上海交通大学
硕士学位论文
直接空冷机组的防冻分析及研究
姓名：黄家运
申请学位级别：硕士
专业：热能工程
指导教师：张丁旺;林磊
20090501
直接空冷机组的防冻分析及研究
摘要
随着电力行业的迅速发展和火力发电厂大容量高参数汽轮机的增加，超临界甚至超超临界机组得到广泛应用，由此产生的水资源问题日益严重。我国是一个严重缺水的国家，水资源短缺已经成为制约经济社会发展的主要因素。因此，直接空冷机组由于其显著的节水效果，得到了迅速的发展，特别是在我国部分“富煤缺水”地区。
论文在比较直接空冷和间接空冷两种技术特点及应用情况的基础上，较详细地介绍了直接空冷机组的热力系统和主要设备。通过分析和研究，总结出空冷凝汽器冬季冻结的原因，为进一步研究直接空冷机组的防冻问题提供了理论依据和技术准备。
论文重点针对直接空冷凝汽器在冬季启动、停机过程以及低负荷运行阶段突出存在的冻结问题，进行分析和研究，结合调研和部分实测数据，提出在设计和运行上防止直接空冷凝汽器冻结的措施。
分析表明，发展直接空冷机组符合我国水资源短缺的国情，解决直接空冷机组冻结问题为其技术难点之一。论文作者以理论为依据，联系工作实际，对直接空冷机组的防冻措施在设计和运行上提出了自己的观点。文中提出的相关措施具有系统性、条理性、可操作性和创新性的特点，为直接空冷机组的发展提供了一定技术保障。
关键词：直接空冷机组，防冻，分析与研究，设计
THE ANALYSIS AND RESEARCH OF PREVENTING FREEZING ON THE DIRECT AIR-COOLING UNIT
ABSTRACT
Along with the rapid development of power industry and the increase of large-capacity and high-parameter turbines used in power plants, super-critical, even ultra-super-critical units are being put into a very wide use, as a consequence, the water resource problem rising therefrom is becoming increasingly serious. In China, the shortage of water resource is already a main factor restricting the economic and social development. For this reason, benefiting from its outstanding water-saving effect, the direct air-cooling unit is being developed very fast, especially in the areas abound in coal but short of water.
The article firstly elaborates the two techniques, direct air-cooling and indirect air-cooling, summarizes and compares their respective features, then particularly introduces the development and practical application of direct air-cooling technique in China.Thereafter, the article interprets the thermal system and major equipments of direct air-cooling unit. Through analysis and research, the article makes a summary about the causes for congealment of air-cooling condenser in winter, in preparation for the future research of anti-freezing measures.
The article attaches much importance to study the congealment problems existing in the start-up, break-off and low-load running of direct air-cooling condenser in winter. In the light of investigation and surveying data, the article also brings up the measures for anti-freezing of direct air-cooling condenser from the point of view of design and actual functioning.
In conclusion, to constructively develop the direct air-cooling unit fits in the actual conditions of water resource shortage in China. Being workers in power industry, it is our responsibility to ensure the sustained development of direct air-cooling technique and the secured functioning of air-cooling unit, in which, how to solve congealment problem is a key point. By means of combining theory with practice, the author expounds personal viewpoints of anti-freezing measures for direct air-cooling unit. The measures mentioned tally with the demands of national power industry development, with characteristics of systematicness, good reasoning, operationalism and originality.
KEY WORDS：direct air-cooling unit, anti-freezing, analysis and research，design
上海交通大学
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学位论文作者签名：黄家运
日期： 2009年 5 月 20 日
上海交通大学
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学位论文作者签名：黄家运指导教师签名：张丁旺日期：2009 年5月20日日期：2009年5月20日
第一章绪论
1.1 空冷技术的概述
空冷技术作为一种新型的机组冷却技术，在世界各国日益受到重视和应用。采用空冷系统的最大优点是大量节约了水资源，特别适合用在干旱缺水地区，因此，近年来空冷机组在我国北方富矿缺水的地区得到广泛应用。
空冷系统也称为干式冷却系统，它与常规湿式冷却方式（简称湿冷系统）的主要区别是，汽轮机排汽(直冷方式)或受热后的冷却水(间冷方式)通过散热器与空气进行热交换，避免了循环冷却水在湿塔中直接与空气接触所带来的蒸发、风吹损失以及开式循环的排污损失。目前一般采用的空冷系统有两种，一种为直接空冷系统，另一种为间接空冷系统，其中间接空冷系统又分为混凝式间接空冷系统和表凝式间接空冷系统。直接空冷系统多采用机械通风方式，20世纪90年代以来，比利时哈蒙-鲁姆斯公司提出了采用自然通风。而两种间接空冷多采用自然通风。
现将两种系统三种工艺的空冷型式各自特点做如下介绍：
1.1.1 直接空冷系统
直接空冷系统就是将汽轮机排出的乏汽，通过排汽装置由管道引入称之为空冷凝汽器的散热器中，空冷凝汽器下侧的轴流风机输送空气流过散热器表面，将排汽凝结成水，流入凝结水箱，其后的工作流程和水冷系统相同。
直接空冷机组的原则性汽水系统如图1所示。应指出的是：空冷凝汽器分主凝器和分凝器两部分。主凝器设计成汽水顺流式，又称顺流凝汽器，形成凝汽器主体；分凝器设计成汽水逆流式，又称逆流凝汽器，构成抽空气区。抽真空系统是直接空冷的关键。空冷凝汽器的所有组件和排汽管应采用两层焊接结构。中小型机组可直接在汽机房顶布置空冷凝汽器，大型机组通常将凝汽器布置在紧靠汽机房A列外侧，在与主厂房平行的纵向平台上布置若干单元组，每组由多个主凝器和一个分凝器组成“人”字形排列结构，在每个单元组下部设置
一台大直径轴流风机[1]。
图1 直接空冷机组的原则性汽水系统图
1-锅炉；2-汽轮机；3-汽轮机排汽管道；4-空冷凝汽器管束；5-轴流式冷却风机；
6-凝结水箱；7-凝结水泵；8-凝结水精处理装置；9-低压加热器；10-除氧器；
11-给水泵；12-高压加热器；13-发电机
Fig1 Direct Air-cooling Unit Flow Diagram
1-Boiler；2-Turbine；3-Turbine exhaust；4-Air condenser tube；5-Cooling fan；
6-Condensate tank；7-Condensate pump；8-Concreting water system；9-LP heater；10-Deaerator；
11-Feedwater pump；12-HP heater；13-Generator
直接空冷系统的优点在于相对于间接空冷通过循环水来冷却汽轮机排汽，减少了中间冷却环节，提高了冷却效率。同时，在电厂总体规划占地方面，由于空冷凝汽器可高位布置在主厂房A排外，平台下仍可布置电气设备，相比间接空冷可使电厂整体占地面积减小。另外，由于直接空冷系统简单、设备较少，较之间接空冷，初投资较少。
同时，直接空冷系统也存在自己的缺点。由于直接空冷机组汽轮机的排汽直接由空气冷凝，汽轮机的背压会随外界温度变化而变化，在我国北方地区一年四季乃至昼夜温差较大，因此要求空冷汽轮机要有较宽的背压运行范围。同时，对于直接空冷机组，由于汽轮机排汽经过排汽装置引出，用空气作为直接冷却介质通过散热器进行表面换热，其冷凝排汽面积较大，从而导致真空系统的庞大，给系统的安装和运行维护提出较高的要求。
1.1.2 混凝式间接空冷系统
混凝式间接空冷系统又称海勒式空冷系统，其系统主要由混合式（喷射式）凝汽器、装有全铝制的福哥型冷却三角(散热器)的空冷塔、循环水泵和用以回收水能的水轮发电机等设施构成。
混凝式间接空冷机组原则性汽水系统图如图2，该冷却系统主要由混合喷射式凝汽器和装有福哥型散热器的空冷塔构成。由外表面经过防腐处理的圆形
∧形排列的散热器，称为缺口冷却三角，在缺铝管套以铝翅片的管束组成的“”
口处装上百叶窗构成一个冷却三角形。系统工艺流程为：由空冷塔经空气冷却后的低温循环冷却水，经过水轮机回收能量或截流阀减压后，进入混合式凝汽器直接与汽轮机排汽接触换热，将其冷凝，冷却水受热后，由冷却水循环泵送至空冷塔散热器中，与空气对流换热冷却后用管道再送入混合式凝汽器冷却排汽，完成一个循环。凝结水经凝结水精处理装置处理，达到锅炉用水标准后，送入汽轮机回热系统。
图2 混凝式间接空冷机组原则性汽水系统图
1-锅炉；2-汽轮机；3-喷射式凝汽器；4-凝结水泵；5-凝结水精处理装置；6-低压加热器；
7-除氧器；8-给水泵；9-高压加热器；10-冷却水循环泵；11-散热器；12-空冷塔；
13-调压水轮机；14-发电机
Fig2 Heller Indirect Air-cooling Unit Flow Diagram
1-Boiler；2-Turbine；3-Spray condenser；4- Condensate pump；5- Concreting water system；
6- LP heater；7- Deaerator；8- Feedwater pump；9-HP heater；10-cooling circulation pump；
11- Radiator；12-Air-cooling tower；13- Adjusting pressure turbine；14-Generator
混凝式间接空冷与直接空冷和表凝式间接空冷相比，由于其背压低于直接空冷，端差小于表凝式间接空冷，所以煤耗较低，全厂热效率较高。另外混凝式间接空冷机组无噪音问题。
对于混凝式间接空冷系统，汽轮机排汽在混合式凝汽中被循环冷却水冷凝成凝结水，并与循环水相混合，同时锅炉补给水也补到凝汽器中。三种水混合成为同一种品质的水，其中一小部分做为锅炉补给水，大部分经空冷塔冷却后循环使用。因其水量大，在汽水循环过程中比一般湿冷机组要接触更多的金属表面，从而增大了携带金属氧化物的机率。另外锅炉在启动过程中、长期停运而又保护不当时及运行中的负荷变化均会产生大量的金属氧化物，如不及时除去，带入锅炉后，将会在锅炉水管内形成沉积造成危害。鉴于这些原因，为了确保机组的安全稳定运行，在采用混凝式间接空冷系统时，设置凝结水精处理装置是十分必要的。由于此型式空冷系统需要空冷塔，相比直接空冷，占地面积增大。同时，由于采用混合式凝汽器，循环冷却水和凝结水相混合，对循环冷却水的水质要求高，运行不经济。
1.1.3 表凝式间接空冷系统
表凝式间接空冷系统又称哈蒙式空冷系统，其系统主要由表面式凝汽器、空冷散热器、百页窗、循环水泵、空冷塔以及充氮保护、循环水加药、系统补充水、散热器清洗等系统组成。
表凝式间接空冷机组原则性汽水系统图如图3，该系统的工艺流程为：循环水进入表面式凝汽器的水侧通过表面换热，冷却凝汽器汽侧的汽轮机排汽，受热后的循环水由循环水泵送至空冷塔，通过空冷散热器与空气进行表面换热，循环水被空气冷却后再返回凝汽器去冷却汽轮机排汽，构成了密闭循环。系统中水面以上的空间全部由氮气密封，以防止空气进入，使钢制的空冷散热器内表面不发生氧腐蚀。在空冷塔内设有高位膨胀水箱以保持系统内的压力稳定。在空冷塔底部设有贮水箱以存放因低负荷或停机时散热器内的冷却水。
图3 表凝式间接空冷机组原则性汽水系统图
1-锅炉；2-汽轮机；3-表面式凝汽器；4-凝结水泵；5-凝结水精处理装置；
6-低压加热器；7-除氧器；8-给水泵；9-高压加热器；10-冷却水循环泵；
11-散热器；12-空冷塔；13-膨胀水箱；14-发电机
Fig3 Surface Indirect Air-cooling Unit Flow Diagram
1-Boiler；2-Turbine；3-Surface condenser；4- Condensate pump；5- Concreting water system；6- LP heater；7- Deaerator；8- Feedwater pump；9-HP heater；10-Cooling circulation pump；
11- Radiator；12-Air-cooling tower；13-Storage tank ；14-Generator 表凝式间接空冷系统主要优点在于冷却水和凝结水分成两个独立系统，其水质可按各自的水质标准和要求进行处理，使系统便于操作。系统完全处于密闭状态，循环水泵扬程低，能耗少。本系统基本与湿冷系统相似，运行人员易掌握，运行操作简单。无噪音问题，对外界大风的影响不太敏感。
但同时表凝式间接空冷系统由于采用了表面式凝汽器，所以端差较高，使冷却面积相对加大，初期投资增高，另外冬季运行防冻性能稍差，循环水在冬季低温情况下会发生冻结，需要加入防冻液。
1.2 直接空冷机组的经济性
直接空冷机组系统通过排汽管道将乏汽引入空冷凝汽器中，将蒸汽进行冷却，其显著的特征是冷却效率大大提高，且采用机械通风调节较灵活。同时，由于直接空冷的设备少，系统简单，因此在电厂总体规划占地方面较少，较之间接空冷，初投资也较少。
和湿冷机组相比，由于直接空冷机组排汽压力较高，因此在热耗方面高于同级别湿冷机组，以600MW机组为例，湿冷机组的热耗值一般在7000～8000 KJ/kWh，而空冷机组一般要高于8000 KJ/kWh，如大同发电责任有限公司2×600MW机组直接空冷机组在THA工况的热耗值为8027.9 KJ/kWh。根据不完全统计，直接空冷机组的热耗一般要比湿冷机组高6%～9%。
和湿冷机组相比，直接空冷机组在厂用电率方面有所增加。因直接空冷系统所需空气由大直径的风机提供，2台600MW机组整个空冷系统需要大直径轴流风机数量在100台以上，能耗高于常规冷却系统；再加上直接空冷机组一般采用电动给水泵，也增加了厂用电量。以600MW机组为例，湿冷机组的厂用电率一般为6%左右，而直接空冷机组约为8%～9%。有关计算表明，直接空冷机组厂用电率比湿冷机组增加2.5%左右。
直接空冷机组和湿冷机组相比，最显著的优点是良好的节水性能。在水冷凝汽器发电机组中，耗水量的90%以上是在冷却塔中蒸发掉的，直接空冷凝汽器采用空气直接冷却，省去了作为中间冷却介质的水，因此采用直接空冷凝汽器的机组湿冷发电机组节水约90%。
另外空冷机组和湿冷机组的造价对比中，空冷机组要高于湿冷机组，对于冷却系统而言，湿冷投资:直接空冷投资:间接空冷投资约为2:3:5，而空冷系统部分的投资约占全厂投资的6%～9%。虽然空冷机组造价较高，但建在富矿缺水的地区，煤价较低，且将煤转化为电送出去的成本要比直接运输煤到富水地区要经济环保[3]。
表1是某些电厂直接空冷机组的技术经济指标[2]。
表1 直接空冷机组技术经济指标
电厂名称
机组
容量风机总功率
与机组额定
功率之比
平均供电
煤耗
发电装机
取水量
空冷机
组全厂
热效率
年节
水率
平均
节水量
序号
单位 MW %
g/(kW·h)m3/(s·GW)% % t/(年·台)
1 国华锦界电厂 600 1 332.6 0.146 40 80 501万
2 国电大同电厂 600 1.232 34
3 0.161 39.63 75 786万
3 内蒙古托克托电厂 600 0.8
4 352.
5 0.18 37.8 69 749万
4 鄂尔多斯电厂 600 0.73 306 0.128 40.9 84 372万
5 山西保德电厂 135 0.88 351.4 0.165 35 78 944万
在直接空冷和间接空冷的特性比较中，我们可以看出直接空冷机组占地面积、投资都小于间接空冷机组，但由于直接空冷机组需配置较多大功率风机，故厂用电率要高于间接空冷机组[4]。
在运行和检修方面，直接空冷系统相对简单，运行操作也比较方便简易。
综上所述，我们不难看出，虽然在热耗与厂用电率上，直接空冷机组不如湿冷机组，但是由于其显著的节水性能及系统简单占地小等优点，在我国严重缺水、煤资源丰富的的北方地区得到广泛发展。
1.3 直接空冷机组在我国的发展
世界上第一台15MW直接空冷机组于1938年在德国的一个坑口电厂投运，而在我国首台直接空冷机组是在直到1992年山西交城义旺铁合金制备电厂6MW机组，虽然我国直接空冷技术引进较晚，但是直接空冷技术的发展是非常迅速。2003年12月，山西大唐国际云冈热电有限责任公司2×200MW直接空冷机组投运。2004年秋，山西漳山发电有限责任公司2×300MW直接空冷机组投运。2005年5月，大同二电厂两台600MW直接空冷机组投运。
据不完全统计[5]，截至2008年10月我国已建和在建的单机容量135MW及以上的直接空冷发电厂共31座，总装机容量约28810MW（其中已投产26台，装机容量为9070MW）。短短20年不到，直接空冷机组在我国从开始的亚临界小容量的机组发展今天的超临界乃至超超临界，就在2008年12月9日，国产率达到100%、具有我国独立知识产权的世界首台百万千瓦空冷机组项目华电宁夏灵武二期工程通过国家发改委核准，将在灵武开工建设，这也是目前世界上容量最大的单台直接空冷机组，该项目的建设标志着我国在直接空冷技术的发展迈向一个新的台阶。
1.4 本论文的主要研究内容及创新点
1.4.1 研究目标
通过对一些直接空冷机组系统流程和空冷岛部分设备的研究，结合一些已
运行的直接空冷机组的实际情况，深入分析直接空冷机组冻结的原因，提出解决直接空冷机组防冻的措施和和方法。同时，通过对直接空冷机组冻结原因的分析，不断提高直接空冷机组的设计和运行水平，为直接空冷机组的发展提供一定的帮助。
1.4.2 本论文的研究方法
本课题采用调研、检索、理论分析研究、计算及工程设计实际相结合的方法完成。
通过调研国内已投运的直接空冷机组，收集国内外空冷机组运行的相关资料和数据。
理论分析研究包括两部分，一是通过对两种系统（直接空冷和间接空冷系统）三种工艺（直接空冷、混凝式间接空冷和表凝式间接空冷）的比较，分析直接空冷机组的显著特点，通过实例提出直接空冷机组受气候影响在冬季存在冻结问题。二是通过对冻结原因的深入分析，提出防止直接空冷机组冻结的措施和方法。
论文重点通过对直接空冷机组冻结原因的分析，结合国内直接空冷机组的设计和运行经验，通过理论研究，提出防止直接空冷机组冻结的措施和方法。
1.4.3 本论文的创新点
本论文的创新点在于在本论文中结合国内直接空冷机组设计，结合实例，通过对直接空冷机组热力系统和直接空冷凝汽器散热管束结构的分析，寻找直接空冷凝汽器冻结的原因，研究出在设计上可以防止直接空冷机组在严寒的冬季冻结的相关措施，为以后直接空冷机组的优化设计提供帮助和支撑点。
论文同时也收集了国内部分运行的直接空冷机组的相关数据，通过汇总分析，结合部分电厂的运行经验，提出在运行防止直接空冷机组冻结的相关措施，为保障直接空冷机组的安全运行提供一定的参考和帮助。
1.5 论文安排
本论文各章节的主要内容为：
第一章为绪论部分。简要介绍空冷技术的分类和直接空冷机组的经济性以
及直接空冷技术在我国的发展和应用。
第二章为直接空冷机组的冻结问题的提出。通过实例提出直接空冷凝汽器在冬季启动、停机过程以及低负荷运行阶段突出存在的冻结问题，介绍了目前国内外在防止直接空冷机组冻结上一般采取的措施和存在的问题。
第三章为直接空冷机组的热力系统和设备选型介绍。本章较详细地论述直接空冷机组的相关热力系统及主要设备的选型问题，并与湿冷机组的热力系统进行比较。分析直接空冷系统中的空冷凝汽器、散热管束、冷却风机、排汽管道等主要设备的结构特点及性能，为防冻原因的分析和防冻措施的研究做好技术铺垫。
第四章本文通过实例对直接空冷机组的冻结进行详细分析，总结出直接空冷机组冻结的原因，为直接空冷机组的防冻措施的提出做好准备。
第五章和第六章通过试验、计算和理论分析，结合电厂运行实测的相关数据，提出直接空冷机组在设计和运行避免冻结可以采取的几种措施。
第七章总结阐述本论文的研究成果，并指出直接空冷机组的发展趋势。
1.6 本章小结
在九十年代初，国外各空冷公司就开始在中国各地推广直接空冷系统技术，随着2002年我国电力的紧缺、经济的发展，结合我国部分地区水资源短缺的现状，直接空冷机组以其独有的节水优越性得到迅速发展，因而保障直接空冷机组安全过冬，研究直接空冷机组的防冻措施具有重要意义。
本章主要介绍了空冷技术的发展现状和两种空冷技术各自的特点，并明确了直接空冷机组的防冻分析及研究为本论文的主题。简要说明了本论文的研究目标、研究方法和创新点、以及论文的主要内容。
第二章直接空冷机组的冻结问题
2.1 概述
采用直接空冷技术是解决火力发电厂耗水问题的有效措施，因而近几年在我国尤其是北方富煤缺水的地区获得了快速的发展。直接空冷系统的冷却原理是将汽轮机的排汽与环境空气表面对流热交换，冷凝的凝结水温度与环境空气干球温度相对应，即汽轮机的排汽压力与环境干球温度密切相关，而且环境温度的变化如气温、风向、风速等也会显著影响直接空冷系统的运动特性[29]。如直接空冷机组在环境温度较低时空冷凝汽器的换热效果会较好，运行比较经济，但在严寒的冬季也会造成散热管束的冻结，因此，直接空冷机组在冬季环境温度较低时如何防冻，尤其在寒冷的季节启停机过程中如何防止冻结，保证机组安全运行成为工程设计和运行中应考虑的重点问题。
2.2 直接空冷机组冻结的实例
2005年，中共中央总书记胡锦涛视察山西漳山发电有限公司300MW机组空冷岛时指出：“在我国北方地区，直接空冷技术有着非常广泛的应用空间，特别像山西省这样的一个富煤缺水的身份，采用节水效果显著的直接空冷技术，对于促进经济可持续发展具有重大意义”。[25]虽然空冷直接空冷机组在我国发展迅速，但是对于大容量高参数的直接空冷机组的设计和运行经验相对较少，随着一批300MW和600MW直接空冷机组的投入运行，一些问题相继暴露出来，如排汽管道的合理设计、如何克服热风再循环、空冷岛风机噪音的控制等一系列问题等待我们去解决，其中直接空冷机组的安全过冬，防止空冷凝汽器的冻结问题尤其突出。
由于直接空冷机组大多数选址在我国北方缺水的寒冷地区，在冬季极端气温可到-40℃左右，极易发生空冷凝汽器冻结问题，给机组的运行带来严重影响。以山西漳山发电有限责任公司一期工程2台300MW直接空冷机组为例，在2006年1月5日晚，1号机组负荷降至170MW做阀门动作试验，试验持续时间约7个小时，6
日上午9点，机组升负荷，汽轮机运行背压随之升高，风机转速也升高，截止11时30分，机组负荷达到250MW，汽轮机背压升高到18kPa，明显高于10～12kPa
的汽轮机平时运行背压。6日下午2点30分，环境气温-7～-8℃，风速大约2～3级，机组负荷降至200MW，汽轮机背压升至20kPa。此时汽轮机背压与当时的环境气温不相匹配，随后运行人员对机组进行了检查，当用手触摸直接空冷凝汽器的翅片管时感觉第2列排汽支管的顺流凝汽器、第4列排汽支管的顺流和逆流凝汽器及第5列排汽支管的顺流和逆流凝汽器均发生了管束局部“冰冷”，后用红外线温度测试仪测其翅片温度只有-10℃，表明这些管束已冻结，而其余无“冰冷”感的顺逆流管束的翅片温度竟高达45～50℃。
随后采取措施解冻：降低冻结管束的顺流凝汽器风机转速，减少流经这些顺流凝汽器的冷却空气流量；将冻结管束的逆流凝汽器的风机旋转方向由正转切换至倒转，抽吸空冷凝汽器上方的热空气加热逆流凝汽器管束。机组如此持续运行一天半后，只有个别冻结的翅片管解冻，其余未解冻的管束翅片温度仍在O℃以下。为了加快解冻速度，调整冻结管束的顺流凝汽器风机电动机的变频器出线位置，将这些只具有正转功能的风机改为倒转，以抽吸空冷凝汽器上方的热空气加热冻结管束。这样，机组持续运行两天半后，所有冻结的管束才完全解冻。相似情况，在山西的榆社电厂、山西兆光电厂的直接空冷凝汽器中也发生过类似的冻结，山西平朔电厂一期工程2台50MW的直接空冷机组在极端温度-29℃时就曾发生过将空冷凝汽器冻裂的情况，迫使机组停机检修，更换空冷凝汽翅片管束。
据了解，在国外，空冷凝汽器的冻结问题也也时有发生，如美国沃伊达克空冷电厂，由于该地区气温极值变幅很大约为-40～+43℃，就曾经在冬季降负荷运行时发生部分空冷凝汽管束的冻结[23]。因此，对于直接空冷机组的安全过冬，防止冻结问题日益得到人们的重视。
2.3 目前直接空冷机组冻结的措施
针对目前直接空冷机组冬季的冻结问题，国内外专家和学者也在不停的研究解决的措施和方法，各空冷凝汽器散热片的制造厂家也积极参与进来，为直接空冷防冻献计献策。通过查阅资料总结目前直接空冷的防冻措施有以下几种。
2.3.1 采用单排管空冷凝汽器的型式
直接空冷凝汽器大致经历了多排管、双排管和单排管的发展过程，这个过程在一定程度上也反映了对空冷机组防冻问题的重视程度[15]。空冷凝汽器翅片管内饱和蒸汽发生冻结现象的一个主要原因是翅片管束冷却能力与饱和蒸汽热负荷的不平衡[27]。对于多排管和双排管布置，前几排管容易产生死区，且第二、第三排管蒸汽倒流至第一排管，导致第一排管的下部存在死区，发生冻结现象。因此在设计上应尽量考虑减少管束排数，直至采用单排管结构布置。
从管束看，减少排数、增大基管的横截面及基管的高度，使蒸汽有较大的流动空间，减少产生死区的可能，因此在设计时可以采用单排管[28]。由于单排管一般采用大直径的扁平基管，横截面积大，管内蒸汽侧通流面积增大，有利于汽液的分离和防冻，管内和空气侧的阻力也较小，也不会像多排管束那样因压降不同导致蒸汽回流而产生死区，这样大大减少了冻结的可能，因此在严寒地区，电厂应多采用单排管。以目前运行的电厂看，我国北方电厂相当一部分直接空冷凝汽器采用了单排管束[19]，防冻效果较好。
然而，往往一个工程前期要综合考虑投资、占地、环保等各方面综合因素，来确定采用何种管束布置方式。比如采用多排管束具有传热效率高、相同排热量时散热面积较小等优点，因此对于采用多排管的电厂，防冻问题并未得到根本解决。
2.3.2 空冷凝汽器顺逆流比例配置
在空冷凝汽器中，根据汽流和凝结水的流动方向分类，其内部可分为顺流段和逆流段两部分。采用这种组成方式可有效地提高空冷凝汽器的防冻能力。因为设置部分逆流管束能够比较顺畅地将系统内的空气和不凝结气体排出，从而防止冬季运行中凝结水在空冷凝汽器下部出现过冷，以及某些部位形成死区而形成冻结的情况。
在直接空冷系统中采用适当的顺逆流比例配置，当环境温度较低或机组低负荷运行时，能够有效防止蒸汽过冷却以及凝结水结冰，避免空冷凝汽器冻结
[26]。从理论上说不凝结气体的含量百分比很小，逆流段的冷却面积可设置较小，但进入逆流段的蒸汽经过顺流段后有一定的压力和温度的下降，即传热温差有所降低而使空冷凝汽器效率降低。所以对于顺流段和逆流段两者散热面积的比例关系，说法不一。因为顺流和逆流段面积之比和供货方的产品性能、顺逆流空冷凝汽器的设置型式（单独、混合）等有关，如美国沃伊达克空冷电厂（气温极值变幅为-40～+43℃）顺逆流散热面积比例约为2：1，而我国山西地区的大部分直接空冷机组顺流段和逆流段散热面积之比多采用3:1~6:1[20]。因此，对于采用顺利流比例配置在工程中基本得到普遍运用，且在电厂运行中得到了比较好的效果，但是由于顺逆流散热面积的配置只能已某个假设的环境气候条件为依据，不能适合所有气候条件，碰到超越于假设条件是就会发生冻结，如山西漳山发电有限公司一期工程的1号机组，即便采用了顺逆流散热器，但是还是发生了冻结。
2.4 小结
综上所述，直接空冷机组的冻结问题日益引起人们的关注，但对于目前直接空冷机组防止冻结的措施还比较滞后，随着我国更多直接空冷机组的建设和投运，寻找新的防冻措施刻不容缓。
第三章直接空冷机组的热力系统及设备组成
3.1 直接空冷机组的热力系统
直接空冷机组的热力系统主要包括主蒸汽和再热蒸汽系统、旁路系统、抽汽系统、给水系统、凝结水系统、加热器疏水系统、汽封系统和抽真空系统等。本节将介绍直接空冷机组中主要的几个热力系统，图4为直接空冷机组原则性热力系统图。
图4 直接空冷机组原则性热力系统图
Fig4 Drawing Of Direct Air-cooling Unit Principle Heating System
3.1.1 主蒸汽和再热蒸汽系统