汽轮机乏汽空气冷凝器的制作方法

专利名称：：汽轮机乏汽空气冷凝器的制作方法
技术领域：
：本实用新型属于热交换领域，特别涉及以空气为冷却介质的电站空冷器装置。
背景技术：
：由于水资源的日益短缺，利用空气通过金属表面直接或间接冷凝汽轮机乏汽，能大幅降低火力电站和核能电站用水量的空冷式发电，正在世界各地尤其是中国日益兴起。现行的空冷式发电站，其利用空气冷凝汽轮机乏汽的关键设备又称电站空冷器、空冷岛等，主要分为直接空冷和间接空冷两种汽轮机乏汽直接进入空冷器进行冷凝的简称直接空冷，通过循环冷却水将汽轮机乏汽的冷凝热带到空冷器中进行冷却的简称为间接空冷。冷却管束布置方式现行的电站直接空冷器通常是将空冷器冷却管束，如600MW机组总重量达4600余吨左右的空冷器管束组件，布置在距离地面45米多高，面积近8000余平方米的巨大高空平台上，通过设在空冷器管束下方的大型轴流风机垂直向上鼓风，使其穿过冷却管束，带走管束内的乏汽冷凝放出的潜热，实现用空气直接冷凝汽轮机乏汽的目的。现行的电站间接空冷器通常采用圆型双曲线自然通风塔，利用流经塔底的空冷器被加热后的空气产生的升力，不断从塔底圆周外侧抽入冷空气进行冷却，其冷却管束的布置方式又分为沿塔底圆周布置；或在塔内平面或锥面布置。翅片管外观结构及特点翅片管是现行电站空冷器的核心冷却元件。截面外观结构主要有①椭圆形，长轴72mm，短轴20mm钢管绕椭圆形钢片的三排管，翅化比9.94左右，见说明书附图中的图1’②椭圆形，长轴100mm，短轴20mm钢管套矩形钢片的两排管，翅化比13.85左右，见说明书附图中的图2;③扁平形，220mmX20mm扁形管焊蛇形铝片的单排管，翅化比12.75左右见说明书附图中的图3；①、②、③具有空气流动阻力小和抗冻结胀裂性能好的特点；④圆形，直径17.75mm铝管套矩形铝片的六排管，翅化比14.3左右，见说明书附图中的图4，具有重量轻的特点。空气流向与冷却管束布置方式的关系直接空冷器运行中的风机能耗，主要是空气流经空冷器管束的阻力导致的，为了减少空冷器运行过程的能耗，人们采用了椭圆形、扁平形翅片管，让空气沿管子截面长轴方向的外壁流经空冷器管束，以达到减少空气阻力、降低能耗的目的。这种椭圆形、扁平形翅片管用于管内系非冷凝介质的冷却时，空气流动方向可以随椭圆形、扁平形翅片管截面长轴方向一起任意变化，都能达到降低风阻，进而降低风机能耗、成本的目的。椭圆形、扁平形翅片管形状特点，冷却空气只能采取至下而上流经空冷器管束当椭圆形、扁平形翅片管，用于管内介质在冷却过程中有冷凝液化介质出现时，尤其是当介质大量，甚至全部液化时，如专门用于水蒸汽、气氨冷凝等等。由于重力作用，液化的冷凝介质将流向管子底部，又由于液体在壁面的传热膜系数，都远小于蒸汽在壁面的冷凝传热膜系数，再加之液体的导热系数更远小于管壁金属材料导热系数几十倍，大量冷凝液存积于管内①，不仅将大大降低翅片管空冷器的冷却效果；②，还将大幅增加介质在管内的流动阻力；③，在空气温度低于0°C时还会极易导致水蒸汽冷凝液在管束内冻结，轻者堵管，重者将管束胀裂。所以，为了尽量减少翅片管内存积的冷凝液体导致的不利因素，椭圆形、扁平形翅片管的长轴面就必须采取平行于重力方向布置；同时还要将椭圆形、扁平形翅片管采取与水平面倾斜一定角度的方式布置，以便管内冷凝的液体在重力的作用下，流向曲率较大的椭圆形、扁平形翅片管的长轴下端后，能再沿着倾斜的管底流出翅片管。现行椭圆形、扁平形翅片管用于电站空冷器时，由于体积十分巨大，为减少占地面积和加快凝液流出翅片管，通常将翅片管以与水平面的倾斜角度加大到60°左右。因长轴面必须平行于重力，为降低空气阻力和风机能耗，空气流动方向也就必须与重力方向平行了。为减少换热后巨量热空气对地面环境的不利影响，只能采取空气至下而上流经空冷器管束，如600MW发电机组的空冷器，每小时排出的热空气达1亿立方米左右，只有将其排向远离地面环境的高空方向。这样的椭圆形、扁平形翅片管和布置方式，空气只能采取向上流动的方向为唯一选择。这种翅片管截面结构和布置方式的空冷器，在风力和沙尘较小的欧洲等世界各地投运，降低冷却空气阻力的节能效果是肯定的。但是，这样的翅片管截面结构和布置方式的空冷器直接移植到风力大、年吹风时间长达数千小时，且空气沙尘含量较高的北半球西风带，尤其是中国北方地区的电站空冷器上，就出现了以下问题①，这种形式的电站空冷器在风大风多的西风带中国北方，则不可能利用水平风的动能来驱动空气直接吹进空冷器管束，进而降低风机电耗，在电站直接空冷器中，只能利用电厂的电力来驱动空气，吹过空冷器管束，来冷却管内介质，这显然不合理；②由于电站空冷器空气用量十分巨大，必须要为风机进风方向留出足够的的冷空气进入空间，如600MW电站空冷器风机进风口的高度，就必须设置在40米以上的高度上，而没有利用这一空间与换热后的热空气结合起来产生的升力来自动抽吸冷空气，这显然不是最经济的电站空冷器；③由于翅片管与水平面成60°布置，所以占空气侧冷却面积92%以上的翅片平面与水平面之间的夹角就在30°左右。由于重力的作用，占空气侧冷却面积46%以上的翅片上平面，在空气沙尘含量较多的地区就更易沉积沙尘，导致翅片管换热能力迅速下降。在我国北方投运的这类电站空冷器春夏须每月清洗一次翅片管束，否则将严重影响空冷电站的发电能耗和成本。所以，只有采用大幅增加清洗次数的方式来维持空冷式发电装置的运行。④布置于自然通风冷却塔的圆形铝管套矩形铝片的六排管，又称为匈牙利福哥型(Forgo)散热器，也由于冷却水管垂直布置，占空气侧冷却面积93%以上的翅片则为水平形式，这在空气沙尘较重的中国北方，也因翅片面积46%以上的上平面极易沉积灰尘，夏天仍然必须每月清洗一次翅片管束，方能维持电站的正常运行。这种间接冷却的空冷器占地面积，比已经是传统凉水塔的12倍的电站直接空冷器，至少还要大一倍以上，同时投资造价也比直接空冷器还要增大50%以上。因此，这种间接冷却的电站空冷器也不太令人满意。现行的电站空冷器面对风力大、欧风时间长、沙尘含量高的环境，除存在上述需要4改进外，还存在以下不足①由于蒸汽冷凝传热系数高，现行的电站空冷器翅化比相对较低，从而导致电站空冷器单位面积重量大，投资高；②椭圆形、扁平形管子再加上60°角度布置，冷凝水膜在内壁垂直滞流路径长，达长轴尺寸的两倍达140400mm以上，由于水的导热系数不足金属管材的2%，滞流于内壁的冷凝液将导致管束传热阻力增加。虽然采用了较低的翅化比，相对增大管内传热面积，来减小热阻，但是，这也成为增大空冷器设备重量，增加投资成本的主要原因之一；③现行电站直接空冷器冷凝管束的翅片平面与水平面呈30°左右的夹角，与垂直向上气流方向呈60°左右的夹角，导致气流在进出翅片管束时必须经过正反两次60°的转向，这无疑增大了空气流经空冷器管束的阻力，增加了空气动力损失；④现行电站直接空冷器，轴流风机群置于管束下方，冷空气气流方向与重力方向相反流经空冷器管束，不仅增加了风机支撑固定成本，而且由于置于管束下方的风机群产生的噪音，在地面与45米高度的8000m2平台之间形成来回反射共振，如600MW机组的的64台llOkw轴流风机集体运行时，形成的中心频率约800Hz左右的噪音声波，只能向平台下方无障碍的四周空间环境传出，在电厂空冷器周围成为严重的声污染。为减低噪音，被迫选用价格昂贵的低转速，超静音轴流风机。但由于平台与地面之间形成反射共振强化作用，仍不能使直接空冷器周围环境的噪音降到理想的水平上，从而使消除电站直接空冷器运行时产生的噪音也成为一个行业难题；⑤垂直向上的冷空气，首先与管束底部的冷凝水换热，由于在管子空气侧迎风面法线士30°范围有最大的传热膜系数，加之空气温度相对管子侧、后面更低，所以在0°C以下的冬天易于导致管内冷凝水冻结；⑥现行电站直接空冷器的冷凝换热效果受环境风速的影响很大，一直不能从根本上有效消除风速大于6米/秒时带来的热风循环，这也是我国空冷式电站至今尚未解决的行业难题。⑦现行电站间接空冷器不仅占地面积大，而且投资高；⑧现行电站直接空冷器，如600MW机组的空冷器布置在45米多高的高空平台上，导致装置土建、高空平台、设备安装费用高；⑨现行直空冷在运行中不能及时发现漏气管束，导致不能及时处理漏气管束，减低了管束真空度，这不仅增加了空冷器冷却负荷，而且还降低了汽轮机的热功效率，进而降低了电站经济效益。⑩现行电站直接空冷器，如600MW机组的空冷器布置在45米多高的高空平台上，导致真空管路特别长、管内流体阻力大，这不仅不利于提高空冷器内的真空度，同时也增加真空系统投资费用和运行电耗。鉴于现行电站空冷器的上述不足，本发明采用以下内容予以完善。
发明内容①采用近似水平布置的圆形翅片管作为电站空冷器与空气进行表面式换热的核心元件，其特征是(1)圆形翅片管做空冷器换热核心元件，冷却空气可以从圆周的任意方位吹进空冷器管束，自然界水平方向的自然风就可不经损失能量的转弯过程，而直接吹进空冷器管束进行热量交换，实现对管内低压蒸汽的冷凝，充分利用我国特有的丰富的自然风资源进行发电汽轮机乏汽的冷却，大大节省了风机电耗；(2)翅片管的近水平布置，与翅片管相垂直的翅片平面与重力方向就处于近似平行的状态，以翅片管与水平面成5°的夹角为例，翅片在水平面上的投影仅为翅片表面积的4.4%，与现行的椭圆形、扁平形翅片的上平面达46%相比，受重力作用易于沉积灰尘的表面积减少了90%以上，从而大大削弱了在沙尘含量较重的中国北方地区，翅片沉积灰尘、增加热阻的的进程，有力确保了空气冷凝器的长期冷却效果，同时垂直的翅片表面也更易于清洗；(3)由于风以水平方向横掠过翅片管，管底流动的冷凝液所接触的管底外侧面，掠过的风温不仅高于管子迎风面，而且由于管子侧风面的传热膜系数远低于迎风面。所以，这种方式换热的翅片管在寒冷季节相对不易出现冻结堵塞或冻结胀裂事故。②将本案
发明内容①所述翅片管制作为说明书附图中的图5、图8所示空气冷凝器的V形冷却单元，或说明书附图中的图9所示的双V形冷却单元，按说明书附图中的图10和图11所示的方式布置成直接空冷的圆筒形空气冷凝器；由于直接空冷，空气流经空冷器的温升比间接空冷高一倍左右，空气用量相对大量减少，加上温升高，热空气升力大、流速高，空冷塔的直径就可以减小，既减少占地又节约投资。这样可以充分利用空冷塔内热空气产生的升力抽吸空冷器管束外的冷空气，实现电站直接空冷器的零电耗理想目的。③功率较大的电站空冷器，圆周直径大，热空气向上流动的趋壁流动特性。为防止风筒出口比热空气重的冷空气，经风筒中央部位倒流入空冷塔底部，形成中心区域冷空气向下流动，风筒内壁热空气向上流动的有害循环对流。本设计将空冷管束布置为说明书附图中的图12、图13及等图所示中央环形换热部件7和外围环形换热部件9两部份。外围环形换热部件底部与设备基础之间留有冷空气进入中央环形管束的环形通道6，以便让空冷塔外面的冷空气，能沿塔底周边径向流进中央环形换热部件7，并吸收管束翅片传出的热量，升高温度、密度降低后进入中心区域，利用热空气的升力或风机的作用，再沿着垂直的中轴线向上流出抽风筒4，从而有效消除了大型空冷塔抽风筒内冷热空气的有害对流。④在本案所述的空冷塔外设置一可随风向变化，而自动旋转的曲面返风幕11。见说明书附图中的图16、图17中的11所示，或说明书附图中图21、图22、图23的11所示，利用对称曲面的反射特点和流体力学原理，以使整个圆柱面任意方位，都具有与自然风迎风面基本相同的总风压。(1)由于曲面的对称特性，和曲面返风幕钢架与沿冷却塔中心轴线的可旋转结构，在风力的作用下，该曲面返风幕的水平轴线将始终正对来风方向，而无需进行人为的自动控制，从而不仅简化了装置结构、提高了装置可靠性，而且降低了投资。(2)由于可旋转返风幕的设置，从而满足了全年任意风向条件下，均可使整个冷却塔柱面上的冷却管束环形换热部件，都能最大限度的利用自然风进行空气冷却，实现降低风机电耗甚至利用风机发电的目的。(3)该风幕采用可以升降的船帆结构，以便在无风时将返风幕降落到设在地面的帆舱内，减小进入空冷器的进风阻力；在风力太大时适当降低风幕的高度，乃至降落到舱内，以策安全；(4)提高风幕的高度可减少风幕的宽度，即减少风幕的旋转半径，减少占地。6[0046]⑤将轴流风机，见说明书附图中的图14、图15中的10，图16、图17、图18、图19中的10，图21、图22中的10所示，设置在圆柱形空冷塔的抽风筒的下部。(1)由于圆柱面冷却管束和风筒的阻挡作用，可有效降低空冷塔周围环境的噪曰；(2)风机处于换热后的气流中，在冬天也始终处于0°C以上的工作温度环境之中，有利于电机、齿轮箱、风机轴承、叶片长周期可靠运行，减少故障。⑥，由于空冷塔的圆柱形冷却段和风筒内均充满热空气，可以充分利用热空气的升力作用，不仅将热风排向远离地面的高空环境，而且将大大降低电耗。⑦风机叶片的转速和倾角可随气温与出风速度，自动调整在风机运行状态、风机停运状态和风力发电状态。⑧由于自然风的风速是随高度增加的，加之处于上部的冷却管束距离风机更近，风的路程阻力小，将翅片管在管束中的密度、翅化比，随管束在冷却塔圆柱面高度增加而适度增加，以提高自然风的利用率和空间利用率。附图14，为现行电站空冷器的核心换热元件的主要结构示意图。其中图1为钢管绕椭圆形钢片的三排管换热元件，箭头为空气流入方向；图2为椭圆形钢管套矩形钢片的两排管换热元件，箭头为空气流入方向；图3为扁形管焊蛇形铝片的单排管换热元件，箭头为空气流入方向；图4为圆形铝管套矩形铝片的六排管换热元件，箭头为空气流入方向。附图5，为本实用新型设计的，采用圆形翅片管作为电站空冷器与空气进行表面式换热的空气冷凝器V形冷却单元主要结构俯视示图。其中1为被冷凝的低压蒸汽进口管。用于间接空冷时，为进水管；2为组成V形翅片管束冷却单元的圆形翅片管；3为蒸汽冷凝水收集管。用于间接空冷时，为出水管；B为组成V形冷却单元的圆形翅片管以低压蒸汽进口管为圆心的夹角，该角度根据需要可在60°180°之间；箭头为空气流入方向。图6为本实用新型采用的圆形翅片管冷却元件；图7为圆形翅片管冷却元件左视图。附图8，为本实用新型设计的，采用圆形翅片管作为电站空冷器与空气进行表面式换热的空气冷凝器V形冷却单元主要结构主视示图。图中1为被冷凝的低压蒸汽进口管。用于间接空冷时，为进水管；2为组成V形翅片管束冷却单元的圆形翅片管；3为蒸汽冷凝水收集管。用于间接空冷时，为出水管；a为组成V形冷却单元的圆形翅片管与水平面之间的倾角，该角度根据需要可在3°45°之间，以利于冷凝水的在倾斜的翅片管内流出。图9，为本实用新型用于电站直接空冷器，或冷却空气温升较大的电站间接空冷器的双V形冷却单元俯视图；箭头为空气流入方向。图10，为本实用新型用于小型电站的直接空冷的圆筒形空气冷凝器主视图、图11CN201583155U说明书6/10页为俯视图。利用流经塔底V形翅片管束冷却单元，被加热后的空气在塔内产生的升力，不断从V形翅片管束冷却单元外侧，抽入冷空气对翅片管内的汽轮机乏汽进行冷却。图中4，为抽风筒；5，为布置于塔底部的V形翅片管束冷却单元组成的环形换热部件；箭头为空气流向。图12，为本实用新型用于大、中型电站的直接空冷的圆筒形空气冷凝器主视图、图13为俯视图。将空冷管束布置为中央环形换热部件7和外围环形换热部件9两部份，外围换热部件底部与设备基础之间留有冷空气进入中央环形管束的环形径流通道6，以便让空冷塔外面的冷空气，能沿塔底周边径向流进中央环形换热部件，并吸收管束翅片传出的热量，升高温度、密度降低后进入中心区域，利用热空气的升力或风机的作用，再沿着垂直的中轴线向上流出空冷塔顶出口，从而有效消除大型抽风筒内冷热空气的有害对流。图中4，为抽风筒；6，为冷空气流入中央环形换热部件的径向流入通道；7，为中央环形换热部件。8，为冷、热空气隔离幕；9，为外围环形换热部件；箭头为空气流向。图14，为本实用新型建于对设施有高度限制，只能部份利用热空气升力，配有轴流风机的小型电站直接空冷的圆筒形空气冷凝器主视图、图15为俯视图。图中4，为抽风筒；5，为布置于塔底部的双V形翅片管束冷却单元组成的圆筒环形换热部件；10为轴流风机；箭头为空气流向。图16，为本实用新型建于风力大、吹风时间长，可使风机处于发电运行环境的小型电站直接空冷的圆筒形空气冷凝器主视图、图17为俯视图。图中4，为抽风筒；5，为布置于塔底部的双V形翅片管束冷却单元组成圆筒环形换热部件；10为可发电运行的轴流风机。11，为充分利用自然风能量的返风幕；图18，为本实用新型对设施有高度限制，只能部份利用空气升力，配轴流风机的大、中型电站直接空冷的圆筒形空气冷凝器主视图、图19为俯视图、图20为A-A视图。图中4，为抽风筒；6，为冷空气流入中央环形换热部件的径向流入通道。7，为中央环形换热部件；8，为冷、热空气隔离幕；9，为外围环形换热部件；10，为轴流风机；箭头为空气流向。[0101]图21，为本实用新型建于风力大、吹风时间长，可使风机处于发电运行环境的大、中型电站直接空冷的圆筒形空气冷凝器主视图、图22为俯视图、图23为A-A视图。图中4，为抽风筒；7，为中央环形换热部件；8，为冷、热空气隔离幕；9，为外围环形换热部件；10，为可发电运行的轴流风机；11，为充分风利用自然风能量的返风幕。具体实施方式一，600Mw自然通风ACC大型电站直接空冷器参数一览表为例，说明本发明的实施方式。9<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>采用本实用新型设计的600Mw大型电站直接空冷器，由于占地小，完全可以将其建在发电机厂房A列外侧，从而保留了原强制通风直接空冷器蒸汽总管相对短的优点，消除了电耗高、投资高、噪音大、抗自然风影响能力弱等缺点。二，30Mw轴流风机强制通风小型电站直接空冷器参数一览表为例，说明本发明的实施方式。[0113]<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>在受高度限制的环境，采用本实用新型设计的电站空冷器，噪音相对低、电耗低、抗自然风影响能力强的优点。三，30Mw采用可发电轴流风机加返风幕强制通风小型电站直接空冷器参数一览表为例，说明在风大风多的地区本发明的实施方式<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>权利要求汽轮机乏汽空气冷凝器，由一根低压蒸汽进口管、两根冷凝水收集管和若干翅片管连接组成空气冷凝器的冷却单元，若干空气冷凝器管束冷却单元组合成换热部件后，再与风筒、轴流风机集合，组成完整的汽轮机乏汽空气冷凝器，其特征在于空气冷凝器的冷却单元中与翅片管(2)相连的低压蒸汽进口管(1)和两根冷凝水收集管(3)均竖直布置；翅片管(2)和冷凝水收集管(3)以低压蒸汽管(1)中心轴线对称连接布置，对称连接布置的翅片管之间的V形夹角B＝60～180°；翅片管的翅片和管子均为圆形；翅片管(2)以与水平面的夹角α＝3～45°连接于低压蒸汽进口管(1)和冷凝水收集管(3)之间；双V形翅片管束冷却单元两低压蒸汽管之间的净距离r≥400mm。2.根据权利要求1所述的汽轮机乏汽空气冷凝器，其特征在于空气冷凝器的V形冷却单元组合成环形换热部件(5)，再与其上部的抽风筒(4)集合，组成直接空冷的圆筒形空气冷凝器。3.根据权利要求1所述的汽轮机乏汽空气冷凝器，其特征在于空气冷凝器的V形冷却单元布置为中央环形换热部件(7)和外围环形换热部件(9)两部份；两环形换热部件之间设有冷、热空气隔离幕(8)；外围环形换热部件(9)底部与设备基础之间留有冷空气进入中央环形换热部件的环形径向流入通道(6)。4.根据权利要求1所述的汽轮机乏汽空气冷凝器，其特征在于(1)在空冷塔外设置了具有对称曲面的返风幕(11)；5.根据权利要求1所述的汽轮机乏汽空气冷凝器，其特征在于轴流风机(10)水平布置于抽风筒(4)下部。6.根据权利要求1所述的汽轮机乏汽空气冷凝器，其特征在于水平布置的轴流风机(10)下面的换热部件由中央环形换热部件(7)和外围环形换热部件(9)两部份组成。专利摘要汽轮机乏汽空气冷凝器，本实用新型属于热交换领域，特别涉及以空气为冷却介质的电站空冷器。我国北方常年风沙大，电站空冷器存在易积沙尘，热耗高、电耗高，抗风能力差的问题。本案采用圆形翅片为核心元件组成直接空冷的圆筒形空气冷凝器，可大量减少沙尘沉积，冷空气充分利用自然风力吹进空冷器管束换热后，再利用热空气在风筒产生的抽力，吸入管束外的冷空气，实现电站直接空冷器的自然通风冷却的同时，也解决了环境风影响现行电站直空冷运行稳定的问题。文档编号F28B1/06GK201583155SQ20092008261公开日2010年9月15日申请日期2009年7月16日优先权日2009年7月16日发明者李宁申请人:李宁