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汽轮机热管式冷油器的研制与应用

晨怡热管 2008/3/6 1:09:50

在火力发电厂中,由于汽轮机转速高达3000r/min,所以其轴瓦的冷却很重要。要保证汽轮机轴瓦在规定的温度下连续安全运行,必须对冷却轴瓦的透平油进行冷却。常规的冷却方式是通过列管式冷油器实现的。

    1.列管式冷油器的结构及存在的问题

    (1)结构

    列管式冷油器主要由外壳、水室和芯子组成。由很多铜管和多层隔板组成的芯子装在圆形壳体内,铜管的两端均胀结在管板上。水从水室进入管内,油进入壳体在管束外流动。管外流动的透平油和管内流动的循环水通过铜管壁进行换热,从而达到用水冷却透平油的目的。

    (2)存在的问题

    由于结构上的原因加之存在腐蚀问题,这类冷油器在运行中容易发生透平油漏入冷却水中污染冷却水的问题。冷却水受到油污染的后果是十分严重的,也是环境保护法所不允许的,受到的经济处罚很严厉。冷油器一般使用未经处理的河

水直接通入铜管内,运行温度经常在40—50℃。因此铜管内表面不可避免地结垢,影响传热;并且冷却水中的泥沙和微生物容易造成铜管堵塞,需要定期人工捅刷清洗,维护工作量很大。一旦结垢或堵塞,将达不到透平油的冷却效果,严重时会限制机组的发电出力,造成较大的经济损失。

    2.热管式冷油器的工作原理和结构

    热管技术是一门新技术,主要用于提高传热效率,在电站锅炉的空气预热器中已广泛使用。为进一步拓宽热管技术的应用领域和解决火力发电厂汽轮机透平油冷却器存在的问题,研究开发了用于冷却汽轮机透平油的热管式冷油器,并成功地应用于实际生产中。

    (1)原理

    温度较高的透平油从油入口进入油室流经热管的加热段,由于热管具有极高的传热性能,它将吸收的热量传到热管的冷却段,然后被冷却水带走。

    由于热管内的工质液体是靠重力作用回流工作的,因此,冷却水室必然在上部。这一点与常规的列管式冷油器不同。这样,原来管内与外表面的换热就变成了在热管的两部分外表面的换热,为油、水彻底分开创造了条件。换热表面的污垢热阻对传热影响很大,而热管外表面的清洁工作要远比内表面容易,这也将减少冷油器设备的日常维护工作量。

    为了强化换热,在油室和水室内的热管束设计了折流板,以使油和水流经热管表面时具有一定的流速,提高换热效率。

    每根热管作为一个独立的传热元件在油、水间传递热量,并且都分别焊接在油侧和水侧两个花板上,从而实现油、水分开的目的。

    (2)结构

    热管式冷油器的结构使油室和水室完全分开,它们之间通过高性能的热管传热。每根热管传热都是独立的,油和水均走管外,这样,一方面使维护清洗变得容易,另一方面彻底避免了由于管子泄漏而出现的油水相混的问题,大大延长了设备的使用周期,避免了油对水环境的污染。其结构为:将数百根热管焊接在位于热管的中间部分并相距100mm的两个圆形多孔板上,一个多孔板外侧为热管的蒸发段(透平油段,也称加热段),另一个多孔板的外侧为热管的冷凝段(冷却水段,也称冷却段)。两段分别装在两个独立的圆形壳体内,壳体的法兰盘分别用螺栓组装在多孔板上。

    其工作过程为:冷却汽轮机轴瓦后的透平油进入蒸发段,热的透平油使几百根热管内的工质发生相变传热至另一端的冷凝段,冷凝段通入的冷却水把由蒸发段传至冷凝段的热量带走,从而达到冷却透平油的目的。热管式冷油器的透平油和冷却水分别在两个不相通的壳体内,结距离达100mm,这就彻底解决了透平油渗漏入冷却水、污染水环境的问题,即使热管的蒸发段或冷凝段与多孔板的焊口有渗漏,也只能漏到两个多孔板中间空腔内,并且能够排出。

    热管冷油器采用了以下结构设计。

     ①采用双隔板密封结构,以保证在任何情况下油侧和水侧相互隔离,彻底解决了油水污染的问题。热管在两侧均为自由端,隔板与油水侧外筒的密封比较简单。

    ②为了减少油侧折流板与筒内壁的间隙,以尽可能避免出现油流动短路现象,间隙中间应适当予以填充。

    ③为了使水侧流动均匀横向冲刷管束,进水口和出水口均设有导流管。

    ④管束采用三角形错列排列,管长为油侧1.8m、水侧1.2m,加上双隔板间的长度,热管总长约3.18m。

    ⑤每根热管的质量约为2.22kg,冷油器中的热管质量约为1500kg,冷油器的总质量控制在2700kg左右。这和原列管式冷油器的质量相当。

    3.热管式冷油器的应用

    热管式冷油器于2003年9月在天津某电厂100MW机组上与原有的列管式冷油器同时运行,经天津市电力监督检测中心检测,检测数据见表1。

    表1  热管式冷油器与列管式冷油器运行数据比较


    从表1可以看出,热管式冷油器的冷却效果比列管式好很多。列管式冷油器透平油的流量比热管式少近10m3/h;同样的入口油温,前者出口油温比后者要高2.6℃;冷却水流量前者比后者大26m3/h。以1台机组2台冷油器年运行6000h计算,节约冷却水量31.2万t。在节水的同时,也节约厂用电。该电厂共4台机组12台冷油器,若均改为热管式冷油器,则全年节约用水量187.2万t,创造了很好的经济效益和环境效益。

    4.小结

    ①实际应用检测数据表明热管式冷油器的热力设计和结构设计达到了设计要求,目前的加工工艺流程可以满足。

    ②热管式冷油器彻底解决了油、水分离问题,使油冷却对水质的要求大大降低,具有优异的经济效益和环境效益,且安装方便,易于推广。

    ③水侧结构便于清洁工作,可以使冷油器的冷却性能始终处于良好状态,大大减小了维护工作量。

    ④热管式冷油器的投资比列管式冷油器稍高,但随着工艺的改进和系列化批量生产的形成,可以使热管式冷油器具有合理的性价比。

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