蒸發(fā)式凝汽器在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

王紅娜，祁懷勝，王慶光，李換利

(洛陽(yáng)隆華傳熱節(jié)能股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471132)

1 問(wèn)題的提出

我國(guó)水資源短缺且分布不均勻，火力發(fā)電廠水冷式凝汽器對(duì)水資源高度依賴，它耗水量大且動(dòng)力消耗高，特別是在煤炭資源豐富、嚴(yán)重缺水的西北地區(qū)，水冷式凝汽器的工作特性嚴(yán)重制約了火力發(fā)電廠在該地區(qū)的建設(shè)。由于水冷式凝汽器應(yīng)用的局限性，加速了新型凝汽器的研發(fā)步伐。

具有明顯節(jié)水效益的直接空冷凝汽器在國(guó)外較早得到了研發(fā)和應(yīng)用。1939年，德國(guó)首先采用了直接空冷系統(tǒng)。20世紀(jì)50年代，匈牙利發(fā)展了混合式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)(海勒系統(tǒng))。到了20世紀(jì)70年代，帶表面式凝汽器的間接空冷系統(tǒng)(哈蒙系統(tǒng))和直接空冷系統(tǒng)得到了較大發(fā)展［1］。近十幾年，電站直接空冷凝汽器技術(shù)迅速發(fā)展并日漸成熟。直接空冷凝汽器以環(huán)境空氣作為介質(zhì)冷凝汽輪機(jī)排汽，大大降低了機(jī)組的耗水量，但機(jī)組性能的發(fā)揮受氣候變化影響較大，夏季高溫時(shí)機(jī)組不能滿發(fā)，冬季機(jī)組則需要防凍防護(hù)。早在1952年，S.G.Chuklin就提出了關(guān)于蒸發(fā)式換熱設(shè)計(jì)的普遍化方法［2］。加拿大“TransAlta”能源公司的75 MW聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用蒸發(fā)式凝汽器來(lái)冷卻汽輪機(jī)排出的蒸汽，可滿足全年運(yùn)行的要求。美國(guó)弗吉尼亞“Tradewinds”公司鋸木場(chǎng)的發(fā)電系統(tǒng)，也采用蒸發(fā)式凝汽器冷凝汽輪機(jī)的排汽，運(yùn)行效果良好［3］。

20世紀(jì)80年代中期，同濟(jì)大學(xué)陳沛霖教授將蒸發(fā)式換熱技術(shù)引進(jìn)我國(guó)。近年來(lái)，一些科研單位和企業(yè)對(duì)蒸發(fā)式換熱技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，取得了一定的進(jìn)步。

鑒于水冷式凝汽器耗水量大，直接空冷凝汽器夏季不能滿發(fā)的技術(shù)難題，洛陽(yáng)隆華傳熱節(jié)能股份有限公司技術(shù)人員大膽創(chuàng)新，在總結(jié)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自主研發(fā)了FQN(Z)系列的蒸發(fā)式凝汽器。

2 蒸發(fā)式凝汽器換熱機(jī)制及結(jié)構(gòu)組成

2.1 蒸發(fā)式凝汽器換熱機(jī)制

蒸發(fā)式凝汽器主要利用水的蒸發(fā)潛熱來(lái)?yè)Q熱，冷凝效果好，換熱性能優(yōu)良。蒸發(fā)式凝汽器換熱取決于當(dāng)?shù)氐臐袂驕囟龋皇芨汕驕囟鹊挠绊?，換熱機(jī)制先進(jìn)、高效。

在一般水冷式冷凝器中，1 kg冷卻水1℃溫升能帶走4.2 kJ的熱量，而1 kg水在常壓下蒸發(fā)能帶走2400 kJ的熱量，因而蒸發(fā)式冷凝器的理論耗水量不到一般水冷式冷凝器的1%，實(shí)際上由于吹散損失、排污換水等原因，因此，蒸發(fā)式冷凝器的耗水量是一般水冷式冷凝量的耗水量的5%～10%。通常補(bǔ)充的水量?jī)H為水冷式的2%～4%，與水冷凝汽器相比，蒸發(fā)式凝汽器節(jié)水節(jié)能效應(yīng)顯著。

蒸發(fā)式冷凝器的傳熱量是空氣濕球溫度的函數(shù)，而空冷式冷凝器的傳熱量是干球溫度的函數(shù)。因?yàn)闈袂驕囟韧ǔ１雀汕驕囟鹊?，加上水膜與金屬壁面的傳熱系數(shù)大和風(fēng)機(jī)產(chǎn)生局部負(fù)壓，因此采用蒸發(fā)式冷凝器的冷凝溫度遠(yuǎn)低于空冷式冷凝器。

蒸發(fā)式冷凝器與帶冷卻水塔的水冷式冷卻系統(tǒng)相比，蒸發(fā)式冷凝器把汽輪機(jī)乏汽的熱量直接傳到周?chē)諝庵腥ィ涫嚼鋮s系統(tǒng)熱量必須先在凝汽器中傳遞給冷卻水，然后再由循環(huán)水帶到冷卻塔中，最后傳到周?chē)諝庵小Ｒ驗(yàn)檎舭l(fā)式冷凝器只有一次傳熱，所以冷凝溫度較低。冷凝溫度的降低，導(dǎo)致蒸汽冷凝壓力降低，因此機(jī)組的能耗降低，整個(gè)電廠的熱經(jīng)濟(jì)性得以提高。當(dāng)采用蒸發(fā)式冷凝器時(shí)，郎肯循環(huán)的熱效率相對(duì)于水冷卻方式提高了8.6%，同時(shí)其循環(huán)凈功和汽耗率都有所降低。

2.2 蒸發(fā)式凝汽器結(jié)構(gòu)組成

蒸發(fā)式凝汽器主要由換熱系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)，軸流風(fēng)機(jī)(供風(fēng)系統(tǒng))、收水系統(tǒng)、集水箱組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。換熱系統(tǒng)安裝在箱體內(nèi)，換熱系統(tǒng)上面是噴水裝置，汽輪機(jī)乏汽均勻地進(jìn)入換熱管內(nèi)，被冷凝液體流入底部凝結(jié)水箱，管內(nèi)介質(zhì)冷凝時(shí)放出的熱量被管外水膜蒸發(fā)帶走?？諝庠谳S流風(fēng)機(jī)作用下從箱體下部進(jìn)入，再?gòu)纳喜颗懦?。冷卻水被循環(huán)水泵壓送到換熱管束的上方，經(jīng)噴嘴噴淋后，在換熱模塊的表面形成水膜。水膜受熱后一部分變成蒸汽由空氣帶走，未蒸發(fā)的噴淋水下落與空氣逆流接觸降溫后進(jìn)入下面的集水箱中，經(jīng)水泵再送至噴嘴循環(huán)使用。隨空氣上升的小水滴在上升過(guò)程中被收水系統(tǒng)攔截，依靠自身重力作用再回到集水箱中。在集水箱中設(shè)有浮球閥，以調(diào)節(jié)新鮮水的補(bǔ)充量，使之保持恒定的水位。

圖1 蒸發(fā)式凝汽器結(jié)構(gòu)示意圖

蒸發(fā)式凝汽器采用模塊設(shè)計(jì)理念，蒸發(fā)式凝汽器除有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小的特點(diǎn)外，其本身還具有制造簡(jiǎn)單、安裝容易、檢修便利和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。換熱模塊及主要支撐部件采用熱浸鋅鋁方法進(jìn)行防腐處理，可延長(zhǎng)其使用壽命。設(shè)備外部護(hù)板采用鍍鋅板加噴塑的雙重防腐處理，外形美觀大方。

3 蒸發(fā)式凝汽器在設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題

3.1 汽阻的控制

在凝汽器中，蒸汽最理想的狀態(tài)是在相同壓力下(小汽阻)進(jìn)行等壓冷凝。凝汽器蒸汽側(cè)阻力(汽阻)對(duì)機(jī)組真空度、換熱效率和機(jī)組運(yùn)行動(dòng)力消耗有很大的影響，甚至?xí)?dǎo)致凝結(jié)水的過(guò)冷度變大。

在對(duì)蒸發(fā)式凝汽器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小系統(tǒng)的汽阻。設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意以下問(wèn)題。

3.1.1 防止空氣聚集

對(duì)空氣聚集程度起決定性作用的是管束的結(jié)構(gòu)。對(duì)于進(jìn)汽管箱、換熱管排列和凝結(jié)水管箱而言，其結(jié)構(gòu)不能存在汽液流通死區(qū);換熱管束抽真空系統(tǒng)不能有死區(qū)，以防抽真空不暢，造成系統(tǒng)漏入的空氣惡性聚集。需要說(shuō)明的是，蒸汽導(dǎo)流板，凝結(jié)水擋板和其他導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是管束整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一部分［5］，在設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)注意防止空氣聚集。

3.1.2 合理設(shè)計(jì)換熱部件

在設(shè)計(jì)凝汽器管束排列時(shí)，為使汽阻達(dá)到最小，可以采取以下措施。

(1)換熱管的形狀選取應(yīng)有利于冷凝時(shí)汽液分離，汽液界面的阻力應(yīng)盡量小(例如采用流通截面大的橢圓管)。

(2)優(yōu)化換熱系統(tǒng)流程，合理設(shè)計(jì)凝汽器的工藝參數(shù)(例如風(fēng)機(jī)風(fēng)量、噴淋水量、換熱管內(nèi)流速、換熱管長(zhǎng)度等)。

(3)在凝汽器蒸汽進(jìn)口設(shè)計(jì)分流裝置，使蒸汽在換熱管內(nèi)均勻分布。

(4)合理設(shè)計(jì)換熱部件中順、逆流換熱管的比例。

國(guó)網(wǎng)能源寧夏某電廠2×660 MW直接空冷系統(tǒng)#1機(jī)組尖峰冷卻裝置采用洛陽(yáng)隆華傳熱節(jié)能股份有限公司自主研發(fā)的蒸發(fā)式凝汽器(如圖2所示)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，蒸發(fā)式凝汽器尖峰冷卻系統(tǒng)對(duì)直接空冷系統(tǒng)背壓降低效果明顯，與原系統(tǒng)相比，背壓降低10 kPa。蒸發(fā)式凝汽器尖峰冷卻系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)性好，整個(gè)尖峰冷卻系統(tǒng)的汽阻在2.1 kPa左右。

圖2 新研發(fā)的蒸發(fā)式凝汽器

3.2 蒸發(fā)式凝汽器抽真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒸發(fā)式凝汽器抽真空系統(tǒng)主要用來(lái)排除蒸汽冷凝過(guò)程中釋放出的不凝性氣體(如化學(xué)藥劑分解產(chǎn)生或原蒸汽中夾帶)和因真空系統(tǒng)不嚴(yán)密漏入真空系統(tǒng)的空氣。若不凝性氣體不能及時(shí)排除，會(huì)影響凝汽器的換熱效率，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行。

蒸發(fā)式凝汽器抽真空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)備整體性能的發(fā)揮至關(guān)重要。蒸發(fā)式凝汽器抽真空結(jié)構(gòu)應(yīng)具有二次冷凝蒸汽的作用，從而減小抽氣中的蒸汽挾帶量，提高抽氣速率。同時(shí)，抽真空結(jié)構(gòu)應(yīng)保持換熱模塊整個(gè)結(jié)構(gòu)的緊湊性，凝結(jié)水管箱內(nèi)要設(shè)置不凝性氣體導(dǎo)流板，減少不凝性氣體中蒸汽的挾帶量。

3.3 蒸發(fā)式凝汽器防腐

防腐問(wèn)題是制約蒸發(fā)換熱的關(guān)鍵因素，腐蝕不僅能導(dǎo)致設(shè)備的傳熱性能變差，而且會(huì)嚴(yán)重縮短設(shè)備的使用壽命。蒸發(fā)式凝汽器換熱部件長(zhǎng)期處于濕熱空氣中，采用熱浸鋅鋁工藝是目前蒸發(fā)換熱設(shè)備防腐處理的主要措施之一。蒸發(fā)式凝汽器在采用熱浸鋅鋁時(shí)要合理設(shè)計(jì)工藝，嚴(yán)格控制熱浸鋅鋁溫度(一般溫度不低于470℃)和時(shí)間，以便獲得高黏附性的防腐層和高粗糙度的外觀［6］。

4 結(jié)論

蒸發(fā)式凝汽器是一種新型的凝汽器，它利用水的蒸發(fā)潛熱換熱，換熱機(jī)制先進(jìn)、高效，它具有傳熱性能好和節(jié)水節(jié)電環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。蒸發(fā)式凝汽器在熱力發(fā)電廠的推廣應(yīng)用，具有水冷式凝汽器和直接空冷凝汽器不可替代的優(yōu)勢(shì)，是目前熱力發(fā)電廠理想的節(jié)能型設(shè)備。

［1］馬義偉.直接空冷凝汽器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1982.

［2］沈家龍.蒸發(fā)式冷凝器傳熱傳質(zhì)理論分析及試驗(yàn)研究［D］.廣州:華南理工大學(xué).2005.

［3］包衛(wèi).蒸發(fā)式冷凝器用于火電廠冷卻系統(tǒng)的可行性分析［J］.浙江電力，2004(4):46 －49.

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