CN102650218A - 配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机涉及一种火电站使用的采用水氢氢冷却方式配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机。本发明包括汽轮发电机本体、氢冷密封罩壳、蒸发冷却管箱、蒸汽喷射器、喷射器进汽调节阀、8号低压加热器、蒸发冷却管箱给水管、管箱给水调节阀、液位传感器和DCS控制系统；充分利用汽轮机组已有的真空系统、循环水系统、凝结水系统、辅助抽汽系统、回热系统，采用在高真空条件下蒸发冷却的方法解决氢气温度过高限制汽轮发电机出力问题，并可回收热氢放出的热量，降低汽轮发电机组的热耗；同时大幅度降低闭式水系统的功耗和投资；氢温可控性好，最佳氢温运行可提高汽轮发电机的可靠性，延长汽轮发电机寿命。

Description

配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机

(一)技术领域：

本发明配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机涉及一种火电站使用的采用水氢氢冷却方式配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机。

(二)背景技术：

现有技术的汽轮发电机通常采用水氢氢冷却方式，效率约99％。1％的损耗产生的热量分别由氢气冷却器(简称氢冷器)、定子内冷水冷却器、冷油器和励磁系统冷却设施带走，其中氢冷器带走的热量占有较大份额。现有技术的氢冷器是一种表面式热交换器，氢侧高度肋化，水侧使用淡水或者除盐水对流冷却，该水对热交换管应无腐蚀和结垢倾向，为确保汽轮发电机安全运行，氢冷器水压应低于氢压。现有技术的汽轮发电机通常每台机配有4台氢冷器，分2组装置在汽轮发电机两端的氢冷密封罩壳内。

现有技术氢冷器进口水温对汽轮发电机的出力有重大影响，只有当氢冷器进口水温≤38℃时，才能保证汽轮发电机在额定负荷下长期安全运行。当氢冷器进口水温升高到42℃时，汽轮发电机的安全出力只有额定负荷的77％；反之，当氢冷器进口水温降低到28℃时，汽轮发电机的安全出力可以升高到额定负荷的108.5％。

现有技术的氢冷器的水侧通常采取低温升、高流量的设计以保证氢、水之间有较大的传热温压，通常汽轮发电机氢冷器水侧的温升为5K，350MW等级的汽轮发电机氢冷器冷却水流量高达400t/h；600MW和1000MW等级的汽轮发电机氢冷器冷却水流量基本与汽轮发电机的出力成线性关系。

随世界工业化的进程，淡水资源日益紧张，特别是适合氢冷器直接使用的低钙、镁离子，低氯根、低固形物、低耗氧量的淡水资源更为稀缺，大多数火电站使用闭式水来冷却氢气所谓闭式水即闭式循环的除盐水，以确保汽轮发电机的安全运行。闭式水由开式循环水通过一个闭式水冷却器来冷却，通常闭式水温比开式循环水温要高5K，这是换热所需要的温压。

(三)发明内容：

所要解决的技术问题：

当开式循环水温度超过33℃时，闭式水温度将超过38℃，由于氢冷器进口水温对现有技术的汽轮发电机的出力有重大影响，汽轮发电机开始限出力。对我国南部的火电站一年之内会有较多时数循环水温度超过33℃；对东南亚的火电站循环水温度超过33℃可成为常态；对采用间接空冷的缺水地区的火电机组，一年之内也会有较多时数闭式水温度超过38℃，现有技术的汽轮发电机只能以降低出力来应对。

现有技术的氢冷器的水侧通常采取低温升、高流量的设计以保证氢、水之间有必要的传热温压，使氢冷器成为闭式水系统的最大用户；由于其它用户的需要，闭式水循环泵的出口水压颇高于氢压，为确保汽轮发电机安全运行，满足氢冷器水压应低于氢压的要求，需要在氢冷器入口设置减压调节阀。高流量和较高的水压使现有技术的氢冷器在运行中发尘较大能耗。大容量的板式闭式水冷却器需要进口，价格昂贵，闭式水循环水泵和开式循环水升压水泵运行功耗较大。

解决其技术问题采用的技术方案：

本发明配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机采取与现有技术完全不同的技术路线解决水氢氢冷却方式的汽轮发电机在高温高湿气象条件下的氢气冷却问题。本发明充分利用汽轮机组已有的真空系统、循环水系统、凝结水系统、辅助抽汽系统、回热系统，采用在高真空条件下蒸发冷却的方法解决氢气温度过高限制汽轮发电机出力问题，并可回收热氢放出的热量，降低汽轮发电机组的热耗；同时大幅度降低闭式水系统功耗和投资。

以350MW的汽轮发电机为例：现有技术的氢冷器，其水侧温升5K，焓增20.9kJ/kg，400t/h共吸热8.36×10⁶kJ/h。水在真空状态0.001MPa(a)到0.005MPa(a)区间的汽化潜热为2484.38kJ/kg到2423kJ/kg，只要在该真空状态区间下蒸发3406.68kg/h的水，其吸热量与温升5K，流量400t/h的闭式水相同。水在真空状态0.001MPa(a)到0.005MPa(a)区间的饱和温度(也称沸腾温度)为6.97℃到32.88℃，颇低于38℃；水对氢冷器传热管内壁的放热系数α₂，水蒸发时的沸腾放热系数远大于水的强迫对流放热系数。

本发明配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机包括汽轮发电机本体(1)、氢冷密封罩壳(2)、蒸发冷却管箱(4)、蒸汽喷射器(5)、喷射器进汽调节阀(6)、8号低压加热器(7)、蒸发冷却管箱给水管(8)、管箱给水调节阀(9)、液位传感器和DCS控制系统；氢冷密封罩壳(2)与蒸发冷却管箱(4)的上管板结合构成蒸发式氢气冷却系统需要的高真空汽空间；氢冷密封罩壳(2)与蒸发冷却管箱(4)的上管板以下部分结合构成承压的氢气放热流道；蒸发式氢气冷却系统高真空汽空间所需要的0.001MPa(a)到0.005MPa(a)区间的真空状态用蒸汽喷射器(5)实现，蒸汽喷射器(5)有两组喷嘴，启动喷嘴的汽源采用厂用辅助抽汽系统来的0.8MPa到1.3MPa的过热蒸汽，常态喷嘴的汽源采用汽轮机7段抽汽；蒸汽喷射器(5)的扩压器出口接汽轮机侧8号低压加热器(7)的汽侧，由凝结水回收热量；在蒸汽喷射器(5)的启动喷嘴前设置有喷射器进汽调节阀(6)受DCS控制系统控制，调节蒸汽喷射器(5)的启动喷嘴进汽压力可以控制蒸发冷却管箱(4)上部汽空间的真空度，从而控制冷氢温度在最佳目标值；主机带压力凝结水经管箱给水调节阀(9)、蒸发冷却管箱给水管(8)进入蒸发冷却管箱(4)的盘式下联箱，管箱给水调节阀(9)的开度受液位传感器和DCS控制系统控制，维持蒸发冷却管箱(4)的上管板上有50mm厚的水层。

换一角度看，蒸发冷却管箱(4)可以理解为从热氢吸取热量的形状高度特异化的真空式锅炉，它只有肋化蒸发传热管束和分布式降水管；每根肋化蒸发传热管氢侧(管外侧)高度肋化，以降低氢侧热阻；垂直布置的肋化蒸发传热管并联管数众多，但高度不超过500mm，以避免过大的水静压引起水饱和温度的升高；分布式降水管与肋化蒸发传热管平行、等高、未肋化，内径为肋化蒸发传热管内径的3至4倍，厚壁，与上、下管板结合构成刚度良好的扁管箱构架，足以抵抗0.8MPa的压差；氢冷密封罩壳(2)的上部与蒸发冷却管箱(4)的上管板构成一个硕大的汽包；蒸发冷却管箱(4)的下管板附带盘式下联箱；硕大的汽包、肋化蒸发传热管、分布式降水管、盘式下联箱组成良好的自然循环回路；为便于组装，蒸发冷却管箱给水管(8)由氢冷密封罩壳(2)的顶部进入，直达蒸发冷却管箱(4)的盘式下联箱。

本发明配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机也可以理解为以蒸汽喷射器(5)为射流式热泵，把热氢放出的热量经低压蒸汽输送回8号低压加热器(7)回收利用，成为汽轮机组回热系统的一部分，有效降低汽轮发电机组的热耗；常态喷嘴的汽源采用汽轮机7段抽汽可以降低汽轮发电机组热耗，设置启动喷嘴解决了汽轮发电机组在启动工况和低负荷工况下7段抽汽压力不足问题。

本发明可用于设计新一代的配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机，也可用于对现有技术在役电站水氢氢冷汽轮发电机的改造。

发明的有益效果：

●完美解决高温高湿气象条件下汽轮发电机的氢气冷却问题，避免出现因闭式水温度高限制汽轮发电机出力的现象；

●适用于空冷或者间接空冷汽轮发电机组，避免出现因闭式水温度高限制汽轮发电机出力的现象，零水耗；

●避免用开式水冷却氢气带来的氢冷器腐蚀、结垢等不安全因素；

●减小闭式水热交换器容量，减少闭式水热交换器投资；

●减少闭式水循环泵和开式循环水升压泵功耗；

●完全避免现有技术氢冷器的闭式水压力可能高于氢压的不安全因素；

●可回收热氢放出的热量，降低汽轮发电机组热耗；

●氢温可控性好，最佳氢温运行可提高汽轮发电机的可靠性，延长汽轮发电机寿命；

●依托本发明可以制造出单轴1300MW功率因素0.9适应各钟气象条件的汽轮发电机组。

(四)附图说明：

图1为现有技术汽轮发电机氢冷系统结构图。

在氢冷密封罩壳(2)内布置了2台现有技术氢气冷却器(3)，汽轮发电机两端各有1个氢冷密封罩壳(2)，共布置了4台现有技术氢气冷却器(3)，图1只画出了单端的结构图。

箭头表示氢气流向，在图1中，热氢由左侧进入现有技术氢气冷却器(3)，流出现有技术氢气冷却器(3)的冷氢被引导到汽轮发电机轴流风扇的入口。

图2为配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机系统结构图。

图2中只画出了单端；液位传感器和DCS控制系统未在图中画出，以避免系统结构图过于繁杂。

氢冷密封罩壳(2)与蒸发冷却管箱(4)组合为一个具有蒸发式氢气冷却器功能的功能体，热氢由左侧进入蒸发冷却管箱(4)的肋化侧，放出热量，流出的冷氢被引导到汽轮发电机轴流风扇的入口。

在蒸汽喷射器(5)的启动喷嘴前设置有喷射器进汽调节阀(6)，常态喷嘴前无调节阀，蒸汽喷射器(5)的两组喷嘴出口的超音速射流，使蒸汽喷射器(5)的混合室形成高真空，抽吸蒸发冷却管箱(4)产生的蒸汽，并在蒸汽喷射器(5)的扩压段扩压，使混合蒸汽能流畅进入汽轮机侧8号低压加热器(7)的汽侧，由凝结水回收热量。

8号低压加热器(7)的水侧和汽侧系统是本发明利用汽轮机侧已有的系统，在图2中8号低压加热器(7)的水侧仅以简化方式画出。

主机带压力凝结水经管箱给水调节阀(9)、蒸发冷却管箱给水管(8)进入蒸发冷却管箱(4)的盘式下联箱，管箱给水调节阀(9)的开度受液位传感器和DCS控制系统控制，维持蒸发冷却管箱(4)的上管板上有50mm厚的水层。

蒸发式氢气冷却系统包括氢冷密封罩壳(2)、蒸发冷却管箱(4)、蒸汽喷射器(5)、喷射器进汽调节阀(6)、8号低压加热器(7)、蒸发冷却管箱给水管(8)、管箱给水调节阀(9)、液位传感器和DCS控制系统。

在图1、图2中的附图标记：

1 汽轮发电机本体、  2 氢冷密封罩壳、       3 现有技术氢气冷却器、

4 蒸发冷却管箱、    5 蒸汽喷射器、         6 喷射器进汽调节阀、

7 8号低压加热器、   8 蒸发冷却管箱给水管、 9 管箱给水调节阀。

(五)具体实施方式：

以下以一台350MW等级水氢氢冷却方式的汽轮发电机为例，结合图2进一步说明本发明配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机实现发明的优选方式：

本发明配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机包括汽轮发电机本体(1)、氢冷密封罩壳(2)、蒸发冷却管箱(4)、蒸汽喷射器(5)、喷射器进汽调节阀(6)、8号低压加热器(7)、蒸发冷却管箱给水管(8)、管箱给水调节阀(9)、液位传感器和DCS控制系统；氢冷密封罩壳(2)与蒸发冷却管箱(4)的上管板结合构成蒸发式氢气冷却系统需要的高真空汽空间；氢冷密封罩壳(2)与蒸发冷却管箱(4)的上管板以下部分结合构成承压的氢气放热流道；蒸发式氢气冷却系统高真空汽空间所需要的0.001MPa(a)到0.005MPa(a)区间的真空状态用蒸汽喷射器(5)实现，蒸汽喷射器(5)有两组喷嘴，启动喷嘴的汽源采用厂用辅助抽汽系统来的0.8MPa到1.3MPa的过热蒸汽，常态喷嘴的汽源采用汽轮机7段抽汽；蒸汽喷射器(5)的扩压器出口接汽轮机侧8号低压加热器(7)的汽侧，由凝结水回收热量；在蒸汽喷射器(5)的启动喷嘴前设置有喷射器进汽调节阀(6)受DCS控制系统控制，调节蒸汽喷射器(5)的启动喷嘴进汽压力可以控制蒸发冷却管箱(4)上部汽空间的真空度，从而控制冷氢温度在最佳目标值；主机带压力凝结水经管箱给水调节阀(9)、蒸发冷却管箱给水管(8)进入蒸发冷却管箱(4)的盘式下联箱，管箱给水调节阀(9)的开度受液位传感器和DCS控制系统控制，维持蒸发冷却管箱(4)的上管板上有50mm厚的水层。

蒸发冷却管箱(4)采用分组整体肋片式结构，既降低氢侧热阻又便于蒸发冷却管相互定位，肋片厚度0.4mm，无氧铜，肋间距4mm，；垂直布置的肋化蒸发传热管Φ10×1，无氧铜，并联1800管(单侧)，氢侧有效冷却高度440mm；肋片与管束钎焊以降低热阻，肋化比约1∶10；分布式降水管Φ38×5与肋化蒸发传热管平行、等高、未肋化，180根(单侧)，均布，20G碳钢材质；分布式降水管与上、下管板牢固结合构成刚度良好的扁管箱构架，足以抵抗0.8MPa的压差；氢冷密封罩壳(2)的上部与蒸发冷却管箱(4)的上管板构成一个硕大的汽包；下管板附带盘式下联箱；硕大的汽包、肋化蒸发传热管、分布式降水管、盘式下联箱组成良好的自然循环回路；为便于组装，蒸发冷却管箱给水管(8)由氢冷密封罩壳(2)的顶部进入，直达蒸发冷却管箱(4)的盘式下联箱。

Claims (4)

1.一种配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机，其特征在于：包括汽轮发电机本体(1)、氢冷密封罩壳(2)、蒸发冷却管箱(4)、蒸汽喷射器(5)、喷射器进汽调节阀(6)、8号低压加热器(7)、蒸发冷却管箱给水管(8)、管箱给水调节阀(9)、液位传感器和DCS控制系统；氢冷密封罩壳(2)与蒸发冷却管箱(4)的上管板结合构成蒸发式氢气冷却系统需要的高真空汽空间；氢冷密封罩壳(2)与蒸发冷却管箱(4)的上管板以下部分结合构成承压的氢气放热流道；蒸发式氢气冷却系统高真空汽空间所需要的0.001MPa(a)到0.005MPa(a)区间的真空状态用蒸汽喷射器(5)实现，蒸汽喷射器(5)有两组喷嘴，启动喷嘴的汽源采用厂用辅助抽汽系统来的0.8MPa到1.3MPa的过热蒸汽，常态喷嘴的汽源采用汽轮机7段抽汽；蒸汽喷射器(5)的扩压器出口接汽轮机侧8号低压加热器(7)的汽侧，由凝结水回收热量；在蒸汽喷射器(5)的启动喷嘴前设置有喷射器进汽调节阀(6)受DCS控制系统控制，调节蒸汽喷射器(5)的启动喷嘴进汽压力可以控制蒸发冷却管箱(4)上部汽空间的真空度，从而控制冷氢温度在最佳目标值；主机带压力凝结水经管箱给水调节阀(9)、蒸发冷却管箱给水管(8)进入蒸发冷却管箱(4)的盘式下联箱，管箱给水调节阀(9)的开度受液位传感器和DCS控制系统控制，维持蒸发冷却管箱(4)的上管板上有50mm厚的水层。

2.根据权利要求1所述的配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机，其特征是所述的蒸发冷却管箱(4)可以理解为从热氢吸取热量的形状高度特异化的真空式锅炉，它只有肋化蒸发传热管束和分布式降水管；每根肋化蒸发传热管氢侧(管外侧)高度肋化，以降低氢侧热阻；垂直布置的肋化蒸发传热管并联管数众多，但高度不超过500mm，以避免过大的水静压引起水饱和温度的升高；分布式降水管与肋化蒸发传热管平行、等高、未肋化，内径为肋化蒸发传热管内径的3至4倍，厚壁，与上、下管板结合构成刚度良好的扁管箱构架，足以抵抗0.8MPa的压差。

3.根据权利要求1所述的配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机，其特征是所述的氢冷密封罩壳(2)的上部与蒸发冷却管箱(4)的上管板构成一个硕大的汽包；蒸发冷却管箱(4)的下管板附带盘式下联箱；硕大的汽包、肋化蒸发传热管、分布式降水管、盘式下联箱组成良好的自然循环回路。

4.根据权利要求1所述的配有蒸发式氢气冷却系统的汽轮发电机，其特征是所述的蒸发冷却管箱给水管(8)由氢冷密封罩壳(2)的顶部进入，直达蒸发冷却管箱(4)的盘式下联箱。

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