探討空冷凝汽器的結構技術問題

中國電建集團河南工程有限公司 鄒鵬舉

我國經濟的迅猛發展導致人均水資源僅為世界人均數的1/4，水資源短缺影響了我國可持續發展戰略的實施，如采用空冷方案，對于百萬級人口的城市，每年約可節省半個城市居民一年耗水量；同時沒有向大氣飄逸水霧以及排污水的熱量對周圍環境的污染，無論是從節水還是環保角度出發，空冷式汽輪機電站在我國都具有重大的現實意義，以及愈來愈廣泛的應用。

1 直接空冷系統的工作原理和特點

直接空冷系統的工作原理是做過功的汽輪機乏汽，經排汽管道及管道上所安裝的膨脹節、安全閥等附屬設備進入空冷凝汽器的蒸汽分配管，然后分流導入各排管束中，冷空氣被大型風機吸入，將流經翅片管束蒸汽的熱量帶走，從而使排汽凝結為水，匯集進凝結水箱，獲得的凝結水由凝結水泵送至汽輪機回熱系統，最終進入鍋爐，然后重新開始循環，如圖1所示。

圖1 直接空氣冷卻系統

直接空冷系統主要由凝汽器系統、空氣供應系統、排汽管道系統、疏水系統、凝結水系統、抽真空系統、補水系統、電氣系統、清洗系統等組成。

直接空氣冷卻方式的特點是：一是空氣作為冷卻介質免費獲得，初始溫差小，無附加費用；二是無水霧飄逸現象以及排污水的熱量對水資源的危害，對周圍環境無污染；三是空冷凝汽器換熱系數低，體積龐大，占地面積大，龐大的真空系統容易漏氣；四是易受氣候、溫度、風向等因素影響；不能靠近大型建筑，否則易形成熱風再循環；五是翅片管加工工藝要求較高；六是排汽管道直徑較大，要考慮足夠的強度、剛度和真空泄漏量；七是風機耗功很大，因而增加了電廠的用電量，同時也增加了噪聲源；八是真空容積龐大，啟動時抽真空時間長[1]。

2 直接空冷凝汽器的基本結構

空冷器的主要元件有翅片管束、風機、風筒及護網、蒸汽分配管、風機電機、百葉窗、構架、排汽管道、支撐平臺及擋風墻等。直接空冷系統的常見結構型式如圖2、圖3所示。

圖2 水平式空冷器的基本結構

圖3 “A”屋頂型空冷器的基本結構

3 直接空冷器的設計技術問題

3.1 防凍措施

對于冬季低氣溫條件下，由于各管排的熱負荷分配不均勻，易導致直接空冷系統結凍，故應引起充分的注意。

3.1.1 管束順逆流結構

為防止凝結液的凍結，一般將管束結構按K/D排列，順流管束中的凝結水與蒸汽流動方向一致，大約80%蒸汽在順流管束中凝結，剩余大約20%蒸汽和不凝氣體進入逆流式凝汽管束，通過逆向流動模式獲得了熱能，這樣就避免發生過冷現象，如圖4所示。依據運行實踐經驗，兩者的面積比其值從67：33到95：5不等。對小型汽輪機機組的空冷凝汽器可以采用將順流管排和逆流管排置于一個管束之中，實踐證明，管束的K/D結構對防止凝結水的凍結是行之有效的[2]。

圖4 管束的順逆流結構示意

3.1.2 管束排列

在多排管的管束設計中，如圖5所示，如兩排管，其迎風面的第一排和第二排的冷卻熱負荷不一樣，第一排的空氣溫升大于第二排的空氣溫升，導致第一排的熱負荷大于第二排的熱負荷，第一排的壓力降大于第二排的壓力降，從而造成第一排的下部存在死區，第二排蒸汽倒流至第一排管，產生凍結現象，這對于運行是非常危險的，應予以避免。

圖5 空冷凝汽器不凝汽聚集產生的問題

合理的管束排列如圖6所示，可以提高換熱效率、減小凝結水的過冷度，在空冷器管束中，各管排的放熱量是不一樣的，為解決各管排熱負荷分配不均勻，在同樣的管材條件下，迎風面第一排管的翅片間距如取為4mm，則后面幾排管的翅片間距為2.5mm，目前按此排列均取得了較好的效果。

圖6 管束排列

3.1.3 設置擋風墻和加裝保溫層

環境風對空冷系統的影響是關鍵性因素，一般擋風墻的高度與蒸汽配氣管中心線一致或略高于中心線以上約1500mm，也可以適當增加，這樣能有效防止迎風面過冷凝結成冰和熱風再循環。冬季運行，凝結水的過冷度可以達到5℃左右，應在空冷凝結水回水管上加裝保溫層，以提高機組的運行經濟性。

3.2 風機的運行及選擇

3.2.1 風機的運行

風機運行時，控制系統根據環境溫度、汽輪機排汽壓力和凝結水溫度來控制風機轉速，以及運行的臺數和關閉部分受熱面來控制背壓，以達到機組最大凈發電量，所以適當調整風機的運行方式來滿足不同的運行條件，可以提高風機效率和節能的作用，運行人員應積累不同季節溫度下的不同空氣流量及相應的風機運行狀況；根據相關數據在初次運轉后，重新調整葉片螺距角以使風機的性能達到最優。

GEA曾給出一個對于機械通風濕冷塔的風扇運行的轉速及臺數同空氣溫度的關系值，見表1，此值有一定的參考價值。

表1 風扇運行的轉速及臺數同空氣溫度的關系值

可動葉片調節是動葉安裝角隨不同工況而改變，這樣使風機在低負荷時的效率大大提高，葉片安裝角減小時，性能曲線的流量、揚程、功率都減小，反之增大，因而啟動時可減少安裝角以降低啟動功率。通過對軸流式風機的各種不同調節方式的運行經驗對比，可動葉片調節的軸流風機是最經濟的。

3.2.2 風機的選擇

風機在空冷器強化傳熱中起著關鍵的作用，風機性能的優劣是衡量空冷器性能的重要標志，風機的選擇如下：一是根據對噪聲的要求，在同樣流量下，風機直徑宜大，效率高，數量宜少。二是根據節能的要求，由于風機直徑與動壓損失為四次方關系，為了減少動壓損失以節約能耗，風機直徑宜選大。三是要考慮控制靈敏及節能，所以宜選用變頻調速方式（如圖7所示）。

圖7 風機

3.3 迎面風速的優化

迎面風速是空冷器的重要參數，最佳的迎面風速見表2，通過優化計算，可得幾點看法：一是各種風量調節方式對最佳迎面風速值均有影響，最佳迎面風速值為2.1～3.0m/s；二是管排數對最佳迎面風速值的影響微小；三是當管內放熱系數增加，則迎面風速的最佳值增加，而翅片間距減少；四是最佳翅片間距隨管徑的增加而增加；限定條件下，當管徑由小增大到30mm時，迎風速度的最佳值開始增大，而后下降。

表2 推薦的標準迎面風速與面積比

3.4 預防熱風再循環

熱風再循環對空冷器影響很大，經驗表明，空冷器進口處空氣溫度由于熱風再循環的影響增加5℃，會使平均溫差為15℃的空冷器降低傳熱量30%[3]。

為防止熱風再循環一般采取的方法是裝設擋風墻，一般擋風墻的高度與蒸汽配氣管中心線一致或略高于中心線以上約1500mm，同時也減少了噪聲污染，為消除環境風和熱風再循環對空冷裝置性能的影響，要合理選擇空冷島布置位置：一是一年四季的風向及其分布，特別是夏季的主要風向；二是一年中風速的變化范圍，持續時間以及頻率；三是與較高溫度的設備有一定距離，同時在空冷器下方不要布置溫度較高設備；四是熱源的下風向的巨大建筑物之前不要布置空冷器；五是各臺鍋爐之間的距離以及鍋爐的尺寸；六是翅片管束的排列以及風墻的設計。

3.5 百葉窗的使用

百葉窗是通過其截流作用，調節空冷器的風量，防止冷卻元件積灰雨淋及腐蝕，延長使用壽命，百葉窗需根據通風方式，風機的選型、臺數來選擇是否使用。而冷卻元件的使用壽命與其材質有關，翅片管的翅片為鋁材，本身具有很高的防腐蝕性能，其他形式的鋼制翅片管亦采用了外表鍍鋅，亦提高了防腐蝕性能。而積灰可定期用壓縮空氣吹掃。

由此可見，百葉窗在空冷器，尤其是直接空冷器中并不是必需的，只有當風量的調節及空氣出口溫度無法使用風機調節來滿足時，才使用百葉窗。

3.6 清洗系統

清洗系統是保證空冷凝汽器換熱效率非常重要的手段，應在機組運行或停運時對空冷凝汽器進行清洗，清洗時要保證清洗水水質、水量及水壓的要求，逐排進行，清洗后的冷卻器性能應達到全新冷卻器的性能，由于冬季氣溫低結冰過多，不宜清洗，每年首次清洗時環境溫度選在5～8℃為宜，沖洗的間隔時間按設備廠家要求和經驗來決定，為防止表面結垢，采用除鹽水進行沖洗。

4 結論

本文敘述了直接空冷凝汽器的工作原理、冷卻方式、特點、結構及在結構設計過程中要綜合考慮的主要因素，同時要明確所使用環境、使用條件以及用途等，這樣才能正確的選擇滿足要求的空冷凝汽器。