CN115507695A - 一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，通过若干换热器沿着纵横向串联并接布置在机组进口或尾水流道的侧壁上，形成容量充足的换热系统，冷却水在换热器组内高速循环持续向流道内水体放热，再通过循环设备回流到水轮机组对其高热部件进行吸热冷却，本发明采用特定的外部结构，具有较高的抗冲击能力，且泥沙、杂质以及水生物不易附着，长时间持续运行仍能保持稳定、高效换热和低检修率；此外，换热器组采用独特的连接、排布与安装方式，其检修与局部更换具有难度小、周期短、成本低的显著进步性，极大节约了机组停运费用，克服了现有应用于水轮机组的冷却方式存在的诸多技术缺陷。

Description

一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组

技术领域

本发明涉及水轮发电机组辅助设备技术领域，尤其是涉及一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组。

背景技术

我国幅员广阔，可供开发的水资源量巨大，通过大力开发水电，利用清洁的可再生水资源发电，能大大减少火力发电燃烧所排放的有害气体对大气环境的污染，也符合当前可持续发展的理念要求。水轮发电机的原理是吧水流从高处留下的能量，经过水轮机转化为动力机械能，通过水轮机带动发电机将机械能转化为电能。虽然我国水轮机发电起步较晚，但经过几十年的发展，在很多方面，我国轮机发电机组单机容量已经达到世界先进水平。

在水轮机技术发展的过程中有很多重要的技术问题需要解决，比较突出的问题是水轮发电机组的冷却和润滑问题。目前，机组单机容量500MW以上水电站的技术供水系统用于对水轮发电机组设备提供冷却和润滑，各供水设备在水轮、水温、水压和水质方面均有具体的技术要求。在国内外已建成水电站所采用的技术供水方式通常可包括如下三种方式：

1.一次供水冷却，是依靠自流减压或者水泵向机组设备供水的一种冷却方式，此方式采用江河水经过滤后直接供向各机组设备，是最常用的一种冷却方式。其主要缺点为：(1)电站可取冷却水源泥沙含量大及杂质过多，水质不能完全满足普通技术供水的水质要求；(2)水中杂质会堵塞过滤设备，导致供水水压、水量不足甚至停机，在汛期时影响尤为严重；(3)水中泥沙对机组各冷却器的换热管道造成磨损、堵塞，使用寿命大大缩短；(4)每年汛期后需对发电机冷却器进行清洗，清除内部淤泥，直接费用和机组停机造成的损失巨大。

2.尾水冷却器循环供水冷却，是一种二次冷却方式，采用经过处理的清洁水冷却机组，尾水冷却器作为循环供水系统中最为核心的二次冷却设备受限于以下方面：(1)尾水冷却器表面温度高，其换热管表面非常容易附着水生动、植物，需要定期清理，由于其结构形式及安装位置等因素的限制，水生物清理及自身检修极为不便；(2)尾水冷却器采用列管式结构，换热管数量多、间距小，进一步加剧了换热管上附着水生物清理难度，甚至局部无法清理，致使换热效果达不到设计要求；(3)在水流的冲击下管体振动，长时间持续工作容易导致换热管的焊缝生裂，甚至断裂；(4)以安装位置来看，采用潜水员拆除及重新安装，但水下拆除及对位安置的准确度差，难度大且危险性较高；另一种是安装在尾水洞内，安装位置的河水流速低，泥沙非常容易沉积，导致冷却器换热效果差，而且运出也极为困难。因此，采用尾水冷却器直接费用和机组停机所造成的损失巨大，而极少被采用。

3.冷却套循环供水冷却，为一种二次冷却方式，利用机组外壳制造成板式冷却器，为机组提供循环冷却水。此种冷却方式避免了泥沙和其他杂质进入冷却系统，但是主要存在的缺陷为：(1)由于外壳体积有限，无法提供充足的冷却水；(2)当河水温度高时无法有效降低机组温度，夏季会普遍存在机组温度较高的情况，导致发电机绝缘老化加快，严重影响发电机的使用寿命。目前我国灯泡贯流式机组主要分布于温度较高地区，很少采用此种冷却方式。

综上，水轮机组在冷却和润滑方面采用的技术设备和方式尚存在较为突出的适用性问题，尤其对应用较为广泛的，适用于低水头水利发电的贯流式水轮机组的冷却设备与技术的开发不能满足目前的应用需求，亟待开发出适用于贯流式水轮机组冷却的设备与技术，进一步推动适用于低水头的贯流式水轮机组的广泛应用。

发明内容

针对目前水轮机组尤其是贯穿式水轮机组缺乏有效的冷却方式的技术缺口，综合考虑应用于现有贯穿式水轮机组的冷却设备及冷却方式所表现出的各种技术缺陷，根据具体的技术问题提供相应的技术方案。

具体的说本发明的技术目的在于提供一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，通过布置在机组进水流道或尾水流道(以下简称流道)的侧壁上，形成极为充足的换热面积，换热器组内的循环水来自于对水轮机组提供冷却后的冷却水，通过在换热器在内高流速流动与换热器所在的水轮机进水流道或尾水流道内的水体进行换热降温后，再次循环回流用于对水轮机机组进行换热冷却。另外，因为特定的外部结构机组冷却水中的水生物也不易附着在换热面上，长时间持续运行仍能保持高换热效率；此外，换热器组采用独特的连接、排布与安装方式，使得即使多个单体换热器纵向串联横向并排的连接排布，其检修与局部更换具有难度低、周期短、低成本的显著特点，克服了现有应用于水轮机组的冷却方式存在的诸多技术缺陷。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：具体的为一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，包括若干沿纵向串联且沿横向并排布置在水流道侧壁的换热器，换热器包括可组装成封闭式流道结构的换热面板、端面封隔板、侧面密封板和背面密封板，其中换热面板上设有分隔板，背面密封板的上部、下部均两次弯折，并形成第一折弯部和第二折弯部，在未折弯板体上还开有尺寸小于分隔板且与之相对应的装配孔。换热面板的分隔板与背面密封板的装配孔对接，并在相接部固定连接并密封，所述侧面密封板位于换热器左右两侧，同时与换热面板、背面密封板相接并在相接部固定连接并密封，所述端面密封板则位于换热器上下两侧，同时与换热面板、背面密封板以及两侧的侧面密封板相接并在相接部连接并密封，在侧面密封板的外侧板面上固定连接有安装底脚。通过以上组件及其连接方式，换热面板与背面密封板的未折弯板体以及侧面密封板围成的空间通过分隔板隔成间隙式通道，而由换热面板与第一折弯部、第二折弯部、侧面密封板围成的空间通过端面密封板构成与间隙式通道连通的汇流腔；在位于上侧的端面封隔板上设有进水口，位于下侧的端面封隔板上设有出水口，所述进水口、出水口分别与上、下部的汇流腔连通。

涉及原理及使用概述：

一、关于换热器组：换热器组由若干相同的换热器串联且并排固定安装在水轮发电机组进水流道两侧壁的嵌槽内，单组串联的换热器采用相邻的上位换热器出水口连接下位换热器进水口的方式依次串联，各组串联换热器中最上位的各换热器的进水口并行连接后再与循环设备的出口联接；同样，各组串联换热器最下位的各换热器的出水口并行连接后再与循环设备的入口连接，在完成“换热器—循环设备—水轮机组—循环设备—换热器”的循环路的完整连接前，各换热器内需充满清洁的循环水，在完成循环路的闭合连接后，通过循环设备运行提供循环动力，使得循环冷却水自上位换热器依次穿流下位的各换热器，进行自上而下逐级换热器水体动态替换，同时通过换热器向流道内水体放热冷却，自最下位的换热器后再通过循环设备将经过换热器降温后的循环水输送至水轮机组对机组各组成部分进行冷却散热，吸收了机组热量的循环水在经过循环设备输送到最上位换热器，使得循环冷却水保持在换热器组内的往复循环换热降温，实现换热器持续向水轮机组提供低温冷却水进行降温散热的目的。

二、关于换热器：换热器的上部和下部均设有汇流腔，汇流腔为一独立的汇水空间，为了便于理解设计的意图，人为的将与进水口或出水口口端直接对应连通的汇流腔空间设定为尾部空间，而更为靠近换热面板的汇流腔空间为前部空间(两部分空间实际上是一体的)。换热器的进水口直通上部的汇流腔尾部空间，汇流腔的前部空间则与位于换热面板、背面密封板之间由分隔板分隔而成间隙式通道相接并连通，循环冷却水自进水口进入换热器汇集于上部的汇流腔尾部空间，然后在水流动能和循环压力的作用下改变流线并迅速流动到汇流腔前部空间，在循环动力的持续作用下由汇流腔前部空间分流注入间隙式通道，循环冷却水在换热器内部沿着间隙式通道快速流动，通过在间隙式通道内形成湍流并通过较大板面面积的换热面板，向水轮机组水流通道内的水体释放从水轮机组吸收的热量实现降低自身温度的目的。各间隙式通道内实现了放热的冷却水自通道内流出并汇集于换热器下部的汇流腔前部空间，在水体动能和循环压力的作用下，改变流线并迅速进入到到汇流腔的尾部空间，并通过与尾部空间直通的出水口排出。由于上位换热器的出水口与相邻的下位换热器的进水口连通，所以经过出水口的循环冷却水则进入相邻的下位换热器，替换换热器内的水体，保持动态的循环放热工作过程。需要进一步说明的是：换热器上设计的分隔板，在换热面板与背面密封板之间形成间隙式通道，同时利用分隔板作为换热面板与背面密封板之间连接、密封的连接件，与背面密封板上开的装配孔相接并密封连接，通过引入分隔板一物两用，巧妙实现间隙式通道的形成以及换热面板与背面密封板的连接组装，为本换热器较为重要的技术特征。

与现有的用于水轮发电机组冷却技术及方式相比较，可以发现本发明最为显著的进步性体具体现在以下六个方面：

一、换热器组整体上由若干可独立生产制造的换热器串联并排组成，单个换热器体积相对较小、重量相对较轻，便于批量生产制造，运输移动较为轻便，安装极为简单，可根据使用空间选择相匹配的规模进行组合安装，以形成具有不同冷却容量的辅助冷却系统；

二、换热器组整体上由独立且规格尺寸相同的单个换热器组合安装而成，整体性程度高，一方面抗过流水体冲击能力较强，另一方面由于整体的平整度较高，可有效减少过流水体的冲击，进而确保换热器组使用的安全性和稳定性，大大降低了对其维护的频率和时间，较好的避免了因维停机。

三、换热器的换热面板与发电机组进水流道内的冷却水进行传热，由于换热面板为展开的平面板状结构，有效增大了与流体的接触面积，能够吸收、容纳更多水体的热量供换热器内的循环水吸收，具有较好的热量吸热和容纳能力，为二次冷却的热交换提供基础支撑；

四、换热器上由于采用了空间间隙度较小的通道，在循环设备的工作压力作用下，循环冷却水在通道内流动速度较快，流体的流线出现波浪状的摆动，且摆动的频率及振幅大，循环冷却水成湍流状态，通过换热面板与水轮机流道内的水体有较高的换热效率，换热器内循环水放热降温效果优异；

五、换热器采用的换热面板为平面板状结构，结合在进水流道的安装适用位置，换热面板始终保持竖直或微倾的空间状态，进水流道内水体携带的泥沙、杂质和微生物不易附着在面板上，使面板表面能够保持较好的清洁状态，保证长期稳定的换热状态，同时避免因表面维护、清理造成的机组停机；

六、本换热器组可适用于应用增长势头明显的灯泡贯流式水轮发电机组等低水头机组，可有效避免因换热器的冷却方式造成的停机检修，节约了高昂的检修成本与损失，如低水头发电机组机组冷却系统平均检修费用为20万元/台，机组每天停机损失约30万元/台，经济效益巨大；

七、换热器上设计的分隔板，在换热面板与背面密封板之间形成间隙式通道，同时利用分隔板作为换热面板与背面密封板之间连接、密封的连接件，与背面密封板上开的装配孔相接并密封连接，通过引入分隔板技术特征，一物两用，巧妙实现间隙式通道的形成以及换热面板与背面密封板的连接组装。

在本发明特定技术方案的基础上，对方案内的技术内容进一步进行优化，包括优化的特征及有益技术效果，具体优化内容如下：

一、在本发明技术方案的基础上作进一步优化和限定，具体包括：侧面密封板的侧边与换热面板的板面边缘部相接，同时侧面密封板的板面则与背面密封板的侧边相接，在以上两种相接情况下的相接部均采用焊接的方式连接密封。在此基础上，需要进一步指出的是：背面密封板的侧边包括未折弯板体、第一折弯部以及第二折弯部的侧边。采用侧面密封板与换热面板的板面相接，此种组装方式的主要目的在于：不占用换热面板换热面的正面面板及侧边位置，使得换热面板的换热面保持完整的平面结构，保证换热容量与效率，同时，外部水体经过时不对换热面板及换热器本体产生额外的冲击，有利于保持换热器的整体稳定性。采用侧面密封板板面与背面密封板的侧边相接，此种组装方式的主要其目的在于：侧面密封板将背面密封板挡在板后，即两者的相接部(即焊接密封部位)正面不暴露在水流的冲击下，虽然焊接密封的强度足够，但是应综合考虑适用条件的复杂性，并考虑相接部位长时间受到水流冲击可能产生的意外情况，因此，采用本组装方式可以进一步提高换热器的运行、使用寿命。

在上述优化与限定方式的基础上作进一步优化与限定，具体包括：主要集中在对侧面密封板的结构进行优化与限定，即侧面密封板的上下两端设有吊装支耳，吊装支耳与侧面密封板一体成型，可以是铸造时一体成型，在工艺上相对多一些步骤，也可以是直接在基材上通过切割、打磨的方式成型；此外，侧面密封板上与换热面板、背面密封板相接部以外的板面上开有过流孔。采用在侧面密封板的上下段设有吊装支耳并与板体一体成型，此种设计方式的主要目的在于：方便换热器在能方便的吊送到较高位置进行安装，同时一体成型能够保持较高的强度，吊装过程中保证安全，避免脱落造成危害财产和人身安全事故；采用在侧面密封板上与换热面板、背面密封板相接部之外的板面上开有过流孔，此种设计的主要目的在于三方面：一是在侧面密封板上开设过流孔，进水流道内的水体流经换热器组时，可从过流孔内穿过，可有效减小水体对换热器组及单个换热器的水流冲击力；二是进水流道的水体从过流孔穿流而过时，还能与背面密封板进行热交换，进一步提高换热器的换热效率；三是可减少对钢质材料的使用，节约材料成本，同时降低换热器组及单个换热器的自身重量。

二、在本发明技术方案或上述优化限定技术方案的基础上作进一步优化和限定，具体包括：端面封隔板的前侧边与换热面板的板面边缘部相接，端面封隔板上与前侧边相邻的对侧边则与侧面密封板边缘部相接，同时端面封隔板的板面则与背面密封板的第一折弯部的端面相接，在上述3种相接情况下的相接部均采用焊接的方式连接密封，须进一步说明的是：端面封隔板的侧边前后的认定是以换热面板与背面密封板的前后关系来确定，即与换热面板相接的端面封隔板的侧边为前侧边。采用端面封隔板的前侧边与换热面板的板面边缘部相接，此种设计的主要目的在于：不占用换热面板换热面的正面面板及侧边位置，使得换热面板的换热面保持完整的平面结构，保证换热容量与效率，同时，外部水体经过时不对换热面板及换热器本体产生额外的冲击，有利于保持换热器的整体稳定性；采用端面封隔板上与前侧边相邻的对侧边则与侧面密封板边缘部相接，同时端面封隔板的板面则与背面密封板的第一折弯部的端面相接，此种设计的主要目的在于：通过侧面密封板遮挡端面封隔板分别与侧面密封板、背面密封板相接部(即焊接密封部位)进行遮挡，减少流道流体对该两处部位的冲击，避免长时间的水流冲击造成局部焊接部位出现问题，因此采用本组装方式可以进一步提高换热器的运行、使用寿命。

三、在本发明技术方案的基础上作进一步优化和限定，具体包括：进水口和出水口均布置在端面封隔板的纵向中心线上，即进水口和出水口相距于端面封隔板的左右两侧的距离相等，同时进水口和出水口沿纵向中心线在端面封隔板上位于远离换热面板的位置，即以换热面板的正面为基准，进水口和出水口居相对于端面封隔板的左右两侧居中设置在板面上且距离换热面板的距离大于距离背面密封板第一折弯部所在平面的距离。此种设计的主要目的在于：冷却水自进水口进入换热器的汇流腔后并不会直线贯穿进入间隙式通道，而是经汇流腔短暂整合汇集后再转换流线后分流进入间隙式通道，以保证进入各间隙式通道的冷却水分配更加均匀，提高换热器热交换性能。

四、在本发明技术方案的基础上作进一步优化和限定，具体包括：背面密封板上开设的装配孔沿板面横向和纵向排列布置，装配孔的列数与分隔板的条数相同，即每一列的装配孔是沿直线成列，每一列的装配孔对应一分隔板，当换热面板与背面密封板组装时，分隔板与装配孔叠合，然后沿着装配孔与分隔板贴合的边沿焊接密封，完成换热面板与背面密封板的组装。此种设计的主要目的在于：通过增设安装孔的个数来缩短背面密封板上开设的单个安装孔的长度，一方面保障背面密封板的应具有的承压强度，避免长时间使用后背面密封发生变形而影响换热器性能；另一方面，缩短了单个装配孔的焊接密封的长度，有利于提高焊接密封的连接强度，降低焊接安装的劳动强度，并确保焊接密封施工效果。由于分隔板的设计数量直接决定了间隙式通道的数量(分隔板数量设为n，则间隙式通道设为N，则两者的数量关系为：N＝n+1)，根据实际中不同的散热降温的容量要求确定分隔板的具体数量。

在上述优化与限定方式的基础上作进一步优化与限定，具体包括：背面密封板上位于相邻行装配孔的间隔部焊接有加强筋，加强筋侧端还分别与两侧的侧面密封板的板面焊接。此种设计的主要目的在于：一方面进一步加强背面密封板的抗拉、抗压得强度；另一方面，通过加强筋进一步加强了背面密封板与侧面密封板的连接强度，进而增强了换热器整体的稳定性，有利于进一步延长其使用寿命和检修周期。

五、在本发明技术方案的基础上作进一步优化和限定，具体包括：换热面板位于侧面密封板、端面分隔板相接的焊接部位外侧的面板的边缘部上焊接有支撑板，所述支撑板从所在的面板边缘部向外延伸并超过面板侧边，在其支撑板上开有安装孔。此种设计的主要目的在于：在纵向串接以及横向并排的换热器边缘部设置支撑板，可在上下相邻及左右相邻的换热器的相邻间歇空间上通过对应的支撑板安装与换热面板的换热面齐平的盖板，使得整个换热器组的表面的保持平整，使得换热器组形成完成的换热平面，进一步提高与换热流体的有效接触并减小水流对单个换热器的冲击力。

六、在本发明技术方案的基础上作进一步优化和限定，具体包括：换热面板为碳钢-不锈钢复合钢板，碳钢厚度为6～12mm,不锈钢厚度为0.8～2mm。此种材质与尺寸的优化基于：碳钢的厚度综合考虑承压、抗外部冲击和传热性，是基于结构和传热有限元计算、实物测试验证得到的综合了安全应用和经济性的取值范围。不锈钢的厚度考虑了耐腐蚀性、制造难度和导热性，综合了耐腐蚀性和经济性的取值范围。

七、在本发明技术方案的基础上作进一步优化和限定，具体包括：所述换热面板与背面密封板的间隙即换热面板与背面密封板通过分隔板隔开的板间距为3.5～9mm。此种尺寸优化选择基于：间隙的取值是综合考虑了热传递性能、系统用水量和系统压力损失等，经计算和实验测试是一个比较经济的取值范围。

附图说明

本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中：

图1是换热器单本的外部结构示意图；

图2是换热器单体正面结构示意图；

图3是换热器单体侧面结构示意图；

图4是换热面板结构示意图；

图5是换热器串联并接示意图；

图6是进水口所在的换热器头部剖视图；

图7是换热器中部横截面剖视图；

图8是背面密封板的正视图；

图9是背面密封板的侧视图；

图10是汇流腔结构示意图。

图中标记：换热面板1、端面封隔板2、侧面密封板3、背面密封板4、第一折弯部41、第二折弯部42、未折弯板体43、装配孔44、间隙式通道5、汇流腔6、前部空间61、尾部空间62、进水口7、出水口8、吊装支耳31、过流孔32、加强筋9、支撑板10、安装孔101、分隔板11、安装底脚12。

具体实施方式

下面结合附图，对发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：实施例中一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，如5中所示，包括若干沿纵向串联且沿横向并排布置在水轮机组进水流道或尾水流道侧壁的换热器。如图1、图7、图8和图9中所示，每个单独的换热器包括可组装成封闭式通道结构的换热面板1、端面封隔板2、侧面密封板3和背面密封板4，其中换热面板1上设有分隔板11，背面密封板4的上部、下部均两次弯折，并形成第一折弯部41和第二折弯部42，在未折弯板体43上还开有尺寸小于分隔板11且与之相对应的装配孔44。组装单体换热器时，将换热面板1的分隔板11与背面密封板4的装配孔44对接，并在相接部固定连接并密封，侧面密封板4为两块，分别位于换热器的左右两侧，同时与换热面板1、背面密封板4相接并在相接部固定连接并密封，此时换热面板1、背面密封板4和侧面密封板3共同围成了周向封闭的空间，此时将数量为二的端面密封板，分别布置于周向封闭的环形空间的的上、下两侧，同时与换热面板1、背面密封板4以及两侧的侧面密封板3相接并在相接部连接并密封，由此通过换热面板1、端面封隔板2、侧面密封板3和背面密封板4形成了密闭的封闭空间。进一步来分析该封闭空间的结构，换热面板1与未折弯板体43以及侧面密封板3围成分流空间通过分隔板11隔成若干间隙式通道5，而由换热面板1与第一折弯部41、第二折弯部42、侧面密封板3围成的汇流空间则通过端面密封板2构成与间隙式通道5连通的汇流腔6，通过在位于上侧的端面封隔板上设有进水口7与上部汇流腔连通，位于下侧的端面封隔板上设有出水口8与下部汇流腔连通，由此形成了具有高温冷却水汇集分流、冷却水放热降温、低温冷却水汇集输出的单个换热器流通结构。

在侧面密封板3的外侧板面上固定连接有安装底脚12，换热器通过安装底脚12安装在水轮机组水流道侧壁嵌入槽内的安装架上，换热器的换热面板尽量与侧壁保持在同一平面，换热器的布置数量根据实际需求的换热容量来决定，通常情况下如图5所示，换热器沿着纵向首尾串联即高位换热器的出水口连接相邻的下位换热器的进水口，形成换热器串联组。同时换热器沿着横向依次并排布置，形成如图5所示的换热器组，各换热器串联组的最上位各换热器的进水口通过多通结构与循环设备的出口联通，而各组换热器串联组的最下位各换热器的出水口则同样通过多通结构与循环设备的入口联通。在换热器组工作前，各单体换热器内均注满了冷却水，整个换热器组内的冷却水处于饱和状态，工作时启动循环设备，通过循环设备运行提供循环动力，如图1、图5、图6和图7所示，就单个换热器而言，循环冷却水自进水口7直通进入上部汇流腔6，通过汇流腔6的空间形状以及与间隙式通道5与汇流腔6的连通位置，使得冷却水改变了在进水口7内的流线，能够是的冷却水能均匀的注入间隙式通道5。冷却水进入间隙式通道5，通过换热面板1向换热器外的水轮机组水流道内的水体放热，通过水流道内的水体吸收冷却水携带的热量，实现对换热器内循环冷却水的冷却降温，然后循环冷却水自间隙式通道5流出后经过换热器下部汇流腔汇集，再由出水口进入相邻的下位换热器进水口，依次进行冷却水水体的动态替换；就换热器组而言，如图5所示，在循环动力作用下，循环设备将冷却水通过多通结构分别注入到各串联换热器组最上位换热器的进水口，冷却水自上而下实现在各换热器内的动态替换并进行热量释放(同上述单体换热器动态替换和放热冷却过程，不再赘述)，各串联换热器组最下位各换热器汇流腔内的冷却水则经过多通结构汇集后输入循环设备的入口，由循环设备将已经降温冷却后的冷却水输送到水轮机组，与其各组成部分进行换热冷却，降低机组运行温度。吸收了水轮机组热量的冷却水则再由循环设备通过多通结构重新分配回注到各换热器组，进行上述的对外放热降温，当循环设备工作时，利用本换热器组能够持续的为水轮机组提供进行吸热冷区的水体，持续对水轮机组的散热降温，确保水轮机组正常运行的温度条件。

实施例2：在实施例1的基础上作进一步优化和限定，如图1、图3、图6和图7所示，侧面密封板3的侧边与换热面板1的板面边缘部相接，同时侧面密封板3的板面则与背面密封板4的侧边相接，各相接部均采用焊接的方式连接密封，焊接的线形为直线，其中背面密封板4的侧边包括未折弯板体43、第一折弯部41以及第二折弯部42的侧边。侧面密封板3的侧边与换热面板1的板面相接的方式，使得侧面密封板3与换热面板1的焊接密封不占用不占用换热面板1换热面的正面面板及侧边，换热面板11的换热面能够保持完整的平面结构，同时，外部水体经过时不对换热面板11及换热器本体产生额外的冲击。侧面密封板3板面与背面密封板4的侧边相接，侧面密封板3可将背面密封板4挡在侧面密封板背面，使得两者的焊接密封部位不正面暴露在水流的冲击下，避免长时期收到水流冲击可能产生的意外情况。

实施例3：在实施例2的基础上作进一步优化和限定，如图1、图3和图4中所示，侧面密封板3的上、下两端设有吊装支耳31，吊装支耳31与侧面密封板3一体成型，铸造时一体成型或直接在侧面密封板上通过切割、打磨的方式成型，在侧面密封板3上与换热面板11、背面密封板4相接部以外的板面上还开有过流孔32。在安装换热器时，可以通过吊装支耳31吊起换热器进行高位安装且具有较好的施工强度。在适用换热器的过程中，进水流道内的水体可经过流孔32通过，采用在侧面密封板3上与换热面板1、背面密封板4相接部之外的板面上开有过流孔32，有效减小水体对换热器组及单个换热器的水流冲击力，当水体进入过流孔32后势必与背面密封板4接触，，可利用背面密封板4吸收水体热量，换热器内的冷却水可同时背面密封板4进行热交换，进一步提高换热器的换热效率，另外，开过流孔32可减少侧面密封板3对钢质材料的使用，节约材料成本，同时降低换热器组及单个换热器的自身重量。

实施例4：在实施例1或实施例2的基础上作进一步优化和限定，如图1、图6、图8和图9中所示，端面封隔板2的前侧边与换热面板1的板面边缘部相接，端面封隔板2上与前侧边相邻的对侧边则与侧面密封板3边缘部相接，同时端面封隔板2的板面则与背面密封板4的第一折弯部41的端面相接，在上述3种相接情况下的相接部均采用焊接的方式连接密封，须作进一步说明的是：端面封隔板2的侧边前后的认定是以换热面板1与背面密封板4的前后关系来确定，换热面板1为前，背面密封板4为后，即与换热面板1板面相接的端面封隔板2的侧边为前侧边，在端面封隔板2上与前侧边相邻的两侧边部为对侧边。采用端面封隔板2的前侧边与换热面板1的板面边缘部相接，使得端面封隔板2与换热面板1的连接不占用换热面板1换热面的正面面板及侧边位置，使得换热面板1的换热面保持完整的平面结构，同时，外部水体经过时不对换热面板及换热器本体产生额外的冲击。采用端面封隔板2上与前侧边相邻的对侧边则与侧面密封板3边缘部相接，同时端面封隔板2的板面则与背面密封板4的第一折弯部41的端面相接，通过侧面密封板3遮挡端面封隔板2分别与侧面密封板3、背面密封板4相接部(即焊接密封部位)进行遮挡，减少进水流道流体对该两处部位的冲击。

实施例5：在实施例1的基础上作进一步优化和限定，如图1、图6和图7中所示，进水口7和出水口8均布置在端面封隔板2的纵向中心线上，即进水口7和出水口8的安装位置相距于端面封隔板2的左右两侧的距离相等，同时进水口7和出水口8沿纵向中心线在端面封隔板2上的安装位置远离换热面板1，而接近端背面密封板1的第一折弯部41，作进一步说明，以换热面板1的正面为基准，进水口7和出水口8相对于端面封隔板2的左右两侧居中设置在板面上且距离换热面板1的距离大于距离背面密封板4的第一折弯部41所在平面的距离。为了说明进水口7或出水口8安装位置的优点，人为的将汇流腔6的空间分为前部空间61和尾部空间62，所述的前部空间61与尾部空间62实际上为一体的。以进水口为例(出水口设计为相同原理)，如图10所示和图7所示，进水口7与尾部空间62直接连通，冷却水自进水口7进入汇流腔6的尾部空间62，此时水流保持为自上而下的流线，并在尾部空间62短暂汇集，当冷却水与尾部空间62的侧壁产生碰撞，并且在尾部空间62的导流下，冷却水由自上而下的流线变成从左至右的流线，并快速进入前部空间61，由于前部空间61直接与各间隙式通道5空间交会，冷却水在动能的作用线经前部空间61分配到各间隙式流道5内。通过对进水口7和出水口8的偏心设置，尤其在进水口7连通的汇流腔6内的冷却水能够更为均匀的分配到各间隙式流道，进一步提高换热器对循环冷却水的利用率，有利于增强换热器内循环冷却水与水轮机组水流道水体的换热性能。

实施例6：在实施例1的基础上作进一步优化和限定，如图1、图4、图7和图8中所示，背面密封板4上开设的装配孔44沿板面横向和纵向排列布置，装配孔44沿着换热器串联方向的列数与换热面板1背面的分隔板11的条数相同，即每一列的装配孔44是沿直线成列，在换热面板1与背面密封板4每一列的装配孔44对应换热面板1上的一分隔板11，由于分隔板11的设计数量直接决定了间隙式通道5的数量(分隔板数量设为n，则间隙式通道设为N，则两者的数量关系为：N＝n+1)，根据实际中不同的散热降温的容量要求确定分隔板的具体数量。当换热面板1与背面密封板4组装时，分隔板11与装配孔44叠合，人工夹紧后，在背面密封板的后侧沿着装配孔44与分隔板11贴合后的孔边沿焊接密封，完成换热面板1与背面密封板4的组装。通过增设装配孔44的个数来缩短背面密封板上开设的单个装配孔44的长度，一方面保障背面密封板4应具有的承压、抗拉强度，另一方面，缩短了单个装配孔44的焊接密封的长度，有利于提高焊接密封的连接强度，降低焊接安装的劳动强度，并确保焊接密封施工效果。

实施例7：在实施例6的基础上作进一步优化与限定，如图1和图7所示，背面密封板4上位于相邻行装配孔44的间隔部焊接有加强筋9，同时，加强筋9的两侧端还分别与两侧的侧面密封板3的板面焊接固定，通过加强筋9进一步将侧面密封板3、背面密封板4连接固定，一方面进一步加强背面密封板4的抗拉、抗压得强度；另一方面，通过加强筋9进一步加强了背面密封板4与侧面密封板3的连接强度，进而增强了换热器整体性和稳定性。

实施例8：在实施例1的基础上作进一步优化和限定，如图1、图2和图5所示，换热面板1面板上分别与侧面密封板3、端面分隔板2相接的线性焊接部外侧的换热面板1的面板边缘部上均焊接有支撑板10，支撑板10从所在的面板边缘部向外延伸并超过换热面板1的侧边，此外，在支撑板10上开有安装孔101。在纵向串接以及横向并排安装好的换热器间，安装位置以及安装要求，在纵向及横向上相邻的换热器之间存在一定的间隔空间，通过设置的支撑板10，在换热器的相邻间歇空间上安装与换热面板1的换热板面齐平的盖板，使得整个换热器组的表面平整，形成完成的换热平面，进一步提高换热器与水轮机组水流道内水体有效接触，进一步提高换热效率，同时避免进水流道内的流体灌入相邻换热器的间隙，影响换热器安装的稳固性。

实施例9：在实施例1的基础上作进一步优化和限定，具体包括：换热面板为碳钢-不锈钢复合钢板，碳钢厚度为6～12mm,不锈钢厚度为0.8～2mm。选择此种材质及相应的厚度取值范围，基于综合考虑承压、抗外部冲击和传热性，是基于结构和传热有限元计算、实物测试验证得到的综合了安全应用和经济性的取值范围。不锈钢的厚度考虑了耐腐蚀性、制造难度和导热性，综合了耐腐蚀性和经济性的取值范围，其中：(1)基于导热性，碳钢的导热系数为48.85W/(㎡.℃)，不锈钢的导热系数为16.46W/(㎡.℃),即碳钢的导热性能远大于不锈钢，选定换热板的主体材质为碳钢；(2)基于耐腐蚀性和换热器的工作和结构特性，换热器内侧为经处理的循环水，去除了所有的水生物，闭式循环的方式也不与空气接触，水中含氧量极低，不会对换热板造成腐蚀，换热器外侧为普通江河水，由于日照、与空气直接接触等原因，水中存在各类水生物和杂质，且含氧量较高，很容易腐蚀换热板的，由此，换热板与循环水接触侧选择导热性能好的碳钢材质，与普通江河水接触侧选择耐腐蚀能力优秀的不锈钢；(3)基于经济性考虑，碳钢-不锈钢复合钢板的价格约为不锈钢钢板价格的50％～60％。

换热板厚度的确定：根据单个换热器大小、流道内水的冲击力及内部循环水的工作压力进行计算，再进行有限元分析计算、校核，确定复合板中碳钢板厚度为6～12mm能完全满足换热器强度的前提下保证换热能力；综合考虑导热性、经济性和制造难度后，确定复合板中不锈钢板的厚度为0.8～2mm为最优选择。

实施例10：在实施例1的基础上作作进一步优化和限定，具体包括：所述换热面板1与背面密封板4通过分隔板11隔开的板间距即间隙式通道的高度为3.5～9mm，间隙的取值是综合考虑了热传递性能、系统用水量和系统压力损失等，经计算和实验测试，为最优化的取值范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本实发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：

本装置包括若干沿纵向串联且沿横向并排布置在进水流道或尾水流道侧壁的换热器，所述换热器包括可组装成封闭式通道结构的换热面板、端面封隔板、侧面密封板和背面密封板，其中换热面板上设有分隔板，背面密封板的上部、下部均两次弯折，并形成第一折弯部和第二折弯部，在未折弯板体上还开有尺寸小于分隔板且与之相对应的装配孔；

所述换热面板的分隔板与背面密封板的装配孔对接，并在相接部固定连接并密封，所述侧面密封板位于换热器左右两侧，其同时与换热面板、背面密封板相接并在相接部固定连接并密封，所述端面密封板则位于换热器上下两侧，同时与换热面板、背面密封板以及两侧的侧面密封板相接并在相接部连接并密封；在所述的侧面密封板的外侧板面上固定连接有安装底脚；

至此，由换热面板与背面密封板的未折弯板体以及侧面密封板围成的空间通过分隔板隔成间隙式通道，而由换热面板与第一折弯部、第二折弯部、侧面密封板围成的空间通过端面密封板构成与间隙式通道连通的汇流腔；在位于上侧的端面封隔板上设有进水口，位于下侧的端面封隔板上设有出水口，所述进水口、出水口分别与上、下部的汇流腔连通。

2.根据权利要求1所述的一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：所述侧面密封板的侧边与换热面板的板面边缘部相接，同时侧面密封板的板面则与背面密封板的侧边相接，在上述两种相接情况下的相接部均采用焊接的方式连接密封，所述背面密封板的侧边包括未折弯板体、第一折弯部以及第二折弯部的侧边。

3.根据权利要求2所述的一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：所述侧面密封板的上下两端设有吊装支耳，所述吊装支耳与侧面密封板一体成型，在侧面密封板上与换热面板、背面密封板相接部以外的板面上开有过流孔。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：所述端面封隔板的前侧边与换热面板的板面边缘部相接，端面封隔板上与前侧边相邻的对侧边则与侧面密封板边缘部相接，同时端面封隔板的板面则与背面密封板的第一折弯部的端面相接，在上述3种相接情况下的相接部均采用焊接的方式连接密封。

5.根据权利要求1所述的一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：所述进水口和出水口均布置在端面封隔板的纵向中心线上，即进水口和出水口相距于端面封隔板的左右两侧的距离相等，同时进水口和出水口沿纵向中心线在端面封隔板上位于远离换热面板的位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：所述背面密封板上开设的装配孔沿板面横向和纵向排列布置，所述装配孔的列数与分隔板的条数相同。

7.据权利要求6所述的一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：所述背面密封板上位于相邻行装配孔的间隔部焊接有加强筋，所述加强筋侧端还分别与两侧的侧面密封板的板面焊接。

8.根据权利要求1所述的一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：所述换热面板位于侧面密封板、端面分隔板相接的焊接部位外侧的面板的边缘部上焊接有支撑板，所述支撑板从所在的面板边缘部向外延伸并超过面板侧边，在其支撑板上开有安装孔。

9.根据权利要求1所述的一种用于水轮发电机组流道的阵列式换热器组，其特征在于：所述换热面板为碳钢-不锈钢复合钢板，碳钢厚度为6～12mm,不锈钢厚度为0.8～2mm。

10.根据权利要求1所述的一种用于水轮发电机组冷却的进水流道板式换热器，其特征在于：所述换热面板与背面密封板的间隙即换热面板与背面密封板通过分隔板隔开的板间距为3.5～9mm。

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