空冷器-修改版.doc

空冷器-修改版 姓名学号联系方式组长200901546组员200901543200901529200901511200901526200901544200901517200901527200901518200901525目录第一章 空冷技术概述3第二章 空冷器的设计和计算6一传热面积的估算7二结构设计10三选风机11四计算管内膜传热系数的校算12五空冷器的实际风量13六空气的出入口温度和平均温差的计算15七各项热阻17八管外传热系数的详细计算19九总传热系数19十传热面积核算19十一管内阻力20十二管外空气阻力21十三风机功率的计算单台22十四环境气温20时的干式运行校算23十五风机噪声的估算25第三章 方案比选与优化计算26一流速的确定26二空冷器的实际风量27三空气的出入口温度和平均温差的计算27四管外传热系数的详细计算29五总传热系数29六传热面积核算29七管内阻力29八环境气温20时的干式运行校算30九方案比选32第四章 喷淋系统的设计33一喷头的选用33二喷淋水质的要求33三喷淋系统34第五章 构架34第六章 百叶窗34一百叶窗的用途34二百叶窗的安装方式35三一般要求35四百叶窗的结构36参考文献37大型表面蒸发空冷器的设计与计算 取代20万kW电厂的冷却塔第一章 空冷技术概述随着电力工业的迅速发展火力发电厂中的大容量高参数汽轮发电机组不断增加这些机组在燃用大量煤炭的同时也耗用大量水资源电力工业的发展速度建设规模规划布局本应与国民经济的发展相适应但由于受到煤和水资源的制约而不能合理安排在富煤地区往往由于缺水而不能就地兴建电厂因此丰富的煤炭资源不能尽早开发与利用这在宏观经济上无疑是极大的损失发电厂汽轮机凝汽设备系统采用的空气冷却系统简称发电厂空冷系统就是为解决在富煤缺水地区或干旱地区建设火力发电厂而逐步发展起来的发电厂空冷技术从提出到现在约有50年的历史并在国际上有了迅速发展目前已出现单机容量686MW的空冷机组在干旱地区空冷机组发展极为迅速并出现了多种类型如直接空冷间接空冷干湿联合冷却机组等发电厂空技术已经成为当前发电厂建设中的一个热门课题国内的空冷技术研究工作始于60年代中期而大容量空冷机组的建设只是近几年的事山西省第二发电厂的两台200MW空冷机组相继于1987年1988年投产两台机组均采用引进的匈牙利海勒式空冷系统于国产汽轮机发电机组配合使用投产以来运行稳定节水效果显著据理论计算机实测结果于同容量湿冷机组相比空冷机组冷却系统本身可节水97以上全长性节水约65因此相同数量的水可建设的空冷机组规模比湿冷机组的规模达三倍这充分显示了空冷技术节水的优越性及其推广使用的广口前景我国水资源相对贫乏有关统计数字表明人均占有水量只及世界人均占有量的14居于贫水国家之列而且全国水资源的时空分布极不平衡随着工农业生产的发展许多城市及地区相继出现生产与生活用水日益紧张的局面水已成为制约国民经济发展的主要因素之一特别是我国的三北华北东北西北地区煤炭资源丰富但水资源十分贫乏特别是华北和西北地区其年平均水产模数尚不足全国平均数的13水资源的贫乏增加了将丰富的煤炭就地转化成为电力的困难采用空冷机组正式解决上述矛盾的有效途径 兴建大容量火力发电厂需要充足的冷却水源而在缺水地区兴建大容量火力发电厂就需要采用新的冷却方式来排除废热 发电厂采用翅片管式的空冷散热器直接或间接用环境空气来冷凝汽轮机排气称为发电厂空冷研究空冷新装置及其使用的一系列技术称作发电厂空冷技术采用空冷技术的冷却系统称为空冷系统采用空冷系统的汽轮发电机组简称空冷机组采用空冷系统的发电厂称为空冷电厂 发电厂空冷技术也是一种节水型火力发电技术国外空冷技术发展概况早在30年代末德国首先在鲁尔矿区的15MW汽轮机组应用了直接空冷系统50年代卢森堡的杜德兰格钢厂自备电站13MW机组和意大利的罗马电厂36MW机组分别投运了直接空冷系统进入60年代后英国拉格莱电厂于1962年在一台120在一台120MW机组上投运了间接空冷系统采用喷射式凝汽器及自然通风型空冷塔这个系统是由匈牙利的海勒教授在1950年世界动力会议上首先提出的亦称为海勒式空冷系统1968年西班牙的乌特里拉斯坑口电厂投运了尖屋顶式布置的机械通风型直接空冷系统至此形成了直接和间接两种空冷系统并存的局面我国空冷技术发展概况 我国电厂空冷技术起步并不太晚1966年在哈尔滨工业大学试验电站50KW机组上首次进行了直接空冷系统的试验1967年在山西侯马电厂的15MW机组上又进行了工业性直接空冷系统的试验进入80年代后庆阳石化总厂自备电站3MW机组投运了直接空冷系统1987年1988年山西大同第二发电厂的两台200MW机组首次引进了匈牙利的海勒式间接空冷系统是我国火电厂空冷技术的发展进入一个新的阶段目前国产200MW机组海勒式间接空冷系统和表面是凝漆汽间接空冷系统的电厂正在建设中这将有助于电厂空冷技术的推广使用表面蒸发型空冷式换热器以下简称蒸发空冷是一种比湿空冷和干空冷加后水冷性能更优越的新型冷却器是国内外近年来着力开发的一种新型冷换设备是空冷技术的发展方向空气冷却时在空气冷却器中实现的冷却介质为空气可用于各种流体的和冷却和冷凝由于空气的比热小约为1005 KJkgK 仅为水的比热四分之一因此若传热量相同冷却介质温升相同则所需的空气量将为水量的四倍再考虑到空气的密度远小于水则相对于水冷却器空冷器体积很大的 另外空气测得换热系数很低约为50-60 W m2K 导致光管空冷器总传热系数也很低较水冷却器的传热系数约低10-30倍为抵制空气侧换热系数较低的影响所以空冷器一般采用扩张表面的翅片管气化比大致为10-24目前在发电厂得到应用的空气冷却系统有直接空冷系统 GEA 采用表面式凝汽器的间接空冷系统采用混合式凝汽器的间接空冷系统 即海勒系统 空冷系统不仅应用于缺水地区就是在水源充沛的地区由于环保的需要或经济比较合理也可采用空冷空冷系统的应用范围在日益扩大可用于垃圾发电站蒸汽轮机的空冷凝汽器燃气蒸汽联合循环的空气冷却系统工矿企业自备电站蒸汽轮机或拖动汽轮机的空冷凝汽器干湿并列联合冷却系统的空冷凝汽器等我国由于缺水较为严重因而空冷系统的应用和发展显得更为迫切空冷系统的应用在我国将大有发展随着工业特别是炼油化工电力工业的发展工业用水量急剧增加出现了水供应不足而且由于环保和节能的要求越来越强烈越来越严格再加上空冷器具有节水效果好操作费用低环境污染小使用寿命长等优点国内外炼油化工厂均已大量采用空冷器来代替水冷器所以发展空冷技术和设备既是节水节能保护环境的要求也是提高装置效益的要求以下将空冷器的优缺点加以介绍空气冷却优点空气冷却缺点1 空气可以免费取得不许任何辅助费用2 厂址选择不受限制3空气腐蚀性低不需采取任何清垢措施4由于空冷器空气侧压力降为100-200Pa所以运行费用低5空冷系统的维护费一般为水冷系统的20-301由于空气比热小且冷却效果取决于干球温度不能将流体冷却到环境温度2空气侧换热系数低比热小所以空冷器需要较大面积3空冷器性能受环境温度雨雪风等影响4空冷器不易靠近大额建筑物以免形成热风再循环空冷器要求采用特殊制造的翅片管根据工艺介质的冷却要求及所建装置的水源电力情况选择间接空冷系统空冷器结构形式为水平鼓风式空冷器根据介质最终温度33摄氏度以及环境温度选择8台湿式空冷器并联的形式空气器主要由管束风机构架百叶窗和梯子等五个部件组成本设计采用间接冷却的空冷器空冷系统汽轮机排气的混合式凝汽器中与从空冷器中的的冷却水相混合凝结成水混合式凝汽器中的凝结水和冷却水的混合物中的一小部分被凝结水泵抽走作为锅炉的给水而大部分约为96经循环水泵打入空冷器被空气冷却后作为冷却水再进入混合式凝汽器循环使用间接空冷系统简图如下 图1-1 间接空冷系统 1凝结水泵 2混合式凝汽器 3汽轮机 4水轮机 5干式冷却塔 6空冷式表面式换热器 7循环水泵第二章 空冷器的设计和计算电厂设计参数西安介质水流率22000m3h进口温度43出口温度33换热光管外径Dw 25mm内径D0 21mm空气入口温度该地区为温带大陆性疾风气候四季分明平均干球温度tg0 301湿球温度ts0 259每月平均温度5的天数147d定性温度38下的物性密度9929kgm3比热容CP 4174KJkgK导热系数 6316W mK 黏度 6829410-6PaS管内污垢ri 0000172Km2W管外污垢r0 0000172 Km2W热负荷一传热面积的估算1湿空冷器空气入口温度此公式的适用范围是高低翅片管束246排管Bs 100-370kg m2h 20式中Np管排数无因次tg1空气经喷雾后进入管束表面的温度tg2湿空冷器空气出口温度tg0设计的空气入口干球温度ts0来流空气湿球温度QH湿空冷器热负荷WBs喷水强度kg m3h Wa迎面空气质量流速kg m3h Cpa空气比热容JkgKs温度系数翅片高度影响系数高翅片管为1低翅片管为091影响传热传质的温度系数无因次式中 光管外表面平均壁温 喷水雾化后管束空气入口干球温度 空气的露点温度得tg1 301-08 301-259 2672湿空冷器空气出口温度由下表查得在管内流体定性温度38下对液体冷却内插温升tg 5则出口温度为tg2 2675 317表21 空气在湿式空冷器中的温升流体平均温度 40506070油品冷却2345油气冷凝3456水冷却571015蒸汽冷凝8811163对数平均温差 864传热系数的估算由下表知工艺用水取K 680Wm2K按表知取传热增强系数Fu 11则湿空冷器总传热系数K0 11680 748 Wm2K5估算传热面积表22 空冷器以光管外表面为基准的传热系数经验值适用场合冷却液体682739冷却套用水54059750乙二醇水114170有阻滞剂的发动机润滑油86114无阻滞剂发动机润滑油426540轻碳氢化合物341398粘度小于1厘泊的轻瓦斯油114142粘度为230厘泊的重瓦斯油45114粘度为2100厘泊的重润滑油蒸馏液57114粘度为21000厘泊的残渣油57114工艺用水597682燃料油114170冷却气体压力为007MPa的烟气57压力为069 MPa的烟气170压力为020028 MPa的空气114压力为034207 MPa 的空气114170压力207413 MPa 的空气170199压力为413689 MPa的空气199277氢反应器气体455511压力为010034 MPa 的烃类气体170227压力为034172 MPa 的烃类气体284341压力为172103 MPa 的烃类气体398511冷凝水蒸汽0014 MPa739745氨568682再生器氨511568轻碳氢化合物455540轻汽油455轻石脑油398455氟利昂-12341465重石脑油341398反应器流出物341455蒸馏塔塔顶产物轻石脑油水蒸汽以及不凝结气体341398二结构设计1湿空冷器结构形式横排立放2选排管数对于管束管排数Np一般为2-10排以4-8排为常用排数少时空气温升低传热温差大有利于减少所需的传热面积但占地面积较大空气利用率低投资大操作费用按比例增加排数多空冷器的布局比较紧凑设备的投资和操作费用比较低但空气温升高传热温差小增大了所需的传热面积此外空气侧阻力大则能耗也随阻力增加所以管排数多的管束如以阻力降太大时可以增宽管心距加大翅片间距或减少迎面风速加以弥补 管排数的选择取决于空冷器的热负荷总传热系数和空气温升的大小对热负荷高总传热系数和空气温升大的冷却冷凝过程要选用较少的管排反之要选用较多的管排空冷器工艺设计时要进行优化比较计算本设计选用6排管根据空冷器系列选取GP123-6-258-16s-234管束20片基管面积为258m2每个管束采用6排管长12m宽3m每片管束的管子根数为282根每片管束的面积为2528720片管束的光管外表面积为5057可满足估算要求3 面积富裕量为4定管程管程数的选择一般原则是允许管内系统阻力降大者可考虑采用多管程反之以选用少管程数为宜一般液体流速应在气体流速在 根据此流速核算所选管程管内阻力降应在允许范围内对于冷凝过程如对数平均温差的校正系数小于08或含有不凝成分时则应考虑采用单管程以上的管程数对于多管程的管束每一行程的管字数应按该行程的介质流速确定特别是气体冷却或者冷凝过程的管束设计成不同管束的行程较为合理为预防冻结而设置的蒸汽盘管应是单程的管子间的最大间距两倍与工艺灌输的管子间距管子从入口起应至少有1的坡度以便排液对于蒸汽冷凝应采用但管程管束其管子最小应具有1的坡度以便排液 管程数的选择取决于管内介质的流速和压降若管程数选择较多可使管内流速及传热系数增加但管内阻力也随之增加反之若管程数较少管内换热系数和压降都随之降低所以要根据传热和阻力的具体要求选择合适的管程数即根据工艺的需求具体分析后确定本设计中取2管程三选风机按20入口风温假定总传热系数估算空气出口温度式中t1t2空气进出口温度T1T2热流介质进出口温度Ft空气温升校正系数Ft 098K以光管外表面为基准的总传热系数Wm2K 316所需风量 88106m3 hF42-4风机20台四计算管内膜传热系数的校算定性温度TD 05 4333 38下的物性密度9929kgm3比热容CP 4174KJkgK导热系数 6316W10-2 mK 黏度 6829410-6Pas管内污垢ri 0000172Km2W管外污垢r0 0000172 Km2W液体流速式中Si管内每管程的流通截面积m2Ni管子数NTP管程数质量流速雷诺数普朗特准数管内膜传热系数五空冷器的实际风量表5-1 湿式空冷器的标准迎面风速的选取管排数23456迎面风速UNms27-2826-2725-2624-2523-24迎风面空气质量流率GFkg m2s 3254-3343133-32543013-31332892-30132772-2892由上表取迎面风速vf 24ms实际迎风面积实际总风量空气质量流量表52 管束构架和风机的初步选择编号参数代号规格一管束和构架规格1名义长度mA122名义宽度mB33实际宽度mBS34有效迎风面积m2AF3312205管排数NP66管束数量207管心距mmS1628基管总根数Nt282209有效管根数ne2792010基管外径mmdo2511基管内径mmdi2112有效基管传热面积m2AE1685812013管内流通总面积m2a009762014管程数Ntp215每程流通面积aS004882016构架规格12317构架数量8二翅片参数18翅片外径mmdf5719翅片平均厚度mm0520翅根直径mmdr2621翅片数 片m Nf394三翅片管计算参数22风面比f202423传热计算几何综合系数Kf2498424阻力计算几何综合系数Kl46419四风机25规格F42-4六空气的出入口温度和平均温差的计算在前面空冷器出口温度计算时初定了tg1 267喷淋强度按下表对于六排管取BS 250kgm2h表6-1 喷水强度与管排数关系管排数246BSkg m2h150200250基管有效传热面积基管表面热流密度根据tg1 267ts0 259查空气焓-湿图附录得露点温度为tp1 256基管外壁平均温度为 353计算传质温度系数计算空气入口干球温度喷淋后管束前 263可见详细计算结果tg1与估算值基本一致取tg1 263计算温湿系数计算空气出口温度 316平均传热温差 884温度效率温度相关因数查得温差修正系数Ft 094则有效传热温差七各项热阻由下表选取管内ri 0000172Km2W管外r0 0000344Km2W管壁热阻即由基管材料导热性能产生的传热热阻根据傅立叶圆柱面积热传导方程以基管外表面为基准的管壁热阻rw用下式计算当d0 di2时可按管壁平均直径下的平均热阻进行计算可按管壁平均直径下的平均热阻经行计算再折算成以管外壁面为基准的管壁热阻其计算误差不超过4当进行总传热系数的计算时这种简化误差更可以略而不计即式中 管壁材料的导热系数W mK dm管壁平均直径dm dodi 2 m计算管壁以基管外表面为基准的热阻 0000047Km2W由于热流温度低忽略翅片间隙热阻八管外传热系数的详细计算以光管外表面为基准的外膜传热系数计算式如下式中h0湿式空冷器管外膜传热系数W m2K 翅片高度影响系数高翅片管 1低翅片管 091GF迎风面空气质量流速kg m2s BS迎风面喷水强度kg m2h 16954 W m2K 九总传热系数总传热系数为各项热阻之和的倒数以光管外表面为基准时总传热系数为式中若热流平均温度低于100时rj 0总传热系数为 772 W m2K 十传热面积核算传热面积实际面积为4916m2富裕量为61十一管内阻力空冷气管内单向流体的压力降等于沿管长的摩擦损失管箱处的转弯损失进出口的阻力损失之和即其中管程流体压力降管程回弯压力降进出口压力降PN进出口各4个直径都为150mm进出口直径相同时进出口直径不同时进出口的质量流速式中Pi管内单向流体的总压力降PaPt沿程摩擦损失PaPr管程回弯力压降PaPN进出口压力降PaL管长mdi管内径mGi管内介质质量流速kg m2s GN1GN2进出口的质量流速kg m2s Ntp管程数结垢补偿系数按下式计算ri管内介质结垢热阻m2KWfi管程流体的摩擦系数可按下式计算当103Re105时 管程总压降十二管外空气阻力空气穿过翅片的静压按下式计算式中翅片高度影响系数高翅片 1低翅片 125GF迎风面空气质量流速kg m2s BS迎风面喷水强度kg m2h NP管排数根据上式有空气穿过风筒的动压头按出口风温321计算在出口温度下每台风机的空气流量为T0 321时的空气密度为a 1205293 273321 1157kgm3风机直径42m动压头式中115为考虑到喷水动压头增大系数全风压十三风机功率的计算单台选用20台B叶片手调角风机F42-4转速270rmin叶片速度593ms在定性温度约为30时空气的密度为1165kgm3体积流量为每台风机的输出功率风量系数压头系数查图知叶片安装角 16o翅片效率为85功率系数 00063则轴功率按下式计算如果按输出功率算上述轴功率是设计风温和风量下的理论计算值风机轴功率计算时必须至少考虑5的漏风量电机效率取1 09皮带传送效率取2 092则电机实耗功率为电机选用功率为N 35KW十四环境气温20时的干式运行校算为了说明校算步骤假定了干式运行时空冷器的热负荷和管内流体条件不变迎面风速24ms风量616106m3h都与原设计相同则空冷器的出口温度为对数传热温差温差校正温度效率温度相关因数按2管程查得修正系数Ft 082翅片管外空气膜传热系数的计算定性温度按附录查得传热计算几何综合系数Kf 24984用简算式进行计算以翅片总面积为基准的传热系数hf是以翅片外总表面积为基准的膜传热系数需要换算为以基管为基准的传热系数h0求翅片效率查图得翅片效率Ef 095计算翅片的有效面积Ae则以基管外表面为基准的翅片膜传热系数为实际选用面积为4916m2富裕量128上述各项传热系数计算时未考虑相关公式的误差所以此富裕量略偏低若将喷水的环境温度降为18重复上面计算结果如下t1 18t2 332tD 256有效平均温差T 15管内传热系数6451W m2K 管外传热系数9756 W m2K 总传热系数682 W m2K 计算面积4916m2面积富裕128根据当地的月份气温资料可计算出喷水期限和喷水量在我国除南方个别的省份的沿海地域外其他地区年平均温度都低于20每年喷水时间不超过半年东北西北大部分地区喷水时间约在3-4个月十五风机噪声的估算单台鼓风机的噪声可按下式计算叶尖附近的声压级为二十台风机叠加后的最大声压级为第三章 方案比选与优化计算一流速的确定选定管内流体流速 2 0ms计算管内膜传热系数的校算液体流速质量流速雷诺数普朗特准数管内膜传热系数二空冷器的实际风量取迎面风速vf 24ms实际迎风面积实际总风量空气质量流量三空气的出入口温度和平均温差的计算在前面空冷器出口温度计算时初定了tg1 267喷淋强度按下表对于六排管取BS 250kgm2h基管有效传热面积基管表面热流密度根据tg1 267ts0 259查空气焓-湿图附录得露点温度为tp1 256基管外壁平均温度为 355计算传质温度系数计算空气入口干球温度喷淋后管束前 263可见详细计算结果tg1与估算值基本一致取tg1 263计算温湿系数 027计算空气出口温度 316平均传热温差 884温度效率温度相关因数查得温差修正系数Ft 096则有效传热温差四管外传热系数的详细计算 1656 W m2K 五总传热系数总传热系数为各项热阻之和的倒数以光管外表面为基准时总传热系数为 738 W m2K 六传热面积核算实际面积为4916m2富裕量为5七管内阻力空冷气管内单向流体的压力降等于沿管长的摩擦损失管箱处的转弯损失进出口的阻力损失之和即其中管程流体压力降管程会玩压力降进出口压力降PN进出口各4个直径都为150mm进出口直径相同时进出口直径不同时进出口的质量流速管程总压降八环境气温20时的干式运行校算为了说明校算步骤假定了干式运行时空冷器的热负荷和管内流体条件不变迎面风速24ms风量616106m3h都与原设计相同则空冷器的出口温度为对数传热温差温差校正温度效率P t2-t1 T1-t1 352-20 43-20 066温度相关因数R T1-T2 t2-t1 43-33 352-20 066按2管程查得修正系数Ft 085T 102085 867翅片管外空气膜传热系数的计算定性温度tD t1t2 2 20352 2 276按附录查得传热计算几何综合系数Kf 24984用简算式进行计算以翅片总面积为基准的传热系数hf是以翅片外总表面积为基准的膜传热系数需要换算为以基管为基准的传热系数h0求翅片效率rfrr 5726 219查图得翅片效率Ef 095计算翅片的有效面积Ae则以基管外表面为基准的翅片膜传热系数为实际选用面积为4916m2富裕量62上述各项传热系数计算时未考虑相关公式的误差所以此富裕量略偏低若将喷水的环境温度降为18重复上面计算结果如下有效平均温差T 15管内传热系数7686W m2K 管外传热系数9755 W m2K 总传热系数6984 W m2K 计算面积4916m2面积富裕62九方案比选如下表 方案内容方案一方案二湿式计算20干式运行校算湿式计算20干式运行校算液体流速 1561562020管外传热系数 Wm2K16954975616569755管内传热系数 Wm2K6451645176867686总传热系数K Wm2K7726827386984综合上表本设计采用方案一第四章 喷淋系统的设计一喷头的选用湿空冷器对喷头有专门的要求1雾化性能良好平均雾化粒径在010-020mm左右2喷射角大喷淋面应为实心耗水量低喷淋密度在150-300kg m2h 3不易堵塞对水的适应性强4压力降一般不大于03MPa5结构简单安装方便本设计中选用型喷头这种喷头带有一个独特的内旋流器可使喷淋面上的液层均匀布满因此称作实心喷嘴型喷头主要用于填料塔分布器国内已系列化用于湿式空冷器的型号有和两种用于管束宽度此喷头内旋流器液体流道截面较大自由流道最小尺寸因一般尺寸小于的颗粒不会被堵塞喷射角oo覆盖面积较大压降低一般在范围内每个喷头的流量kgh若管束采用两排管喷水流量偏大因此选用二喷淋水质的要求喷淋水质要求主要是喷淋水的硬度当喷淋水的硬度在50ppm以下时翅片表面不产生硬垢即使盐类沉淀也可用水冲掉下表所列指标可作为湿式空冷器水质要求的参考指标表421 喷淋水水质要求硬度温度浊度全铁 50ppm6-75 50透明 150ppm50-100ppm 05ppm三喷淋系统 为了节约用水对大量处理的湿空冷应考虑喷淋水的循环使用或作为全厂循环水的补充水喷淋系统出喷嘴外还包括回水灌过滤器供水泵及回水上水系统管道阀门等第五章 构架构架是用来之承和联系空冷器的管束风机百叶窗等主要部件的钢结构件同时还起到导流空气的流动方向的作用并为空冷器的操作和维修提供方便尽管大部分空冷器位于钢框架的顶部但由于空冷器构架高度一般较小载荷集中规格和尺寸繁多特别与风机和管束的安装和配合精度要求较高所以空冷器的构架都不与基础框架进行整体设计而是把空冷器总体作为独立的机电设备立于钢框架基础平台上为了方便与用户的选型空气冷却器作为一种独立的机电设备需要标准化和系列化空冷器可能立于地面上也可能立于混凝土基础上或不同标高的钢框架上对于标准化和系列设计设备与基础构件之间不可能有预约所以空冷