探討空冷凝汽器的結(jié)構(gòu)技術(shù)問題

中國(guó)電建集團(tuán)河南工程有限公司 鄒鵬舉

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致人均水資源僅為世界人均數(shù)的1/4，水資源短缺影響了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，如采用空冷方案，對(duì)于百萬級(jí)人口的城市，每年約可節(jié)省半個(gè)城市居民一年耗水量；同時(shí)沒有向大氣飄逸水霧以及排污水的熱量對(duì)周圍環(huán)境的污染，無論是從節(jié)水還是環(huán)保角度出發(fā)，空冷式汽輪機(jī)電站在我國(guó)都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，以及愈來愈廣泛的應(yīng)用。

1 直接空冷系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)

直接空冷系統(tǒng)的工作原理是做過功的汽輪機(jī)乏汽，經(jīng)排汽管道及管道上所安裝的膨脹節(jié)、安全閥等附屬設(shè)備進(jìn)入空冷凝汽器的蒸汽分配管，然后分流導(dǎo)入各排管束中，冷空氣被大型風(fēng)機(jī)吸入，將流經(jīng)翅片管束蒸汽的熱量帶走，從而使排汽凝結(jié)為水，匯集進(jìn)凝結(jié)水箱，獲得的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵送至汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)，最終進(jìn)入鍋爐，然后重新開始循環(huán)，如圖1所示。

圖1 直接空氣冷卻系統(tǒng)

直接空冷系統(tǒng)主要由凝汽器系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、排汽管道系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)等組成。

直接空氣冷卻方式的特點(diǎn)是：一是空氣作為冷卻介質(zhì)免費(fèi)獲得，初始溫差小，無附加費(fèi)用；二是無水霧飄逸現(xiàn)象以及排污水的熱量對(duì)水資源的危害，對(duì)周圍環(huán)境無污染；三是空冷凝汽器換熱系數(shù)低，體積龐大，占地面積大，龐大的真空系統(tǒng)容易漏氣；四是易受氣候、溫度、風(fēng)向等因素影響；不能靠近大型建筑，否則易形成熱風(fēng)再循環(huán)；五是翅片管加工工藝要求較高；六是排汽管道直徑較大，要考慮足夠的強(qiáng)度、剛度和真空泄漏量；七是風(fēng)機(jī)耗功很大，因而增加了電廠的用電量，同時(shí)也增加了噪聲源；八是真空容積龐大，啟動(dòng)時(shí)抽真空時(shí)間長(zhǎng)[1]。

2 直接空冷凝汽器的基本結(jié)構(gòu)

空冷器的主要元件有翅片管束、風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒及護(hù)網(wǎng)、蒸汽分配管、風(fēng)機(jī)電機(jī)、百葉窗、構(gòu)架、排汽管道、支撐平臺(tái)及擋風(fēng)墻等。直接空冷系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)型式如圖2、圖3所示。

圖2 水平式空冷器的基本結(jié)構(gòu)

圖3 “A”屋頂型空冷器的基本結(jié)構(gòu)

3 直接空冷器的設(shè)計(jì)技術(shù)問題

3.1 防凍措施

對(duì)于冬季低氣溫條件下，由于各管排的熱負(fù)荷分配不均勻，易導(dǎo)致直接空冷系統(tǒng)結(jié)凍，故應(yīng)引起充分的注意。

3.1.1 管束順逆流結(jié)構(gòu)

為防止凝結(jié)液的凍結(jié)，一般將管束結(jié)構(gòu)按K/D排列，順流管束中的凝結(jié)水與蒸汽流動(dòng)方向一致，大約80%蒸汽在順流管束中凝結(jié)，剩余大約20%蒸汽和不凝氣體進(jìn)入逆流式凝汽管束，通過逆向流動(dòng)模式獲得了熱能，這樣就避免發(fā)生過冷現(xiàn)象，如圖4所示。依據(jù)運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，兩者的面積比其值從67：33到95：5不等。對(duì)小型汽輪機(jī)機(jī)組的空冷凝汽器可以采用將順流管排和逆流管排置于一個(gè)管束之中，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[2]。

圖4 管束的順逆流結(jié)構(gòu)示意

3.1.2 管束排列

在多排管的管束設(shè)計(jì)中，如圖5所示，如兩排管，其迎風(fēng)面的第一排和第二排的冷卻熱負(fù)荷不一樣，第一排的空氣溫升大于第二排的空氣溫升，導(dǎo)致第一排的熱負(fù)荷大于第二排的熱負(fù)荷，第一排的壓力降大于第二排的壓力降，從而造成第一排的下部存在死區(qū)，第二排蒸汽倒流至第一排管，產(chǎn)生凍結(jié)現(xiàn)象，這對(duì)于運(yùn)行是非常危險(xiǎn)的，應(yīng)予以避免。

圖5 空冷凝汽器不凝汽聚集產(chǎn)生的問題

合理的管束排列如圖6所示，可以提高換熱效率、減小凝結(jié)水的過冷度，在空冷器管束中，各管排的放熱量是不一樣的，為解決各管排熱負(fù)荷分配不均勻，在同樣的管材條件下，迎風(fēng)面第一排管的翅片間距如取為4mm，則后面幾排管的翅片間距為2.5mm，目前按此排列均取得了較好的效果。

圖6 管束排列

3.1.3 設(shè)置擋風(fēng)墻和加裝保溫層

環(huán)境風(fēng)對(duì)空冷系統(tǒng)的影響是關(guān)鍵性因素，一般擋風(fēng)墻的高度與蒸汽配氣管中心線一致或略高于中心線以上約1500mm，也可以適當(dāng)增加，這樣能有效防止迎風(fēng)面過冷凝結(jié)成冰和熱風(fēng)再循環(huán)。冬季運(yùn)行，凝結(jié)水的過冷度可以達(dá)到5℃左右，應(yīng)在空冷凝結(jié)水回水管上加裝保溫層，以提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.2 風(fēng)機(jī)的運(yùn)行及選擇

3.2.1 風(fēng)機(jī)的運(yùn)行

風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度、汽輪機(jī)排汽壓力和凝結(jié)水溫度來控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以及運(yùn)行的臺(tái)數(shù)和關(guān)閉部分受熱面來控制背壓，以達(dá)到機(jī)組最大凈發(fā)電量，所以適當(dāng)調(diào)整風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式來滿足不同的運(yùn)行條件，可以提高風(fēng)機(jī)效率和節(jié)能的作用，運(yùn)行人員應(yīng)積累不同季節(jié)溫度下的不同空氣流量及相應(yīng)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況；根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)在初次運(yùn)轉(zhuǎn)后，重新調(diào)整葉片螺距角以使風(fēng)機(jī)的性能達(dá)到最優(yōu)。

GEA曾給出一個(gè)對(duì)于機(jī)械通風(fēng)濕冷塔的風(fēng)扇運(yùn)行的轉(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 風(fēng)扇運(yùn)行的轉(zhuǎn)速及臺(tái)數(shù)同空氣溫度的關(guān)系值

可動(dòng)葉片調(diào)節(jié)是動(dòng)葉安裝角隨不同工況而改變，這樣使風(fēng)機(jī)在低負(fù)荷時(shí)的效率大大提高，葉片安裝角減小時(shí)，性能曲線的流量、揚(yáng)程、功率都減小，反之增大，因而啟動(dòng)時(shí)可減少安裝角以降低啟動(dòng)功率。通過對(duì)軸流式風(fēng)機(jī)的各種不同調(diào)節(jié)方式的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，可動(dòng)葉片調(diào)節(jié)的軸流風(fēng)機(jī)是最經(jīng)濟(jì)的。

3.2.2 風(fēng)機(jī)的選擇

風(fēng)機(jī)在空冷器強(qiáng)化傳熱中起著關(guān)鍵的作用，風(fēng)機(jī)性能的優(yōu)劣是衡量空冷器性能的重要標(biāo)志，風(fēng)機(jī)的選擇如下：一是根據(jù)對(duì)噪聲的要求，在同樣流量下，風(fēng)機(jī)直徑宜大，效率高，數(shù)量宜少。二是根據(jù)節(jié)能的要求，由于風(fēng)機(jī)直徑與動(dòng)壓損失為四次方關(guān)系，為了減少動(dòng)壓損失以節(jié)約能耗，風(fēng)機(jī)直徑宜選大。三是要考慮控制靈敏及節(jié)能，所以宜選用變頻調(diào)速方式（如圖7所示）。

圖7 風(fēng)機(jī)

3.3 迎面風(fēng)速的優(yōu)化

迎面風(fēng)速是空冷器的重要參數(shù)，最佳的迎面風(fēng)速見表2，通過優(yōu)化計(jì)算，可得幾點(diǎn)看法：一是各種風(fēng)量調(diào)節(jié)方式對(duì)最佳迎面風(fēng)速值均有影響，最佳迎面風(fēng)速值為2.1～3.0m/s；二是管排數(shù)對(duì)最佳迎面風(fēng)速值的影響微小；三是當(dāng)管內(nèi)放熱系數(shù)增加，則迎面風(fēng)速的最佳值增加，而翅片間距減少；四是最佳翅片間距隨管徑的增加而增加；限定條件下，當(dāng)管徑由小增大到30mm時(shí)，迎風(fēng)速度的最佳值開始增大，而后下降。

表2 推薦的標(biāo)準(zhǔn)迎面風(fēng)速與面積比

3.4 預(yù)防熱風(fēng)再循環(huán)

熱風(fēng)再循環(huán)對(duì)空冷器影響很大，經(jīng)驗(yàn)表明，空冷器進(jìn)口處空氣溫度由于熱風(fēng)再循環(huán)的影響增加5℃，會(huì)使平均溫差為15℃的空冷器降低傳熱量30%[3]。

為防止熱風(fēng)再循環(huán)一般采取的方法是裝設(shè)擋風(fēng)墻，一般擋風(fēng)墻的高度與蒸汽配氣管中心線一致或略高于中心線以上約1500mm，同時(shí)也減少了噪聲污染，為消除環(huán)境風(fēng)和熱風(fēng)再循環(huán)對(duì)空冷裝置性能的影響，要合理選擇空冷島布置位置：一是一年四季的風(fēng)向及其分布，特別是夏季的主要風(fēng)向；二是一年中風(fēng)速的變化范圍，持續(xù)時(shí)間以及頻率；三是與較高溫度的設(shè)備有一定距離，同時(shí)在空冷器下方不要布置溫度較高設(shè)備；四是熱源的下風(fēng)向的巨大建筑物之前不要布置空冷器；五是各臺(tái)鍋爐之間的距離以及鍋爐的尺寸；六是翅片管束的排列以及風(fēng)墻的設(shè)計(jì)。

3.5 百葉窗的使用

百葉窗是通過其截流作用，調(diào)節(jié)空冷器的風(fēng)量，防止冷卻元件積灰雨淋及腐蝕，延長(zhǎng)使用壽命，百葉窗需根據(jù)通風(fēng)方式，風(fēng)機(jī)的選型、臺(tái)數(shù)來選擇是否使用。而冷卻元件的使用壽命與其材質(zhì)有關(guān)，翅片管的翅片為鋁材，本身具有很高的防腐蝕性能，其他形式的鋼制翅片管亦采用了外表鍍鋅，亦提高了防腐蝕性能。而積灰可定期用壓縮空氣吹掃。

由此可見，百葉窗在空冷器，尤其是直接空冷器中并不是必需的，只有當(dāng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)及空氣出口溫度無法使用風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)來滿足時(shí)，才使用百葉窗。

3.6 清洗系統(tǒng)

清洗系統(tǒng)是保證空冷凝汽器換熱效率非常重要的手段，應(yīng)在機(jī)組運(yùn)行或停運(yùn)時(shí)對(duì)空冷凝汽器進(jìn)行清洗，清洗時(shí)要保證清洗水水質(zhì)、水量及水壓的要求，逐排進(jìn)行，清洗后的冷卻器性能應(yīng)達(dá)到全新冷卻器的性能，由于冬季氣溫低結(jié)冰過多，不宜清洗，每年首次清洗時(shí)環(huán)境溫度選在5～8℃為宜，沖洗的間隔時(shí)間按設(shè)備廠家要求和經(jīng)驗(yàn)來決定，為防止表面結(jié)垢，采用除鹽水進(jìn)行沖洗。

4 結(jié)論

本文敘述了直接空冷凝汽器的工作原理、冷卻方式、特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮的主要因素，同時(shí)要明確所使用環(huán)境、使用條件以及用途等，這樣才能正確的選擇滿足要求的空冷凝汽器。