专利名称：逆向绕流式氢气热交换器的制作方法
技术领域：
本实用新型是逆向绕流式氢气热交换器，属发电机组的热交换技术设备。
背景技术：
作为氢冷发电机组的机械压缩制冷式氢气去湿干燥设备，达到国标、行业规范的关键在于机械压缩制冷式氢气去湿装置所采用的氢气冷却去湿器与氢气热交换器。现有的氢冷去湿装置大都未有氢气热交换器这一氢气预冷部件，即使有，其效率也因太低，达不到预冷效果，也达不到所要求的氢气经冷却去湿后的出口温度控制在10℃～15℃之间这一指标，从而影响整套装置的氢气去湿能力。已有氢气热交换器采用的是同轴光滑管结构，换热效能低，几乎达不到进出口氢气预冷/预热的效果。目前，我国大多数汽轮发电机组均采用水氢氢冷却方式或全氢冷却方式。氢冷发电机应在纯度为96％以上的冷干氢气中运行，氢气湿度过高或超标将严重影响发电机定子、转子绕组的对地绝缘性，会加速保护环的应力腐蚀，增加发电机的通风损耗，从而会降低发电机运行效率、加速绝缘材料的腐蚀速度、缩短发电机使用寿命，对发电机安全运行造成极大的危害，影响到发电厂的运行安全。近年来，国内200MW、300MW氢冷发电机组由于氢气湿度超标引起的端部绕组短路击穿事故已达几十起，引起转子护环腐蚀断裂事故也有20多起，给国家造成了极大的经济损失，已经严重影响到汽轮发电机组的运行安全。促使国家和各发电厂更加重视更高标准的发电机内氢气湿度行业标准(机内额定氢压下，绝对湿度d＝1～2g/m3，露点Td＝-25～-5℃)以提高发电机组的效率和运行的安全性。目前我国电力行业中所采用的机械压缩制冷式氢气去湿装置的去湿性能远达不到上述要求，其主要原因是装置中使用的氢气热交换器(氢气预冷器)和氢气冷却器这两个关键部件未能采用适用于电力、制冷行业中的强化传热技术研制。其氢气热交换器仅采用同轴光滑管结构，该种结构不能使进、出口氢气有效地进行热交换，从而达不到进口氢气预冷、出口氢气预热的效果。这一状况导致进入氢气冷却器的氢气温度高，增加了氢气冷却器的热负荷，减小了氢气冷却器的去湿能力；另一方面也使得出口氢气太冷，远低于室温，从而使其外壁、及与之出口相连的管路出现结露，引起管路腐蚀、生锈。
发明内容本实用新型的目的就是为了克服和解决现有氢气热交换器因采用同轴光滑管结构、从而不能有效地进行热交换、效率太低，达不到预冷预热效果，导致进入氢气冷却器的氢气温度高、增加了氢气冷却器的热负荷、减小了氢气冷却器的去湿能力，并使管路出现结露，引起管路腐蚀、生锈等的缺点和问题。为达到国标、规范规定和电力行业的特殊要求，采用合适的强化传热技术，研制设计本实用新型——逆向绕流式氢气热交换器，它能使从氢气冷却器来的-15℃～-10℃的氢气被入口35℃～45℃的热氢气加热到10℃～15℃，也能达到入口氢气被预冷20℃以上的效果，并且热氢气于外筒流动，冷氢气于内筒流动，这不仅减小了氢气冷却器的热负荷，也避免了其外壁、及与之出口相连的管路出现结露，引起管路腐蚀、生锈等缺点和问题，具有较好的传热、节能效果。
本实用新型是通过下述技术方案来实现的逆向绕流式氢气热交换器的结构示意图如图1所示，它由出口标准法兰1、冷氢气出口管2、出口环形块3、外筒4、内筒左端盖5、外筒左端盖6、环向绕带7、热氢气出口管8、内筒9、冷氢气入口管10、外筒右端盖11、内筒右端盖12、入口环形块13、入口标准法兰14、热氢气入口管15共同连接安装构成，其相互位置及连接关系为出口标准法兰1通过冷氢气出口管2与内筒9焊接连接，冷氢气出口管2通过出口环形块3与外筒4焊接连接，外筒4通过焊接分别与热氢气出口管8及热氢气入口管15相连接接通，内筒左端盖5、内筒右端盖12、环向绕带7通过焊接分别与内筒9相连接，环向绕带7通过焊接与外筒4端口连接，冷氢气出口管2、冷氢气入口管10通过焊接与内筒9相连接通，外筒左端盖6、外筒右端盖11通过焊接与外筒4相连接通，冷氢气入口管10通过入口环形块13与外筒4焊接连接，入口标准法兰14通过热氢气入口管15与外筒4焊接连接通。
本实用新型的研究设计机理及其作用原理如下本实用新型是根据氢气的物理特性、进出口氢气的运行工况等，采用在同等体积下，通过增大传热面积、延长接触时间、破坏层流边界层等强化传热方法来强化进出口氢气的热交换。目前，电力工业中的氢冷发电机组所采用的机械压缩制冷式氢气去湿设备无法达到国标、行业规范的规定。为提高发电机组的效率和运行的安全性，国家对于大容量发电机组内氢气湿度有更高行业标准趋势(提高到1～2g/m3，或露点在-25℃～-5℃之间)，以往使用的机械压缩制冷式氢气干燥装置已无法适应这一更高的要求，且存在氢气热交换器外壁、及与之出口相连管路结露，引起管路、器壁腐蚀生锈等问题；经分析表明现有问题的出现，关键之一在于其所用的氢气热交换部件，不能有效地实现进、出口氢气的换热，达不到较好的进口氢气预冷、出口氢气预热的效果，以至于经氢气冷却器去湿后的氢气湿度达不到要求，而出口管中氢气的温度又远低于环境温度，从而使与出口相连的管路出现结露，引起管路腐蚀、生锈等问题。要有效地解决这一问题，就需采用强化传热方法，应用适用于电厂、制冷行业的强化传热技术设计这一部件。具体来说，对于这一部件，应根据氢气的物理特性、进出口氢气的运行工况等，采用在同等体积下，通过增大传热面积、延长接触时间、破坏层流边界层等强化传热方法来强化进出口氢气的热交换；为了克服和解决现有技术设备存在的缺点和不足，本实用新型采用适用于电力、制冷行业中的强化传热技术研制出全焊接结构的高效能氢气热交换器——逆向绕流式氢气热交换器。焊接前器壁表面采用热镀锌技术进行防腐，避免了现场使用中出现腐蚀严重这一情况。应用中，进口氢气(热氢气)绕外环流动，出口氢气(冷氢气)绕内环流动，避免了外壁表面过冷结露现象。本实用新型——逆向绕流式氢气热交换器与现有技术相比，在同轴管壁间，增加了环向绕带，并通过设置进、出口接口的位置，使得进、出口氢气能逆向流动。这一结构能使其在同等体积下，通过增大传热面积、延长接触时间、破坏层流边界层等方法强化进、出口氢气的换热，达到预期效果。逆向绕流式氢气热交换器是采用适应于电厂、制冷行业的强化技术为《环保型电站制冷式氢气去湿装置》进行配套专项开发的冷、热氢气热交换器，是该装置中的核心辅助部件，也可用于其它的机械压缩制冷式氢气去湿装置中。现有的机械压缩制冷式氢气去湿装置中只有与其功能或外观相类似的部件，没有明显的热交换作用，从而不能使经冷却去湿后氢气的出口温度控制在10℃～15℃之间。
本实用新型与现有技术设备相比，具有如下的优点和有益效果(1)本实用新型具有在同等体积下，有更大的与氢气接触传热表面，且进出口热、冷氢气能逆向流动；同轴管壁间的环向绕带延长了氢气与壁面的接触时间、更重要的是破坏了氢气流动的层流边界层，大大的减小了器壁与氢气的接触热阻，使得总传热系数得到较大的提高；现有的氢气热交换器采用的是同轴光滑管结构，进出口热、冷氢气为同向流动，且处于层流状态。氢气与器壁的接触热阻，总传热系数仅为本实用新型——逆向绕流式氢气热交换器的45％；(2)本实用新型经试验性运行结果表明其去湿性能远远超过目前我国发电站所采用的机械压缩制冷式氢气去湿设备，发电机组内的氢气湿度，额定氢压下，绝对湿度长期稳定在1～2g/m3范围内，氢气露点温度可严格控制在-12℃～-7℃之间，从而达到了发电厂对氢气湿度的最高要求指标；《环保型电站制冷式氢气去湿装置》的氢气热交换器外壁壁温最低处在15℃以上、无结露现象，与之出口连接管道(进入机组的冷氢气管道)经隔热处理后，也无结露现象，避免了因结露引起的器壁、管路腐蚀、生锈等问题。
图1是逆向绕流式氢气热交换器的结构示意图。图中1是出口标准法兰、2是冷氢气出口管、3是出口环形块、4是外筒、5是内筒左端盖、6是外筒左端盖、7是环向绕带、8是热氢气出口管、9是内筒、10是冷氢气入口管、11是外筒右端盖、12是内筒右端盖、13是入口环形块、14是入口标准法兰、15是热氢气入口管。
具体实施方式
发明人认为实现本实用新型的优选方式可为如下(1)按图1所示设计、加工制造或选购各部件，例如出口标准法兰1、入口标准法兰14均可选购内径φ60、周向均布4孔的A3钢法兰标准件；冷氢气出口管2、热氢气出口管8、冷氢气入口管10、热氢气入口管15均选用无缝钢管采用机加工切割而成；出口环形块3、入口环形块13均可选用钢外筒钢管采用气割切割而成，其内径可为φ61、外径可为φ80；外筒4、内筒9可选用无缝钢管采用机加工切割并经抛丸处理而成，其中外筒4可为φ299×10，内筒可为φ210×10；内筒左端盖5、右端盖12、外筒左端盖6、右端盖11均可选用钢板采用气割切割后，再机加工外圆并单边倒角而成，其中外筒左、右端盖的直径可为φ279、厚可为10mm，内筒左、右端盖的直径可为φ190、厚可为10；环向绕带7选用宽40、厚4钢板绕内筒绕制，间隔可为70mm，绕制方法可用绕带机绕制或分段将多个扇形块通过焊接连接。扇形块内径可为211，外径可为278，扇形角可为60°，加热扇形块可使其按25°的螺旋角绕内筒外壁焊接；(2)加工、制造或选购好各部件后，可按图1所示，再按上面说明书所述的各部件相互位置及安装连接关系进行安装连接，便能较好地实施本实用新型。实施过程中应注意以下各事项由于逆向绕流式氢气热交换器采用的是全焊接结构，各部件被热镀锌处理后，采用上述方法与次序完成整体焊接，完成整体结构连接后，再次进行热镀锌处理。在安装到《环保型电站制冷式氢气去湿装置》后，先刷一层防锈底漆，两端刮粒子抹平，再刷一层面漆。整体焊接结构制造具体过程如下(1)机加工内外圆筒9、4端面，倒45°内角，内圆筒9开2个孔，孔径均为φ61mm，在外圆筒4上切2个环形块3、13，并开2个孔，孔径均为61mm，孔的轴线应相互垂直，孔径均为61mm，然后对其进行抛丸处理；(2)机加工内外圆筒的端盖5、6、11、12，倒45°内角；(3)利用绕板机，将4mm厚的钢带沿内筒绕成螺旋状，螺旋角为25°，螺旋钢带与内筒9相连接时，应避开内筒上的2个孔；(4)采用普通火焊方法将内筒左、右端盖5、12与内筒9连接。再将内筒9放入外圆筒4内，对好孔的位置，采用普通火焊方法将冷氢气进、出口管10、2与内筒9连接通；(5)采用普通火焊方法，在外筒左右端处，将环向绕带7与外筒4连接；(6)将出口环形块3套入冷氢气出口管2，通过出口环形块3，采用普通火焊方法，将冷氢气出口管2与外筒4连接；(7)将入口环形块13套入冷氢气入口管10，通过入口环形块13，采用普通火焊方法，将冷氢气入口管10与外筒4连接；(8)采用普通火焊方法将热氢气出口管8连接到外筒4上；(9)采用普通火焊方法将热氢气入口管15连接到外筒4上；(10)采用普通火焊方法将外筒左、右端盖6、11与外筒4连接；(11)采用普通火焊方法，将出口标准法兰1与冷氢气出口管2相连接；(12)采用普通火焊方法，将入口标准法兰14与热氢气入口管15相连接；制作完成后，进行气密性试验，试验压力为1.2MPa，以确保逆向绕流式氢气热交换器具有1.0MPa的承压能力，且无泄露。
权利要求1.一种逆向绕流式氢气热交换器，其特征在于它由出口标准法兰(1)、冷氢气出口管(2)、出口环形块(3)、外筒(4)、内筒左端盖(5)、外筒左端盖(6)、环向绕带(7)、热氢气出口管(8)、内筒(9)、冷氢气入口管(10)、外筒右端盖(11)、内筒右端盖(12)、入口环形块(13)、入口标准法兰(14)、热氢气入口管(15)共同连接安装构成，其相互位置及连接关系为出口标准法兰(1)通过冷氢气出口管(2)与内筒(9)焊接连接，冷氢气出口管(2)通过出口环形块(3)与外筒(4)焊接连接，外筒(4)通过焊接分别与热氢气出口管(8)及热氢气入口管(15)相连接接通，内筒左端盖(5)、内筒右端盖(12)、环向绕带(7)通过焊接分别与内筒(9)相连接，环向绕带(7)通过焊接与外筒(4)端口连接，冷氢气出口管(2)、冷氢气入口管(10)通过焊接与内筒(9)相连接通，外筒左端盖(6)、外筒右端盖(11)通过焊接与外筒(4)相连接通，冷氢气入口管(10)通过入口环形块(13)与外筒(4)焊接连接，入口标准法兰(14)通过热氢气入口管(15)与外筒(4)焊接连接通。
专利摘要本实用新型是逆向绕流式氢气热交换器,属发电机热交换技术设备,它由出口、入口标准法兰、冷、热氢气入口管、冷、热氢气出口管,出、入口环形块,内、外筒,内筒左、右端盖,外筒左、右端盖,环向绕带等共同通过焊接安装连接构成。本实用新型中氢气与器壁的接触热阻小、总传热系数高、能很好地实现进、出口热、冷氢气的热交换,有效地降低氢气冷却去湿干燥器的热负荷,使氢气冷却去湿干燥器的去湿干燥性能完全能达到国标、发电行业的规定和要求,外壁无结露现象,克服和解决了现有技术设备管路易腐蚀、生锈等缺点和问题,达到了本实用新型研究设计的目的。
文档编号H02K9/00GK2507178SQ0125767
公开日2002年8月21日 申请日期2001年10月29日 优先权日2001年10月29日
发明者龙新峰 申请人:华南理工大学