王紅娜，祁懷勝，王慶光，李換利

(洛陽隆華傳熱節能股份有限公司，河南 洛陽 471132)

1 問題的提出

我國水資源短缺且分布不均勻，火力發電廠水冷式凝汽器對水資源高度依賴，它耗水量大且動力消耗高，特別是在煤炭資源豐富、嚴重缺水的西北地區，水冷式凝汽器的工作特性嚴重制約了火力發電廠在該地區的建設。由于水冷式凝汽器應用的局限性，加速了新型凝汽器的研發步伐。

具有明顯節水效益的直接空冷凝汽器在國外較早得到了研發和應用。1939年，德國首先采用了直接空冷系統。20世紀50年代，匈牙利發展了混合式凝汽器的間接空冷系統(海勒系統)。到了20世紀70年代，帶表面式凝汽器的間接空冷系統(哈蒙系統)和直接空冷系統得到了較大發展［1］。近十幾年，電站直接空冷凝汽器技術迅速發展并日漸成熟。直接空冷凝汽器以環境空氣作為介質冷凝汽輪機排汽，大大降低了機組的耗水量，但機組性能的發揮受氣候變化影響較大，夏季高溫時機組不能滿發，冬季機組則需要防凍防護。早在1952年，S.G.Chuklin就提出了關于蒸發式換熱設計的普遍化方法［2］。加拿大“TransAlta”能源公司的75 MW聯合發電系統采用蒸發式凝汽器來冷卻汽輪機排出的蒸汽，可滿足全年運行的要求。美國弗吉尼亞“Tradewinds”公司鋸木場的發電系統，也采用蒸發式凝汽器冷凝汽輪機的排汽，運行效果良好［3］。

20世紀80年代中期，同濟大學陳沛霖教授將蒸發式換熱技術引進我國。近年來，一些科研單位和企業對蒸發式換熱技術進行了試驗和理論研究，取得了一定的進步。

鑒于水冷式凝汽器耗水量大，直接空冷凝汽器夏季不能滿發的技術難題，洛陽隆華傳熱節能股份有限公司技術人員大膽創新，在總結機組運行經驗的基礎上，自主研發了FQN(Z)系列的蒸發式凝汽器。

2 蒸發式凝汽器換熱機制及結構組成

2.1 蒸發式凝汽器換熱機制

蒸發式凝汽器主要利用水的蒸發潛熱來換熱，冷凝效果好，換熱性能優良。蒸發式凝汽器換熱取決于當地的濕球溫度，不受干球溫度的影響，換熱機制先進、高效。

在一般水冷式冷凝器中，1 kg冷卻水1℃溫升能帶走4.2 kJ的熱量，而1 kg水在常壓下蒸發能帶走2400 kJ的熱量，因而蒸發式冷凝器的理論耗水量不到一般水冷式冷凝器的1%，實際上由于吹散損失、排污換水等原因，因此，蒸發式冷凝器的耗水量是一般水冷式冷凝量的耗水量的5%～10%。通常補充的水量僅為水冷式的2%～4%，與水冷凝汽器相比，蒸發式凝汽器節水節能效應顯著。

蒸發式冷凝器的傳熱量是空氣濕球溫度的函數，而空冷式冷凝器的傳熱量是干球溫度的函數。因為濕球溫度通常比干球溫度低，加上水膜與金屬壁面的傳熱系數大和風機產生局部負壓，因此采用蒸發式冷凝器的冷凝溫度遠低于空冷式冷凝器。

蒸發式冷凝器與帶冷卻水塔的水冷式冷卻系統相比，蒸發式冷凝器把汽輪機乏汽的熱量直接傳到周圍空氣中去，而水冷式冷卻系統熱量必須先在凝汽器中傳遞給冷卻水，然后再由循環水帶到冷卻塔中，最后傳到周圍空氣中。因為蒸發式冷凝器只有一次傳熱，所以冷凝溫度較低。冷凝溫度的降低，導致蒸汽冷凝壓力降低，因此機組的能耗降低，整個電廠的熱經濟性得以提高。當采用蒸發式冷凝器時，郎肯循環的熱效率相對于水冷卻方式提高了8.6%，同時其循環凈功和汽耗率都有所降低。

2.2 蒸發式凝汽器結構組成

蒸發式凝汽器主要由換熱系統、循環水系統，軸流風機(供風系統)、收水系統、集水箱組成，其結構如圖1所示。換熱系統安裝在箱體內，換熱系統上面是噴水裝置，汽輪機乏汽均勻地進入換熱管內，被冷凝液體流入底部凝結水箱，管內介質冷凝時放出的熱量被管外水膜蒸發帶走。空氣在軸流風機作用下從箱體下部進入，再從上部排出。冷卻水被循環水泵壓送到換熱管束的上方，經噴嘴噴淋后，在換熱模塊的表面形成水膜。水膜受熱后一部分變成蒸汽由空氣帶走，未蒸發的噴淋水下落與空氣逆流接觸降溫后進入下面的集水箱中，經水泵再送至噴嘴循環使用。隨空氣上升的小水滴在上升過程中被收水系統攔截，依靠自身重力作用再回到集水箱中。在集水箱中設有浮球閥，以調節新鮮水的補充量，使之保持恒定的水位。

圖1 蒸發式凝汽器結構示意圖

蒸發式凝汽器采用模塊設計理念，蒸發式凝汽器除有結構緊湊、占地面積小的特點外，其本身還具有制造簡單、安裝容易、檢修便利和維護方便的優點。換熱模塊及主要支撐部件采用熱浸鋅鋁方法進行防腐處理，可延長其使用壽命。設備外部護板采用鍍鋅板加噴塑的雙重防腐處理，外形美觀大方。

3 蒸發式凝汽器在設計中應該注意的問題

3.1 汽阻的控制

在凝汽器中，蒸汽最理想的狀態是在相同壓力下(小汽阻)進行等壓冷凝。凝汽器蒸汽側阻力(汽阻)對機組真空度、換熱效率和機組運行動力消耗有很大的影響，甚至會導致凝結水的過冷度變大。

在對蒸發式凝汽器進行結構設計時，應盡量減小系統的汽阻。設計時，必須注意以下問題。

3.1.1 防止空氣聚集

對空氣聚集程度起決定性作用的是管束的結構。對于進汽管箱、換熱管排列和凝結水管箱而言，其結構不能存在汽液流通死區;換熱管束抽真空系統不能有死區，以防抽真空不暢，造成系統漏入的空氣惡性聚集。需要說明的是，蒸汽導流板，凝結水擋板和其他導流板的結構設計是管束整體結構設計的一部分［5］，在設計時，也應注意防止空氣聚集。

3.1.2 合理設計換熱部件

在設計凝汽器管束排列時，為使汽阻達到最小，可以采取以下措施。

(1)換熱管的形狀選取應有利于冷凝時汽液分離，汽液界面的阻力應盡量小(例如采用流通截面大的橢圓管)。

(2)優化換熱系統流程，合理設計凝汽器的工藝參數(例如風機風量、噴淋水量、換熱管內流速、換熱管長度等)。

(3)在凝汽器蒸汽進口設計分流裝置，使蒸汽在換熱管內均勻分布。

(4)合理設計換熱部件中順、逆流換熱管的比例。

國網能源寧夏某電廠2×660 MW直接空冷系統#1機組尖峰冷卻裝置采用洛陽隆華傳熱節能股份有限公司自主研發的蒸發式凝汽器(如圖2所示)?，F場測試結果表明，蒸發式凝汽器尖峰冷卻系統對直接空冷系統背壓降低效果明顯，與原系統相比，背壓降低10 kPa。蒸發式凝汽器尖峰冷卻系統安全經濟性好，整個尖峰冷卻系統的汽阻在2.1 kPa左右。

圖2 新研發的蒸發式凝汽器

3.2 蒸發式凝汽器抽真空系統結構設計

蒸發式凝汽器抽真空系統主要用來排除蒸汽冷凝過程中釋放出的不凝性氣體(如化學藥劑分解產生或原蒸汽中夾帶)和因真空系統不嚴密漏入真空系統的空氣。若不凝性氣體不能及時排除，會影響凝汽器的換熱效率，進而影響整個機組的安全運行。

蒸發式凝汽器抽真空結構設計對設備整體性能的發揮至關重要。蒸發式凝汽器抽真空結構應具有二次冷凝蒸汽的作用，從而減小抽氣中的蒸汽挾帶量，提高抽氣速率。同時，抽真空結構應保持換熱模塊整個結構的緊湊性，凝結水管箱內要設置不凝性氣體導流板，減少不凝性氣體中蒸汽的挾帶量。

3.3 蒸發式凝汽器防腐

防腐問題是制約蒸發換熱的關鍵因素，腐蝕不僅能導致設備的傳熱性能變差，而且會嚴重縮短設備的使用壽命。蒸發式凝汽器換熱部件長期處于濕熱空氣中，采用熱浸鋅鋁工藝是目前蒸發換熱設備防腐處理的主要措施之一。蒸發式凝汽器在采用熱浸鋅鋁時要合理設計工藝，嚴格控制熱浸鋅鋁溫度(一般溫度不低于470℃)和時間，以便獲得高黏附性的防腐層和高粗糙度的外觀［6］。

4 結論

蒸發式凝汽器是一種新型的凝汽器，它利用水的蒸發潛熱換熱，換熱機制先進、高效，它具有傳熱性能好和節水節電環保的優點。蒸發式凝汽器在熱力發電廠的推廣應用，具有水冷式凝汽器和直接空冷凝汽器不可替代的優勢，是目前熱力發電廠理想的節能型設備。

［1］馬義偉.直接空冷凝汽器［M］.北京:化學工業出版社，1982.

［2］沈家龍.蒸發式冷凝器傳熱傳質理論分析及試驗研究［D］.廣州:華南理工大學.2005.

［3］包衛.蒸發式冷凝器用于火電廠冷卻系統的可行性分析［J］.浙江電力，2004(4):46 －49.

［4］尾花英朗.熱交換器設計手冊［M］.3版.北京:化學工業出版社，1973:415 －455.

［5］鄧進龍，江平.汽阻對凝汽器的影響和減小措施［J］.汽輪機技術，2000，42(1):45 －48.

［6］Thomas H.Cook.Hot－ dip galvanizing technology［J］.Metal Finishing，2000，98(8):1924 －1928.