CN101694167A - 一种辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却方法及装置，属发电技术领域，用于解决现有凝汽设备冷却系统存在的缺陷。其技术方案是，汽轮机排汽采用混合冷却方式，凝汽器热井的凝结水分成两路，一路依次进入风冷散热器和制冷设备蒸发器降温，然后由凝汽器喷水机构喷入凝汽器内与汽轮机排汽混合传热，吸收汽轮机排汽凝结热，维持凝汽设备真空；另一路经过制冷设备冷凝器，温度升高后进入低压加热器，实现热量转移。本发明能够灵活调整制冷系统制冷量从而使凝汽设备达到合适真空，提高热力系统经济性；可降低机组气候环境影响程度，增强系统出力稳定性；还可将部分凝结热及制冷压缩机功耗转化热等通过冷凝器回收，用来加热给水，减少了低温端热量损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却技术，尤其是能提高凝汽设备真空并保证机组出力稳定的辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却方法及装置，属发电技术领域。
背景技术
蒸汽动力装置的基本循环是朗肯循环，该循环的工质为水蒸汽。水先被加热成饱和蒸汽，再经过热器继续加热为过热蒸汽，这个过程为定压吸热过程。过热蒸汽引入汽轮机内膨胀做功，这个做功过程一般视为绝热膨胀过程。在汽轮机内做完功的乏汽排入凝汽设备内，在凝汽设备内被冷却放出凝结潜热并凝结成水，这个过程为定压放热过程。排汽冷凝为凝结水后通过汽轮机回热系统预热，再次进入锅炉，开始蒸汽的下一个动力循环。为保证工质在凝汽设备内定压放热必须要有一个起冷源作用的冷端装置。在现代大型电站凝汽式汽轮机组的热力循环中，这个冷端装置一般由在真空状态下定压放热的凝汽设备和能够及时带走排汽凝结潜热的冷却系统组成，其工作性能的好坏直接影响整个机组的热经济性和安全性。根据冷却系统冷却介质不同，目前凝汽设备冷却方法主要有两种：湿冷和空冷。所谓湿冷即用循环冷却水带走凝汽设备中的蒸汽凝结潜热，在冷却塔内循环水以“淋雨”方式与空气直接接触进行热交换，其整个过程处于“湿”的状态，因此其冷却系统称为湿冷系统。目前常规电厂多采用这种冷却方式。湿冷技术发展比较成熟，热经济性比较好，但从设备耗水量来看，凝汽设备用水量大约占电厂总耗水量的42.8％～79.5％，这对于位于缺水地区的电厂来说，将成为一个非常严重的问题。
相对湿冷系统巨大水资源损耗，耗水量极少的空冷系统得到了越来越广泛的重视与发展。空冷系统也称干冷系统，是相对湿冷系统而言的。它是利用空气直接或间接冷却汽轮机排汽所必需的设备、装置及其附件等完整组合的统称。空冷发电厂的空冷塔，其循环水与空气是通过散热器间接进行热交换的，整个冷却过程处于“干”的状态，所以空冷塔又称为干式冷却塔或干冷塔。按照空气和排汽进行热交换方式的不同，空冷系统分为：直接空冷系统，采用表面式凝汽设备的间接空冷系统(即哈蒙式)，采用混合式凝汽设备的间接空冷系统(即海勒式)。同容量的空冷机组与湿冷机组相比，其冷却系统本身可节水97％以上，全厂性节水约65％以上，是火电厂节水量最多的一项技术。建设一座湿冷电站的耗水量可以建设4～10座同容量空冷电站，空冷机组由于其显著的节水效应，被世界各国尤以富煤缺水地区普遍采用，对减缓世界性水荒，起到举足轻重的作用。但是从环境温度，风速及防冻考虑，空冷机组运行背压普遍远高于湿冷系统。在机组通常的背压范围内，凝汽设备压力每改变士1kPa，汽轮机功率改变士1％～2％。对一台亚临界300MW机组，凝汽设备真空每降低1kPa，机组热耗率约上升0.8％，供电煤耗约增加2.5g/kW·h，这在电厂中是相当可观的。空冷机组运行背压相对于常规湿冷机组而言背压变化幅度大。特别在直接空冷系统中，汽轮机排汽直接由空气进行冷却凝结，空冷凝汽设备的换热效果直接受环境温度、风速、风向等因素的影响。直接空冷系统在风速大幅增加时，其背压变化可达10kPa左右，而海勒系统当风速大幅增加时背压变化在5～6kPa，这将严重影响机组出力稳定性。另外由于背压大幅度变化的影响，末级叶片经常工作在过渡区，蒸汽中的盐份在末级叶片上时而沉积，时而被冲刷，从而降低了叶片材料的许用应力，这就要求限制叶片的应力水平。又由于低压末级排汽温度变化大，叶片连接部位应有良好的热膨胀性。因此，对直接空冷机组对末级叶片有更高的要求。综上所述，虽然空冷系统可以大大降低热力电站水资源的损耗，但配有空冷系统的空冷机组，一次性投资较高，发电标准煤耗较大，夏季短暂时间还要限制机组出力，此外还有占地和噪声等方面的问题，这些都影响了空冷系统的推广与发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种采用混合冷却方式，提高凝汽设备真空并保证机组出力稳定的辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却方法及装置。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的：
一种辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却方法，其特别之处是：汽轮机排汽采用混合冷却方式，凝汽器热井的凝结水分成两路，一路依次进入风冷散热器和制冷设备蒸发器降温，然后由凝汽器喷水机构喷入凝汽器内与汽轮机排汽混合传热，吸收汽轮机排汽凝结热，维持凝汽设备真空；另一路经过制冷设备冷凝器，温度升高后进入低压加热器，实现热量转移；所述制冷设备由蒸汽驱动小汽轮机提供动力或为吸收式制冷机，其工质为氨、氟利昂或者其它绿色冷媒。
一种如上述方法使用的辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却装置，其特别之处是：它包括位于凝汽器内的喷水机构、制冷循环设备、凝结水泵、循环泵、风冷散热器及相应的连接管路和阀门，所述制冷循环设备包括制冷压缩机、小汽轮机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀，所述凝汽器热井的排水口分别连通冷却水分路和锅炉供水回输分路，所述冷却水分路上设有循环泵，冷却水分路经风冷散换热器、蒸发器与喷水机构连通，构成闭式循环，所述锅炉供水回输分路设有凝结水泵，锅炉供水回输分路经冷凝器通入电站锅炉给水管路，锅炉供水回输分路还设有直接连通热力发电供水管路的支路。
上述辅助热力电站凝汽式汽轮机冷却装置，所述冷却水分路在风散换热器出口处还设有直接连通喷水机构的支路。
本发明针对现有凝汽设备冷却系统存在缺陷进行了改进，主要特点如下：1.采用混合式冷却方式，利用喷水机构将通过蒸发器后的冷却水喷出，形成水膜，与汽轮机排汽直接接触进行热交换。由于是直接接触换热，其传热系数相当大，可以在较小换热空间下达到要求真空度；2.能够根据实际运行要求，灵活调整制冷系统制冷量从而调节凝汽设备喷水温度和通过蒸发器的水量，使凝汽设备达到合适真空，提高热力系统经济性；3.降低机组气候环境影响程度，增强系统出力稳定性；4.目前空冷或湿冷系统都将排汽凝结热放入大气，本系统可将部分凝结热及制冷压缩机功耗转化热等全部通过冷凝器回收，用来加热给水，减少了低温端热量损耗，可以有效减少低加抽气，提高系统经济性，降低煤耗，并且可以降低环境热污染；5.由于部分凝结水再循环，在凝汽设备中喷淋后与排汽混合换热有助于凝结水中氧的逸出，因此可以降低凝结水含氧量，减轻低加及管路腐蚀。
附图说明
图1是本发明装置示意图；
图2是本发明装置另一实施例示意图。
图中各标号含义如下：1.锅炉、2.过热器、3.汽轮机、4.喷水机构、5.凝汽器、6.凝汽器热井、7.凝结水泵、8.锅炉供水回输分路、8-1.连通热力发电供水管路的支路、9.冷却水分路、9-1.连通喷水机构的支路、10.循环泵、11.风冷散热器、12.小汽轮机、13.制冷压缩机、14.蒸发器、15.冷凝器、16.膨胀阀、17.凝结水精处理器、18.凝结水升压泵、19.低压加热器、20.除氧器、21.给水泵、22.高压加热器、23.电站锅炉给水管路、24-30.阀门、31.发电机。
具体实施方式
本发明对热力电站凝汽式汽轮机排汽采用混合冷却方式，凝汽器热井的凝结水分成两路，一路依次进入风冷换热器和制冷设备蒸发器降温，然后由凝汽器喷水机构喷入凝汽器内与汽轮机排汽混合传热，吸收汽轮机排汽凝结热，维持凝汽设备真空；另一路经过制冷设备的冷凝器，吸收冷凝器放热，温度升高后再进入低压加热器，实现热量转移，减少热量损失，提高热经济性。所述制冷设备由蒸汽驱动小汽轮机提供动力或为吸收式制冷机，其工质为氨、氟利昂或者其它绿色冷媒。本发明以温度较低的水通过喷水机构喷入凝汽器内与汽轮机排汽混合传热传质，由于混合传热系数远大于表面式传热系数，因此具有更好的经济性。汽轮机排汽先被空冷散热器冷却，然后部分凝结水再被制冷循环蒸发器冷却，制冷循环可以采用蒸汽压缩式，也可以采用吸收式，虽然耗了一定功，但是保证机组出力稳定和经济性。
参看图1，本发明装置(图中虚线框所示)包括位于凝汽器5内的喷水机构4、制冷循环设备、凝结水泵7、循环泵10、风冷散热器11及相应的连接管路和阀门。制冷循环设备包括制冷压缩机13、小汽轮机12、蒸发器14、冷凝器15和膨胀阀16，制冷循环设备也可以采用吸收式制冷机。凝汽器热井6的排水口分别连通冷却水分路9和锅炉供水回输分路8。所述冷却水分路9上设有循环泵10，冷却水分路经风冷散换热器、蒸发器与喷水机构连通，构成闭式循环，冷却水分路9在风散换热器出口处还设有直接连通喷水机构的支路9-1。锅炉供水回输分路8设有凝结水泵7，锅炉供水回输分路经冷凝器15通入电站锅炉给水管路23，锅炉供水回输分路8还设有直接连通电站锅炉给水管路的支路8-1。
仍参看图1，所述装置正常运行时，凝结水从热井6出来后分成两路，一路进入冷却水分路9，其中，大部分凝结水由该分路进入循环泵10，由风冷散热器11降温，通过蒸发器14再次降温后，经阀门25进入喷水机构4喷入凝汽器5的喉部；从风冷换热器11出来的另外一部分凝结水可经直接连通喷水机构的支路9-1进入凝汽器的喷水机构，此工况下阀门24关闭。从热井6出来的另外少部分凝结水进入锅炉供水回输分路8，在该分路中凝结水经凝结水泵7，一部分经阀门28进入冷凝器15吸热后再经阀门29送入热力发电供水管路23，另一部分则由直接连通热力发电供水管路的支路8-1送入热力发电供水管路23，通过阀门28可以控制进入冷凝器15的凝结水流量。
仍参看图1，当室外环境满足机组稳定经济运行要求时，所述制冷循环设备可以停用，这时凝结水从热井6出来后分成两路，一路进入冷却水分路9，大部分凝结水在该分路依次进入循环泵10、风冷散热器11和阀门26后进入喷水机构4，此工况下阀门25和27关闭。从热井6出来的另外少部分凝结水进入锅炉供水回输分路8，经凝结水泵7、阀门30送入热力发电供水管路23，此工况下阀门28、29关闭。
仍参看图1，锅炉供水经热力发电供水管路23和其上依次设置的凝结水精处理器17、凝结水升压泵18、低压加热器19、除氧器20、给水泵21、高压加热器22通入锅炉1，水蒸汽在锅炉中形成，再经过热器2继续加热为过热蒸汽，过热蒸汽引入汽轮机3内膨胀做功。
参看图2，这是本发明装置另一实施例示意图(图中虚线框所示)，其工作过程与图1装置基本相同，不同之处是冷却水分路9未设置连通喷水机构的支路，冷却水分路的水经蒸发器14、喷水机构4喷入凝汽器喉部。
本发明经济效益估算如下：
以上海汽轮机厂N600-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽轮机为例估算，该机组主蒸汽和再热蒸汽的额定温度为538℃，环境温度18℃时，机组设计背压一般为15kPa，对应饱和温度53.97℃。为简便起见，这里以回热/再热循环的初、终温度的算术平均代替回热/再热循环的平均吸热温度，则理想循环热效率为51.9％。
采用本发明专利中提到的冷却方法可以将机组背压降到所要求的经济真空值，比如为4.2kPa，对应饱和温度29.81℃，则理想循环热效率为55.46％。
因此采用本发明冷却方法后可提高循环热效率3.56％。
按机组蒸汽初参数16.7MPa，538℃计算，对应焓值为3395.93kJ/kg，设计背压15kPa及采用本发明冷却方法后背压4kPa下对应的焓值、理想焓降及循环热效率表2所示。
| 工况 | 排汽压力(kPa) | 排汽温度(℃) | 对应焓值(kJ/kg) | 理想焓降(kJ/kg) | 理想循环热效率(％) |
| 直冷设计工况 | 15 | 53.97 | 2598.73 | 797.2 | 51.9 |
| 本发明冷却工况 | 4.2 | 29.81 | 2555.58 | 840.35 | 55.46 |
汽轮机在设计工况下排汽量为1217.57t/h(338.2kg/s)，两种工况下机组对应理想焓降下的理想功率分别为：
W1＝Q×Δh1×η1＝338.2×797.2×0.519＝139929.2kJ/s
W2＝Q×Δh2×η2＝338.2×840.35×0.5546＝157620.9kJ/s
两者差值ΔW＝W2-W1＝157620.9-139929.2＝17691.7kJ/s
故采用本发明冷却方法后比直冷机组设计工况多做功：相当于煤耗降低2.87％，如果平均煤耗按300g/kW·h，相当于煤耗降低8.61g/kW·h。按年运行5500小时，其年发电量33亿千瓦时，则节约标煤约2.69万吨，以价格500元计算，可节省用煤费用1345万元，同时可减少粉尘排放5044.4吨，减少二氧化碳排放2.07万吨，减少二氧化硫排放206.62吨。
上面的分析是理论分析，实际节能效果要根据现场运行参数进行计算，汽轮机排汽背压与环境温度，喷水温度与喷水量等因素都有关系，另外还要考虑压缩机的功耗，因为进入制冷系统蒸发器和冷凝器的水温差别不是很大，因此制冷系统性能系数比较高，压缩机功耗的计算也需要综合考虑通过蒸发器的水温与水量，通过冷凝器的水温与水量等因素，但总的来说采用本方法可以提高机组经济性和运行稳定性。
Claims (3)
1.一种辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却方法，其特征在于：汽轮机排汽采用混合冷却方式，凝汽器热井的凝结水分成两路，一路依次进入风冷散热器和制冷设备蒸发器降温，然后由凝汽器喷水机构喷入凝汽器内与汽轮机排汽混合传热，吸收汽轮机排汽凝结热，维持凝汽设备真空；另一路经过制冷设备冷凝器，温度升高后进入低压加热器，实现热量转移；所述制冷设备由蒸汽驱动小汽轮机提供动力或为吸收式制冷机，其工质为氨、氟利昂或者其它绿色冷媒。
2.一种如权利要求1所述方法使用的辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却装置，其特征在于：它包括位于凝汽器(5)内的喷水机构(4)、制冷循环设备、凝结水泵(7)、循环泵(10)、风冷散热器(11)及相应的连接管路和阀门，所述制冷循环设备包括制冷压缩机(13)、小汽轮机(12)、蒸发器(14)、冷凝器(15)和膨胀阀(16)；所述凝汽器热井(6)的排水口分别连通冷却水分路(9)和锅炉供水回输分路(8)，所述冷却水分路上设有循环泵(10)，冷却水分路经风冷散换热器、蒸发器与喷水机构连通，构成闭式循环；所述锅炉供水回输分路设有凝结水泵(7)，锅炉供水回输分路经冷凝器通入电站锅炉给水管路，锅炉供水回输分路(8)还设有直接连通热力发电供水管路的支路(8-1)。
3.根据权利要求2所述的辅助热力电站凝汽式汽轮机排汽冷却装置，其特征在于：所述冷却水分路(9)在风散换热器出口处还设有直接连通喷水机构的支路(9-1)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120523 Termination date: 20131014 |