中國電建集團河南工程有限公司 鄒鵬舉

我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展導(dǎo)致人均水資源僅為世界人均數(shù)的1/4，水資源短缺影響了我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)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(jié)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(huán)境的污染，無論是從節(jié)水還是環(huán)保角度出發(fā)，空冷式汽輪機電站在我國都具有重大的現(xiàn)實意義，以及愈來愈廣泛的應(yīng)用。

1 直接空冷系統(tǒng)的工作原理和特點

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

圖1 直接空氣冷卻系統(tǒng)

直接空冷系統(tǒng)主要由凝汽器系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、排汽管道系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、補水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)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(zhì)免費獲得，初始溫差小，無附加費用；二是無水霧飄逸現(xiàn)象以及排污水的熱量對水資源的危害，對周圍環(huán)境無污染；三是空冷凝汽器換熱系數(shù)低，體積龐大，占地面積大，龐大的真空系統(tǒng)容易漏氣；四是易受氣候、溫度、風(fēng)向等因素影響；不能靠近大型建筑，否則易形成熱風(fēng)再循環(huán)；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(fēng)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(jié)構(gòu)

空冷器的主要元件有翅片管束、風(fēng)機、風(fēng)筒及護網(wǎng)、蒸汽分配管、風(fēng)機電機、百葉窗、構(gòu)架、排汽管道、支撐平臺及擋風(fēng)墻等。直接空冷系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)型式如圖2、圖3所示。

圖2 水平式空冷器的基本結(jié)構(gòu)

圖3 “A”屋頂型空冷器的基本結(jié)構(gòu)

3 直接空冷器的設(shè)計技術(shù)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(dǎo)致直接空冷系統(tǒng)結(jié)凍，故應(yīng)引起充分的注意。

3.1.1 管束順逆流結(jié)構(gòu)

為防止凝結(jié)液的凍結(jié)，一般將管束結(jié)構(gòu)按K/D排列，順流管束中的凝結(jié)水與蒸汽流動方向一致，大約80%蒸汽在順流管束中凝結(jié)，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(fā)生過冷現(xiàn)象，如圖4所示。依據(jù)運行實踐經(jīng)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(jié)構(gòu)對防止凝結(jié)水的凍結(jié)是行之有效的[2]。

圖4 管束的順逆流結(jié)構(gòu)示意

3.1.2 管束排列

在多排管的管束設(shè)計中，如圖5所示，如兩排管，其迎風(fēng)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(dǎo)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(qū)，第二排蒸汽倒流至第一排管，產(chǎn)生凍結(jié)現(xiàn)象，這對于運行是非常危險的，應(yīng)予以避免。

圖5 空冷凝汽器不凝汽聚集產(chǎn)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(jié)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(fēng)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(shè)置擋風(fēng)墻和加裝保溫層

環(huán)境風(fēng)對空冷系統(tǒng)的影響是關(guān)鍵性因素，一般擋風(fēng)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(fēng)面過冷凝結(jié)成冰和熱風(fēng)再循環(huán)。冬季運行，凝結(jié)水的過冷度可以達到5℃左右，應(yīng)在空冷凝結(jié)水回水管上加裝保溫層，以提高機組的運行經(jīng)濟性。

3.2 風(fēng)機的運行及選擇

3.2.1 風(fēng)機的運行

風(fēng)機運行時，控制系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境溫度、汽輪機排汽壓力和凝結(jié)水溫度來控制風(fēng)機轉(zhuǎn)速，以及運行的臺數(shù)和關(guān)閉部分受熱面來控制背壓，以達到機組最大凈發(fā)電量，所以適當調(diào)整風(fēng)機的運行方式來滿足不同的運行條件，可以提高風(fēng)機效率和節(jié)能的作用，運行人員應(yīng)積累不同季節(jié)溫度下的不同空氣流量及相應(yīng)的風(fēng)機運行狀況；根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)在初次運轉(zhuǎn)后，重新調(diào)整葉片螺距角以使風(fēng)機的性能達到最優(yōu)。

GEA曾給出一個對于機械通風(fēng)濕冷塔的風(fēng)扇運行的轉(zhuǎn)速及臺數(shù)同空氣溫度的關(guān)系值，見表1，此值有一定的參考價值。

表1 風(fēng)扇運行的轉(zhuǎn)速及臺數(shù)同空氣溫度的關(guān)系值

可動葉片調(diào)節(jié)是動葉安裝角隨不同工況而改變，這樣使風(fēng)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(fēng)機的各種不同調(diào)節(jié)方式的運行經(jīng)驗對比，可動葉片調(diào)節(jié)的軸流風(fēng)機是最經(jīng)濟的。

3.2.2 風(fēng)機的選擇

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

圖7 風(fēng)機

3.3 迎面風(fēng)速的優(yōu)化

迎面風(fēng)速是空冷器的重要參數(shù)，最佳的迎面風(fēng)速見表2，通過優(yōu)化計算，可得幾點看法：一是各種風(fēng)量調(diào)節(jié)方式對最佳迎面風(fēng)速值均有影響，最佳迎面風(fēng)速值為2.1～3.0m/s；二是管排數(shù)對最佳迎面風(fēng)速值的影響微??；三是當管內(nèi)放熱系數(shù)增加，則迎面風(fēng)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(fēng)速度的最佳值開始增大，而后下降。

表2 推薦的標準迎面風(fēng)速與面積比

3.4 預(yù)防熱風(fēng)再循環(huán)

熱風(fēng)再循環(huán)對空冷器影響很大，經(jīng)驗表明，空冷器進口處空氣溫度由于熱風(fēng)再循環(huán)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(fēng)再循環(huán)一般采取的方法是裝設(shè)擋風(fēng)墻，一般擋風(fēng)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(huán)境風(fēng)和熱風(fēng)再循環(huán)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(fēng)向及其分布，特別是夏季的主要風(fēng)向；二是一年中風(fēng)速的變化范圍，持續(xù)時間以及頻率；三是與較高溫度的設(shè)備有一定距離，同時在空冷器下方不要布置溫度較高設(shè)備；四是熱源的下風(fēng)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(fēng)墻的設(shè)計。

3.5 百葉窗的使用

百葉窗是通過其截流作用，調(diào)節(jié)空冷器的風(fēng)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(jù)通風(fēng)方式，風(fēng)機的選型、臺數(shù)來選擇是否使用。而冷卻元件的使用壽命與其材質(zhì)有關(guān)，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(fēng)量的調(diào)節(jié)及空氣出口溫度無法使用風(fēng)機調(diào)節(jié)來滿足時，才使用百葉窗。

3.6 清洗系統(tǒng)

清洗系統(tǒng)是保證空冷凝汽器換熱效率非常重要的手段，應(yīng)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(zhì)、水量及水壓的要求，逐排進行，清洗后的冷卻器性能應(yīng)達到全新冷卻器的性能，由于冬季氣溫低結(jié)冰過多，不宜清洗，每年首次清洗時環(huán)境溫度選在5～8℃為宜，沖洗的間隔時間按設(shè)備廠家要求和經(jīng)驗來決定，為防止表面結(jié)垢，采用除鹽水進行沖洗。

4 結(jié)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(jié)構(gòu)及在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要綜合考慮的主要因素，同時要明確所使用環(huán)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。