CN102980417B - 塔式直接空冷凝汽器及其塔式直接干冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种塔式直接空冷凝汽器及其塔式直接干冷系统，所述塔式直接干冷系统包括塔式直接空冷凝汽器；所述塔式直接空冷凝汽器设置于钢筋混凝土双曲线型冷却塔下部，若干冷凝单元环形布置，若干冷凝单元的配汽立管均连接蜗壳状蒸汽分配干管，若干冷凝单元的集气管均连接抽真空管路；钢筋混凝土双曲线型冷却塔内部设有十字状隔风板；所述塔式直接干冷凝汽器的上方在冷却塔环梁处设有钢筋混凝土斜挑板；收集管两侧各设有两个挂钩，玻璃钢挡风板通过所述挂钩活动安装于两个收集管之间；相邻冷凝单元的两排管束上盖有三角斜盖板。本发明塔式直接干冷系统简单、运行灵活、初投资低，换热次数少而效率高的优点，消除ACC系统风扇能耗和噪音并降低对风向的敏感性。
Description
技术领域
本发明属于火（核）电厂乏汽干式冷却使乏汽变为凝结水的技术领域，特别涉及一种塔式直接空冷凝汽器及其塔式直接干冷系统。
背景技术
火力发电每发一度电能，采用干式冷却（俗称空冷），比采用湿式冷却节省2.5kg的水。经典的干式冷却系统为下表中的混间、表间和直冷三种系统。由经典的三种系统又派生出下表中其余的六种冷却系统。
发达国家均已改称空冷系统为dry cooling system，目前，中国尚未规范干式冷却的术语，歧义较多，严谨性不足。对于电站冷却，换热器、散热器、凝汽器和湿冷、干冷系统可定义如下：
干式冷却显著的节水效果必然导致系统投资的变大和运行费用的增高。已有干式冷却系统的小缺陷和适配性的不足，迫使人们更换思路，集成各种冷却系统的优点，相互借鉴。
50多年来，全球配备干式冷却的电厂装机容量已达2亿千瓦。中国（主要是近10年来）已建和在建的干冷式发电机组，装机容量也超过1亿千瓦，单机容量从2MW到1000MW大小不等，有千余套干式冷却系统。“以煤换水”的干式冷却发电，煤耗比湿冷高5%（大型机组）到10%（小机组）。中国干式冷却发电，每年节水约10亿吨，需多耗标煤700万吨。随着煤炭价格的不断攀升，发电厂面临既要节水还要节能的两难局面，急需研发新的干式冷却技术。未来20年内，中国至少还将建设1亿千瓦装机总容量的干式冷却发电厂，急需完善关键技术及设备。
ACC系统因系统简单、运行灵活、初投资低，换热次数少而效率高，受到青睐。但随着环保要求的提升，ACC系统噪音扰民凸显；ACC系统对大风的风向（比间冷）敏感，且风扇耗能较大。ACC系统在节能评估上遇到政策瓶颈，还有，一些发电公司的考核指标中强制列入厂用电率[有失公允，应仅考核发电能（煤）耗，较为合理。例如，考核厂用电率，迫使一些电厂的给水泵放弃电力驱动，改用蒸汽驱动]，使得ACC系统在与间冷的方案比选中遇到了前所未有的困难。因此，保留ACC的优点，消除风扇能耗及噪音和降低大风敏感性，为干式冷却的研究明确了方向。
1993年比利时HAMON LUMMUS公司首先提出Natural Draft Condenser的概念，即后来被广泛谈论的NDC系统，它的核心概念就是用自然抽风冷却塔替代ACC系统的风扇强制鼓风。但该研究只停留在空冷凝汽器塔内屋脊水平布置的层面上，简单的说，就是去掉ACC系统的风扇，把ACC摆到冷却塔内。该公司为新疆红雁池二电厂的一台200MW机组配备干式冷却塔的概念设计为：塔全高H＝94m，塔底部直径D＝83m，进风口高度h10m，未能进入实际应用阶段。
1994年德国GEA公司提出Natural Draft Air Cooled Condenser概念，即后来其图形被广泛复制的NDACC系统。1995年10月德国GEA公司为新疆红雁池二电厂的一台200MW机组配备干式冷却塔的初步设计为：塔全高H115m，塔底部直径D127m，进风口高度h14m，空冷凝汽器在塔内仍呈屋脊状水平布置，下部增设有百叶窗，但也未能进入实际应用阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种塔式直接空冷凝汽器及其塔式直接干冷系统，以保留ACC系统简单、运行灵活、初投资低，换热次数少而效率高的优点，消除ACC系统风扇能耗、和噪音、降低对风向的敏感性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种塔式直接空冷凝汽器，包括蜗壳状蒸汽分配干管和若干冷凝单元；冷凝单元包括立管、顺流管束、逆流管束和逆流顺流分配斜隔板；立管包括配汽立管和集气管，配汽立管和集气管之间安装有逆流顺流分配斜隔板，配汽立管和集气管竖直设置且集气管位于配汽立管上方；所述立管上倾斜向下安装有第一排管束和第二排管束；第一排管束包括多个安装于配汽立管上的顺流管束和多个安装于集气管上的逆流管束；第二排管管束与第一排管束以配汽立管为中心对称布置；所述配汽立管连接所述蜗壳状蒸汽分配干管；顺流管束和逆流管束平行且间隔设置，相同排的顺流管束和逆流管束倾斜向下的末端均连接至一个凝结水收集立管。
本发明进一步的改进在于：第一排管束和第二排管束构成的八字倾斜状布置。
本发明进一步的改进在于：顺流管束和逆流管束与水平面之间的夹角为α=30～60°。
本发明进一步的改进在于：所述若干冷凝单元环形布置，相邻的冷凝单元共用一个凝结水收集立管。
本发明进一步的改进在于：收集管连接埋地收凝结水集环管，埋地收凝结水集环管通过去凝结水箱输送管连接凝结水箱。
本发明进一步的改进在于：集气管连接有抽真空管路；凝结水箱通过疏水泵连接蜗壳状蒸汽分配干管，凝结水箱还连接有凝结水泵；抽真空管路连接蜗壳状蒸汽分配干管，抽真空管路通过水环式抽真空泵连接凝结水箱。
本发明进一步的改进在于：蜗壳状蒸汽分配干管的始端到末端的内径逐渐减小。
一种塔式直接干冷系统，包括塔式直接空冷凝汽器；所述塔式直接空冷凝汽器设置于钢筋混凝土双曲线型冷却塔下部，若干冷凝单元环形布置，若干冷凝单元的配汽立管均连接蜗壳状蒸汽分配干管，若干冷凝单元的集气管均连接抽真空管路；钢筋混凝土双曲线型冷却塔内部设有十字状隔风板。
本发明进一步的改进在于：所述塔式直接空冷凝汽器的上方在冷却塔环梁处设有钢筋混凝土斜挑板；收集管两侧各设有两个挂钩，玻璃钢挡风板通过所述挂钩活动安装于两个收集管之间；相邻冷凝单元的两排管束上盖有三角斜盖板。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明塔式直接干冷系统不采用NDC或NDACC的屋脊水平布置，而是将凝汽器以立柱的方式布置在自然抽风冷却塔外的周圈，俯视翅片管束板，呈现八字倾斜状（八字字头部高而下部低）。自然抽风，放弃使用百叶窗，防冻的手段是逆顺流布置、让凝汽器上部充气（把大凝汽器变成小凝汽器使用）、打开三角斜盖板（热风回暖）和加挂挡风板（借鉴湿式冷却塔挂挡风板的方法）。四种手段逐次投用或组合投用。
百叶窗对翅片的清洗稍有一定的影响。每年百叶窗在3/4的时段内是有害的，增加了冷风流动的阻力，降低了传热效率。因此，塔式直接干冷系统不使用百叶窗，改挂挡风板。冬季防冻时才挂挡风板。其余时段内，则不挂挡风板。
凝结水收集环管及水平管埋藏于地面以下，用于保持地面平整，以方便挡风板的挂取和移走。
塔式直接干冷系统能适应自然风和环境温度的双重变化，具有利用自然通风方式冷却汽轮机排汽的新颖结构和精巧布置，形成了较大的换热面积，并能够获取到较多的冷却风量，没有老式ACC系统的能耗———风机配电动机的电耗，没有噪音；塔式直接干冷系统也没有间冷的能耗——循环水泵配电动机的电耗，更没有间冷在汽机房内所配备的凝汽器——600MW机组省3600万元。塔式直接干冷系统夏季可获得较低的凝汽器压力，实现汽轮机的低背压运行，促进满发。塔式直接干冷系统集成了间冷和直冷的一些优点，有下述8个优点：
1，自然通风：利用干冷塔的空气热腾浮功能，省掉ACC的轴流风机；预留有“冷却、排烟、脱硫”三塔合一的充分条件。
2，八字布置：风阻减小。荷载转移至地面：凝汽器立柱式布置在地面上，把ACC的高空荷载（主要是管束自重），转移到了地面，也没有间冷换热工质（循环水）的自重，抗震设计变得简单（不包括冷却塔）。在1个大气压下，蒸汽凝结为水时，体积缩小1725倍。假定直接空冷凝汽器的内部容积与间冷散热器的内部容积相等，那么，直接空冷凝汽器内的水、汽合计重量，仅为间冷散热器内水重的万分之五点八。
3，立管自支撑：立管的支撑能力是水平管的数倍（如DN300管为2倍，随着管径的增大，倍数也增大）。充分利用DN2000、DN1000管柱在受压、受扭以及各方向受弯方面的卓越性能。
4，十字隔风：塔内有十字状隔风板，可消除穿堂风。
5，换热面增大：具有提高管束翅化比的条件，可大幅增加散热能力；
6，冷风量大：风阻小而导致风量大。
7，抗冻措施：①可任意设定逆流、顺流管束的比例；②减少抽气，让凝汽器上部充满气体，相当于把大凝汽器变成小凝汽器用；③打开三角斜盖板，热风回暖；④挂挡风板，减少冷却风量。
8，排汽管道上无隔离阀门，汽阻减少。
初步测算，采用塔式直接干冷系统可比ACC系统增加3%的上网电量。
附图说明
图1为经典的直接干式冷却系统ACC的原理图；图中绘制了一个凝汽与冷却单元；600MW的汽轮发电机组，一般有56个单元。
图2为本发明系统的原理图；图中绘制了3个完全相同的凝汽与冷却单元，左右两侧单元的翅片管束板简化为板状绘制；为了突出重点，未画冷却塔环梁处的钢筋混凝土斜挑板。
图3为本发明系统沿图4中A-A线的剖面图，其中α30～60°；为了清楚的表示主要部件，图中没有绘制冷却塔的支柱。
图4为本发明系统沿图3中B-B线的剖视图，为了清楚的表示立柱式凝汽器，有1/4塔区的地下凝结水收集环管没有被绘制，塔内有十字隔风板，可消除穿堂风，隔风板为钢筋混凝土预制板，高度不低于本发明塔式直接空冷凝汽器。
图5a为设有档风板、斜挑板和三角斜盖板的本发明的结构示意图，只绘制了1/4塔区的挡风板；图5b为图5a的局部放大图，示意了挡风板的挂钩型式，每块挡风板有4个挂钩；本发明把间冷的平挑板改为钢筋混凝土斜挑板，以便容纳庞大的蜗壳状蒸汽分配管，图中箭头表示冷风掠过翅片管束板的情形。
图6为用于表达本发明系统蜗壳状蒸汽分配管道及立柱式凝汽器的示意图；α30～60°，取蜗壳管起点处管截面为间冷水管截面的10倍计算,有Dmax3.16d；对600MW机组，采用间冷d＝3m,采用塔式直接干冷，则蜗壳管最大直径为Dmax9.48m。
图7与图4相似，用于表达本发明系统2根半蜗壳状蒸汽分配管道，对600MW机组，Dmax2.236d＝6.7m。
附图部件说明表
模块化部件3、4、8的目的：便于工厂车间制造、便于工地现场施焊内焊缝（管径过小，无法做内缝）。
具体实施方式
请参阅图2至图7所示，本发明一种塔式直接空冷凝汽器，包括蜗壳状蒸汽分配干管2和冷凝单元。冷凝单元包括立管、顺流管束5、逆流管束6和逆流顺流分配斜隔板16。立管包括配汽立管3和集气管4，配汽立管3和集气管4之间安装有逆流顺流分配斜隔板16，配汽立管3和集气管4竖直设置且集气管4位于配汽立管3上方。上述立管上倾斜向下安装有第一排管束和第二排管束，第一排管束和第二排管束构成的八字倾斜状布置。第一排管束包括多个安装于配汽立管3上的顺流管束5和多个安装于集气管4上的逆流管束6；第二排管管束与第一排管束对称布置。顺流管束5和逆流管束6平行且间隔设置，相同排的顺流管束5和逆流管束6倾斜向下的末端均连接至一个凝结水收集立管8。顺流管束5和逆流管束6与水平面之间的夹角为α=30～60°。相邻的冷凝单元共用一个凝结水收集立管8。通过调整逆流顺流分配斜隔板16可以任意整定和分配逆流与顺流凝汽器的比例。第一排管束和第二排管束八字布置：风阻减小，荷载转移至地面：凝汽器立柱式布置在地面上，把ACC的高空荷载（主要是管束自重），转移到了地面，也没有间冷换热工质（循环水）的自重，抗震设计变得简单（不包括冷却塔）；在1个大气压下，蒸汽凝结为水时，体积缩小1725倍。假定本发明凝汽器的内部容积与间冷散热器的内部容积相等，那么，本发明凝汽器内的水、汽合计重量，仅为间冷散热器内水重的万分之五点八。
配汽立管3采用立管自支撑：立管的支撑能力是水平管的数倍（如DN300管为2倍，随着管径的增大，倍数也增大）。充分利用DN2000、DN1000管柱在受压、受扭以及各方向受弯方面的卓越性能。
乏汽通过排汽干管流入蜗壳状蒸汽分配干管2中，再进入配汽立管3中，经过顺流管束5凝结为水，流入收集管8中；经过顺流管束5后尚未凝结的少量蒸汽，上升至收集管8的顶部，经过逆流管束6凝结为水；极少量的未凝结蒸汽和漏入的空气等其它气体，被收集在集气管4中，通过抽真空管路13被抽走。蒸汽凝结为水时，体积骤小千余倍而形成真空。收集管8连接埋地收凝结水集环管17，埋地收凝结水集环管17通过去凝结水箱输送管170将收集的凝结水输送至凝结水箱9。凝结水箱9通过疏水泵12连接蜗壳状蒸汽分配干管2，凝结水箱9还连接有凝结水泵11。抽真空管路13连接蜗壳状蒸汽分配干管2，并通过水环式抽真空泵10连接凝结水箱9。
本发明一种塔式直接干冷系统，包括塔式直接空冷凝汽器；塔式直接空冷凝汽器设置于钢筋混凝土双曲线型冷却塔15下部，多个冷凝单元环形布置，多个冷凝单元的配汽立管3均连接蜗壳状蒸汽分配干管2，多个冷凝单元的集气管4均连接抽真空管路13。钢筋混凝土双曲线型冷却塔15内部设有十字状隔风板，可消除穿堂风。
请参阅图5a和图5b所示，塔式直接空冷凝汽器的上方在冷却塔环梁处设有钢筋混凝土斜挑板20；收集管8两侧各设有两个挂钩，通过挂钩可以将玻璃钢挡风板19挂于两个收集管8之间。相邻冷凝单元的两排管束上盖有三角斜盖板21。
请参阅图4和图7所示，本发明中蜗壳状蒸汽分配干管2可以是如图4中的整体式结构，也可以采用图7中所示的对称的分体结构。蜗壳状蒸汽分配干管2的始端到末端的内径逐渐减小。
电厂机组大小不同，导致塔式直接干冷系统规模不同。有第一电厂、第二电厂两个实施方案。
一、第一电厂一台66OMW汽轮发电机组的可实施方案如下：
二、第二电厂0.3MW机组的实施方案如下：
第二电厂0.3MW机组和其它5台机组公用一座湿冷却塔，将其分离出来，湿冷改塔式直接干冷系统，对塔式直接干冷系统进行工业性验证。湿冷塔和其余机组维持现状，不作任何改动。
通过扩大塔式直接干冷系统的规模，塔式直接干冷系统可以与湿冷汽轮机相匹配，本次不需改造汽轮机。
塔式直接干冷系统在塔内设计有隔风板，对环境空气流场没有特别的要求。根据第二电厂的现状，干冷塔布置在汽机房固定端，距汽机约50米远。
从汽轮机排出的乏汽，通过DN3000的管道引出主厂房，到达冷却塔外的蜗壳形蒸汽总管，分别进入12根DN2000的蒸汽配汽管，向凝汽器管束分配蒸汽。由于项目所在地最低气温为30℃，凝汽器逆流段面积为总面积的20%，凝汽器在冷却塔周圈布置，高度6m，宽度6m。采用3排管，翅片管为钢轧铝结构，钢管规格为D25×1.5mm，翅片规格为D57/D25mm，片厚为0.30mm，翅片间距2.3mm。
塔式直接干冷系统计算与配置一览表
| 序号 | 项目 | 塔外垂直布置 |
| 1 | 夏季满发温度(℃) | 30 |
| 2 | 满发背压[kPa（a）] | 18 |
| 3 | 设计温度(℃) | 20 |
| 4 | 设计背压[kPa（a）] | 10.8 |
| 5 | 空气侧冷却面积（m2） | 36000 |
| 6 | 蒸汽侧冷凝面积（万m2） | 1352 |
| 7 | 迎风面面积（m2） | 360 |
| 8 | 迎风面风速(m/s) | 1.68 |
| 9 | 柱式凝汽器个数（个） | 12 |
| 10 | 干冷塔周圈柱式凝汽器外侧直径（m） | 31 |
| 11 | 三角斜盖板中垂线长度（m） | 6.96 |
| 12 | 冷却塔0米标高处直径（m） | 13 |
| 13 | 冷却塔高度（m） | 78 |
| 14 | 冷却塔进风口高度（m） | 6.5 |
| 15 | 斜挑板宽度（斜长）（m） | 1.15 |
设计数据表（额定工况）
第二电厂0.3MW机组改造为塔式直接干冷系统的优势：
（1）塔式直接干冷系统借用了间冷的塔筒内热空气的自然抽风作用，实现了冷却空气的热力自动循环。不仅省掉了直接空冷系统的高空平台及支撑构架、还省掉了全部轴流风机系统的所有投资，更没有风机电耗、维护费用和噪音，同时也消除了风扇系统带来的所有影响机组经济和安全运行的所有故障。
塔式直接干冷系统借用了汽机直接排汽进入ACC的优点。没有间冷系统汽机房内的凝汽器及传热端差损失和循环水系统的全部设备，无电耗、噪音及占地，节省投资。同时也消除了这些设备带来的影响机组经济和安全运行的所有故障。
塔式直接干冷系统仅经一次间壁换热就将热量传给了空气，传热温差损失小，对数平均温差大，有利于降低汽机的运行背压。采用与间冷同样的空气流量，可以带走更多的热量，使汽机背压降得比间冷更低，从而增加汽机的输出功率。
塔式直接干冷系统彻底解决了ACC特有的热风循环问题。
夏季凝结水的温度比ACC的70℃低15℃，比间冷的65℃还要低10℃；凝结水处理系统的除铁量小，因而降低成本。
第二电厂0.3MW汽轮机湿冷改塔式直接干冷系统干冷后，加大冷却风量50%，翅片管总面积为36000m2（相对ACC面积大幅增加），冷却效果良好。在20℃气温时，塔式直接干冷系统能保证汽机背压达到10.8kPa，使汽机以接近湿冷的工况运行，在进汽量不变的条件下，仅减少发电量18kW。
塔式直接干冷系统电耗仅有真空泵电耗20kW，凝结水泵电耗11kW，在20℃气温条件下，不仅每小时节水18吨，还比现在的湿冷节电72kW，比间冷节电342kW，比直冷节电362kW，第二电厂塔式直接干冷系统总投资约为600万元，10年可以实现还本付息（估算时考虑了其它5台机组冷却系统变强所超发的电量）。
Claims (2)
1.一种塔式直接空冷凝汽器，其特征在于，包括蜗壳状蒸汽分配干管(2)和若干冷凝单元；冷凝单元包括立管、顺流管束(5)、逆流管束(6)和逆流顺流分配斜隔板(16)；立管包括配汽立管(3)和集气管(4)，配汽立管(3)和集气管(4)之间安装有逆流顺流分配斜隔板(16)，配汽立管(3)和集气管(4)竖直设置且集气管(4)位于配汽立管(3)上方；所述立管上倾斜向下安装有第一排管束和第二排管束；第一排管束包括多个安装于配汽立管(3)上的顺流管束(5)和多个安装于集气管(4)上的逆流管束(6)；第二排管管束与第一排管束以配汽立管(3)为中心对称布置；所述配汽立管(3)连接所述蜗壳状蒸汽分配干管(2)；顺流管束(5)和逆流管束(6)平行且间隔设置，相同排的顺流管束(5)和逆流管束(6)倾斜向下的末端均连接至一个凝结水收集立管(8)；
第一排管束和第二排管束构成的八字倾斜状布置；
顺流管束(5)和逆流管束(6)与水平面之间的夹角为α＝30～60°；
所述若干冷凝单元环形布置，相邻的冷凝单元共用一个凝结水收集立管(8)；
凝结水收集立管(8)连接埋地收凝结水集环管(17)，埋地收凝结水集环管(17)通过去凝结水箱输送管(170)连接凝结水箱(9)；
集气管(4)连接有抽真空管路(13)；凝结水箱(9)通过疏水泵(12)连接蜗壳状蒸汽分配干管(2)，凝结水箱(9)还连接有凝结水泵(11)；抽真空管路(13)连接蜗壳状蒸汽分配干管(2)，抽真空管路(13)通过水环式抽真空泵(10)连接凝结水箱(9)；
蜗壳状蒸汽分配干管(2)的始端到末端的内径逐渐减小。
2.一种塔式直接干冷系统，其特征在于，包括权利要求1所述的塔式直接空冷凝汽器；所述塔式直接空冷凝汽器设置于钢筋混凝土双曲线型冷却塔(15)下部，若干冷凝单元环形布置，若干冷凝单元的配汽立管(3)均连接蜗壳状蒸汽分配干管(2)，若干冷凝单元的集气管(4)均连接抽真空管路(13)；钢筋混凝土双曲线型冷却塔(15)内部设有十字状隔风板；所述塔式直接空冷凝汽器的上方在冷却塔环梁处设有钢筋混凝土斜挑板(20)；凝结水收集立管(8)两侧各设有两个挂钩，玻璃钢挡风板(19)通过所述挂钩活动安装于两个凝结水收集立管(8)之间；相邻冷凝单元的两排管束上盖有三角斜盖板(21)。
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