淺談電站汽輪機(jī)直接空冷凝汽器的設(shè)計(jì)

麻愛玲，南春雷，黃立濤

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

淺談電站汽輪機(jī)直接空冷凝汽器的設(shè)計(jì)

麻愛玲，南春雷，黃立濤

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

空冷凝汽器不僅同樣能完成對(duì)電站汽輪機(jī)乏汽的冷卻凝結(jié)任務(wù)，同時(shí)亦節(jié)約了大量用水，減少了對(duì)環(huán)境的污染。文章介紹了電站直接空冷凝汽器的工作原理、結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮的問(wèn)題。

直接空冷，結(jié)構(gòu)，綜合考慮，設(shè)計(jì)

0 引言

由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題也在不斷地加劇，環(huán)境污染給生態(tài)系統(tǒng)造成直接和間接的破壞和影響，而在環(huán)境污染中，空氣污染與水污染是中國(guó)目前急待解決的重大環(huán)境問(wèn)題。

我國(guó)是一個(gè)缺水大國(guó)，常規(guī)水冷電站的水耗量大，建設(shè)一座水冷電站的耗水量可以建設(shè)4～10座同容量空冷電站。用空（干）冷代替“濕冷”，不僅同樣能完成對(duì)電站汽輪機(jī)乏汽的冷卻凝結(jié)任務(wù)，而且沒有濕冷塔向大氣飄逸出的水霧對(duì)周圍環(huán)境的污染，沒有排污水的熱量對(duì)水資源的危害，無(wú)論是從節(jié)水或環(huán)保角度出發(fā)，空冷式汽輪機(jī)電站在我國(guó)都具有廣闊的發(fā)展前景。

1 直接空冷凝汽器的冷卻方式和特點(diǎn)

直接空氣冷卻方式是指汽輪機(jī)排汽經(jīng)排汽管道送到室外空冷凝汽器中，蒸汽在管內(nèi)流動(dòng)，以空氣作為冷卻介質(zhì)在管外流動(dòng)帶走凝結(jié)熱，得到的凝結(jié)水，聚集在凝結(jié)水聯(lián)箱，然后由凝結(jié)水泵送至汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，經(jīng)汽輪機(jī)抽氣加熱后作為鍋爐給水循環(huán)使用，如圖1所示。

直接空氣冷卻方式的特點(diǎn)是不需要冷卻水等中間介質(zhì)，初始溫差小，傳熱效果好，可獲得較低的排汽壓力。

圖1 直接空氣冷卻系統(tǒng)

2 空冷器的基本結(jié)構(gòu)及工作流程

空冷凝汽器主要由翅片管束、配汽管、凝結(jié)水聯(lián)箱、鋼架、軸流風(fēng)機(jī)、擋風(fēng)墻等附件組成，如圖2所示（整體結(jié)構(gòu)為A字型結(jié)構(gòu)布置），從汽輪機(jī)低壓缸排出的蒸汽，經(jīng)排汽管道流向空冷凝汽器，每根排汽管道在室外分為支管，流至空冷凝汽器的配汽管（位于空冷凝汽器設(shè)備的頂部），向管束分配蒸汽，軸流變頻風(fēng)機(jī)位于管束正下方，當(dāng)排汽流經(jīng)翅片管時(shí)，大量的冷空氣被大型風(fēng)機(jī)吸入通過(guò)翅片管，將排汽的熱量帶走，從而使排汽凝結(jié)為水。

圖2 空冷器的基本結(jié)構(gòu)

2.1 管束

管束是空冷器的核心部件，主要由翅片管、管束聯(lián)箱、管板、管束下聯(lián)箱支撐導(dǎo)軌、配汽管等組成，管束是一個(gè)剛性的、獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，合理的管束排列，可以減小熱阻、提高換熱效率、減小凝結(jié)水的過(guò)冷度，對(duì)管束設(shè)計(jì)的基本要求如下：

（1）根據(jù)傳熱的要求保證所需要的蒸汽流量和空氣流量；

（2）采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)防止不凝汽的聚集并排出；

（3）為汽機(jī)排汽的凝結(jié)提供必要的傳熱面積；

（4）管束應(yīng)為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，是便于整體裝卸的組合體；

（5）管束應(yīng)有適應(yīng)翅片管熱膨脹的措施。

2.1.1 管間距及排列

管間距不僅對(duì)翅片管的傳熱性能和氣流阻力有影響，而且對(duì)設(shè)備造價(jià)也有影響，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)研究，翅片管盡可能采用等邊或等腰三角形排列。

2.1.2 管排數(shù)

管排數(shù)對(duì)投資及運(yùn)行費(fèi)用的影響較大，排數(shù)少，傳熱效果好，所需散熱面積略小，但占地面積大，同時(shí)由于空氣溫升小，風(fēng)量就要大。如管排數(shù)過(guò)多，平均溫差降低，傳熱面積就增大，同時(shí)氣流阻力增加，風(fēng)機(jī)功率也就上升，因此設(shè)計(jì)時(shí)管排數(shù)要進(jìn)行合理選擇。

2.1.3 管程數(shù)

管程數(shù)的選擇取決于管內(nèi)介質(zhì)的流速和壓降，若管程數(shù)選擇得較多，可使管內(nèi)流速及傳熱系數(shù)增加，但管內(nèi)阻力也隨之增加；反之，若管程數(shù)較少，管內(nèi)換熱系數(shù)和壓降都隨之降低，所以電站直接空冷器管束一般采用單管程并配以逆流管束。

2.1.4 翅片管

翅片管是空冷器的核心和關(guān)鍵元件，它的性能直接影響空冷器的性能和應(yīng)用，對(duì)翅片管要求具有良好的傳熱性能、耐熱沖擊力、耐大氣風(fēng)沙腐蝕、良好的抗機(jī)械振動(dòng)等，而且在所有的運(yùn)行工況下，在水平和垂直方向不能有變形，能夠承受高壓水沖洗而不會(huì)產(chǎn)生永久性變形等，其兩端用焊接或脹接方法連接在管箱上。

2.2 管箱

所有管束的下端均有凝結(jié)水聯(lián)箱，即凝結(jié)水收集管，是空冷器的受壓容器，應(yīng)特別重視管束在運(yùn)行中的熱變形問(wèn)題。

2.3 風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)在空冷器強(qiáng)化傳熱中起著關(guān)鍵的作用，為適應(yīng)不同季節(jié)溫度下的不同空氣流量，風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，風(fēng)速在40%～100%范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)能根據(jù)環(huán)境溫度、排汽壓力、凝結(jié)水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)及轉(zhuǎn)速，以達(dá)到機(jī)組凈發(fā)電量最大。

2.4 鋼架與擋風(fēng)墻

為了保證空冷凝汽器的平穩(wěn)運(yùn)行，鋼架必須安全可靠，在設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，需要統(tǒng)籌考慮各種載荷組合，包括基礎(chǔ)沉降、大風(fēng)、地震、風(fēng)機(jī)振動(dòng)等因素，以有限元分析程序作為平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析工具。

為了減弱熱風(fēng)回流現(xiàn)象和迎風(fēng)面過(guò)冷凝結(jié)成冰對(duì)熱效率的影響，在空冷平臺(tái)四周設(shè)置擋風(fēng)墻，一般擋風(fēng)墻的高度與蒸汽分配聯(lián)箱的中心線一致或略高于中心線。

3 空冷器設(shè)計(jì)中的綜合考慮

電站空冷技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，亦出現(xiàn)并解決了大量問(wèn)題，同時(shí)總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)及問(wèn)題的解決方法。

3.1 防凍措施

在寒冷地區(qū)，由于冬夏兩季氣溫相差很大，在冬季空冷凝汽器，存在著不凝汽體。如設(shè)計(jì)不當(dāng)，除易引起凝結(jié)液的凍結(jié)外，還會(huì)使傳熱性能大大降低。

3.1.1 設(shè)置一定比例的順逆流管束

在冬季最低氣溫，為滿足最小防凍蒸汽流量的條件下，可設(shè)置一定比例的逆流管束來(lái)排出不凝結(jié)氣體和空氣，一般將傳熱計(jì)算所求的面積分為主凝汽管束（順流）和輔助凝汽管束（逆流），兩者的面積比根據(jù)氣候條件、管內(nèi)蒸汽流速、翅片管幾何尺寸等多方面因素決定，依據(jù)運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其值從67∶33到95∶5不等。

大部分蒸汽（約80%）在管道中通過(guò)順流式凝結(jié)管束由上而下凝結(jié)，剩余少部分（大約20%）不凝蒸汽通過(guò)凝結(jié)水聯(lián)箱的底部進(jìn)入逆流式凝汽管束，其蒸汽由下而上，凝結(jié)水由上而下，流入凝結(jié)水聯(lián)箱。通過(guò)這種方式，凝結(jié)水獲得了熱能，防止發(fā)生過(guò)冷現(xiàn)象，如圖3所示。

圖3 管束的順逆流結(jié)構(gòu)示意

3.1.2 增加抽氣裝置

在設(shè)置順逆流管束的同時(shí)，增加抽氣裝置，從逆流管束中抽出不凝汽是完全必要的，真空泵從逆流換熱管束的聯(lián)箱中的抽氣口中將不凝結(jié)氣體與一部分蒸汽一起抽出，其中的蒸汽部分在真空泵內(nèi)凝結(jié)成水，不凝結(jié)氣體經(jīng)過(guò)分離器排入大氣，國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明，管束的K/D結(jié)構(gòu)對(duì)防止凝結(jié)水的凍結(jié)是行之有效的。

3.1.3設(shè)置擋風(fēng)墻

空冷器所處的外部環(huán)境風(fēng)場(chǎng)是關(guān)鍵性因素，在四周設(shè)置擋風(fēng)墻，可以防止外界自然風(fēng)直接吹向換熱器，減小空冷器兩側(cè)凝結(jié)水溫差，有效防止過(guò)冷凝結(jié)成冰和空氣反流。

3.1.4 其他措施

通過(guò)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及啟停來(lái)提高排汽背壓，從而提高排汽溫度，使凝結(jié)水解凍。

在機(jī)組帶上負(fù)荷后增加空冷系統(tǒng)進(jìn)汽量，使其自行解凍。

在空冷凝結(jié)水回水管上加裝保溫層，避免凝結(jié)水凍結(jié)，以提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.2 預(yù)防熱風(fēng)再循環(huán)

空冷器的熱風(fēng)再循環(huán)是空冷器運(yùn)行的兩大危害之一（另一危害為管內(nèi)凝結(jié)水的凍結(jié)），是指空冷器排出的熱氣流，或某些高溫設(shè)備散熱熱氣流在某些特定的條件下被風(fēng)機(jī)吸入提高了進(jìn)入空冷器冷空氣的溫度，導(dǎo)致空冷器冷卻能力的下降。

有經(jīng)驗(yàn)表明，由于熱風(fēng)再循環(huán)的影響，空冷器進(jìn)口處空氣溫度增加5℃，會(huì)使平均溫差為15℃的空冷器降低傳熱量30%[1]。

3.2.1 預(yù)防熱風(fēng)再循環(huán)問(wèn)題的設(shè)計(jì)考慮

由于直接空冷機(jī)組對(duì)環(huán)境風(fēng)向風(fēng)速極其敏感，特別是不利風(fēng)向的大風(fēng)，容易使機(jī)組背壓突然升高，機(jī)組負(fù)荷突然下降，造成機(jī)組跳閘，所以應(yīng)根據(jù)廠址典型風(fēng)向規(guī)律圖（至少有近10年風(fēng)環(huán)境變化資料）來(lái)合理選擇空冷島布置位置。

就空冷器本身而言，為防止熱風(fēng)再循環(huán)一般采取的方法是在空冷島四周以及空冷單元之間裝設(shè)擋風(fēng)墻，這樣不但防止了熱風(fēng)再循環(huán)的發(fā)生，對(duì)減少噪音亦有一定好處。

同時(shí)在設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮每個(gè)冷卻單元從入口到出口的整個(gè)空氣通道，避免熱空氣回流相互干擾。

3.2.2 空冷凝汽器的不適當(dāng)布置

有許多熱風(fēng)再循環(huán)問(wèn)題是由于空冷器的不正確布置產(chǎn)生的，舉例如下：

·空冷器來(lái)流空氣速度高；

·空冷器布置于熱源的下風(fēng)向；

·空冷器布置于下風(fēng)向的巨大建筑物之前；

·兩空冷器布置間隔??；

·同類型空冷器布置在不同的標(biāo)高；

·排出的熱空氣速度低；

·在總平面布置中，對(duì)夏季主導(dǎo)風(fēng)向的不恰當(dāng)分析等等。

當(dāng)有多組空冷器時(shí)，應(yīng)相互連接在一起布置，否則其間距應(yīng)大于20 m，如圖4、5所示。

圖42 臺(tái)空冷器的布置

圖5 幾組空冷器的布置

3.3 風(fēng)機(jī)運(yùn)行

根據(jù)不同運(yùn)行條件以及不同季節(jié)的空氣溫度，適當(dāng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式，不僅可以提高風(fēng)機(jī)效率，亦可起到節(jié)能的作用，所以風(fēng)機(jī)應(yīng)具有適應(yīng)連續(xù)和間歇穩(wěn)定運(yùn)行的功能。

正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、運(yùn)行的臺(tái)數(shù)以及關(guān)閉部分受熱面來(lái)控制背壓，當(dāng)ACC的運(yùn)行條件偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，控制系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到背壓偏差信號(hào)，并控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及啟停。

在低負(fù)荷和低環(huán)境溫度時(shí)，通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)的臺(tái)數(shù)可以改變空氣流量以減少換熱量。

GEA曾在北京的一次技術(shù)交流會(huì)上，給出1個(gè)對(duì)于機(jī)械通風(fēng)濕冷塔的風(fēng)扇運(yùn)行轉(zhuǎn)速及臺(tái)數(shù)同空氣溫度的關(guān)系值（見表1），此值有一定的參考價(jià)值。

表1 對(duì)于機(jī)械通風(fēng)濕冷塔的風(fēng)扇運(yùn)行轉(zhuǎn)速及臺(tái)數(shù)同空氣溫度的關(guān)系值[2]

但在實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行人員應(yīng)積累不同季節(jié)時(shí)間段內(nèi)的溫度值及相應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況，如自調(diào)角風(fēng)機(jī)的葉片角度值或風(fēng)機(jī)分組停運(yùn)排列方式，以對(duì)汽輪機(jī)的背壓值做出相應(yīng)的調(diào)整，從而總結(jié)出適宜的關(guān)系值[3]。

3.4 設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化

在設(shè)計(jì)空冷器中，總希望所進(jìn)行的設(shè)計(jì)方案、所采用的參數(shù)是最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，以使總費(fèi)用最少，這就要求采用最優(yōu)化技術(shù)，求出最優(yōu)解。

系統(tǒng)的熱力計(jì)算、風(fēng)量風(fēng)壓的確定，框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和力學(xué)計(jì)算，自動(dòng)掃灰裝置，過(guò)冷度的控制，膨脹和膨脹節(jié)的計(jì)算，支撐點(diǎn)的設(shè)置、管道應(yīng)力計(jì)算等系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算，都是很重要的。

在設(shè)計(jì)中要考慮足夠的裕量以避免膨脹節(jié)在運(yùn)行時(shí)彈性不穩(wěn)定（蠕動(dòng)），膨脹節(jié)理論壽命的估算應(yīng)考慮到溫度升高而引起的材料強(qiáng)度降低，膨脹節(jié)拉桿應(yīng)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并能夠承受所有外力和力矩，所有承壓構(gòu)件（不包括波紋管）和拉桿的許用應(yīng)力應(yīng)按50%屈服應(yīng)力計(jì)算。

迎面風(fēng)速是空冷器的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)。風(fēng)速增加，空冷器傳熱面積減小，投資和鋼材消耗減少，與此同時(shí)，動(dòng)力消耗費(fèi)用增加，影響空冷器的最佳迎面風(fēng)速的因素很多，如翅片管的幾何尺寸、溫差、電價(jià)、年運(yùn)行小時(shí)數(shù)、管束的投資費(fèi)用等，因此存在一個(gè)最佳的迎面風(fēng)速，使上述兩項(xiàng)費(fèi)用之和為最小，見表2。

表2 推薦的標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速與面積比[1]

3.5 清洗系統(tǒng)

清洗系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，在空冷系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行正常的情況下，對(duì)于一定的空氣溫度和汽輪機(jī)負(fù)荷，當(dāng)凝汽器壓力明顯高于特性線給定的數(shù)值時(shí)，說(shuō)明換熱管翅片的表面已臟污，應(yīng)進(jìn)行清洗。清洗時(shí)高壓泵將從系統(tǒng)來(lái)的清洗水升壓后，送到清洗設(shè)備的噴嘴前，從噴嘴射出的水流將覆蓋在翅片上的臟物沖掉，為防止水被蒸汽加熱蒸發(fā)后鹽垢殘留在翅片上，清洗應(yīng)在空冷凝汽器停運(yùn)時(shí)進(jìn)行，清洗完畢，所有排氣管和排水管都應(yīng)該打開，這樣會(huì)防止長(zhǎng)時(shí)間水滯留和可能的冰凍。

對(duì)于翅片表面的灰塵垢，可在不中斷系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，用壓縮空氣對(duì)其表面進(jìn)行吹掃。

沖洗的時(shí)間間隔根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的情況以及運(yùn)行一段時(shí)間后的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定，定期沖洗翅片管外表面，可增強(qiáng)換熱，提高風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)降低機(jī)組背壓。

4 結(jié)論

本文介紹了電站汽輪機(jī)直接空冷凝汽器主要元件的作用以及設(shè)計(jì)時(shí)的綜合考慮，同時(shí)特別指出了空冷凝汽器設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的相關(guān)問(wèn)題，希望本文能對(duì)公司的發(fā)展起到一個(gè)參考的作用，使直接空冷電站在同樣提供電力的同時(shí)能夠大量節(jié)水，并減少對(duì)環(huán)境的危害。

[1]馬義偉.空冷器設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1998

[2]宋彥信.當(dāng)今世界空冷凝汽器[J].電站輔機(jī),1996,（1）: 44-52

[3]魏松濤.空冷汽輪機(jī)設(shè)計(jì)綜述[J].東方電氣評(píng)論,1995,（3）:129-134

Introduction to Power Station of Direct Air Cooling Steam Turbine Design

Ma Ailing，Nan Chunlei，Huang Litao
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Direct air cooling condenser not only can finish the steam exhaust cooling condensation mission for a power plant steam turbine but also saves a large amount of water,reduces the pollution to the environment.This paper introduces the working principle, structure and problems considered in the design process of the direct air cooling condenser.

direct air cooling,structure,all-around consider,designing

TK262

A

1674-9987（2015）04-0020-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.006

麻愛玲（1970-），女，工程師，2004年畢業(yè)于西安交通大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事汽輪機(jī)的系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及服務(wù)工作。