電站汽輪機用凝汽器管型技術(shù)發(fā)展研究

摘要：在詳細闡述電站汽輪機用凝汽器管型結(jié)構(gòu)設計原則的基礎上，對目前凝汽器管型結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)路線及技術(shù)現(xiàn)狀進行了綜述性研究，同時對不同管型結(jié)構(gòu)的技術(shù)特點進行了分析，對今后新型凝汽器管型結(jié)構(gòu)技術(shù)的開發(fā)具有良好的指導意義。關(guān)鍵詞：凝汽器；管型結(jié)構(gòu)；主凝結(jié)區(qū)；空冷區(qū)0引言凝汽器是電站汽輪機系統(tǒng)的重要輔助設備，其主要作用是將汽輪機的排汽凝結(jié)成水，并在排汽口建立并維持一定的真空度。凝汽器的真空度主要取決于蒸汽在殼側(cè)管型區(qū)的流動與換熱情況。凝汽器冷卻管管型結(jié)構(gòu)布置是否合理直接決定了蒸汽的凝結(jié)換熱過程，對凝汽器的換熱性能、機組的能耗水平有著重大影響。因此，設計合理的凝汽器管型結(jié)構(gòu)是保證凝汽器性能的基礎。本文在探討了凝汽器管型結(jié)構(gòu)設計的基本原則、凝汽器管型結(jié)構(gòu)主要類型的基礎上，對目前國內(nèi)凝汽器管型結(jié)構(gòu)研發(fā)的現(xiàn)狀進行了綜述，以便全面了解電站凝汽器管型技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為凝汽器新型管型結(jié)構(gòu)的開發(fā)提供依據(jù)和參考。1凝汽器管型設計原則凝汽器管型結(jié)構(gòu)設計的主要任務是將凝汽器熱力計算得出的一定數(shù)量的冷卻管合理有效地布置在殼體空間內(nèi)，以保證凝汽器在運行時獲得理想的壓力場、速度場、空氣濃度場、溫度場分布，使凝汽器的各項熱力指標均能滿足設計要求。凝汽器管型結(jié)構(gòu)在運行過程中的主要特點為：排入凝汽器的汽輪機排汽流量隨著在凝汽器冷卻管表面不斷凝結(jié)而急劇減小；汽輪機排汽的凝結(jié)過程同時存在蒸汽的冷卻過程和凝結(jié)相變過程，通過汽輪機各系統(tǒng)滲入的不凝結(jié)氣體在蒸汽凝結(jié)過程中不斷聚集，在冷卻管周圍形成一層不凝結(jié)氣體薄膜，該薄膜嚴重削弱了蒸汽的凝結(jié)換熱效果。根據(jù)管型結(jié)構(gòu)的工作特征，結(jié)合凝汽器的基本設計要求，凝汽器管型結(jié)構(gòu)設計應遵循以下幾個原則：（1）保證管型各區(qū)段來流蒸汽均勻平穩(wěn)。（2）管型結(jié)構(gòu)的抽氣口應盡量遠離熱井，抽氣口附近設置空氣冷卻區(qū)。（3）管型空間蒸汽通道應呈明顯收縮的趨勢，盡量保證蒸汽來流流速不宜過高，空冷區(qū)流速不宜過低；冷卻管之間最窄截面處的蒸汽流速均勻，保持在50m/s左右。（4）蒸汽在管型內(nèi)流經(jīng)路徑盡可能短，且蒸汽所穿過的冷卻管排數(shù)應基本相同。（5）凝結(jié)程度不相同的蒸汽應盡量避免相互摻混。（6）管型各區(qū)域蒸汽流場均勻合理，避免局部渦流現(xiàn)象。（7）合理設計擋汽板、導流板等結(jié)構(gòu)，避免蒸汽未凝結(jié)或未充分凝結(jié)便流向空冷區(qū)。（8）管型中應保證有一定的回熱區(qū)，以降低凝結(jié)水的過冷度、含氧量。（9）設計合理的凝結(jié)水導流結(jié)構(gòu)，降低凝結(jié)液膜的影響。后續(xù)介紹的各類凝汽器管型類型從不同角度體現(xiàn)了上述凝汽器管型結(jié)構(gòu)設計的原則。2凝汽器管型的主要分類我國凝汽器管型是在引進國外電站凝汽器典型管型的基礎上逐漸發(fā)展起來的，表1是世界各國大型電站凝汽器廣泛采用的4種凝汽器管型類型的結(jié)構(gòu)對比。3各類型凝汽器管型結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀隨著我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展，電站汽輪機對凝汽器管型性能的要求不斷提高，上述凝汽器管型結(jié)構(gòu)已無法滿足大型電站汽輪機的要求，因此各研究機構(gòu)在原有管型結(jié)構(gòu)的基礎上相繼研發(fā)出了新型的適用于電站汽輪機最新需求的凝汽器管型結(jié)構(gòu)。3.1帶狀管型（1）通用電氣阿爾斯通德拉斯公司的貝爾納?安德里厄等人于1996年發(fā)明了一種凝汽器管型，圖1為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該系列凝汽器管型為ALSTOM公司典型的帶狀凝汽器管型結(jié)構(gòu)，屬于汽流向心型管型結(jié)構(gòu)。其主要特征為管型布置成輻射穗狀，隨著汽流方向，管指進行相應的分叉變形，保證來流蒸汽能夠沿管型不同區(qū)域均勻進入主凝結(jié)區(qū)域進行充分的凝結(jié)換熱?？绽鋮^(qū)布置于管型中心偏下位置。通過合理布置，一方面防止了不利于換熱的冷卻管過分集中或者管子堵塞現(xiàn)象，同時使得管板周邊的填充系數(shù)加大，在凝汽器負荷不變的條件下可以減小管板尺寸，進而節(jié)省凝汽器的布置空間。（2）上海交通大學的汪國山等人于2006年發(fā)明了汽流向心式帶狀管型模塊，圖2為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該凝汽器管型是汽流向心式的帶狀凝汽器管型，其主要由主凝結(jié)區(qū)、空冷區(qū)、抽氣區(qū)、相關(guān)擋汽板結(jié)構(gòu)組成。主凝結(jié)區(qū)管型由兩個左右對稱的蛇形帶狀管型組成，條帶之間區(qū)域形成蒸汽進汽通道?？绽鋮^(qū)和抽氣口布置于對稱中心線下方位置，空冷區(qū)和抽氣口外圍線以及主凝結(jié)區(qū)管型下部外側(cè)和頂部都設置有擋汽板。整個管型的布置結(jié)構(gòu)使得蒸汽向中心抽氣口處聚集，形成汽流向心型管型。該凝汽器管型的特點是汽阻小、負荷高，可用于大中型凝汽器。3.2卵形管型（1）西安協(xié)力動力科技有限公司的朱廣宇等人于2008年發(fā)明了一種塔形側(cè)抽式電站凝汽器管型，圖3為該凝汽器管型示意圖。該凝汽器管型是一種汽流向側(cè)的卵形凝汽器管型。主凝結(jié)區(qū)管型由冷卻管平行排列構(gòu)成塔形，扇形空冷區(qū)和抽空氣區(qū)在主凝結(jié)區(qū)管型下部兩側(cè)對稱布置，空冷區(qū)管型與主凝結(jié)區(qū)管型由擋汽板分隔開來，以避免通過主凝結(jié)區(qū)冷凝后的汽氣混合物短路直接進入抽空氣區(qū)。該凝汽器結(jié)構(gòu)主要特點：（1）四周進汽，增大進汽截面，減少了蒸汽壓力損失，使得氣流比較平穩(wěn)，整個管型無死區(qū)，傳熱效果比較好；（2）空冷區(qū)左右對稱布置，蒸汽流場均勻；（3）主凝結(jié)區(qū)中心設置汽氣混合物通道，使得主凝結(jié)區(qū)壓降小，蒸汽平均流程短，流動阻力小，另外此結(jié)構(gòu)管型疏松，傳熱系數(shù)比較高。（2）西安協(xié)力動力科技有限公司的朱廣宇等人于2008年發(fā)明了圓筒形凝汽器的卵形管型，圖4為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該凝汽器管型是一種汽流向心型卵形凝汽器管型，主要由主凝結(jié)區(qū)和空冷區(qū)管型組成，主凝結(jié)區(qū)管型外形為卵形，外側(cè)布置若干斜向上的帶狀進汽通道，空冷區(qū)管型設置在主凝結(jié)區(qū)管型內(nèi)，空冷區(qū)管型與主凝結(jié)區(qū)管型之間設置汽氣混合物通道，空冷區(qū)管型外圍設置有擋汽板，對汽氣混合物進行整流，使其完全通過空冷區(qū)后由抽空氣管道抽出。該凝汽器管型的主要特點是：管型容積率大、空氣積聚區(qū)小、熱轉(zhuǎn)換效率高。（3）上海電氣電站設備有限公司的吳春燕等人于2011年發(fā)明了一種凝汽器雙塔式管型，圖5為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該凝汽器管型為汽流向側(cè)的卵形凝汽器管型，該管型主要由兩組對稱的管型組成，管型四周為蒸汽迎流汽道區(qū)，每組管型由外圍條帶、主凝結(jié)區(qū)、空冷區(qū)、汽氣混合物通道、抽氣區(qū)組成，來流蒸汽通過外圍條帶管型區(qū)及條帶間的進汽通道進行初步凝結(jié)后進入里面的主凝結(jié)區(qū)進一步凝結(jié)，經(jīng)主凝結(jié)區(qū)凝結(jié)后，不凝結(jié)氣體的比重逐漸增大，最終穿過主凝結(jié)區(qū)的混合蒸汽通過汽氣混合物通道進入空冷區(qū)，對混合物中的蒸汽進一步凝結(jié)，之后經(jīng)由抽空氣管道將含有大量不凝結(jié)氣體的汽氣混合物抽出凝汽器。該管型的主要特點是：蒸汽流線平滑，沒有死區(qū)，汽阻小，具有良好的傳熱性能。3.3教堂窗型管型（1）日本東芝株式會社的佐藤健二等人發(fā)明了一種凝汽器，圖6為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該凝汽器是典型的教堂窗型凝汽器管型，若干冷卻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擴開呈八字形的擋板，擋板下側(cè)布置有左右對稱呈逐漸擴展狀的空冷區(qū)，空冷區(qū)頂部與抽空氣內(nèi)管連通。相比之前的凝汽器抽空氣結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可防止因抽空氣管道帶來的空氣流壓力損失，有效防止了熱能損失，使得凝汽器更加小型化。3.4山谷型管型（1）東方汽輪機廠的何顯富等人于2001年發(fā)明了電站凝汽器模塊式管型結(jié)構(gòu)，圖7為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該凝汽器管型是山谷型，管型由主凝結(jié)區(qū)、空冷區(qū)、抽空氣區(qū)、集水板、擋汽板等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。主凝結(jié)區(qū)有兩個條帶型管型區(qū)和下部方形管型區(qū)組成，條帶管型區(qū)兩側(cè)形成蒸汽進汽通道，條帶之間布置有若干抽空氣管道，方形管型區(qū)下部設置為回熱區(qū)，利用新蒸汽回熱凝結(jié)水，降低凝結(jié)水的過冷度和含氧量。主凝結(jié)區(qū)內(nèi)部不同區(qū)域設置有集水板收集凝結(jié)水，以降低上部管型凝結(jié)水對下部管型凝結(jié)換熱的影響?？绽鋮^(qū)管型布置呈五邊形，上部設置有向兩邊分開的八字形擋汽板。主凝結(jié)區(qū)條帶內(nèi)部以及與空冷區(qū)之間布置有汽氣混合物通道區(qū)，用于引導汽氣混合物順利進入空冷區(qū)進一步凝結(jié)冷卻。該實用新型管型的主要特點：蒸汽凝結(jié)路徑短，流動阻力小，基本消除了管型區(qū)的渦流區(qū)和不凝結(jié)氣體聚集區(qū)，總體換熱系數(shù)高。（2）西安協(xié)力動力科技有限公司的朱廣宇等人于2009年發(fā)明了鋸齒狀中心抽氣電站凝汽器管型，圖8為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該凝汽器管型為汽流向心山谷型凝汽器管型。主要包括主凝結(jié)區(qū)、扇形空冷區(qū)、擋汽板、抽空氣管道等結(jié)構(gòu)。主凝結(jié)區(qū)包含至少3個鋸齒狀的主凝結(jié)區(qū)管指，管型外側(cè)區(qū)域構(gòu)成蒸汽進汽通道，在中間一個主凝結(jié)區(qū)管指或者中間兩個管指之間的下方布置漸縮的扇形空冷區(qū)，空冷區(qū)兩側(cè)布置擋汽板，上部布置抽空氣管道。其余主凝結(jié)區(qū)的一個管指外側(cè)下端與相鄰管指內(nèi)側(cè)下端布置冷卻管搭接在一起。該管型結(jié)構(gòu)管型容積率大、空氣集聚區(qū)小、換熱系數(shù)高。（3）清華大學的孟繼安等人于2010年發(fā)明了一種仿生雙連樹形管束式凝汽器，圖9為該凝汽器管型示意圖。該凝汽器是典型的山谷型凝汽器，該管型結(jié)構(gòu)通過在管指四周均勻布置若干細小進汽通道，充分保證進汽均勻性，殼側(cè)汽阻小、熱負荷分布均勻、凝結(jié)水過冷度小、凝汽器的傳熱系數(shù)和運行真空度都較高。（4）華電電力科學研究院的常浩等人2012年發(fā)明了基于TEPEE兩山峰形管型的火電機組冷端優(yōu)化方法。圖10為該凝汽器管型示意圖。該凝汽器為山谷型凝汽器管型結(jié)構(gòu)，主要包括主凝結(jié)區(qū)、空冷區(qū)、汽氣混合物通道、集水板、擋汽板等結(jié)構(gòu)。該凝汽器特點：汽阻小、管型中無渦流現(xiàn)象，冷卻管不易損壞，壽命長，管型熱負荷分布均勻，總體傳熱系數(shù)高。3.5其他類型管型（1）杭州汽輪輔機有限公司的蔣科震等人于2009年發(fā)明了側(cè)向凝汽器向心抽氣結(jié)構(gòu)，此項專利為已授權(quán)的實用新型專利。圖11為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該凝汽器管型是外圍帶狀凝汽器管型，應用于側(cè)向排汽汽輪機組。該凝汽器管型的特點是汽阻較小、凝結(jié)水溫度較高、含氧量小。（2）上海電力學院張莉等人于2019年發(fā)明了一種橄欖球形凝汽器管型，圖12為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。該凝汽器管型是一種橫置的卵形管型，適用于軸向進汽凝汽器。該管型主要包括主凝結(jié)區(qū)和空冷區(qū)，外形根據(jù)軸向進汽的汽流組織特點布置成橄欖球體結(jié)構(gòu)，在最大限度地減低汽流阻力的同時保證均勻進汽。（3）東方汽輪機有限公司的陳建等人于2018年發(fā)明了一種適用于側(cè)向進汽凝汽器管型，圖13為該凝汽器管型結(jié)構(gòu)示意圖。圖片該凝汽器管型是一種適用于凝汽器側(cè)向進汽的管型，主要包括主凝結(jié)區(qū)、扇形空冷區(qū)、人字形擋板及抽空氣結(jié)構(gòu)等。該管型結(jié)構(gòu)通過設置合適的擋汽板結(jié)構(gòu)，使進入空冷區(qū)的汽氣混合物繞流角度小，大大降低了管型內(nèi)部