电站汽轮机用凝汽器管型技术发展研究

引言

凝汽器是电站汽轮机系统的重要辅助设备,其主要作用是将汽轮机的排汽凝结成水,并在排汽口建立并维持一定的真空度。凝汽器的真空度主要取决于蒸汽在壳侧管型区的流动与换热情况。凝汽器冷却管管型结构布置是否合理直接决定了蒸汽的凝结换热过程,对凝汽器的换热性能、机组的能耗水平有着重大影响。因此,设计合理的凝汽器管型结构是保证凝汽器性能的基础。

本文在探讨了凝汽器管型结构设计的基本原则、凝汽器管型结构主要类型的基础上,对目前国内凝汽器管型结构研发的现状进行了综述,以便全面了解电站凝汽器管型技术的研究现状,为凝汽器新型管型结构的开发提供依据和参考。

1凝汽器管型设计原则

凝汽器管型结构设计的主要任务是将凝汽器热力计算得出的一定数量的冷却管合理有效地布置在壳体空间内,以保证凝汽器在运行时获得理想的压力场、速度场、空气浓度场、温度场分布,使凝汽器的各项热力指标均能满足设计要求。凝汽器管型结构在运行过程中的主要特点为:排入凝汽器的汽轮机排汽流量随着在凝汽器冷却管表面不断凝结而急剧减小:汽轮机排汽的凝结过程同时存在蒸汽的冷却过程和凝结相变过程,通过汽轮机各系统渗入的不凝结气体在蒸汽凝结过程中不断聚集,在冷却管周围形成一层不凝结气体薄膜,该薄膜严重削弱了蒸汽的凝结换热效果。根据管型结构的工作特征,结合凝汽器的基本设计要求,凝汽器管型结构设计应遵循以下几个原则:

(1）保证管型各区段来流蒸汽均匀平稳。

(2）管型结构的抽气口应尽量远离热井,抽气口附近设置空气冷却区。

(3）管型空间蒸汽通道应呈明显收缩的趋势,尽量保证蒸汽来流流速不宜过高,空冷区流速不宜过低:冷却管之间最窄截面处的蒸汽流速均匀,保持在50m/s左右。

(4）蒸汽在管型内流经路径尽可能短,且蒸汽所穿过的冷却管排数应基本相同。

(5）凝结程度不相同的蒸汽应尽量避免相互掺混。

(6）管型各区域蒸汽流场均匀合理,避免局部涡流现象。(7）合理设计挡汽板、导流板等结构,避免蒸汽未凝结或未充分凝结便流向空冷区。

(8）管型中应保证有一定的回热区,以降低凝结水的过冷度、含氧量。(9）设计合理的凝结水导流结构,降低凝结液膜的影响。后续介绍的各类凝汽器管型类型从不同角度体现了上述凝汽器管型结构设计的原则。

2凝汽器管型的主要分类

我国凝汽器管型是在引进国外电站凝汽器典型管型的基础上逐渐发展起来的,表1是世界各国大型电站凝汽器广泛采用的4种凝汽器管型类型的结构对比。

3各类型凝汽器管型结构技术发展现状

随着我国电力行业的不断发展,电站汽轮机对凝汽器管型性能的要求不断提高,上述凝汽器管型结构已无法满足大型电站汽轮机的要求,因此各研究机构在原有管型结构的基础上相继研发出了新型的适用于电站汽轮机最新需求的凝汽器管型结构。

3.1带状管型

(1）通用电气阿尔斯通德拉斯公司的贝尔纳·安德里厄等人于1996年发明了一种凝汽器管型,图1为该凝汽器管型结构示意图。

该系列凝汽器管型为A1sToM公司典型的带状凝汽器管型结构,属于汽流向心型管型结构。其主要特征为管型布置成辐射穗状,随着汽流方向,管指进行相应的分叉变形,保证来流蒸汽能够沿管型不同区域均匀进入主凝结区域进行充分的凝结换热。空冷区布置于管型中心偏下位置。通过合理布置,一方面防止了不利于换热的冷却管过分集中或者管子堵塞现象,同时使得管板周边的填充系数加大,在凝汽器负荷不变的条件下可以减小管板尺寸,进而节省凝汽器的布置空间。

(2）上海交通大学的汪国山等人于2oo6年发明了汽流向心式带状管型模块,图2为该凝汽器管型结构示意图。

图2汽流向心式带状管型模块

该凝汽器管型是汽流向心式的带状凝汽器管型,其主要由主凝结区、空冷区、抽气区、相关挡汽板结构组成。主凝结区管型由两个左右对称的蛇形带状管型组成,条带之间区域形成蒸汽进汽通道。空冷区和抽气口布置于对称中心线下方位置,空冷区和抽气口外围线以及主凝结区管型下部外侧和顶部都设置有挡汽板。整个管型的布置结构使得蒸汽向中心抽气口处聚集,形成汽流向心型管型。该凝汽器管型的特点是汽阻小、负荷高,可用于大中型凝汽器。

3.2卵形管型

(1）西安协力动力科技有限公司的朱广宇等人于2oo8年发明了一种塔形侧抽式电站凝汽器管型,图3为该凝汽器管型示意图。

图3塔形侧抽式电站凝汽器管型

该凝汽器管型是一种汽流向侧的卵形凝汽器管型。主凝结区管型由冷却管平行排列构成塔形,扇形空冷区和抽空气区在主凝结区管型下部两侧对称布置,空冷区管型与主凝结区管型由挡汽板分隔开来,以避免通过主凝结区冷凝后的汽气混合物短路直接进入抽空气区。该凝汽器结构主要特点:(1）四周进汽,增大进汽截面,减少了蒸汽压力损失,使得气流比较平稳,整个管型无死区,传热效果比较好:(2）空冷区左右对称布置,蒸汽流场均匀:(3）主凝结区中心设置汽气混合物通道,使得主凝结区压降小,蒸汽平均流程短,流动阻力小,另外此结构管型疏松,传热系数比较高。

(2）西安协力动力科技有限公司的朱广宇等人于2oo8年发明了圆筒形凝汽器的卵形管型,图4为该凝汽器管型结构示意图。

图4圆筒形凝汽器的卵形管型

该凝汽器管型是一种汽流向心型卵形凝汽器管型,主要由主凝结区和空冷区管型组成,主凝结区管型外形为卵形,外侧布置若干斜向上的带状进汽通道,空冷区管型设置在主凝结区管型内,空冷区管型与主凝结区管型之间设置汽气混合物通道,空冷区管型外围设置有挡汽板,对汽气混合物进行整流,使其完全通过空冷区后由抽空气管道抽出。该凝汽器管型的主要特点是:管型容积率大、空气积聚区小、热转换效率高。

(3）上海电气电站设备有限公司的吴春燕等人于2011年发明了一种凝汽器双塔式管型,图5为该凝汽器管型结构示意图。

该凝汽器管型为汽流向侧的卵形凝汽器管型,该管型主要由两组对称的管型组成,管型四周为蒸汽迎流汽道区,每组管型由外围条带、主凝结区、空冷区、汽气混合物通道、抽气区组成,来流蒸汽通过外围条带管型区及条带间的进汽通道进行初步凝结后进入里面的主凝结区进一步凝结,经主凝结区凝结后,不凝结气体的比重逐渐增大,最终穿过主凝结区的混合蒸汽通过汽气混合物通道进入空冷区,对混合物中的蒸汽进一步凝结,之后经由抽空气管道将含有大量不凝结气体的汽气混合物抽出凝汽器。该管型的主要特点是:蒸汽流线平滑,没有死区,汽阻小,具有良好的传热性能。

3.3教堂窗型管型

(1）日本东芝株式会社的佐藤健二等人发明了一种凝汽器,图6为该凝汽器管型结构示意图。

该凝汽器是典型的教堂窗型凝汽器管型,若干冷却管平行排列形成教堂窗型,管型中央布置有下端向左右方向扩开呈八字形的挡板,挡板下侧布置有左右对称呈逐渐扩展状的空冷区,空冷区顶部与抽空气内管连通。相比之前的凝汽器抽空气结构,此结构可防止因抽空气管道带来的空气流压力损失,有效防止了热能损失,使得凝汽器更加小型化。

3.4山谷型管型

(1）东方汽轮机厂的何显富等人于2001年发明了电站凝汽器模块式管型结构,图7为该凝汽器管型结构示意图。

该凝汽器管型是山谷型,管型由主凝结区、空冷区、抽空气区、集水板、挡汽板等结构构成。主凝结区有两个条带型管型区和下部方形管型区组成,条带管型区两侧形成蒸汽进汽通道,条带之间布置有若干抽空气管道,方形管型区下部设置为回热区,利用新蒸汽回热凝结水,降低凝结水的过冷度和含氧量。主凝结区内部不同区域设置有集水板收集凝结水,以降低上部管型凝结水对下部管型凝结换热的影响。空冷区管型布置呈五边形,上部设置有向两边分开的八字形挡汽板。主凝结区条带内部以及与空冷区之间布置有汽气混合物通道区,用于引导汽气混合物顺利进入空冷区进一步凝结冷却。该实用新型管型的主要特点:蒸汽凝结路径短,流动阻力小,基本消除了管型区的涡流区和不凝结气体聚集区,总体换热系数高。

(2）西安协力动力科技有限公司的朱广宇等人于2009年发明了锯齿状中心抽气电站凝汽器管型,图8为该凝汽器管型结构示意图。

该凝汽器管型为汽流向心山谷型凝汽器管型。主要包括主凝结区、扇形空冷区、挡汽板、抽空气管道等结构。主凝结区包含至少3个锯齿状的主凝结区管指,管型外侧区域构成蒸汽进汽通道,在中间一个主凝结区管指或者中间两个管指之间的下方布置渐缩的扇形空冷区,空冷区两侧布置挡汽板,上部布置抽空气管道。其余主凝结区的一个管指外侧下端与相邻管指内侧下端布置冷却管搭接在一起。该管型结构管型容积率大、空气集聚区小、换热系数高。

(3）清华大学的孟继安等人于2010年发明了一种仿生双连树形管束式凝汽器,图9为该凝汽器管型示意图。

该凝汽器是典型的山谷型凝汽器,该管型结构通过在管指四周均匀布置若干细小进汽通道,充分保证进汽均匀性,壳侧汽阻小、热负荷分布均匀、凝结水过冷度小、凝汽器的传热系数和运行真空度都较高。

(4）华电电力科学研究院的常浩等人2012年发明了基于TEPEE两山峰形管型的火电机组冷端优化方法。图10为该凝汽器管型示意图。

该凝汽器为山谷型凝汽器管型结构,主要包括主凝结区、空冷区、汽气混合物通道、集水板、挡汽板等结构。该凝汽器特点:汽阻小、管型中无涡流现象,冷却管不易损坏,寿命长,管型热负荷分布均匀,总体传热系数高。

3.5其他类型管型

(1）杭州汽轮辅机有限公司的蒋科震等人于2009年发明了侧向凝汽器向心抽气结构,此项专利为已授权的实用新型专利。图11为该凝汽器管型结构示意图。

图11侧向凝汽器向心抽气结构

该凝汽器管型是外围带状凝汽器管型,应用于侧向排汽汽轮机组。该凝汽器管型的特点是汽阻较小、凝结水温度较高、含氧量小。

（2)上电力学院张莉等人于2019年发明了一种橄榄球形凝汽器管型,图12为该凝汽器管型结构示意图。

图12一种橄榄球形凝汽器管型

该凝汽器管型是一种横置的卵形管型,适用于轴向进汽凝汽器。该管型主要包括主凝结区和空冷区,外形根据轴向进汽的汽流组织特点布置成橄榄球体结构,在最大限度地减低汽流阻力的同时保证均匀进汽。

（3）东方汽轮机有限公司的陈建等人于2018年发明了一种适用于侧向进汽凝汽器管型,图13为该凝汽器管型结构示意图。

图13一种适用于侧向进汽的凝汽器管型

该凝汽器管型是一种适用于凝汽器侧向进汽的管型,主要包括主凝结区、扇形空冷区、人字形挡板及抽空气结构等。该管型结构通过设置合适的挡汽板结构,使进入空冷区的汽气混合物绕流角度小,大大降低了管型内部的涡流区,抽汽阻力低,换热效率高。

4结语

通过本文对电站汽轮机用凝汽器管型技术发展情况进行综述研究,可全面了解凝汽器管型的主要技术现状以及新型管型结构的主要研究方向。通过分析发现,我国早期的凝汽器管型结构多采用国外公司的专利技术,2006年后,国内厂家与研究机构在凝汽器管型研究方面的专利迅速增加,研究方向偏重于带状管型和山谷型管型。与此同时,随着小型汽轮机技术的推广应用,适用于小型汽轮机凝汽器的轴向进汽、侧向进汽凝汽器管型技术研究逐渐增加。