浅谈电站汽轮机直接空冷凝汽器的设计

麻爱玲，南春雷，黄立涛

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

浅谈电站汽轮机直接空冷凝汽器的设计

麻爱玲，南春雷，黄立涛

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

空冷凝汽器不仅同样能完成对电站汽轮机乏汽的冷却凝结任务，同时亦节约了大量用水，减少了对环境的污染。文章介绍了电站直接空冷凝汽器的工作原理、结构以及设计过程中应综合考虑的问题。

直接空冷，结构，综合考虑，设计

0 引言

由于我国经济的迅猛发展导致环境污染问题也在不断地加剧，环境污染给生态系统造成直接和间接的破坏和影响，而在环境污染中，空气污染与水污染是中国目前急待解决的重大环境问题。

我国是一个缺水大国，常规水冷电站的水耗量大，建设一座水冷电站的耗水量可以建设4～10座同容量空冷电站。用空（干）冷代替“湿冷”，不仅同样能完成对电站汽轮机乏汽的冷却凝结任务，而且没有湿冷塔向大气飘逸出的水雾对周围环境的污染，没有排污水的热量对水资源的危害，无论是从节水或环保角度出发，空冷式汽轮机电站在我国都具有广阔的发展前景。

1 直接空冷凝汽器的冷却方式和特点

直接空气冷却方式是指汽轮机排汽经排汽管道送到室外空冷凝汽器中，蒸汽在管内流动，以空气作为冷却介质在管外流动带走凝结热，得到的凝结水，聚集在凝结水联箱，然后由凝结水泵送至汽轮机回热系统，经汽轮机抽气加热后作为锅炉给水循环使用，如图1所示。

直接空气冷却方式的特点是不需要冷却水等中间介质，初始温差小，传热效果好，可获得较低的排汽压力。

图1 直接空气冷却系统

2 空冷器的基本结构及工作流程

空冷凝汽器主要由翅片管束、配汽管、凝结水联箱、钢架、轴流风机、挡风墙等附件组成，如图2所示（整体结构为A字型结构布置），从汽轮机低压缸排出的蒸汽，经排汽管道流向空冷凝汽器，每根排汽管道在室外分为支管，流至空冷凝汽器的配汽管（位于空冷凝汽器设备的顶部），向管束分配蒸汽，轴流变频风机位于管束正下方，当排汽流经翅片管时，大量的冷空气被大型风机吸入通过翅片管，将排汽的热量带走，从而使排汽凝结为水。

图2 空冷器的基本结构

2.1 管束

管束是空冷器的核心部件，主要由翅片管、管束联箱、管板、管束下联箱支撑导轨、配汽管等组成，管束是一个刚性的、独立的结构，合理的管束排列，可以减小热阻、提高换热效率、减小凝结水的过冷度，对管束设计的基本要求如下：

（1）根据传热的要求保证所需要的蒸汽流量和空气流量；

（2）采用适当的结构防止不凝汽的聚集并排出；

（3）为汽机排汽的凝结提供必要的传热面积；

（4）管束应为独立结构，是便于整体装卸的组合体；

（5）管束应有适应翅片管热膨胀的措施。

2.1.1 管间距及排列

管间距不仅对翅片管的传热性能和气流阻力有影响，而且对设备造价也有影响，根据大量实验研究，翅片管尽可能采用等边或等腰三角形排列。

2.1.2 管排数

管排数对投资及运行费用的影响较大，排数少，传热效果好，所需散热面积略小，但占地面积大，同时由于空气温升小，风量就要大。如管排数过多，平均温差降低，传热面积就增大，同时气流阻力增加，风机功率也就上升，因此设计时管排数要进行合理选择。

2.1.3 管程数

管程数的选择取决于管内介质的流速和压降，若管程数选择得较多，可使管内流速及传热系数增加，但管内阻力也随之增加；反之，若管程数较少，管内换热系数和压降都随之降低，所以电站直接空冷器管束一般采用单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关键元件，它的性能直接影响空冷器的性能和应用，对翅片管要求具有良好的传热性能、耐热冲击力、耐大气风沙腐蚀、良好的抗机械振动等，而且在所有的运行工况下，在水平和垂直方向不能有变形，能够承受高压水冲洗而不会产生永久性变形等，其两端用焊接或胀接方法连接在管箱上。

2.2 管箱

所有管束的下端均有凝结水联箱，即凝结水收集管，是空冷器的受压容器，应特别重视管束在运行中的热变形问题。

2.3 风机

风机在空冷器强化传热中起着关键的作用，为适应不同季节温度下的不同空气流量，风机采用变频调速风机，风速在40%～100%范围内可以调节，控制系统能根据环境温度、排汽压力、凝结水温度自动调节风机台数及转速，以达到机组净发电量最大。

2.4 钢架与挡风墙

为了保证空冷凝汽器的平稳运行，钢架必须安全可靠，在设计计算过程中，需要统筹考虑各种载荷组合，包括基础沉降、大风、地震、风机振动等因素，以有限元分析程序作为平台结构分析工具。

为了减弱热风回流现象和迎风面过冷凝结成冰对热效率的影响，在空冷平台四周设置挡风墙，一般挡风墙的高度与蒸汽分配联箱的中心线一致或略高于中心线。

3 空冷器设计中的综合考虑

电站空冷技术经过几十年的应用，积累了丰富的经验，亦出现并解决了大量问题，同时总结了一些经验及问题的解决方法。

3.1 防冻措施

在寒冷地区，由于冬夏两季气温相差很大，在冬季空冷凝汽器，存在着不凝汽体。如设计不当，除易引起凝结液的冻结外，还会使传热性能大大降低。

3.1.1 设置一定比例的顺逆流管束

在冬季最低气温，为满足最小防冻蒸汽流量的条件下，可设置一定比例的逆流管束来排出不凝结气体和空气，一般将传热计算所求的面积分为主凝汽管束（顺流）和辅助凝汽管束（逆流），两者的面积比根据气候条件、管内蒸汽流速、翅片管几何尺寸等多方面因素决定，依据运行实践经验，其值从67∶33到95∶5不等。

大部分蒸汽（约80%）在管道中通过顺流式凝结管束由上而下凝结，剩余少部分（大约20%）不凝蒸汽通过凝结水联箱的底部进入逆流式凝汽管束，其蒸汽由下而上，凝结水由上而下，流入凝结水联箱。通过这种方式，凝结水获得了热能，防止发生过冷现象，如图3所示。

图3 管束的顺逆流结构示意

3.1.2 增加抽气装置

在设置顺逆流管束的同时，增加抽气装置，从逆流管束中抽出不凝汽是完全必要的，真空泵从逆流换热管束的联箱中的抽气口中将不凝结气体与一部分蒸汽一起抽出，其中的蒸汽部分在真空泵内凝结成水，不凝结气体经过分离器排入大气，国内外的实践证明，管束的K/D结构对防止凝结水的冻结是行之有效的。

3.1.3设置挡风墙

空冷器所处的外部环境风场是关键性因素，在四周设置挡风墙，可以防止外界自然风直接吹向换热器，减小空冷器两侧凝结水温差，有效防止过冷凝结成冰和空气反流。

3.1.4 其他措施

通过控制风机转速以及启停来提高排汽背压，从而提高排汽温度，使凝结水解冻。

在机组带上负荷后增加空冷系统进汽量，使其自行解冻。

在空冷凝结水回水管上加装保温层，避免凝结水冻结，以提高机组的运行经济性。

3.2 预防热风再循环

空冷器的热风再循环是空冷器运行的两大危害之一（另一危害为管内凝结水的冻结），是指空冷器排出的热气流，或某些高温设备散热热气流在某些特定的条件下被风机吸入提高了进入空冷器冷空气的温度，导致空冷器冷却能力的下降。

有经验表明，由于热风再循环的影响，空冷器进口处空气温度增加5℃，会使平均温差为15℃的空冷器降低传热量30%[1]。

3.2.1 预防热风再循环问题的设计考虑

由于直接空冷机组对环境风向风速极其敏感，特别是不利风向的大风，容易使机组背压突然升高，机组负荷突然下降，造成机组跳闸，所以应根据厂址典型风向规律图（至少有近10年风环境变化资料）来合理选择空冷岛布置位置。

就空冷器本身而言，为防止热风再循环一般采取的方法是在空冷岛四周以及空冷单元之间装设挡风墙，这样不但防止了热风再循环的发生，对减少噪音亦有一定好处。

同时在设计中，还应考虑每个冷却单元从入口到出口的整个空气通道，避免热空气回流相互干扰。

3.2.2 空冷凝汽器的不适当布置

有许多热风再循环问题是由于空冷器的不正确布置产生的，举例如下：

·空冷器来流空气速度高；

·空冷器布置于热源的下风向；

·空冷器布置于下风向的巨大建筑物之前；

·两空冷器布置间隔小；

·同类型空冷器布置在不同的标高；

·排出的热空气速度低；

·在总平面布置中，对夏季主导风向的不恰当分析等等。

当有多组空冷器时，应相互连接在一起布置，否则其间距应大于20 m，如图4、5所示。

图42 台空冷器的布置

图5 几组空冷器的布置

3.3 风机运行

根据不同运行条件以及不同季节的空气温度，适当调整风机的运行方式，不仅可以提高风机效率，亦可起到节能的作用，所以风机应具有适应连续和间歇稳定运行的功能。

正常运行时，通过控制风机转速、运行的台数以及关闭部分受热面来控制背压，当ACC的运行条件偏离设计工况时，控制系统能够监测到背压偏差信号，并控制风机的转速以及启停。

在低负荷和低环境温度时，通过改变风机的转速和运转的台数可以改变空气流量以减少换热量。

GEA曾在北京的一次技术交流会上，给出1个对于机械通风湿冷塔的风扇运行转速及台数同空气温度的关系值（见表1），此值有一定的参考价值。

表1 对于机械通风湿冷塔的风扇运行转速及台数同空气温度的关系值[2]

但在实际运行中，运行人员应积累不同季节时间段内的温度值及相应的风机运行状况，如自调角风机的叶片角度值或风机分组停运排列方式，以对汽轮机的背压值做出相应的调整，从而总结出适宜的关系值[3]。

3.4 设计参数的优化

在设计空冷器中，总希望所进行的设计方案、所采用的参数是最佳的设计参数，以使总费用最少，这就要求采用最优化技术，求出最优解。

系统的热力计算、风量风压的确定，框架结构的设计和力学计算，自动扫灰装置，过冷度的控制，膨胀和膨胀节的计算，支撑点的设置、管道应力计算等系统的优化计算，都是很重要的。

在设计中要考虑足够的裕量以避免膨胀节在运行时弹性不稳定（蠕动），膨胀节理论寿命的估算应考虑到温度升高而引起的材料强度降低，膨胀节拉杆应依据相关标准设计并能够承受所有外力和力矩，所有承压构件（不包括波纹管）和拉杆的许用应力应按50%屈服应力计算。

迎面风速是空冷器的一个重要设计参数。风速增加，空冷器传热面积减小，投资和钢材消耗减少，与此同时，动力消耗费用增加，影响空冷器的最佳迎面风速的因素很多，如翅片管的几何尺寸、温差、电价、年运行小时数、管束的投资费用等，因此存在一个最佳的迎面风速，使上述两项费用之和为最小，见表2。

表2 推荐的标准迎面风速与面积比[1]

3.5 清洗系统

清洗系统是一个独立的系统，在空冷系统及设备运行正常的情况下，对于一定的空气温度和汽轮机负荷，当凝汽器压力明显高于特性线给定的数值时，说明换热管翅片的表面已脏污，应进行清洗。清洗时高压泵将从系统来的清洗水升压后，送到清洗设备的喷嘴前，从喷嘴射出的水流将覆盖在翅片上的脏物冲掉，为防止水被蒸汽加热蒸发后盐垢残留在翅片上，清洗应在空冷凝汽器停运时进行，清洗完毕，所有排气管和排水管都应该打开，这样会防止长时间水滞留和可能的冰冻。

对于翅片表面的灰尘垢，可在不中断系统运行的情况下，用压缩空气对其表面进行吹扫。

冲洗的时间间隔根据现场环境的情况以及运行一段时间后的经验来决定，定期冲洗翅片管外表面，可增强换热，提高风机转速来降低机组背压。

4 结论

本文介绍了电站汽轮机直接空冷凝汽器主要元件的作用以及设计时的综合考虑，同时特别指出了空冷凝汽器设计中应注意的相关问题，希望本文能对公司的发展起到一个参考的作用，使直接空冷电站在同样提供电力的同时能够大量节水，并减少对环境的危害。

[1]马义伟.空冷器设计与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998

[2]宋彦信.当今世界空冷凝汽器[J].电站辅机,1996,（1）: 44-52

[3]魏松涛.空冷汽轮机设计综述[J].东方电气评论,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

麻爱玲（1970-），女，工程师，2004年毕业于西安交通大学热能与动力工程专业，现主要从事汽轮机的系统、结构设计以及服务工作。