CN111664721B - 一种烟气冷凝器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烟气冷凝器，其壳体内布置有换热管，换热管的两端固定在左右管板上，换热管整体呈倒梯形，流速较高区域的换热管数量大于流速较低区域的换热管数量；换热管束采用叉排布置。右封头设有管程冷却水进口和管程冷却水出口，右封头的内部设有分隔板，将右封头沿烟气冷凝器高度方向分成上下两个部分，管程冷却水进口设置在右封头上部分，管程冷却水出口设置在右封头下部分，壳体的下方设有凝结水出口。本发明可以使得烟气冷凝器在入口处的烟气偏向其顶部时能依旧保持高效换热，无需安装导流装置，减少施工成本以及工作量，而且避免了增加导流装置所带来的流动阻力增加问题，保证了燃煤电站锅炉安全、高效、经济的运行。

Description

一种烟气冷凝器
技术领域
本发明属于燃煤电站湿法脱硫后烟气水分回收技术领域，特别涉及一种换热管束布置外形为梯形的烟气冷凝器。
背景技术
目前，燃煤电厂通常使用烟气冷凝器回收脱硫塔出口处的低温湿饱和烟气中的水分，将湿法脱硫后烟气中水分冷凝并回收利用，对节约水资源、消除湿烟羽以及节能减排等具有重要意义。而在脱硫塔出口后加装烟气冷凝器时，沿脱硫塔高度方向烟气冷凝器有偏上、居中和偏下这三种典型布置方式，但由于脱硫塔出口处的特殊结构，使得经脱硫塔处理后的烟气在离开脱硫塔后，将在脱硫塔出口水平烟道的顶部聚集，故若未对脱硫塔的出口后的流场进行优化，则必然导致在这三种典型布置方式下烟气冷凝器入口处的烟气始终偏向烟气冷凝器的顶部。因此，在脱硫塔出口处安装常规的烟气冷凝器时目前仍然存在下面几个问题未得到解决：
1、如果未在脱硫塔的出口水平烟道或烟气冷凝器进口前的异形扩张处增加导流装置，则必然导致在烟气冷凝器入口处的顶部区域的烟气流速高，底部区域的流速低，而这种入口烟气流速非均匀分布会严重削弱常规的烟气冷凝器的换热性能。
2、在对烟气冷凝器入口处的流场进行优化时，由于需要采用导流装置改变高速区的烟气流向，并使其向低速区流动，因此导致烟气流动阻力增加，并使得引风机的运行能耗增加，电厂的经济性下降。而且，导流装置在安装时需要对其进行复杂的防腐喷涂工作，这会使得施工成本的增加，并极大增大工作量。
发明内容
为了克服常规烟气冷凝器在进口烟气偏向其顶部时换热性能减弱问题，从而避免在使用导流装置对流场进行优化时所带来的流动阻力增加问题，发明提供一种烟气冷凝器，换热管束布置外形为倒梯形，其在入口处的烟气偏向顶部时依旧能保持高的换热强度，省略导流装置优化流场，避免了导流装置所带来的流动阻力增加问题，减少安装成本和工作量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种烟气冷凝器，包括壳体、换热管、管板、左封头和右封头。
所述壳体内布置有换热管，换热管的两端固定在左右管板上。
换热管布置方式是：流速较高区域（壳体的顶部）的换热管数量大于流速较低区域（壳体的底部）的换热管数量。由于烟气流速较高区域对流换热强，多布置换热管可以增加在该区域的总换热面积，并提高烟气冷凝器的总换热量，从而增强烟气冷凝器在非均匀入口条件下的换热效率。
所述换热管在完成布置后的整体外形为倒梯形，而非常规情况下的矩形外形，且该梯形较长的下底边位于烟气流速较高速区，较短的上底边位于烟气流速较低速区。在遵循“流速较高处多布管，流速较低处少布管”的布置思路时，梯形的外形布置方式能使得换热管束整体保持紧密布置，这有利于提高换热器的换热量。而且，由于低速区对流换热强度小，烟气的温度变化小，烟气在此处凝结水少且容易附着在换热管表面，使得热阻增大并削弱了低速区换热管束的换热强度，而采用梯形的外形布置方式可以解决这一问题，通过烟气流速较高速区域凝结水下落时不断冲击下排低速区管束的外表面，使得低速区管子外表面的层流层不断受到破坏，始终不能增厚，从而改善低速区换热管的传热效果。
进一步的，换热管束采用叉排布置，在将换热管束的外形布置为梯形时，保持换热管束的横、纵节距不变，以位于低速区域且靠近烟气冷凝器的底部的第一排换热管为基础，沿烟气冷凝器高度方向，每一排换热管数量逐渐增加，且两相邻管排间相差一个换热管。
所述壳体通过管板分别与左封头和右封头连接。
所述右封头设有管程冷却水进口和冷却水出口；所述右封头的内部设有分隔板，将右封头沿烟气冷凝器高度方向分成上下两个部分，管程冷却水进口设置在右封头上部分，管程冷却水出口设置在右封头下部分。由于冷却水首先进入处于烟气流速较高区域的换热管，这会使得平均传热温差增大，增加了处于烟气流速较高区域的换热管的换热量。而且，由于烟气流速较低区域换热管数少于流速较高区域，因此在冷却水由左封头回流至烟气流速较低区域换热管时，换热管内的冷却水流速增加，减少了烟气流速较低区域换热管的传热热阻，处于烟气流速较低区域换热管与烟气的换热得到增强。
所述壳体的下方设有凝结水出口。
与现有技术相比，本发明提供的一种换热管束布置外形为梯形的烟气冷凝器，结构简单、操作方便，且能在入口处的烟气偏向顶部时仍然保持高效换热，因此可以忽略流场优化工作，从而减少施工成本和工作量，并避免了增加导流装置所带来的流动阻力增加问题，保证了燃煤电站锅炉安全、稳定、经济的运行。
在高速区与低速区流速相差较大时，与比常规换热管束矩形设置的烟气冷凝器相比，具有更高的换热量。
附图说明
图1为本发明一种换热管束布置外形为倒梯形的烟气冷凝器的主视图；
图2为本发明一种换热管束布置外形为倒梯形的烟气冷凝器的俯视图；
图3为本发明一种换热管束布置外形为倒梯形的烟气冷凝器的侧视图；
图4为本发明一种换热管束布置外形为倒梯形的烟气冷凝器的立体图；
图5为换热管束布置外形为倒梯形的结构示意图；
图6为常规矩形布置的换热管束结构示意图；
图中包括：1、壳体，2、换热管，3、管板，4、左封头，5、右封头，6、分隔板，7、管程冷却水进口， 8、管程冷却水出口，9、烟气冷凝器顶部，10烟气冷凝器的底部，11、凝结水出口。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例，对本发明作更进一步的说明。
实施例1：
如图1、2、3、4所示一种换热管束布置外形为梯形的烟气冷凝器，包括壳体1、换热管2、管板3、左封头4以及右封头5。
其中，壳体1内布置有换热管2，换热管2的两端固定在左右管板3上。
为了解决脱硫塔出口所造成的进口烟气偏向烟气冷凝器顶部9的问题，在壳体1内布置换热管2时，在靠近烟气冷凝器顶部9的区域多布置换热管2，而在靠近烟气冷凝器的底部10区域少布置换热管2。
为使得换热管束整体保持紧密布置，换热管2在完成布置后的整体外形为一倒梯形，而非常规情况下的矩形外形，且该倒梯形较长的下底边位于烟气流速较高速区，较短的上底位于烟气流速较低速区。换热管束采用叉排布置，在将换热管束的外形布置为倒梯形时，保持换热管束的横、纵节距不变，以位于在烟气冷凝器的底部10的第一排换热管为基础，沿烟气冷凝器高度方向，每一排换热管数量逐渐增加，且相邻管排间的换热管数量相差为一。
壳体1通过管板3分别与左封头4和右封头5连接。右封头5设有管程冷却水进口7和管程冷却水出口8；右封头5的内部设有分隔板6，将右封头5沿烟气冷凝器高度方向分成上下两个部分，管程冷却水进口7设置在右封头5上方，管程冷却水出口8设置在右封头5下方。壳体1的下方设有凝结水出口11。
对比例1：
为检验在本发明换热管束布置外形为倒梯形的烟气冷凝器的换热效果，将使用数值模拟的方式，选取相同的入口烟气流量，计算入口烟气聚集于顶部时换热管束布置外形为梯形的烟气冷凝器的换热量，与入口速度均匀时换热管束常规布置的烟气冷凝器的换热量，并比较两者之间的换热量差别。由于在换热过程中烟气中的水蒸汽会凝结放热，而凝结水的存在也会影响换热管束与烟气的换热，因此使得在烟气冷凝器中低温湿饱和烟气与换热管进行热交换的过程十分复杂，所以在两者进行比较时，将仅考虑烟气外掠换热管束时的对流换热量。
对比例1换热管束常规布置的结构示意图如图6所示，换热管束为叉排布置，换热管束的横、纵节距分别为132mm、39mm，换热管内径为39mm，横向管排数为6，纵向管排数为19（图6仅做示范），总的换热管数量为114，入口高度为832mm。
在入口处烟气温度为50℃，入口烟气均匀且流速为4m/s，换热管设为定温壁面，且温度为30℃的情况下。使用数值模拟与茹卡乌茹斯卡公式计算得到的出口温度分别为45.56℃、45.16℃，数值模拟结果与经验公式计算结果误差在8.3%以内，处于可接受的范围内，数值模拟的结果是可信的。采用数值模拟的方式所计算的烟气外掠常规布置的换热管束的热量为16229.09 W。
本发明换热管束布置外形为倒梯形的结构示意图如图5所示，换热管束为叉排布置，而且换热管束的横纵节距、换热管的内径、入口高度以及换热管数量都与换热管束常规布置的结构参数相同。梯形较长的上底边处的换热管数量为15，较短的下底边处的换热管数量为4，沿高度方向的管排数为12。
针对入口烟气偏向烟气冷凝器顶部情况，在本次计算中，将入口沿垂直于换热管管长方向简单分为高速区和低速区，高速区位于烟气冷凝器的顶部，低速区位于烟气冷凝器的底部，然后选取不同的高速区和低速区流速值，从而获得多种入口速度分布方案，在各速度分布方案下入口的烟气流量不变，计算本发明的换热量，见表1。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由上表可知，在高速区与低速区流速相差2.2倍时（方案1）本发明的换热量与对比例1的换热量基本保持一致。但，在高速区与低速区流速相差4倍时，与对相比，本发明的换热量提高了3.9%，出于安全性考虑，该比例不能无限扩大，在确保高速区的流速不超过15m/s情况下可以调整该比例。
显然，以上所述仅是本发明的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明原理，且没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种烟气冷凝器，其特征在于，包括壳体、换热管（2）、管板（3）、左封头（4）以及右封头（5）；
所述壳体内布置有换热管（2），换热管的两端固定在左右管板上；换热管束采用叉排布置，在将换热管束的外形布置为梯形时，保持换热管束的横、纵节距不变，以位于低速区域且靠近烟气冷凝器的底部的第一排换热管为基础，沿烟气冷凝器高度方向，每一排换热管数量逐渐增加，且两相邻管排间相差一个换热管；
所述右封头设有管程冷却水进口（7）和管程冷却水出口（8）；
换热管整体呈倒梯形，将入口沿垂直于换热管管长方向分为高速区和低速区，高速区位于烟气冷凝器的顶部，低速区位于烟气冷凝器的底部；流速较高区域的换热管数量大于流速较低区域的换热管数量；高速区是低速区流速值的2.2倍或者2.2倍以上，且高速区的流速不超过15m/s；
所述壳体通过管板分别与左封头和右封头连接；所述壳体的下方设有凝结水出口（11）；所述右封头的内部设有分隔板（6），将右封头沿烟气冷凝器高度方向分成上下两个部分，管程冷却水进口（7）设置在右封头上方，管程冷却水出口（8）设置在右封头下方。
2.根据权利要求1所述的烟气冷凝器，其特征在于，高速区是低速区流速值的4倍或者4倍以上。
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