專利名稱：逆向繞流式氫氣熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是逆向繞流式氫氣熱交換器，屬發(fā)電機(jī)組的熱交換技術(shù)設(shè)備。
背景技術(shù)：
作為氫冷發(fā)電機(jī)組的機(jī)械壓縮制冷式氫氣去濕干燥設(shè)備，達(dá)到國(guó)標(biāo)、行業(yè)規(guī)范的關(guān)鍵在于機(jī)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?，F(xiàn)有的氫冷去濕裝置大都未有氫氣熱交換器這一氫氣預(yù)冷部件，即使有，其效率也因太低，達(dá)不到預(yù)冷效果，也達(dá)不到所要求的氫氣經(jīng)冷卻去濕后的出口溫度控制在10℃～15℃之間這一指標(biāo)，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(jié)構(gòu)，換熱效能低，幾乎達(dá)不到進(jìn)出口氫氣預(yù)冷/預(yù)熱的效果。目前，我國(guó)大多數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組均采用水氫氫冷卻方式或全氫冷卻方式。氫冷發(fā)電機(jī)應(yīng)在純度為96％以上的冷干氫氣中運(yùn)行，氫氣濕度過高或超標(biāo)將嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組的對(duì)地絕緣性，會(huì)加速保護(hù)環(huán)的應(yīng)力腐蝕，增加發(fā)電機(jī)的通風(fēng)損耗，從而會(huì)降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率、加速絕緣材料的腐蝕速度、縮短發(fā)電機(jī)使用壽命，對(duì)發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行造成極大的危害，影響到發(fā)電廠的運(yùn)行安全。近年來，國(guó)內(nèi)200MW、300MW氫冷發(fā)電機(jī)組由于氫氣濕度超標(biāo)引起的端部繞組短路擊穿事故已達(dá)幾十起，引起轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)腐蝕斷裂事故也有20多起，給國(guó)家造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，已經(jīng)嚴(yán)重影響到汽輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全。促使國(guó)家和各發(fā)電廠更加重視更高標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(機(jī)內(nèi)額定氫壓下，絕對(duì)濕度d＝1～2g/m3，露點(diǎn)Td＝-25～-5℃)以提高發(fā)電機(jī)組的效率和運(yùn)行的安全性。目前我國(guó)電力行業(yè)中所采用的機(jī)械壓縮制冷式氫氣去濕裝置的去濕性能遠(yuǎn)達(dá)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(yù)冷器)和氫氣冷卻器這兩個(gè)關(guān)鍵部件未能采用適用于電力、制冷行業(yè)中的強(qiáng)化傳熱技術(shù)研制。其氫氣熱交換器僅采用同軸光滑管結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)不能使進(jìn)、出口氫氣有效地進(jìn)行熱交換，從而達(dá)不到進(jìn)口氫氣預(yù)冷、出口氫氣預(yù)熱的效果。這一狀況導(dǎo)致進(jìn)入氫氣冷卻器的氫氣溫度高，增加了氫氣冷卻器的熱負(fù)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(yuǎn)低于室溫，從而使其外壁、及與之出口相連的管路出現(xiàn)結(jié)露，引起管路腐蝕、生銹。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是為了克服和解決現(xiàn)有氫氣熱交換器因采用同軸光滑管結(jié)構(gòu)、從而不能有效地進(jìn)行熱交換、效率太低，達(dá)不到預(yù)冷預(yù)熱效果，導(dǎo)致進(jìn)入氫氣冷卻器的氫氣溫度高、增加了氫氣冷卻器的熱負(fù)荷、減小了氫氣冷卻器的去濕能力，并使管路出現(xiàn)結(jié)露，引起管路腐蝕、生銹等的缺點(diǎn)和問題。為達(dá)到國(guó)標(biāo)、規(guī)范規(guī)定和電力行業(yè)的特殊要求，采用合適的強(qiáng)化傳熱技術(shù)，研制設(shè)計(jì)本實(shí)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(dá)到入口氫氣被預(yù)冷20℃以上的效果，并且熱氫氣于外筒流動(dòng)，冷氫氣于內(nèi)筒流動(dòng)，這不僅減小了氫氣冷卻器的熱負(fù)荷，也避免了其外壁、及與之出口相連的管路出現(xiàn)結(jié)露，引起管路腐蝕、生銹等缺點(diǎn)和問題，具有較好的傳熱、節(jié)能效果。
本實(shí)用新型是通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的逆向繞流式氫氣熱交換器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它由出口標(biāo)準(zhǔn)法蘭1、冷氫氣出口管2、出口環(huán)形塊3、外筒4、內(nèi)筒左端蓋5、外筒左端蓋6、環(huán)向繞帶7、熱氫氣出口管8、內(nèi)筒9、冷氫氣入口管10、外筒右端蓋11、內(nèi)筒右端蓋12、入口環(huán)形塊13、入口標(biāo)準(zhǔn)法蘭14、熱氫氣入口管15共同連接安裝構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為出口標(biāo)準(zhǔn)法蘭1通過冷氫氣出口管2與內(nèi)筒9焊接連接，冷氫氣出口管2通過出口環(huán)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(nèi)筒左端蓋5、內(nèi)筒右端蓋12、環(huán)向繞帶7通過焊接分別與內(nèi)筒9相連接，環(huán)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(nèi)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(huán)形塊13與外筒4焊接連接，入口標(biāo)準(zhǔn)法蘭14通過熱氫氣入口管15與外筒4焊接連接通。
本實(shí)用新型的研究設(shè)計(jì)機(jī)理及其作用原理如下本實(shí)用新型是根據(jù)氫氣的物理特性、進(jìn)出口氫氣的運(yùn)行工況等，采用在同等體積下，通過增大傳熱面積、延長(zhǎng)接觸時(shí)間、破壞層流邊界層等強(qiáng)化傳熱方法來強(qiáng)化進(jìn)出口氫氣的熱交換。目前，電力工業(yè)中的氫冷發(fā)電機(jī)組所采用的機(jī)械壓縮制冷式氫氣去濕設(shè)備無法達(dá)到國(guó)標(biāo)、行業(yè)規(guī)范的規(guī)定。為提高發(fā)電機(jī)組的效率和運(yùn)行的安全性，國(guó)家對(duì)于大容量發(fā)電機(jī)組內(nèi)氫氣濕度有更高行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)趨勢(shì)(提高到1～2g/m3，或露點(diǎn)在-25℃～-5℃之間)，以往使用的機(jī)械壓縮制冷式氫氣干燥裝置已無法適應(yīng)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(jié)露，引起管路、器壁腐蝕生銹等問題；經(jīng)分析表明現(xiàn)有問題的出現(xiàn)，關(guān)鍵之一在于其所用的氫氣熱交換部件，不能有效地實(shí)現(xiàn)進(jìn)、出口氫氣的換熱，達(dá)不到較好的進(jìn)口氫氣預(yù)冷、出口氫氣預(yù)熱的效果，以至于經(jīng)氫氣冷卻器去濕后的氫氣濕度達(dá)不到要求，而出口管中氫氣的溫度又遠(yuǎn)低于環(huán)境溫度，從而使與出口相連的管路出現(xiàn)結(jié)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(qiáng)化傳熱方法，應(yīng)用適用于電廠、制冷行業(yè)的強(qiáng)化傳熱技術(shù)設(shè)計(jì)這一部件。具體來說，對(duì)于這一部件，應(yīng)根據(jù)氫氣的物理特性、進(jìn)出口氫氣的運(yùn)行工況等，采用在同等體積下，通過增大傳熱面積、延長(zhǎng)接觸時(shí)間、破壞層流邊界層等強(qiáng)化傳熱方法來強(qiáng)化進(jìn)出口氫氣的熱交換；為了克服和解決現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備存在的缺點(diǎn)和不足，本實(shí)用新型采用適用于電力、制冷行業(yè)中的強(qiáng)化傳熱技術(shù)研制出全焊接結(jié)構(gòu)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(shù)進(jìn)行防腐，避免了現(xiàn)場(chǎng)使用中出現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重這一情況。應(yīng)用中，進(jìn)口氫氣(熱氫氣)繞外環(huán)流動(dòng)，出口氫氣(冷氫氣)繞內(nèi)環(huán)流動(dòng)，避免了外壁表面過冷結(jié)露現(xiàn)象。本實(shí)用新型——逆向繞流式氫氣熱交換器與現(xiàn)有技術(shù)相比，在同軸管壁間，增加了環(huán)向繞帶，并通過設(shè)置進(jìn)、出口接口的位置，使得進(jìn)、出口氫氣能逆向流動(dòng)。這一結(jié)構(gòu)能使其在同等體積下，通過增大傳熱面積、延長(zhǎng)接觸時(shí)間、破壞層流邊界層等方法強(qiáng)化進(jìn)、出口氫氣的換熱，達(dá)到預(yù)期效果。逆向繞流式氫氣熱交換器是采用適應(yīng)于電廠、制冷行業(yè)的強(qiáng)化技術(shù)為《環(huán)保型電站制冷式氫氣去濕裝置》進(jìn)行配套專項(xiàng)開發(fā)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(jī)械壓縮制冷式氫氣去濕裝置中?，F(xiàn)有的機(jī)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(jīng)冷卻去濕后氫氣的出口溫度控制在10℃～15℃之間。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備相比，具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)本實(shí)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(jìn)出口熱、冷氫氣能逆向流動(dòng)；同軸管壁間的環(huán)向繞帶延長(zhǎng)了氫氣與壁面的接觸時(shí)間、更重要的是破壞了氫氣流動(dòng)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(shù)得到較大的提高；現(xiàn)有的氫氣熱交換器采用的是同軸光滑管結(jié)構(gòu)，進(jìn)出口熱、冷氫氣為同向流動(dòng)，且處于層流狀態(tài)。氫氣與器壁的接觸熱阻，總傳熱系數(shù)僅為本實(shí)用新型——逆向繞流式氫氣熱交換器的45％；(2)本實(shí)用新型經(jīng)試驗(yàn)性運(yùn)行結(jié)果表明其去濕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前我國(guó)發(fā)電站所采用的機(jī)械壓縮制冷式氫氣去濕設(shè)備，發(fā)電機(jī)組內(nèi)的氫氣濕度，額定氫壓下，絕對(duì)濕度長(zhǎng)期穩(wěn)定在1～2g/m3范圍內(nèi)，氫氣露點(diǎn)溫度可嚴(yán)格控制在-12℃～-7℃之間，從而達(dá)到了發(fā)電廠對(duì)氫氣濕度的最高要求指標(biāo)；《環(huán)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(jié)露現(xiàn)象，與之出口連接管道(進(jìn)入機(jī)組的冷氫氣管道)經(jīng)隔熱處理后，也無結(jié)露現(xiàn)象，避免了因結(jié)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(jié)構(gòu)示意圖。圖中1是出口標(biāo)準(zhǔn)法蘭、2是冷氫氣出口管、3是出口環(huán)形塊、4是外筒、5是內(nèi)筒左端蓋、6是外筒左端蓋、7是環(huán)向繞帶、8是熱氫氣出口管、9是內(nèi)筒、10是冷氫氣入口管、11是外筒右端蓋、12是內(nèi)筒右端蓋、13是入口環(huán)形塊、14是入口標(biāo)準(zhǔn)法蘭、15是熱氫氣入口管。
具體實(shí)施方式
發(fā)明人認(rèn)為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的優(yōu)選方式可為如下(1)按圖1所示設(shè)計(jì)、加工制造或選購(gòu)各部件，例如出口標(biāo)準(zhǔn)法蘭1、入口標(biāo)準(zhǔn)法蘭14均可選購(gòu)內(nèi)徑φ60、周向均布4孔的A3鋼法蘭標(biāo)準(zhǔn)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(jī)加工切割而成；出口環(huán)形塊3、入口環(huán)形塊13均可選用鋼外筒鋼管采用氣割切割而成，其內(nèi)徑可為φ61、外徑可為φ80；外筒4、內(nèi)筒9可選用無縫鋼管采用機(jī)加工切割并經(jīng)拋丸處理而成，其中外筒4可為φ299×10，內(nèi)筒可為φ210×10；內(nèi)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(jī)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(nèi)筒左、右端蓋的直徑可為φ190、厚可為10；環(huán)向繞帶7選用寬40、厚4鋼板繞內(nèi)筒繞制，間隔可為70mm，繞制方法可用繞帶機(jī)繞制或分段將多個(gè)扇形塊通過焊接連接。扇形塊內(nèi)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(nèi)筒外壁焊接；(2)加工、制造或選購(gòu)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(guān)系進(jìn)行安裝連接，便能較好地實(shí)施本實(shí)用新型。實(shí)施過程中應(yīng)注意以下各事項(xiàng)由于逆向繞流式氫氣熱交換器采用的是全焊接結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)連接后，再次進(jìn)行熱鍍鋅處理。在安裝到《環(huán)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(jié)構(gòu)制造具體過程如下(1)機(jī)加工內(nèi)外圓筒9、4端面，倒45°內(nèi)角，內(nèi)圓筒9開2個(gè)孔，孔徑均為φ61mm，在外圓筒4上切2個(gè)環(huán)形塊3、13，并開2個(gè)孔，孔徑均為61mm，孔的軸線應(yīng)相互垂直，孔徑均為61mm，然后對(duì)其進(jìn)行拋丸處理；(2)機(jī)加工內(nèi)外圓筒的端蓋5、6、11、12，倒45°內(nèi)角；(3)利用繞板機(jī)，將4mm厚的鋼帶沿內(nèi)筒繞成螺旋狀，螺旋角為25°，螺旋鋼帶與內(nèi)筒9相連接時(shí)，應(yīng)避開內(nèi)筒上的2個(gè)孔；(4)采用普通火焊方法將內(nèi)筒左、右端蓋5、12與內(nèi)筒9連接。再將內(nèi)筒9放入外圓筒4內(nèi)，對(duì)好孔的位置，采用普通火焊方法將冷氫氣進(jìn)、出口管10、2與內(nèi)筒9連接通；(5)采用普通火焊方法，在外筒左右端處，將環(huán)向繞帶7與外筒4連接；(6)將出口環(huán)形塊3套入冷氫氣出口管2，通過出口環(huán)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(huán)形塊13套入冷氫氣入口管10，通過入口環(huán)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)法蘭14與熱氫氣入口管15相連接；制作完成后，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)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(quán)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(biāo)準(zhǔn)法蘭(1)、冷氫氣出口管(2)、出口環(huán)形塊(3)、外筒(4)、內(nèi)筒左端蓋(5)、外筒左端蓋(6)、環(huán)向繞帶(7)、熱氫氣出口管(8)、內(nèi)筒(9)、冷氫氣入口管(10)、外筒右端蓋(11)、內(nèi)筒右端蓋(12)、入口環(huán)形塊(13)、入口標(biāo)準(zhǔn)法蘭(14)、熱氫氣入口管(15)共同連接安裝構(gòu)成，其相互位置及連接關(guān)系為出口標(biāo)準(zhǔn)法蘭(1)通過冷氫氣出口管(2)與內(nèi)筒(9)焊接連接，冷氫氣出口管(2)通過出口環(huán)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(nèi)筒左端蓋(5)、內(nèi)筒右端蓋(12)、環(huán)向繞帶(7)通過焊接分別與內(nèi)筒(9)相連接，環(huán)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(nèi)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(huán)形塊(13)與外筒(4)焊接連接，入口標(biāo)準(zhǔn)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(shí)用新型是逆向繞流式氫氣熱交換器,屬發(fā)電機(jī)熱交換技術(shù)設(shè)備,它由出口、入口標(biāo)準(zhǔn)法蘭、冷、熱氫氣入口管、冷、熱氫氣出口管,出、入口環(huán)形塊,內(nèi)、外筒,內(nèi)筒左、右端蓋,外筒左、右端蓋,環(huán)向繞帶等共同通過焊接安裝連接構(gòu)成。本實(shí)用新型中氫氣與器壁的接觸熱阻小、總傳熱系數(shù)高、能很好地實(shí)現(xiàn)進(jìn)、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(fù)荷,使氫氣冷卻去濕干燥器的去濕干燥性能完全能達(dá)到國(guó)標(biāo)、發(fā)電行業(yè)的規(guī)定和要求,外壁無結(jié)露現(xiàn)象,克服和解決了現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備管路易腐蝕、生銹等缺點(diǎn)和問題,達(dá)到了本實(shí)用新型研究設(shè)計(jì)的目的。
文檔編號(hào)H02K9/00GK2507178SQ0125767
公開日2002年8月21日 申請(qǐng)日期2001年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月29日
發(fā)明者龍新峰 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)