CN103899369A - 双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统提供了一种火电站使用的闭式水冷却系统，较好解决了高温高湿气象条件下闭式水冷却问题。本发明摒弃用开式循环水去冷却闭水循环水的常规，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水蒸发冷却的方法解决闭式水温度过高限制汽轮发电机组出力问题，并可回收闭式水放出的热量，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。

Description

双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统

(一)技术领域：

本发明双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统涉及一种火电站使用的闭式水冷却系统。

(二)背景技术：

现有技术的火电站使用的闭式水即闭式循环的除盐水，用作冷却介质的闭式水，其用户包括汽轮发电机氢冷器、汽轮发电机内冷水冷却器、汽机侧各种水泵的密封水冷却器、汽机侧多种水泵电机的水空冷却器、轴承冷却器、小机主油泵轴承冷却器、真空泵工作密封水冷却器、汽轮机猫爪冷却器、高压主汽门冷却器、中压联合汽门冷却器、送风机电机水空冷却器、控制油站冷却器、一次风机电机水空冷却器、润滑及控制油站冷却器、引风机电机水空冷却器、润滑及控制油站冷却器、空气预热器轴承油冷却器、制氢站冷却器、化学取样架冷却器、磨煤机轴承油冷却器、启动炉水循环泵用冷却器等，闭式水是保证火电站主机和辅机安全运行的重要条件。闭式水吸收的热量在闭式水冷却器中由开式循环水带走。

现有技术火电站通常使用的闭式水冷却器是板式换热器，也有少数电站使用管壳式换热器。板式换热器和管壳式换热器均为水水热交换器，即在换热板片两侧、换热管内外侧，工质对壁面的传热方式均为受迫对流放热。

板式换热器是一种结构紧凑的高效换热器，以逆流换热方式工作，通常其冷端端差为5K，如期望以进一步减小冷端端差的方法来降低闭式水温度，改善闭式水的冷却效果，其代价是增加投资、增加板式换热器的板片数，冷端端差从5K降低到3.5K，投资约增加40％。

随世界工业化的进程，淡水资源日益紧张，特别是适合闭式水冷却器直接使用的低钙、镁离子，低氯根、低固形物、低耗氧量的淡水资源更为稀缺，火电站使用海水、城市中水作为开式循环水或者开式循环水补充水使用的案例日益增多，板式换热器的板片和管壳式换热器的传热管的材质越用越好，但闭式水冷却器的平均无故障小时数不升反降。

(三)发明内容：

所要解决的技术问题：

在高温高湿的气象条件下，当开式循环水温度超过33℃时，闭式水温度将超过38℃，由于闭式水温度是保证火电站主机和辅机安全运行的重要条件，闭式水温度超过38℃可能引起汽轮发电机组限出力。对我国南部的火电站一年之内会有较多时数开式循环水温度超过33℃；对东南亚的火电站开式循环水温度超过33℃可成为常态；对采用空冷或者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组只能以限制出力来应对。

当开式循环水温度超过33℃时，用减小冷端端差的方法来降低闭式水温度，不仅代价巨大而且效果有限，冷端端差不可能降到0。

现有技术的闭式水冷却器无论闭式水侧还是开式水侧通常采取低温升、高流量的设计以保证闭式水侧与开式水侧之间有必要的传热温压；为提高板式换热器的传热系数，通常采用高雷诺数、高紊流度的设计，其代价是高压差、高能耗；板式换热器流道的当量直径只有7mm左右，为防止流道堵塞，在开式循环水侧必须配置自清污滤网，又增加了开式循环水升压泵的能耗；大容量的板式闭式水冷却器需要进口，价格昂贵。

解决其技术问题采用的技术方案：

本发明的目的是提供一种双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统采取与现有技术完全不同的技术路线解决在高温高湿的气象条件下，当开式循环水温度超过33℃时，闭式水温度将超过38℃的问题。本发明摒弃用开式循环水去冷却闭水循环水的常规，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水蒸发冷却的方法解决闭式水温度过高限制汽轮发电机组出力和改善主、辅机冷却条件的问题，并可回收闭式水放出的热量，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。

现以一台闭式水流量为2000t/h，闭式水温降7K(45℃降至38℃)的闭式水冷却器为例说明：闭式水焓降29.25kJ/kg，2000t/h共放热58.5×10⁶kJ/h，如开式循环水温升也是7K(33℃升至40℃)，开式循环水流量至少需要2000t/h。水在真空状态0.001MPa(a)到0.004MPa(a)区间的汽化潜热为2484.38kJ/kg到2432.31kJ/kg，只要在该真空状态区间下蒸发23.8t/h的水，其吸热量与温升7K，流量2000t/h的开式循环水相同。水在真空状态0.001MPa(a)到0.004MPa(a)区间的饱和温度(也称沸腾温度)为6.97℃到28.96℃，颇低于33℃；水的沸腾放热系数远大于强迫对流放热系数。

本发明双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统包括蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)、蒸汽喷射器(2)、8号低压加热器(3)、膜化水泵(4)、喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)、喷射器常态喷嘴进汽截止阀(6)、凝结水补水管(7)、凝结水补水调节阀(8)、液位传感器和DCS控制系统；双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统需要的0.001MPa(a)到0.004MPa(a)区间的真空状态用蒸汽喷射器(2)实现，蒸汽喷射器(2)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5段抽汽；蒸汽喷射器(2)的扩压器出口接汽轮机侧的8号低压加热器(3)的汽侧，由凝结水回收热量；在蒸汽喷射器(2)的启动喷嘴前设置有喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)，受DCS控制系统控制调节喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)的开度，可以控制蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体内的真空度，从而控制闭式水出口温度在最佳目标值(可以低于33℃)；主机带压力的凝结水经凝结水补水调节阀(8)、凝结水补水管(7)进入蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体，凝结水补水调节阀(8)的开度受液位传感器和DCS控制系统控制，维持蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体内的水位淹没蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的U型管束底部约20mm；蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的进水端抬高100mm。

蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)主要由U型管束、真空包壳、膜化水分配装置组成；闭式水在U型管束的管内流动，U型管束的管外侧表面接受膜化水分配装置均匀淋下的微水滴，在U型管束的管外侧表面形成水膜；水膜在高真空条件下蒸发吸热，闭式水放热完成蒸发冷却的闭式水冷却器的功能。

膜化水泵(4)从蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)真空包壳的下部贮水区吸水，增压后进入蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的膜化水分配装置；膜化水泵(4)的流量出力为水蒸发量的2至5倍；水的膜化处理手法有效降低了水的蒸发温度，显著提高了蒸发冷却的闭式水冷却器的冷却效能。

喷射器常态喷嘴进汽截止阀(6)在主机启动和低负荷工况时关闭，避免因5段抽汽压力过低影响蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的真空度。

本发明双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统也可以理解为以蒸汽喷射器(2)为射流式热泵，把热闭式水放出的热量籍低压蒸汽输送回8号低压加热器(3)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5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5段抽汽压力不足问题，也改善了闭式水出口水温的可控性，使闭式水温低于开式水温成为可能选项。

本发明可用于设计新电站，采用双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统，也可用于对现有技术在役电站的闭式水冷却系统的改造。

发明的有益效果：

●较好解决了高温高湿气象条件下闭式水冷却问题，避免出现因闭式水温度高限制汽轮发电机组出力的现象；

●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组出力的现象，且零水耗；

●改善火电站主机和辅机的冷却条件，保证发电机组安全运行；

●热泵式工作原理，闭式水温度可以低于开式循环水温度；

●避免开式循环水带来的闭式水冷却器腐蚀、结垢等不安全因素，维护检修工作量小；

●大型板式换热器的升级换代产品，进口替代，显著减少闭式水热交换系统投资；

●无开式循环水升压泵功耗，显著减少闭式水循环泵功耗；

●可回收闭式水放出的热量，降低汽轮发电机组热耗。

(四)附图说明：

图1为双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统结构图。

在图1：

1 蒸发冷却的闭式水冷却器本体、 2 蒸汽喷射器、

3 8号低压加热器、              4 膜化水泵、

5 喷射器启动喷嘴进汽调节阀、  6 喷射器常态喷嘴进汽截止阀、

7 凝结水补水管、              8 凝结水补水调节阀。

(五)具体实施方式：

现以一台闭式水流量为2000t/h，闭式水温降7K，从37℃降至30℃，的双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统为例说明实现发明的优选方式：

本发明双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统包括蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)、蒸汽喷射器(2)、8号低压加热器(3)、膜化水泵(4)、喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)、喷射器常态喷嘴进汽截止阀(6)、凝结水补水管(7)、凝结水补水调节阀(8)、液位传感器和DCS控制系统；双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统需要的0.001MPa(a)到0.004MPa(a)区间的真空状态用蒸汽喷射器(2)实现，蒸汽喷射器(2)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5段抽汽；蒸汽喷射器(2)的扩压器出口接汽轮机侧的8号低压加热器(3)的汽侧，由凝结水回收热量；在蒸汽喷射器(2)的启动喷嘴前设置有喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)，受DCS控制系统控制调节喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)的开度，可以控制蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体内的真空度，从而控制闭式水出口温度在最佳目标值(可以低于33℃)；主机带压力的凝结水经凝结水补水调节阀(8)、凝结水补水管(7)进入蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体，凝结水补水调节阀(8)的开度受液位传感器和DCS控制系统控制，维持蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体内的水位淹没蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的U型管束底部约20mm；蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的进水端抬高100mm。

真空包壳由6mm不锈钢复合碳钢板焊接构成，也可以用6mm碳钢板内侧热喷涂0.3mm不锈钢层替代；真空包壳外侧焊有加强筋，并有绝热层全覆盖。

U型管束由公称直径Φ19×1316L无缝不锈钢缩放管组成，与管板以先胀后焊方式连接；U型管束公称总面积500m²。

膜化水泵(4)出力100m³/h，扬程29m。

膜化水泵(4)及蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)内置的膜化水分配装置均为不锈钢材质。

Claims (5)

1.一种双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统，其特征在于：包括蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)、蒸汽喷射器(2)、8号低压加热器(3)、膜化水泵(4)、喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)、喷射器常态喷嘴进汽截止阀(6)、凝结水补水管(7)、凝结水补水调节阀(8)、液位传感器和DCS控制系统；双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统需要的0.001MPa(a)到0.004MPa(a)区间的真空状态用蒸汽喷射器(2)实现，蒸汽喷射器(2)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5段抽汽；蒸汽喷射器(2)的扩压器出口接汽轮机侧的8号低压加热器(3)的汽侧，由凝结水回收热量；在蒸汽喷射器(2)的启动喷嘴前设置有喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)，受DCS控制系统控制调节喷射器启动喷嘴进汽调节阀(5)的开度，可以控制蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体内的真空度，从而控制闭式水出口温度在最佳目标值(可以低于33℃)；主机带压力的凝结水经凝结水补水调节阀(8)、凝结水补水管(7)进入蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体，凝结水补水调节阀(8)的开度受液位传感器和DCS控制系统控制，维持蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)壳体内的水位淹没蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的U型管束底部约20mm；蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的进水端抬高100mm。

2.根据权利要求1所述的双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统，其特征是所述的蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)主要由U型管束、真空包壳、膜化水分配装置组成；闭式水在U型管束的管内流动，U型管束的管外侧表面接受膜化水分配装置均匀淋下的微水滴，在U型管束的管外侧表面形成水膜；水膜在高真空条件下蒸发吸热，闭式水放热完成蒸发冷却的闭式水冷却器的功能。

3.根据权利要求1所述的双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统，其特征是所述的膜化水泵(4)从蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)真空包壳的下部贮水区吸水，增压后进入蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的膜化水分配装置；膜化水泵(4)的流量出力为水蒸发量的2至5倍；水的膜化处理手法有效降低了水的蒸发温度，显著提高了基于蒸发冷却的闭式水冷却器的冷却效能。

4.根据权利要求1所述的双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统，其特征是所述的蒸汽喷射器(2)为射流式热泵，把热闭式水放出的热量籍低压蒸汽输送回8号低压加热器(3)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。

5.根据权利要求1所述的双喷嘴蒸发冷却的闭式水冷却系统，其特征是所述的喷射器常态喷嘴进汽截止阀(6)在主机启动和低负荷工况时关闭，避免因5段抽汽压力过低影响蒸发冷却的闭式水冷却器本体(1)的真空度。

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