却单元的抽空气温度开始回升，且上升速度较快，发生冻结的散热翅片壁温开始回升，冻结面积明显缩小。又经2 min后该冷却单元的抽空气温度回升至48 ℃，打开防冻卷帘，启动空冷风机运行。

此次测试，从空冷凝汽器发生冻结至完全解冻，共用时16 min，防冻卷帘的关闭与开启用时为6 min左右，在10 min内完成了对空冷凝汽器冻结区域的解冻。

测试结果证实了防冻卷帘的优越性，如果按照设计原型制造防冻卷帘，实现远程化、自动化控制，则其开启和关闭的时间可进一步缩短。

5 结束语

本文研制的直接空冷凝汽器防冻卷帘在降低工作人员劳动强度、缩短空冷凝汽器冻结区域的解冻时间、提高直接空冷机组的安全性等方面具有明显优势，为我国北方地区直接空冷机组冬季防冻问题提供了解决办法，值得推广应用。