探讨空冷凝汽器的结构技术问题

中国电建集团河南工程有限公司 邹鹏举

我国经济的迅猛发展导致人均水资源仅为世界人均数的1/4，水资源短缺影响了我国可持续发展战略的实施，如采用空冷方案，对于百万级人口的城市，每年约可节省半个城市居民一年耗水量；同时没有向大气飘逸水雾以及排污水的热量对周围环境的污染，无论是从节水还是环保角度出发，空冷式汽轮机电站在我国都具有重大的现实意义，以及愈来愈广泛的应用。

1 直接空冷系统的工作原理和特点

直接空冷系统的工作原理是做过功的汽轮机乏汽，经排汽管道及管道上所安装的膨胀节、安全阀等附属设备进入空冷凝汽器的蒸汽分配管，然后分流导入各排管束中，冷空气被大型风机吸入，将流经翅片管束蒸汽的热量带走，从而使排汽凝结为水，汇集进凝结水箱，获得的凝结水由凝结水泵送至汽轮机回热系统，最终进入锅炉，然后重新开始循环，如图1所示。

图1 直接空气冷却系统

直接空冷系统主要由凝汽器系统、空气供应系统、排汽管道系统、疏水系统、凝结水系统、抽真空系统、补水系统、电气系统、清洗系统等组成。

直接空气冷却方式的特点是：一是空气作为冷却介质免费获得，初始温差小，无附加费用；二是无水雾飘逸现象以及排污水的热量对水资源的危害，对周围环境无污染；三是空冷凝汽器换热系数低，体积庞大，占地面积大，庞大的真空系统容易漏气；四是易受气候、温度、风向等因素影响；不能靠近大型建筑，否则易形成热风再循环；五是翅片管加工工艺要求较高；六是排汽管道直径较大，要考虑足够的强度、刚度和真空泄漏量；七是风机耗功很大，因而增加了电厂的用电量，同时也增加了噪声源；八是真空容积庞大，启动时抽真空时间长[1]。

2 直接空冷凝汽器的基本结构

空冷器的主要元件有翅片管束、风机、风筒及护网、蒸汽分配管、风机电机、百叶窗、构架、排汽管道、支撑平台及挡风墙等。直接空冷系统的常见结构型式如图2、图3所示。

图2 水平式空冷器的基本结构

图3 “A”屋顶型空冷器的基本结构

3 直接空冷器的设计技术问题

3.1 防冻措施

对于冬季低气温条件下，由于各管排的热负荷分配不均匀，易导致直接空冷系统结冻，故应引起充分的注意。

3.1.1 管束顺逆流结构

为防止凝结液的冻结，一般将管束结构按K/D排列，顺流管束中的凝结水与蒸汽流动方向一致，大约80%蒸汽在顺流管束中凝结，剩余大约20%蒸汽和不凝气体进入逆流式凝汽管束，通过逆向流动模式获得了热能，这样就避免发生过冷现象，如图4所示。依据运行实践经验，两者的面积比其值从67：33到95：5不等。对小型汽轮机机组的空冷凝汽器可以采用将顺流管排和逆流管排置于一个管束之中，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[2]。

图4 管束的顺逆流结构示意

3.1.2 管束排列

在多排管的管束设计中，如图5所示，如两排管，其迎风面的第一排和第二排的冷却热负荷不一样，第一排的空气温升大于第二排的空气温升，导致第一排的热负荷大于第二排的热负荷，第一排的压力降大于第二排的压力降，从而造成第一排的下部存在死区，第二排蒸汽倒流至第一排管，产生冻结现象，这对于运行是非常危险的，应予以避免。

图5 空冷凝汽器不凝汽聚集产生的问题

合理的管束排列如图6所示，可以提高换热效率、减小凝结水的过冷度，在空冷器管束中，各管排的放热量是不一样的，为解决各管排热负荷分配不均匀，在同样的管材条件下，迎风面第一排管的翅片间距如取为4mm，则后面几排管的翅片间距为2.5mm，目前按此排列均取得了较好的效果。

图6 管束排列

3.1.3 设置挡风墙和加装保温层

环境风对空冷系统的影响是关键性因素，一般挡风墙的高度与蒸汽配气管中心线一致或略高于中心线以上约1500mm，也可以适当增加，这样能有效防止迎风面过冷凝结成冰和热风再循环。冬季运行，凝结水的过冷度可以达到5℃左右，应在空冷凝结水回水管上加装保温层，以提高机组的运行经济性。

3.2 风机的运行及选择

3.2.1 风机的运行

风机运行时，控制系统根据环境温度、汽轮机排汽压力和凝结水温度来控制风机转速，以及运行的台数和关闭部分受热面来控制背压，以达到机组最大净发电量，所以适当调整风机的运行方式来满足不同的运行条件，可以提高风机效率和节能的作用，运行人员应积累不同季节温度下的不同空气流量及相应的风机运行状况；根据相关数据在初次运转后，重新调整叶片螺距角以使风机的性能达到最优。

GEA曾给出一个对于机械通风湿冷塔的风扇运行的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 风扇运行的转速及台数同空气温度的关系值

可动叶片调节是动叶安装角随不同工况而改变，这样使风机在低负荷时的效率大大提高，叶片安装角减小时，性能曲线的流量、扬程、功率都减小，反之增大，因而启动时可减少安装角以降低启动功率。通过对轴流式风机的各种不同调节方式的运行经验对比，可动叶片调节的轴流风机是最经济的。

3.2.2 风机的选择

风机在空冷器强化传热中起着关键的作用，风机性能的优劣是衡量空冷器性能的重要标志，风机的选择如下：一是根据对噪声的要求，在同样流量下，风机直径宜大，效率高，数量宜少。二是根据节能的要求，由于风机直径与动压损失为四次方关系，为了减少动压损失以节约能耗，风机直径宜选大。三是要考虑控制灵敏及节能，所以宜选用变频调速方式（如图7所示）。

图7 风机

3.3 迎面风速的优化

迎面风速是空冷器的重要参数，最佳的迎面风速见表2，通过优化计算，可得几点看法：一是各种风量调节方式对最佳迎面风速值均有影响，最佳迎面风速值为2.1～3.0m/s；二是管排数对最佳迎面风速值的影响微小；三是当管内放热系数增加，则迎面风速的最佳值增加，而翅片间距减少；四是最佳翅片间距随管径的增加而增加；限定条件下，当管径由小增大到30mm时，迎风速度的最佳值开始增大，而后下降。

表2 推荐的标准迎面风速与面积比

3.4 预防热风再循环

热风再循环对空冷器影响很大，经验表明，空冷器进口处空气温度由于热风再循环的影响增加5℃，会使平均温差为15℃的空冷器降低传热量30%[3]。

为防止热风再循环一般采取的方法是装设挡风墙，一般挡风墙的高度与蒸汽配气管中心线一致或略高于中心线以上约1500mm，同时也减少了噪声污染，为消除环境风和热风再循环对空冷装置性能的影响，要合理选择空冷岛布置位置：一是一年四季的风向及其分布，特别是夏季的主要风向；二是一年中风速的变化范围，持续时间以及频率；三是与较高温度的设备有一定距离，同时在空冷器下方不要布置温度较高设备；四是热源的下风向的巨大建筑物之前不要布置空冷器；五是各台锅炉之间的距离以及锅炉的尺寸；六是翅片管束的排列以及风墙的设计。

3.5 百叶窗的使用

百叶窗是通过其截流作用，调节空冷器的风量，防止冷却元件积灰雨淋及腐蚀，延长使用寿命，百叶窗需根据通风方式，风机的选型、台数来选择是否使用。而冷却元件的使用寿命与其材质有关，翅片管的翅片为铝材，本身具有很高的防腐蚀性能，其他形式的钢制翅片管亦采用了外表镀锌，亦提高了防腐蚀性能。而积灰可定期用压缩空气吹扫。

由此可见，百叶窗在空冷器，尤其是直接空冷器中并不是必需的，只有当风量的调节及空气出口温度无法使用风机调节来满足时，才使用百叶窗。

3.6 清洗系统

清洗系统是保证空冷凝汽器换热效率非常重要的手段，应在机组运行或停运时对空冷凝汽器进行清洗，清洗时要保证清洗水水质、水量及水压的要求，逐排进行，清洗后的冷却器性能应达到全新冷却器的性能，由于冬季气温低结冰过多，不宜清洗，每年首次清洗时环境温度选在5～8℃为宜，冲洗的间隔时间按设备厂家要求和经验来决定，为防止表面结垢，采用除盐水进行冲洗。

4 结论

本文叙述了直接空冷凝汽器的工作原理、冷却方式、特点、结构及在结构设计过程中要综合考虑的主要因素，同时要明确所使用环境、使用条件以及用途等，这样才能正确的选择满足要求的空冷凝汽器。