CN114279233A - 一种空气冷却系统及管径变径设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空气冷却系统及管径变径设计方法，系统包括蒸汽输入部、汽水输出部、冷凝风机和若干个冷却单元，若干个冷却单元并联连接于蒸汽输入部与汽水输出部之间，每个冷却单元包括蒸汽分配管、汽水收集管和多根冷凝管，冷凝管的上下两端分别与蒸汽分配管和汽水收集管连接后呈横置的U型结构，蒸汽分配管内蒸汽流动方向与汽水收集管内汽水流动方向相反。所述蒸汽分配母管管径沿管内蒸汽流动方向逐渐减小，所述汽水收集母管管径沿汽水流动方向逐渐增大。通过分级形成多个冷却单元，沿着介质流动方向并联连接，经过变径蒸汽分配管，能实现蒸汽分配母管中热负荷自适应分配，提高各个冷却单元中蒸汽流动与传热的均衡特性。

Description

一种空气冷却系统及管径变径设计方法

技术领域

本发明属于发电站冷却技术领域，尤其涉及一种空气冷却系统及管径变径设计方法。

背景技术

空冷发电技术是指利用空气冷却汽轮机排出的过热蒸汽的一项技术，在干旱缺水且寒冷的北方应用甚广，为节水、环保和经济作出巨大贡献。

在直接空冷系统中，空冷岛平行管组通常由顺流单元和逆流单元共同构成，也出现了一些是全顺流结构的空冷岛结构，对于全顺流结构的空冷岛结构中，为了提高冷却效果，一般冷凝管的长度较长，各个冷凝管共用一根蒸汽分配管和汽水收集管，由于蒸汽在等直径管中流动存在沿程压力损失，位于末端的冷凝管与位于前端的冷凝管流量不均，导致传热均衡性较差，末端的冷凝管往往存在热负荷不足、过冷严重的问题，严重还会导致冻裂、撕裂等现象。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空气冷却系统及管径变径设计方法，主要用于解决现有技术中全顺流空冷岛结构中热负荷流量不均、传热均衡性差、容易导致冻裂等问题

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种空气冷却系统，包括蒸汽输入部、汽水输出部、冷凝风机和若干个冷却单元，若干个所述冷却单元并联连接于所述蒸汽输入部与汽水输出部之间，每个所述冷却单元包括蒸汽分配管、汽水收集管和多根冷凝管，所述冷凝管的上下两端分别与所述蒸汽分配管和汽水收集管连接后呈横置的U型结构，所述冷凝风机产生的气流方向与所述冷凝管中蒸汽流动方向一致，所述蒸汽分配管内蒸汽流动方向与所述汽水收集管内汽水流动方向相反，相邻的所述冷却单元的蒸汽分配管串联连接后形成蒸汽分配母管，相邻的所述冷却单元的汽水收集管串联连接后形成汽水收集母管，沿所述蒸汽流动方向，不同所述冷却单元中的蒸汽分配管管径逐渐减小，沿所述汽水流动方向，不同所述冷却单元中的汽水收集管管径逐渐增大。

进一步地，相邻的两个所述蒸汽分配管之间设有用于平滑过渡连接的变径分配管；

相邻的两个所述汽水收集管之间设有用于平滑过渡连接的变径收集管。

进一步地，所述变径分配管和所述变径收集管为异心圆台。

进一步地，所述汽水输出部包括汽水分离装置、外置冷凝器和集水机构，所述汽水收集母管连接于所述汽水分离装置，所述汽水分离装置的底部通过第一收集管与所述集水机构连接，所述汽水分离装置的上部通过第二收集管与所述外置冷凝器连接，所述外置冷凝器的下方连接所述集水机构。

进一步地，所述集水机构的出水端连接有凝结水泵，所述集水机构内设有液位检测器，所述凝结水泵与所述液位检测器电连接，所述凝结水泵被配置为根据所述液位检测器的液位检测信号控制所述集水机构内的运行液面至高于所述第一收集管与所述集水机构的连接第一注水点设定高度H，且所述设定高度H对应产生的压差P_H不小于蒸汽在所述集水机构和所述汽水分离装置之间所有负荷工况范围内流动所产生的压差ΔP。

进一步地，所述汽水收集母管上设置多个分散布置的疏水口，所述疏水口分别通过相应的第三收集管与所述集水机构连接。

进一步地，所述第三收集管与所述集水机构的连接点为第二注水点，所述运行液面的高度高于所述第二注水点设定深度H`，所述设定深度H`对应产生的压差P_H`不小于蒸汽在所述集水机构、所述汽水收集母管和所述汽水分离装置之间所有负荷工况范围内流动所产生的压差ΔP。

进一步地，所述设定深度H等于所述设定深度H`，所述压差ΔP取值范围为2～5kPa。

第二方面，本发明提供一种应用于上述空气冷却系统中的管径变径设计方法，沿着所述汽水收集管内汽水的流动方向，设定冷凝管的标记顺序为第一冷凝管、第二冷凝管……第n冷凝管；

设定与每根所述冷凝管连接的所述蒸汽分配管对应连接处的分配截面积为S，与每根所述冷凝管连接的所述汽水收集管对应连接处的收集截面积为S`；

其中，对于第i冷凝管，存在

且第i冷凝管对应的收集截面积S’_i与分配截面积S_i的比值范围为5～35％。

进一步地，设定蒸汽分配母管中蒸汽流动的沿程损失为ΔP_h，设定蒸汽动压为P_d，设定蒸汽势压为P_H，则蒸汽分配母管的通流截面积大小满足ΔP_d+ΔP_H＝-ΔP_h，其中

ΔP_H＝ρgΔH；

设定汽水收集管中汽水流动的沿程损失为ΔP`<sub>h</sub>，设定工质动压为P`_d，设定工质势压为P`<sub>H</sub>，则汽水收集管的通流截面积大小满足ΔP`_d+ΔP`<sub>H</sub>＝-ΔP`_h，其中

ΔP`_H＝ρgΔH。

进一步地，位于同一所述冷却单元的所述冷凝管对应的分配截面积S相同，位于同一所述冷却单元的所述冷凝管对应的收集截面积S`相同。

相比现有技术，本发明至少包括以下有益效果：

对冷凝管进行分级形成多个冷却单元，沿着介质流动方向进行并联连接，靠近于蒸汽输入部的前端冷却单元所对应的蒸汽分配管管径和汽水收集管管径较大，而位于末端的冷却单元所对应的蒸汽分配管管径和汽水收集管管径较小，经过变径蒸汽分配管，能实现蒸汽分配母管中热负荷自适应分配，提高各个冷却单元中蒸汽流动与传热的均衡特性，减小冬季防冻压力；

优化蒸汽凝结流程，减小空冷岛内蒸汽沿程压力累积，进而降低机组背压，提高电站发电能效；

简化空气冷却系统的结构布局，减小厂用辅助设备功耗，进一步提高发电效率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明提供的一种空气冷却系统的整体结构示意图。

图2是本发明提供的一种空气冷却系统的剖面结构示意图。

图3是本发明提供的一种空气冷却系统中分型面的结构示意图。

图4是本发明提供的一种空气冷却系统在一些实施例中的整体结构示意图。

图5是本实施例2公开的常规空冷岛系统布置结构中各管束入口压力的变化示意图。

图6是本实施例2公开的常规空冷岛系统布置结构中各管束质量流量的变化示意图。

图7是本实施例2提供的空气冷却系统中各管束入口压力与出口压力的变化示意图。

图8是本实施例2提供的空气冷却系统中各管束质量流量的变化示意图。

图9是本实施例2提供的空气冷却系统中各管束汽水收集管的变化示意图。

附图标号说明：1蒸汽分配母管；2冷却单元；3冷凝风机；4冷凝管；5汽水收集母管；6汽水分离装置；7第二收集管；8第一收集管；9外置冷凝器；10蒸汽输入部；11变径分配管；12集水机构；13第三收集管；51变径收集管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

第一方面，参照图1和图2，本实施例中提供一种空气冷却系统，包括蒸汽输入部10、汽水输出部、冷凝风机3和若干个冷却单元2，若干个冷却单元2并联连接于蒸汽输入部10与汽水输出部之间，每个冷却单元2包括蒸汽分配管、汽水收集管和多根冷凝管4，冷凝管4的上下两端分别与蒸汽分配管和汽水收集管连接后呈横置的U型结构，也即C型结构，多个冷却单元2并联之后形成类“CCC”结构，冷凝风机3产生的气流方向与冷凝管4中蒸汽流动方向一致，蒸汽分配管内蒸汽流动方向与汽水收集管内汽水流动方向相反，例如在类“CCC”结构中，蒸汽在上侧从右往左流动，汽水在下侧从左往右流动，相邻的冷却单元2的蒸汽分配管串联连接后形成蒸汽分配母管1，相邻的冷却单元2的汽水收集管串联连接后形成汽水收集母管5，沿蒸汽流动方向，不同冷却单元2中的蒸汽分配管管径逐渐减小，蒸汽分配母管1管径大的一端与蒸汽输入部10连接、另一端为闭合端，沿汽水流动方向，不同冷却单元2中的汽水收集管管径逐渐增大，汽水收集母管5管径大的一端与汽水输出部连接、另一端为闭合端。

需要说明的是，汽轮机的排气进入蒸汽输入部10，再由蒸汽输入部10输送至蒸汽分配母管1，蒸汽分配母管1按照冷却单元2的排布方式进行划分，蒸汽输入部10与汽水输出部之间并联着多个冷却单元2，需注意，这种并联关系并非是将蒸汽平均分配一分为多的并联关系，而是通过管径的逐级变化，使得在同一条蒸汽分配母管1中划分成多根蒸汽分配管，每一根不同管径的蒸汽分配管对应一个冷却单元2，例如，沿着蒸汽流动方向依次并联有第一冷却单元2、第二冷却单元2和第三冷却单元2，第一冷却单元2对应的蒸汽分配管管径最大，第二冷却单元2对应的蒸汽分配管管径次之，第三冷却单元2对应的蒸汽分配管管径最小，从蒸汽输入部10输送过来的蒸汽依次进入第一冷却单元2、第二冷却单元2和第三冷却单元2对应的蒸汽分配管，注意并不是同时进入，具体过程为：一部分蒸汽进入到第一冷却单元2的冷凝管4后，再一部分蒸汽进入第二冷却单元2的冷凝管4，最后一部分蒸汽进入第三冷却单元2的冷凝管4；由于蒸汽在沿着蒸汽分配母管1流动时，其质量流量会逐渐变小，如果保持一样的管径，到了后端时，随着压损增加，蒸汽的压力降低，流量渐降，则会影响处于后端的冷却单元2的热负荷；因此在本实施例中，采用了减缩式的蒸汽分配母管1，通过变径的方式，当一部分蒸汽通过第一冷却单元2的蒸汽分配管进入对应的冷凝管4后，蒸汽分配母管1内的质量降低，在第二冷却单元2的蒸汽分配管中，由于管径减小，管内的压力会增加，提高冷凝管4入口的压力，进而增加第二冷却单元2冷凝管4的蒸汽流量，同样地，第三冷却单元2的蒸汽分配管进一步降低，通过调整不同冷却单元2冷凝管4入口处的蒸汽压力状态，使得多个并联的冷却单元2的热负荷更均衡，实现自适应分配；具体地，在每一根冷凝管4中，蒸汽顺势下流，同时冷凝风机3引起的风场也是从上至下，风向与蒸汽流向是顺流关系，形成全顺流结构，大幅提高了冷却单元2内蒸汽流动与传热的均衡特性，实现了结构性防冻；蒸汽在冷凝管4中部分冷凝成水，但也有一部分保持气态，汽水混合物共同进入汽水输出部，再做下一步的处理。

在本实施例中，相邻的两个蒸汽分配管之间设有用于平滑过渡连接的变径分配管11，当蒸汽从上一蒸汽分配管过渡到下一蒸汽分配管时，在变径分配管11中实现管口直径的过渡改变，避免压力骤变，降低压损；

同理，相邻的两个汽水收集管之间设有用于平滑过渡连接的变径收集管51。

参照图3，作为一种实施方式，变径分配管11和变径收集管51为异心圆台，即变径分配管11与相邻的两个蒸汽分配管连接的分型面是异心的，分型面的形状可以有多种，例如圆形或者椭圆形，前后两个分型面的圆心不同心，更有利于在异心布置的相邻两个蒸汽分配管之间实现蒸汽传输，另外地，分型面可以垂直于水平面，也可以是倾斜于水平面。同理，变径收集管51与相邻的两个汽水收集管连接的分型面是异心的，更有利于在异心布置的相邻两个汽水收集管之间实现汽水传输，以上的异心变化、管径变化与实际质量流量相适应。

在一些实施例中，变径分配管11与相邻蒸汽分配管的分型面为五边形，即变径分配管11的左右两端面不是圆形，整体不是圆柱台的形状，而是两端面采用五边形的形状，两端五边形的大小不一致，沿着内部介质流动方向，先大后小，且分型面不是垂直于冷凝管4，而是有一定倾斜度，引导上一蒸汽分配管中的蒸汽更好地过渡到下一蒸汽分配管，需要注意的是，其中分型面包括方形部和三角形部，方形部处于上方，三角形部处于下方，且三角形的其中一个顶角朝下，以便下方汇聚蒸汽，且三角形的形状可有效提高蒸汽流动速度；

同理，变径收集管51与相邻汽水收集管的分型面为五边形，具体原因与上述变径分配管11相似，在此不作进一步赘述，同样地，分型面也包括方形部和三角形部，下方的三角形部则更有利于收集液体。

在本实施例中，汽水输出部包括汽水分离装置6、外置冷凝器9和集水机构12，汽水收集母管5连接于汽水分离装置6，由于汽水收集母管5中包括有凝结水和残余蒸汽，流进汽水分离装置6后，凝结水位于底部，残余蒸汽位于顶部，汽水分离装置6的底部通过第一收集管8与集水机构12连接，使得凝结水能顺畅地流入集水机构12中，汽水分离装置6的上部通过第二收集管7与外置冷凝器9连接，位于顶部的残余蒸汽通过第二收集管7进入到外置冷凝器9中，与外置冷凝器9进行换热后冷凝成水，外置冷凝器9的下方连接集水机构12，再从冷凝器的下方进入集水机构12中，与之前的凝结水混合。

更进一步地，集水机构12的出水端连接有凝结水泵，集水机构12内设有液位检测器，凝结水泵与液位检测器电连接，凝结水泵被配置为根据液位检测器的液位检测信号控制集水机构12内的运行液面至高于第一收集管8与集水机构12的连接第一注水点设定高度H，且设定高度H对应产生的压差P_H不小于蒸汽在集水机构12和汽水分离装置6之间所有负荷工况范围内流动所产生的压差ΔP，其中，压差P_H＝ρgH，压差ΔP取值范围为2～5kPa。

需要注意的是，为了防止汽水分离装置6中的蒸汽直接从第一收集管8流入集水机构12中，通过液位检测器采集集水机构12内运行液面的液位检测信号，如果运行液面与连接第一注水点的垂直高度没有达到设定高度H，则控制凝结水泵，使其减小流量，起到节流作用，从而提高集水机构12内的运行液面，之所以要控制此运行液面，是因为蒸汽在集水机构12和汽水分离装置6之间流动时，会形成一定的压差ΔP，这个压差ΔP可能会使蒸汽直接从第一收集管8流入集水机构12中，如果运行液面足够高，使得蒸汽不会直接逃逸至集水机构12中，则能避免这一现象，因此设定在所有负荷工况范围内，蒸汽流动产生的压差ΔP＝2～5kPa，使设定高度H对应产生的压差P_H大于此范围。

参照图4，在一些实施例中，所述汽水收集母管5上设置多个分散布置的疏水口，每一个冷却单元2的汽水收集管都对应设有一个或多个疏水管，所述疏水口分别通过相应的第三收集管13与所述集水机构12连接，第三收集管13与集水机构12的连接点为第二注水点，第三收集管13可以分别与集水机构12连接，也可以是汇总至同一根总管后再与集水机构12连接，总之第二注水点的高度是一致的，在每一根汽水收集管底部中收集的冷凝水可直接通过第三收集管13输送至集水机构12，更进一步地，本实施例中，运行液面的高度高于所述第二注水点设定深度H`，所述设定深度H`对应产生的压差P_H`不小于蒸汽在所述集水机构12、所述汽水收集母管5和所述汽水分离装置6之间所有负荷工况范围内流动所产生的压差ΔP。

优选地，所述设定深度H等于所述设定深度H`，即第一注水点与第二注水点的高度一致，第一注水点与第二注水点可以是在同一高度水平线上的不同的点，也可以是同一个点，即第一收集管8和第三收集管13汇总后统一与集水机构连接，其中，所述压差ΔP取值范围为2～5kPa。相应地，第一注水点与第二注水点的高度也可以不一样，考虑到蒸汽在汽水收集母管中流动速度更大，可以将第二注水点设置的更低一些，以防止窜气。

第二方面，本实施例中提供一种应用于上述空气冷却系统中的管径变径设计方法，沿着所述汽水收集管内汽水的流动方向，设定冷凝管的标记顺序为第一冷凝管、第二冷凝管……第n冷凝管；需要注意的是，为方便说明，在本实施例中对于冷凝管的标记顺序与上述实施例中对于冷却单元的标记顺序不相同，特此说明；

设定与每根所述冷凝管连接的所述蒸汽分配管对应连接处的分配截面积为S，与每根所述冷凝管连接的所述汽水收集管对应连接处的收集截面积为S`；

其中，对于第i冷凝管，存在

且第i冷凝管对应的收集截面积S’_i与分配截面积S_i的比值范围为5～35％，即实现上大下小的结构布置方式，上侧分配截面积用于流通蒸汽，下侧收集截面积用于流通汽水混合物，汽水混合物的密度更大，所需的流通面积会减小，所以为了节省空间，保证压力均衡，控制同一根冷凝管的下侧收集截面积S’_i与分配截面积S_i的比值范围为5～35％，当确定第n冷凝管对应的收集截面积和分配截面积，根据以上关系可确认第i冷凝管对应的收集截面积S’_i与分配截面积S_i。

在本实施例中，设定蒸汽分配母管中蒸汽流动的沿程损失为ΔP_h，设定蒸汽动压为P_d，设定蒸汽势压为P_H，则蒸汽分配母管的通流截面积大小满足ΔP_d+ΔP_H＝-ΔP_h，其中

ΔP_H＝ρgΔH；

设定汽水收集管中汽水流动的沿程损失为ΔP`<sub>h</sub>，设定工质动压为P`_d，设定工质势压为P`<sub>H</sub>，则汽水收集管的通流截面积大小满足ΔP`_d+ΔP`<sub>H</sub>＝-ΔP`_h，其中

ΔP`_H＝ρgΔH。

另外地，位于同一所述冷却单元的所述冷凝管对应的分配截面积S相同，位于同一所述冷却单元的所述冷凝管对应的收集截面积S`相同。

实施例1：

本实施例1中，举例说明汽水收集母管的变径结构设计步骤：

步骤S1：根据原机组设计工况运行参数及原空冷岛结构参数，校核计算每根冷凝管管内蒸汽流动的阻力特性，并获得沿程阻力系数。根据原机组设计工况运行数据中，冷凝管进出口蒸汽压强、管内蒸汽流量、管内蒸汽凝结比例，基于伯努利方程，可由公式(1)计算冷凝管沿程阻力系数f。

式子中ρ₀₀、ρ₁₁分别为常规空冷岛冷凝管进出口的蒸汽密度，kg/m³；p₀₀、p₁₁分别为常规空冷岛冷凝管进出口的蒸汽压强，Pa；g为当地重力加速度，m/s²；h₀₀、h₁₁分别为冷凝管进出口的高度值，m；v₀₀、v₁₁和v_1,avg分别是常规空冷岛冷凝管进口、出口以及平均蒸汽流速，m/s。

步骤S2：计算U型全顺流的空冷岛系统每根冷凝管入口蒸汽质量流量、入口蒸汽压强。

步骤S21：由于汽水收集管管径的设计优化是为了实现每根冷凝管蒸汽流量分配的均匀化，因此最终每根冷凝管的蒸汽流量可近似为M＝M₀/n，其中M₀为汽轮机排汽质量流量，kg/s；n为空冷岛冷凝管的总数。

步骤S22：根据伯努利方程，忽略蒸汽在蒸汽分配管中流动的沿程损失，可以由第1根冷凝管入口蒸汽参数，逐次获得相邻的后一根冷凝管中的入口蒸汽压强P₁，进而获得整个空冷岛所有冷凝管的入口蒸汽压强。

式中ρ_i为U型全顺流空冷岛第i根冷凝管的进口蒸汽密度，kg/m³；p_i为U型全顺流空冷岛中第i根冷凝管进口的蒸汽压强，Pa；g为当地重力加速度，m/s²；h_i为U型全顺流空冷岛第i根冷凝管圆心的高度值，m；v_i是U型全顺流空冷岛第i根冷凝管的进口蒸汽流速，m/s；M_i为第i根冷凝管进口处的蒸汽分配管蒸汽流量，kg/s；A_i为第i根冷凝管进口处的蒸汽分配管截面积，m²。

步骤S3：根据冷凝管蒸汽质量流量与进出口蒸汽压差的关系，计算每根冷凝管出口蒸汽压强p₀₁可根据式子(3)求得：

步骤S4：计算冷凝管未凝结的蒸汽比例，获得汽水收集管内蒸汽流量的分布特征。

步骤S41：根据汽轮机排汽质量M₀、顺流管束翅片总面积S、翅片散热系数k，计算冷凝管管内未凝结的蒸汽比例r。

式中，r为冷凝管管内未凝结的蒸汽比例，取值在5％～20％之间。

步骤S42：第i根冷凝管处对应的汽水收集管管内蒸汽质量流量为第i根冷凝管内未凝结的蒸汽质量流量与第i+1根冷凝管处汽水收集管管内蒸汽质量流量之和。

式中，M_i,1为第i根冷凝管处对应的汽水收集管管内蒸汽质量流量。

步骤S51：根据每根冷凝管的出口蒸汽压强与汽水收集管管内蒸汽流量，计算汽水收集管的管径，最终获得变径汽水收集管管径的结构参数。

根据伯努利方程，忽略蒸汽在汽水收集管中流动的沿程损失，可获得第i根汽水收集管的截面积A_i,1。

步骤S52：根据圆形汽水收集管截面积与管径的关系，可获得汽水收集管的管径d_i,1为：

步骤6：取同一单元的管径平均值作为该单元的管径。

实施例2：

本实施例2中，以600MW机组为例，整个空冷岛为8行8列共64个空冷单元，每个空冷单元由左右两侧各5个管束构成。每个管束有35根冷凝管。设计工况下汽轮机排汽质量流量M₀为355.1kg/s，蒸汽分配管入口蒸汽压强为14.5kPa。下列实施例中以一个冷凝管管束为计算单位示意。

在常规空冷岛中，采用顺—逆流区，8个空冷单元中蒸汽分配管依次流入的第2、6个空冷单元为逆流区，其余为顺流区。根据机组设计工况运行参数及空冷岛结构参数，可计算出常规空冷岛系统布置结构各管束质量流量及入口压力变化，如图5和图6所示。

参考图7、图8、图9，在本实施例2的空气冷却系统中，采用全顺流区。根据原机组设计工况运行参数及原空冷岛结构参数，计算得每根冷凝管沿程阻力系数。再根据伯努利方程，由第1根冷凝管入口蒸汽参数，逐次获得相邻的后一根冷凝管中的入口蒸汽压强，进而获得整列冷凝管的入口蒸汽压强。根据冷凝管蒸汽质量流量与进出口蒸汽压差的关系，可计算每根冷凝管出口蒸汽压强。计算冷凝管未凝结的蒸汽比例，可获得凝结水管内蒸汽流量的分布特征。根据每根冷凝管的出口蒸汽压强与凝结水管管内蒸汽流量，可计算凝结水管的截面积、管径。最后取同一单元的管径平均值作为该单元的管径。

综上，相对于现有技术，上述实施例提供一种空气冷却系统及管径变径设计方法，对冷凝管进行分级形成多个冷却单元，沿着介质流动方向进行并联连接，靠近于蒸汽输入部的前端冷却单元所对应的蒸汽分配管管径和汽水收集管管径较大，而位于末端的冷却单元所对应的蒸汽分配管管径和汽水收集管管径较小，经过变径蒸汽分配管，能实现蒸汽分配母管中热负荷自适应分配，提高各个冷却单元中蒸汽流动与传热的均衡特性，减小冬季防冻压力；

优化蒸汽凝结流程，减小空冷岛内蒸汽沿程压力累积，进而降低机组背压，提高电站发电能效；

简化空气冷却系统的结构布局，减小厂用辅助设备功耗，进一步提高发电效率。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种空气冷却系统，其特征在于，包括蒸汽输入部、汽水输出部、冷凝风机和若干个冷却单元，若干个所述冷却单元并联连接于所述蒸汽输入部与汽水输出部之间，每个所述冷却单元包括蒸汽分配管、汽水收集管和多根冷凝管，所述冷凝管的上下两端分别与所述蒸汽分配管和汽水收集管连接后呈横置的U型结构，所述冷凝管中蒸汽流动方向与其中冷凝水流动方向一致，所述蒸汽分配管内蒸汽流动方向与所述汽水收集管内蒸汽流动方向相反，相邻的所述冷却单元的蒸汽分配管串联连接后形成蒸汽分配母管，相邻的所述冷却单元的汽水收集管串联连接后形成汽水收集母管，所述蒸汽分配母管管径沿管内蒸汽流动方向逐渐减小，沿所述汽水流动方向，所述汽水收集母管管径沿蒸汽流动方向逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的一种空气冷却系统，其特征在于：

相邻的两个所述蒸汽分配管之间设有用于平滑过渡连接的变径分配管；

相邻的两个所述汽水收集管之间设有用于平滑过渡连接的变径收集管。

3.根据权利要求2所述的一种空气冷却系统，其特征在于，所述变径分配管和所述变径收集管为异心圆台。

4.根据权利要求1所述的一种空气冷却系统，其特征在于，所述汽水输出部包括汽水分离装置、外置冷凝器和集水机构，所述汽水收集母管连接于所述汽水分离装置，所述汽水分离装置的底部通过第一收集管与所述集水机构连接，所述汽水分离装置的上部通过第二收集管与所述外置冷凝器连接，所述外置冷凝器的下方连接所述集水机构。

5.根据权利要求4所述的一种空气冷却系统，其特征在于，所述集水机构的出水端连接有凝结水泵，所述集水机构内设有液位检测器，所述凝结水泵与所述液位检测器电连接，所述第一收集管与所述集水机构的连接点为第一注水点，所述凝结水泵被配置为根据所述液位检测器的液位检测信号控制所述集水机构内的运行液面，所述运行液面的高度高于所述第一注水点设定深度H，且所述设定深度H对应产生的压差P_H不小于蒸汽在所述集水机构和所述汽水分离装置之间所有负荷工况范围内流动所产生的压差ΔP。

6.根据权利要求5所述的一种空气冷却系统，其特征在于，所述汽水收集母管上设置多个分散布置的疏水口，所述疏水口分别通过相应的第三收集管与所述集水机构连接。

7.根据权利要求6所述的一种空气冷却系统，其特征在于，所述第三收集管与所述集水机构的连接点为第二注水点，所述运行液面的高度高于所述第二注水点设定深度H`，所述设定深度H`对应产生的压差P_H`不小于蒸汽在所述集水机构、所述汽水收集母管和所述汽水分离装置之间所有负荷工况范围内流动所产生的压差ΔP。

8.根据权利要求7所述的一种空气冷却系统，其特征在于，所述设定深度H等于所述设定深度H`，所述压差ΔP取值范围为2～5kPa。

9.一种应用于如权利要求1至6任一项所述空气冷却系统中的管径变径设计方法，其特征在于：

沿着所述汽水收集管内蒸汽的流动方向，设定冷凝管的标记顺序为第一冷凝管、第二冷凝管……第n冷凝管，每个所述冷却单元所对应的冷凝管数量为m；

设定与每根所述冷凝管连接的所述蒸汽分配管对应连接处的分配截面积为S，与每根所述冷凝管连接的所述汽水收集管对应连接处的收集截面积为S`；

其中，对于第i冷凝管，存在(i-m)/n≤s_i/s_n≤(i+m)/n、(i-m)/n≤s`<sub>i</sub>/s`_n≤(i+m)/n；且第i冷凝管对应的收集截面积S’_i与分配截面积S_i的比值满足5％≤S`_i/S_i≤35％。

10.根据权利要求7所述的一种管径变径设计方法，其特征在于，位于同一所述冷却单元的所述冷凝管对应的分配截面积S相同，位于同一所述冷却单元的所述冷凝管对应的收集截面积S`相同。

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