淺談電站汽輪機直接空冷凝汽器的設計

麻愛玲，南春雷，黃立濤

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

淺談電站汽輪機直接空冷凝汽器的設計

麻愛玲，南春雷，黃立濤

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

空冷凝汽器不僅同樣能完成對電站汽輪機乏汽的冷卻凝結任務，同時亦節約了大量用水，減少了對環境的污染。文章介紹了電站直接空冷凝汽器的工作原理、結構以及設計過程中應綜合考慮的問題。

直接空冷，結構，綜合考慮，設計

0 引言

由于我國經濟的迅猛發展導致環境污染問題也在不斷地加劇，環境污染給生態系統造成直接和間接的破壞和影響，而在環境污染中，空氣污染與水污染是中國目前急待解決的重大環境問題。

我國是一個缺水大國，常規水冷電站的水耗量大，建設一座水冷電站的耗水量可以建設4～10座同容量空冷電站。用空（干）冷代替“濕冷”，不僅同樣能完成對電站汽輪機乏汽的冷卻凝結任務，而且沒有濕冷塔向大氣飄逸出的水霧對周圍環境的污染，沒有排污水的熱量對水資源的危害，無論是從節水或環保角度出發，空冷式汽輪機電站在我國都具有廣闊的發展前景。

1 直接空冷凝汽器的冷卻方式和特點

直接空氣冷卻方式是指汽輪機排汽經排汽管道送到室外空冷凝汽器中，蒸汽在管內流動，以空氣作為冷卻介質在管外流動帶走凝結熱，得到的凝結水，聚集在凝結水聯箱，然后由凝結水泵送至汽輪機回熱系統，經汽輪機抽氣加熱后作為鍋爐給水循環使用，如圖1所示。

直接空氣冷卻方式的特點是不需要冷卻水等中間介質，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

2 空冷器的基本結構及工作流程

空冷凝汽器主要由翅片管束、配汽管、凝結水聯箱、鋼架、軸流風機、擋風墻等附件組成，如圖2所示（整體結構為A字型結構布置），從汽輪機低壓缸排出的蒸汽，經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（位于空冷凝汽器設備的頂部），向管束分配蒸汽，軸流變頻風機位于管束正下方，當排汽流經翅片管時，大量的冷空氣被大型風機吸入通過翅片管，將排汽的熱量帶走，從而使排汽凝結為水。

圖2 空冷器的基本結構

2.1 管束

管束是空冷器的核心部件，主要由翅片管、管束聯箱、管板、管束下聯箱支撐導軌、配汽管等組成，管束是一個剛性的、獨立的結構，合理的管束排列，可以減小熱阻、提高換熱效率、減小凝結水的過冷度，對管束設計的基本要求如下：

（1）根據傳熱的要求保證所需要的蒸汽流量和空氣流量；

（2）采用適當的結構防止不凝汽的聚集并排出；

（3）為汽機排汽的凝結提供必要的傳熱面積；

（4）管束應為獨立結構，是便于整體裝卸的組合體；

（5）管束應有適應翅片管熱膨脹的措施。

2.1.1 管間距及排列

管間距不僅對翅片管的傳熱性能和氣流阻力有影響，而且對設備造價也有影響，根據大量實驗研究，翅片管盡可能采用等邊或等腰三角形排列。

2.1.2 管排數

管排數對投資及運行費用的影響較大，排數少，傳熱效果好，所需散熱面積略小，但占地面積大，同時由于空氣溫升小，風量就要大。如管排數過多，平均溫差降低，傳熱面積就增大，同時氣流阻力增加，風機功率也就上升，因此設計時管排數要進行合理選擇。

2.1.3 管程數

管程數的選擇取決于管內介質的流速和壓降，若管程數選擇得較多，可使管內流速及傳熱系數增加，但管內阻力也隨之增加；反之，若管程數較少，管內換熱系數和壓降都隨之降低，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鍵元件，它的性能直接影響空冷器的性能和應用，對翅片管要求具有良好的傳熱性能、耐熱沖擊力、耐大氣風沙腐蝕、良好的抗機械振動等，而且在所有的運行工況下，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產生永久性變形等，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水聯箱，即凝結水收集管，是空冷器的受壓容器，應特別重視管束在運行中的熱變形問題。

2.3 風機

風機在空冷器強化傳熱中起著關鍵的作用，為適應不同季節溫度下的不同空氣流量，風機采用變頻調速風機，風速在40%～100%范圍內可以調節，控制系統能根據環境溫度、排汽壓力、凝結水溫度自動調節風機臺數及轉速，以達到機組凈發電量最大。

2.4 鋼架與擋風墻

為了保證空冷凝汽器的平穩運行，鋼架必須安全可靠，在設計計算過程中，需要統籌考慮各種載荷組合，包括基礎沉降、大風、地震、風機振動等因素，以有限元分析程序作為平臺結構分析工具。

為了減弱熱風回流現象和迎風面過冷凝結成冰對熱效率的影響，在空冷平臺四周設置擋風墻，一般擋風墻的高度與蒸汽分配聯箱的中心線一致或略高于中心線。

3 空冷器設計中的綜合考慮

電站空冷技術經過幾十年的應用，積累了豐富的經驗，亦出現并解決了大量問題，同時總結了一些經驗及問題的解決方法。

3.1 防凍措施

在寒冷地區，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。如設計不當，除易引起凝結液的凍結外，還會使傳熱性能大大降低。

3.1.1 設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，可設置一定比例的逆流管束來排出不凝結氣體和空氣，一般將傳熱計算所求的面積分為主凝汽管束（順流）和輔助凝汽管束（逆流），兩者的面積比根據氣候條件、管內蒸汽流速、翅片管幾何尺寸等多方面因素決定，依據運行實踐經驗，其值從67∶33到95∶5不等。

大部分蒸汽（約80%）在管道中通過順流式凝結管束由上而下凝結，剩余少部分（大約20%）不凝蒸汽通過凝結水聯箱的底部進入逆流式凝汽管束，其蒸汽由下而上，凝結水由上而下，流入凝結水聯箱。通過這種方式，凝結水獲得了熱能，防止發生過冷現象，如圖3所示。

圖3 管束的順逆流結構示意

3.1.2 增加抽氣裝置

在設置順逆流管束的同時，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箱中的抽氣口中將不凝結氣體與一部分蒸汽一起抽出，其中的蒸汽部分在真空泵內凝結成水，不凝結氣體經過分離器排入大氣，國內外的實踐證明，管束的K/D結構對防止凝結水的凍結是行之有效的。

3.1.3設置擋風墻

空冷器所處的外部環境風場是關鍵性因素，在四周設置擋風墻，可以防止外界自然風直接吹向換熱器，減小空冷器兩側凝結水溫差，有效防止過冷凝結成冰和空氣反流。

3.1.4 其他措施

通過控制風機轉速以及啟停來提高排汽背壓，從而提高排汽溫度，使凝結水解凍。

在機組帶上負荷后增加空冷系統進汽量，使其自行解凍。

在空冷凝結水回水管上加裝保溫層，避免凝結水凍結，以提高機組的運行經濟性。

3.2 預防熱風再循環

空冷器的熱風再循環是空冷器運行的兩大危害之一（另一危害為管內凝結水的凍結），是指空冷器排出的熱氣流，或某些高溫設備散熱熱氣流在某些特定的條件下被風機吸入提高了進入空冷器冷空氣的溫度，導致空冷器冷卻能力的下降。

有經驗表明，由于熱風再循環的影響，空冷器進口處空氣溫度增加5℃，會使平均溫差為15℃的空冷器降低傳熱量30%[1]。

3.2.1 預防熱風再循環問題的設計考慮

由于直接空冷機組對環境風向風速極其敏感，特別是不利風向的大風，容易使機組背壓突然升高，機組負荷突然下降，造成機組跳閘，所以應根據廠址典型風向規律圖（至少有近10年風環境變化資料）來合理選擇空冷島布置位置。

就空冷器本身而言，為防止熱風再循環一般采取的方法是在空冷島四周以及空冷單元之間裝設擋風墻，這樣不但防止了熱風再循環的發生，對減少噪音亦有一定好處。

同時在設計中，還應考慮每個冷卻單元從入口到出口的整個空氣通道，避免熱空氣回流相互干擾。

3.2.2 空冷凝汽器的不適當布置

有許多熱風再循環問題是由于空冷器的不正確布置產生的，舉例如下：

·空冷器來流空氣速度高；

·空冷器布置于熱源的下風向；

·空冷器布置于下風向的巨大建筑物之前；

·兩空冷器布置間隔小；

·同類型空冷器布置在不同的標高；

·排出的熱空氣速度低；

·在總平面布置中，對夏季主導風向的不恰當分析等等。

當有多組空冷器時，應相互連接在一起布置，否則其間距應大于20 m，如圖4、5所示。

圖42 臺空冷器的布置

圖5 幾組空冷器的布置

3.3 風機運行

根據不同運行條件以及不同季節的空氣溫度，適當調整風機的運行方式，不僅可以提高風機效率，亦可起到節能的作用，所以風機應具有適應連續和間歇穩定運行的功能。

正常運行時，通過控制風機轉速、運行的臺數以及關閉部分受熱面來控制背壓，當ACC的運行條件偏離設計工況時，控制系統能夠監測到背壓偏差信號，并控制風機的轉速以及啟停。

在低負荷和低環境溫度時，通過改變風機的轉速和運轉的臺數可以改變空氣流量以減少換熱量。

GEA曾在北京的一次技術交流會上，給出1個對于機械通風濕冷塔的風扇運行轉速及臺數同空氣溫度的關系值（見表1），此值有一定的參考價值。

表1 對于機械通風濕冷塔的風扇運行轉速及臺數同空氣溫度的關系值[2]

但在實際運行中，運行人員應積累不同季節時間段內的溫度值及相應的風機運行狀況，如自調角風機的葉片角度值或風機分組停運排列方式，以對汽輪機的背壓值做出相應的調整，從而總結出適宜的關系值[3]。

3.4 設計參數的優化

在設計空冷器中，總希望所進行的設計方案、所采用的參數是最佳的設計參數，以使總費用最少，這就要求采用最優化技術，求出最優解。

系統的熱力計算、風量風壓的確定，框架結構的設計和力學計算，自動掃灰裝置，過冷度的控制，膨脹和膨脹節的計算，支撐點的設置、管道應力計算等系統的優化計算，都是很重要的。

在設計中要考慮足夠的裕量以避免膨脹節在運行時彈性不穩定（蠕動），膨脹節理論壽命的估算應考慮到溫度升高而引起的材料強度降低，膨脹節拉桿應依據相關標準設計并能夠承受所有外力和力矩，所有承壓構件（不包括波紋管）和拉桿的許用應力應按50%屈服應力計算。

迎面風速是空冷器的一個重要設計參數。風速增加，空冷器傳熱面積減小，投資和鋼材消耗減少，與此同時，動力消耗費用增加，影響空冷器的最佳迎面風速的因素很多，如翅片管的幾何尺寸、溫差、電價、年運行小時數、管束的投資費用等，因此存在一個最佳的迎面風速，使上述兩項費用之和為最小，見表2。

表2 推薦的標準迎面風速與面積比[1]

3.5 清洗系統

清洗系統是一個獨立的系統，在空冷系統及設備運行正常的情況下，對于一定的空氣溫度和汽輪機負荷，當凝汽器壓力明顯高于特性線給定的數值時，說明換熱管翅片的表面已臟污，應進行清洗。清洗時高壓泵將從系統來的清洗水升壓后，送到清洗設備的噴嘴前，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后鹽垢殘留在翅片上，清洗應在空冷凝汽器停運時進行，清洗完畢，所有排氣管和排水管都應該打開，這樣會防止長時間水滯留和可能的冰凍。

對于翅片表面的灰塵垢，可在不中斷系統運行的情況下，用壓縮空氣對其表面進行吹掃。

沖洗的時間間隔根據現場環境的情況以及運行一段時間后的經驗來決定，定期沖洗翅片管外表面，可增強換熱，提高風機轉速來降低機組背壓。

4 結論

本文介紹了電站汽輪機直接空冷凝汽器主要元件的作用以及設計時的綜合考慮，同時特別指出了空冷凝汽器設計中應注意的相關問題，希望本文能對公司的發展起到一個參考的作用，使直接空冷電站在同樣提供電力的同時能夠大量節水，并減少對環境的危害。

[1]馬義偉.空冷器設計與應用[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,1998

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

[3]魏松濤.空冷汽輪機設計綜述[J].東方電氣評論,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年畢業于西安交通大學熱能與動力工程專業，現主要從事汽輪機的系統、結構設計以及服務工作。