專利名稱：逆向繞流式氫氣熱交換器的制作方法
技術領域：
本實用新型是逆向繞流式氫氣熱交換器，屬發電機組的熱交換技術設備。
背景技術：
作為氫冷發電機組的機械壓縮制冷式氫氣去濕干燥設備，達到國標、行業規范的關鍵在于機械壓縮制冷式氫氣去濕裝置所采用的氫氣冷卻去濕器與氫氣熱交換器。現有的氫冷去濕裝置大都未有氫氣熱交換器這一氫氣預冷部件，即使有，其效率也因太低，達不到預冷效果，也達不到所要求的氫氣經冷卻去濕后的出口溫度控制在10℃～15℃之間這一指標，從而影響整套裝置的氫氣去濕能力。已有氫氣熱交換器采用的是同軸光滑管結構，換熱效能低，幾乎達不到進出口氫氣預冷/預熱的效果。目前，我國大多數汽輪發電機組均采用水氫氫冷卻方式或全氫冷卻方式。氫冷發電機應在純度為96％以上的冷干氫氣中運行，氫氣濕度過高或超標將嚴重影響發電機定子、轉子繞組的對地絕緣性，會加速保護環的應力腐蝕，增加發電機的通風損耗，從而會降低發電機運行效率、加速絕緣材料的腐蝕速度、縮短發電機使用壽命，對發電機安全運行造成極大的危害，影響到發電廠的運行安全。近年來，國內200MW、300MW氫冷發電機組由于氫氣濕度超標引起的端部繞組短路擊穿事故已達幾十起，引起轉子護環腐蝕斷裂事故也有20多起，給國家造成了極大的經濟損失，已經嚴重影響到汽輪發電機組的運行安全。促使國家和各發電廠更加重視更高標準的發電機內氫氣濕度行業標準(機內額定氫壓下，絕對濕度d＝1～2g/m3，露點Td＝-25～-5℃)以提高發電機組的效率和運行的安全性。目前我國電力行業中所采用的機械壓縮制冷式氫氣去濕裝置的去濕性能遠達不到上述要求，其主要原因是裝置中使用的氫氣熱交換器(氫氣預冷器)和氫氣冷卻器這兩個關鍵部件未能采用適用于電力、制冷行業中的強化傳熱技術研制。其氫氣熱交換器僅采用同軸光滑管結構，該種結構不能使進、出口氫氣有效地進行熱交換，從而達不到進口氫氣預冷、出口氫氣預熱的效果。這一狀況導致進入氫氣冷卻器的氫氣溫度高，增加了氫氣冷卻器的熱負荷，減小了氫氣冷卻器的去濕能力；另一方面也使得出口氫氣太冷，遠低于室溫，從而使其外壁、及與之出口相連的管路出現結露，引起管路腐蝕、生銹。
發明內容本實用新型的目的就是為了克服和解決現有氫氣熱交換器因采用同軸光滑管結構、從而不能有效地進行熱交換、效率太低，達不到預冷預熱效果，導致進入氫氣冷卻器的氫氣溫度高、增加了氫氣冷卻器的熱負荷、減小了氫氣冷卻器的去濕能力，并使管路出現結露，引起管路腐蝕、生銹等的缺點和問題。為達到國標、規范規定和電力行業的特殊要求，采用合適的強化傳熱技術，研制設計本實用新型——逆向繞流式氫氣熱交換器，它能使從氫氣冷卻器來的-15℃～-10℃的氫氣被入口35℃～45℃的熱氫氣加熱到10℃～15℃，也能達到入口氫氣被預冷20℃以上的效果，并且熱氫氣于外筒流動，冷氫氣于內筒流動，這不僅減小了氫氣冷卻器的熱負荷，也避免了其外壁、及與之出口相連的管路出現結露，引起管路腐蝕、生銹等缺點和問題，具有較好的傳熱、節能效果。
本實用新型是通過下述技術方案來實現的逆向繞流式氫氣熱交換器的結構示意圖如圖1所示，它由出口標準法蘭1、冷氫氣出口管2、出口環形塊3、外筒4、內筒左端蓋5、外筒左端蓋6、環向繞帶7、熱氫氣出口管8、內筒9、冷氫氣入口管10、外筒右端蓋11、內筒右端蓋12、入口環形塊13、入口標準法蘭14、熱氫氣入口管15共同連接安裝構成，其相互位置及連接關系為出口標準法蘭1通過冷氫氣出口管2與內筒9焊接連接，冷氫氣出口管2通過出口環形塊3與外筒4焊接連接，外筒4通過焊接分別與熱氫氣出口管8及熱氫氣入口管15相連接接通，內筒左端蓋5、內筒右端蓋12、環向繞帶7通過焊接分別與內筒9相連接，環向繞帶7通過焊接與外筒4端口連接，冷氫氣出口管2、冷氫氣入口管10通過焊接與內筒9相連接通，外筒左端蓋6、外筒右端蓋11通過焊接與外筒4相連接通，冷氫氣入口管10通過入口環形塊13與外筒4焊接連接，入口標準法蘭14通過熱氫氣入口管15與外筒4焊接連接通。
本實用新型的研究設計機理及其作用原理如下本實用新型是根據氫氣的物理特性、進出口氫氣的運行工況等，采用在同等體積下，通過增大傳熱面積、延長接觸時間、破壞層流邊界層等強化傳熱方法來強化進出口氫氣的熱交換。目前，電力工業中的氫冷發電機組所采用的機械壓縮制冷式氫氣去濕設備無法達到國標、行業規范的規定。為提高發電機組的效率和運行的安全性，國家對于大容量發電機組內氫氣濕度有更高行業標準趨勢(提高到1～2g/m3，或露點在-25℃～-5℃之間)，以往使用的機械壓縮制冷式氫氣干燥裝置已無法適應這一更高的要求，且存在氫氣熱交換器外壁、及與之出口相連管路結露，引起管路、器壁腐蝕生銹等問題；經分析表明現有問題的出現，關鍵之一在于其所用的氫氣熱交換部件，不能有效地實現進、出口氫氣的換熱，達不到較好的進口氫氣預冷、出口氫氣預熱的效果，以至于經氫氣冷卻器去濕后的氫氣濕度達不到要求，而出口管中氫氣的溫度又遠低于環境溫度，從而使與出口相連的管路出現結露，引起管路腐蝕、生銹等問題。要有效地解決這一問題，就需采用強化傳熱方法，應用適用于電廠、制冷行業的強化傳熱技術設計這一部件。具體來說，對于這一部件，應根據氫氣的物理特性、進出口氫氣的運行工況等，采用在同等體積下，通過增大傳熱面積、延長接觸時間、破壞層流邊界層等強化傳熱方法來強化進出口氫氣的熱交換；為了克服和解決現有技術設備存在的缺點和不足，本實用新型采用適用于電力、制冷行業中的強化傳熱技術研制出全焊接結構的高效能氫氣熱交換器——逆向繞流式氫氣熱交換器。焊接前器壁表面采用熱鍍鋅技術進行防腐，避免了現場使用中出現腐蝕嚴重這一情況。應用中，進口氫氣(熱氫氣)繞外環流動，出口氫氣(冷氫氣)繞內環流動，避免了外壁表面過冷結露現象。本實用新型——逆向繞流式氫氣熱交換器與現有技術相比，在同軸管壁間，增加了環向繞帶，并通過設置進、出口接口的位置，使得進、出口氫氣能逆向流動。這一結構能使其在同等體積下，通過增大傳熱面積、延長接觸時間、破壞層流邊界層等方法強化進、出口氫氣的換熱，達到預期效果。逆向繞流式氫氣熱交換器是采用適應于電廠、制冷行業的強化技術為《環保型電站制冷式氫氣去濕裝置》進行配套專項開發的冷、熱氫氣熱交換器，是該裝置中的核心輔助部件，也可用于其它的機械壓縮制冷式氫氣去濕裝置中。現有的機械壓縮制冷式氫氣去濕裝置中只有與其功能或外觀相類似的部件，沒有明顯的熱交換作用，從而不能使經冷卻去濕后氫氣的出口溫度控制在10℃～15℃之間。
本實用新型與現有技術設備相比，具有如下的優點和有益效果(1)本實用新型具有在同等體積下，有更大的與氫氣接觸傳熱表面，且進出口熱、冷氫氣能逆向流動；同軸管壁間的環向繞帶延長了氫氣與壁面的接觸時間、更重要的是破壞了氫氣流動的層流邊界層，大大的減小了器壁與氫氣的接觸熱阻，使得總傳熱系數得到較大的提高；現有的氫氣熱交換器采用的是同軸光滑管結構，進出口熱、冷氫氣為同向流動，且處于層流狀態。氫氣與器壁的接觸熱阻，總傳熱系數僅為本實用新型——逆向繞流式氫氣熱交換器的45％；(2)本實用新型經試驗性運行結果表明其去濕性能遠遠超過目前我國發電站所采用的機械壓縮制冷式氫氣去濕設備，發電機組內的氫氣濕度，額定氫壓下，絕對濕度長期穩定在1～2g/m3范圍內，氫氣露點溫度可嚴格控制在-12℃～-7℃之間，從而達到了發電廠對氫氣濕度的最高要求指標；《環保型電站制冷式氫氣去濕裝置》的氫氣熱交換器外壁壁溫最低處在15℃以上、無結露現象，與之出口連接管道(進入機組的冷氫氣管道)經隔熱處理后，也無結露現象，避免了因結露引起的器壁、管路腐蝕、生銹等問題。
圖1是逆向繞流式氫氣熱交換器的結構示意圖。圖中1是出口標準法蘭、2是冷氫氣出口管、3是出口環形塊、4是外筒、5是內筒左端蓋、6是外筒左端蓋、7是環向繞帶、8是熱氫氣出口管、9是內筒、10是冷氫氣入口管、11是外筒右端蓋、12是內筒右端蓋、13是入口環形塊、14是入口標準法蘭、15是熱氫氣入口管。
具體實施方式
發明人認為實現本實用新型的優選方式可為如下(1)按圖1所示設計、加工制造或選購各部件，例如出口標準法蘭1、入口標準法蘭14均可選購內徑φ60、周向均布4孔的A3鋼法蘭標準件；冷氫氣出口管2、熱氫氣出口管8、冷氫氣入口管10、熱氫氣入口管15均選用無縫鋼管采用機加工切割而成；出口環形塊3、入口環形塊13均可選用鋼外筒鋼管采用氣割切割而成，其內徑可為φ61、外徑可為φ80；外筒4、內筒9可選用無縫鋼管采用機加工切割并經拋丸處理而成，其中外筒4可為φ299×10，內筒可為φ210×10；內筒左端蓋5、右端蓋12、外筒左端蓋6、右端蓋11均可選用鋼板采用氣割切割后，再機加工外圓并單邊倒角而成，其中外筒左、右端蓋的直徑可為φ279、厚可為10mm，內筒左、右端蓋的直徑可為φ190、厚可為10；環向繞帶7選用寬40、厚4鋼板繞內筒繞制，間隔可為70mm，繞制方法可用繞帶機繞制或分段將多個扇形塊通過焊接連接。扇形塊內徑可為211，外徑可為278，扇形角可為60°，加熱扇形塊可使其按25°的螺旋角繞內筒外壁焊接；(2)加工、制造或選購好各部件后，可按圖1所示，再按上面說明書所述的各部件相互位置及安裝連接關系進行安裝連接，便能較好地實施本實用新型。實施過程中應注意以下各事項由于逆向繞流式氫氣熱交換器采用的是全焊接結構，各部件被熱鍍鋅處理后，采用上述方法與次序完成整體焊接，完成整體結構連接后，再次進行熱鍍鋅處理。在安裝到《環保型電站制冷式氫氣去濕裝置》后，先刷一層防銹底漆，兩端刮粒子抹平，再刷一層面漆。整體焊接結構制造具體過程如下(1)機加工內外圓筒9、4端面，倒45°內角，內圓筒9開2個孔，孔徑均為φ61mm，在外圓筒4上切2個環形塊3、13，并開2個孔，孔徑均為61mm，孔的軸線應相互垂直，孔徑均為61mm，然后對其進行拋丸處理；(2)機加工內外圓筒的端蓋5、6、11、12，倒45°內角；(3)利用繞板機，將4mm厚的鋼帶沿內筒繞成螺旋狀，螺旋角為25°，螺旋鋼帶與內筒9相連接時，應避開內筒上的2個孔；(4)采用普通火焊方法將內筒左、右端蓋5、12與內筒9連接。再將內筒9放入外圓筒4內，對好孔的位置，采用普通火焊方法將冷氫氣進、出口管10、2與內筒9連接通；(5)采用普通火焊方法，在外筒左右端處，將環向繞帶7與外筒4連接；(6)將出口環形塊3套入冷氫氣出口管2，通過出口環形塊3，采用普通火焊方法，將冷氫氣出口管2與外筒4連接；(7)將入口環形塊13套入冷氫氣入口管10，通過入口環形塊13，采用普通火焊方法，將冷氫氣入口管10與外筒4連接；(8)采用普通火焊方法將熱氫氣出口管8連接到外筒4上；(9)采用普通火焊方法將熱氫氣入口管15連接到外筒4上；(10)采用普通火焊方法將外筒左、右端蓋6、11與外筒4連接；(11)采用普通火焊方法，將出口標準法蘭1與冷氫氣出口管2相連接；(12)采用普通火焊方法，將入口標準法蘭14與熱氫氣入口管15相連接；制作完成后，進行氣密性試驗，試驗壓力為1.2MPa，以確保逆向繞流式氫氣熱交換器具有1.0MPa的承壓能力，且無泄露。
權利要求1.一種逆向繞流式氫氣熱交換器，其特征在于它由出口標準法蘭(1)、冷氫氣出口管(2)、出口環形塊(3)、外筒(4)、內筒左端蓋(5)、外筒左端蓋(6)、環向繞帶(7)、熱氫氣出口管(8)、內筒(9)、冷氫氣入口管(10)、外筒右端蓋(11)、內筒右端蓋(12)、入口環形塊(13)、入口標準法蘭(14)、熱氫氣入口管(15)共同連接安裝構成，其相互位置及連接關系為出口標準法蘭(1)通過冷氫氣出口管(2)與內筒(9)焊接連接，冷氫氣出口管(2)通過出口環形塊(3)與外筒(4)焊接連接，外筒(4)通過焊接分別與熱氫氣出口管(8)及熱氫氣入口管(15)相連接接通，內筒左端蓋(5)、內筒右端蓋(12)、環向繞帶(7)通過焊接分別與內筒(9)相連接，環向繞帶(7)通過焊接與外筒(4)端口連接，冷氫氣出口管(2)、冷氫氣入口管(10)通過焊接與內筒(9)相連接通，外筒左端蓋(6)、外筒右端蓋(11)通過焊接與外筒(4)相連接通，冷氫氣入口管(10)通過入口環形塊(13)與外筒(4)焊接連接，入口標準法蘭(14)通過熱氫氣入口管(15)與外筒(4)焊接連接通。
專利摘要本實用新型是逆向繞流式氫氣熱交換器,屬發電機熱交換技術設備,它由出口、入口標準法蘭、冷、熱氫氣入口管、冷、熱氫氣出口管,出、入口環形塊,內、外筒,內筒左、右端蓋,外筒左、右端蓋,環向繞帶等共同通過焊接安裝連接構成。本實用新型中氫氣與器壁的接觸熱阻小、總傳熱系數高、能很好地實現進、出口熱、冷氫氣的熱交換,有效地降低氫氣冷卻去濕干燥器的熱負荷,使氫氣冷卻去濕干燥器的去濕干燥性能完全能達到國標、發電行業的規定和要求,外壁無結露現象,克服和解決了現有技術設備管路易腐蝕、生銹等缺點和問題,達到了本實用新型研究設計的目的。
文檔編號H02K9/00GK2507178SQ0125767
公開日2002年8月21日 申請日期2001年10月29日 優先權日2001年10月29日
發明者龍新峰 申請人:華南理工大學