CN104197737B - 一种用于直接空冷系统的节能冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种用于直接空冷系统的节能冷却装置，其包括：主排汽管，汽轮机排出的蒸汽流入主排汽管；上升管，上升管与主排汽管连通，竖直向上，蒸汽由主排汽管进入上升管向上流动；水平分配管，水平分配管一端与上升管连通，蒸汽由上升管进入水平分配管，水平分配管另一端下部与空冷器管束连通；空冷器管束，空冷器管束上端与水平分配管连通；凝结水集水管，经过空冷器管束冷却的水进入凝结水集水管；在水平分配管内设置喷淋设备。采用本发明的冷却装置，夏季使用可以有效加快汽轮机乏汽冷凝过程，提高系统的真空度，降低汽轮机背压，降低汽轮机排气温度，有效提高汽轮机的工作效率，减少进入直接空冷系统的热负荷。

Description

一种用于直接空冷系统的节能冷却装置

技术领域

本发明涉及一种节能冷却装置，特别涉及一种用于直接空冷系统的节能冷却装置。

背景技术

随着全球水资源危机的日益加剧，空冷发电技术应运而生，并在近年来得到迅速发展。火电厂是水资源消耗大户，其耗水量占工业总耗水量的20％左右。我国华北、西北、东北地区是煤炭主产地，但是水资源严重短缺，成为电力发展、经济建设的制约因素。

与常规的湿式冷却技术相比，空冷技术最大的优点是节水，采用空冷机组可使发电厂用水减少80％，甚至高达85％。

直接空冷是以空气代替水作为冷却介质对汽轮机排气进行冷却，用空冷凝汽器代替传统的水冷凝汽器。由于直接空冷系统是直接利用干空气进行冷却，因此，直接空冷机组的冷却能力取决于进入空冷器的空气温度，在夏季，空气温度较高，这将导致空冷器冷却能力下降，造成机组的真空度降低，背压升高，机组的实际出力低于设计出力，降低了机组的经济性和安全性。因此，直接空冷机组在夏季高温时段出力下降，不能满负荷运行是我国空冷机组的一个普遍问题。

目前解决直接空冷系统夏季负荷受限问题的技术有两类：一类是不对原有的空冷系统进行改造，新增一套尖峰冷却装置分担空冷负荷；另一类是通过加装冷却装置提高空冷系统在高温环境下的换热性能。

通过另建一套尖峰冷却装置分担空冷负荷的方法，是将机组排汽系统中抽取部分比例的蒸汽排入增设的尖峰冷却系统中。该系统在夏季高温时段的投入使用，可以有效补偿空冷系统冷却能力的不足，解决负荷受限的问题。新增的冷却系统通常采用湿冷装置，从而形成干湿联合冷却的方式。这种方法目前应用极少，主要原因是成本太高，不仅需要高昂的初始投资成本，而且运行成本也非常高。

通过加装冷却装置提高空冷系统在高温环境下换热特性的方法，目前有蒸发冷却和喷雾冷却两种方法。蒸发冷却的原理是将雾化的除盐水直接喷在换热器表面，利用水气化吸热降低换热器表面温度，从而增强换热器的换热效果；喷雾冷却的原理是将雾化的除盐水喷在冷却风机的出口或入口，利用水气化吸热降低换热器周围空气的温度，没有气化的水滴依靠空气流动携带进入空冷器表面吸热，从而提高空冷器换热性能，达到降低机组背压的目的。这两种冷却方法的最大区别是除盐水的用量，喷雾冷却除盐水的耗用量一般是蒸发冷却的好几倍。但是这两种方法均存在下述缺点：1)浪费除盐水，冷却水喷淋到大气中，不能回收，使得机组耗水量增大，增加运行成本；2)喷水后冷却空气湿度加大，散热器翅片管表面湿度加大，空气中的灰尘更容易粘附在散热器翅片管上，造成翅片管容易脏污，降低换热效率；3)在实际应用中，如果喷雾器安装位置或喷淋系统设计不合理而达不到喷淋效果，将导致喷淋系统耗水量过大，甚至比同等条件下湿冷机组的耗水量还多，并在空冷岛下方形成“雨区”。

为了克服上述缺点，中国专利文献CN102564157B公开了一种直接空冷系统节能冷却装置，其特点是喷淋冷却过程是在蒸汽管道内进行，而不是传统的在空冷凝汽器上或者周围空气中进行。其技术方案详见图1。

CN102564157B公开的直接空冷系统节能冷却装置，在汽轮机低压缸(10)的排汽管上升管道(12)即空冷凝汽器进汽管道上加装有与除盐水箱(17)的除盐水相连通的喷水装置。该发明的空冷系统在环境温度较高、机组高背压条件下运行时，直接对空冷凝汽器的进汽进行冷却，可以降低机组背压，达到节能降耗、提高机组出力的目的。该技术是通过在汽轮机排汽管上升管道内加装雾化喷水装置，将除盐水雾化引入空冷凝汽器的进汽中，从而降低空冷凝汽器的热负荷，提高机组运行的真空度。

CN102564157B公开的直接空冷系统节能冷却装置由于采用在排汽管内喷淋，就克服了现有的通过加装冷却装置提高空冷系统在高温环境下换热特性的方法所存在的缺点。

发明内容

但是，本发明人在实践中发现，该技术存在一个明显的缺点，因为该装置是在汽轮机排汽上升管道内进行喷雾冷却，而上升管道是汽轮机的主排汽管道，这将增大主排汽管道内的蒸汽量和乏汽的流动阻力，从而增加汽轮机的排气阻力，导致汽轮机效率降低。

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于直接空冷系统的节能冷却装置，其其特征在于，其包括：

主排汽管，汽轮机排出的蒸汽流入主排汽管；

上升管，上升管与主排汽管连通，竖直向上，蒸汽由主排汽管进入上升管向上流动；

水平分配管，水平分配管一端与上升管连通，蒸汽由上升管进入水平分配管，水平分配管另一端下部与空冷器管束连通；

空冷器管束，空冷器管束上端与水平分配管连通；以及

凝结水集水管，经过空冷器管束冷却的水进入凝结水集水管；

其中，在水平分配管内设置喷淋设备。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备包括布水管和喷头，布水管设置在水平分配管内部，用于分配冷却水并连接喷头，喷头用于将冷却水雾化。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备是涵道形喷淋设备，包括布水管和设置于其上的多个喷头，所述多个喷头排列成纺锤形或者锥形，布水管安装在水平分配管内，以此形成涵道形的雾化冷却段。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备是环形喷淋管。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备是竖直喷淋管，在布水管上设置有多个竖直向下的喷头。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备是水平喷淋管，在布水管上设置有水平方向的喷头。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备设置在空冷器管束前。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备设置在空冷器管束竖直正上方。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备设置在空冷器管束入口处。

优选地，上述节能冷却装置，其中，可以有多组喷淋设备。

优选地，上述节能冷却装置，其中，在喷淋设备的入口处设置有喷水控制阀。在本发明中，这样设置可以有效保护控制阀电气元件而避免将其设于喷淋设备内部引起受潮，从而有利于系统真空严密性。由于在不同位置设置有多种喷水降温，通过加装的管道将冷却后的凝结水通到水平分配管内部的不同位置进行喷雾降温冷却。

优选地，上述节能冷却装置，其中，喷淋设备中，在布水管和喷头之间还装设有导管，通过导管将喷头连接于布水管上。

采用本发明的冷却装置，夏季使用可以有效加快汽轮机乏汽冷凝过程，提高系统的真空度，降低汽轮机背压，降低汽轮机排气温度，有效提高汽轮机的工作效率，减少进入直接空冷系统的热负荷。

附图说明

图1是现有技术CN102564157B公开的直接空冷系统节能冷却装置的示意图。

图2a是实施例1的冷却装置整体结构示意图；

图2b是图2a的冷却装置中与水平分配管连接的空冷器管束的侧视放大图；

图2c是图2a的冷却装置中喷淋设备的侧视放大图；

图2d是图2a的冷却装置中喷淋设备的布水管上设置的导管和喷头的放大图。

图3a是实施例2的冷却装置整体结构示意图；

图3b是图3a的冷却装置的喷淋设备的放大图；

图3c是图3a的冷却装置的与水平分配管连接的空冷器管束的侧视放大图。

图4a是是实施例3的节能冷却装置的整体结构示意图；

图4b是图4a的冷却装置中喷淋设备的放大图。

图5a是实施例4的节能冷却装置的整体结构示意图；

图5b是图5a的节能冷却装置中与水平分配管连接的空冷器管束的侧视放大图；

图5c是图5a的节能冷却装置的喷淋设备的局部放大结构示意图。

图6a是实施例5的节能冷却装置的整体结构示意图；

图6b是图6a的节能冷却装置中与水平分配管连接的空冷器管束的侧视放大图；

图6c是图6a的节能冷却装置的喷淋设备的局部放大结构示意图。

图7a是实施例6的节能冷却装置的整体结构示意图；

图7b是图7a的节能冷却装置中水平分配管和喷淋设备的局部放大图。

具体实施方式

汽轮机将蒸汽的热能转换为机械能，是火电和核电的主要设备之一，用于拖动发电机发电。就凝汽式汽轮机而言，从锅炉产生的新蒸汽经由主阀门进入高压缸，再进入中压缸，再进入低压缸，最终进入凝汽器。蒸汽的热能在汽轮机内消耗，变为蒸汽的动能，然后推动装有叶片的汽轮机转子，最终转化为机械能。背压其实叫汽轮机出口排汽压力,大家俗称背压。是指做完功以后的蒸汽还具有的一定压力。背压越低，汽轮机入口蒸汽压力与出口排汽压力的差值越大，越有利于将蒸汽的热能转化为机械能，发电效率越高。

用空冷凝汽器代替传统的水冷凝汽器，可以节约耗水量，但是在夏季由于空气温度较高，对蒸汽的冷却效果变差，就需要加装冷却装置，大部分冷却装置都是在管外进行喷淋，这就导致了如下问题：1)浪费除盐水，冷却水喷淋到大气中，不能回收，使得机组耗水量增大，增加运行成本；2)喷水后冷却空气湿度加大，散热器翅片管表面湿度加大，空气中的灰尘更容易粘附在散热器翅片管上，造成翅片管容易脏污，降低换热效率；3)在实际应用中，如果喷雾器安装位置或喷淋系统设计不合理而达不到喷淋效果，将导致喷淋系统耗水量过大，甚至比同等条件下湿冷机组的耗水量还多，并在空冷岛下方形成“雨区”。

为了解决这些问题，CN102564157B提出了在管内喷淋的概念，就是在汽轮机排汽上升管道内进行喷雾冷却，通过这样的技术措施，CN102564157B解决了管外喷淋造成的问题。但是，由于上升管道是汽轮机的主排汽管道，这就增大了主排汽管道内的蒸汽量和乏汽的流动阻力，从而增加汽轮机的排气阻力，导致汽轮机效率降低。

本发明人针对这一问题，经过长期研究和大量实践，发现如果在乏汽进入凝汽器的水平管道内进行喷淋，则既可以解决管外喷淋造成的问题，又可以解决在上升管道内喷淋造成的乏汽流动阻力增大从而导致汽轮机排气阻力增加导致汽轮机效率降低的问题。在此基础上，本发明人完成了本发明。

下面通过具体实施例阐释本发明，应当理解的是，本发明的保护范围不局限于所给出的实施例，所有符合本发明精神的变形或变体均属于本发明的保护范围。

实施例1

参见图2a、图2b、图2c和图2d，其是一种用于直接空冷系统的节能冷却装置，如图2a所示，其包括：主排汽管3，上升管4，水平分配管5，空冷器管束6，凝结水集水管7，其中，在水平分配管5内设置喷淋设备，该喷淋设备包括喷水管接头18(焊接固定装设在水平分配管5上，其一端连接布水管19，另一端连接水平分配管5外部的设有喷水控制阀17的管路，在不使用降温系统的季节，可以将其封堵，运行或维护检修时，方便打开和使用)、布水管19(装设固定在水平分配管5内，用来提供分配凝结水并可以支撑稳固导管20和喷头21)、导管20(用来连接固定喷头21的水管)、喷头21，另外还在喷淋设备外部设置有用于控制水量(冷却介质如除盐水或者收集的凝结水)的喷水控制阀17(其为1组或1组以上，该实施例中设为2组，控制装设在水平分配管5内某一个段或某一组的喷水开关)。

图2b是与水平分配管5连接的空冷器管束6的侧视图，其中直接空冷凝汽器呈A字形布置，该结构是电站常用的常规结构，由该侧视图可以看到喷水管接头18、布水管19、以及导管20和喷头21在水平分配管5内；图2c是图2a中喷淋设备设置在水平分配管5内部的圆环形布水管19的侧视放大图，由2c可以看出，喷水管接头18插入水平分配管5内连接布水管19和设有喷水控制阀17的管路，导管20将进入布水管19内的冷凝结水或其他冷却介质如除盐水导入到喷头21内；图2d是设置于布水管19上的导管20和喷头21的放大图。

其工作流程如下：汽轮机1排汽进入排汽装置2内，经过主排汽管3、上升管4、水平分配管5，高压低温水或其他冷却介质例如除盐水通过喷水控制阀17、喷水管接头18、布水管19、导管20，经喷头21雾化后迅速喷出，布水管19呈圆环形，多个喷头围绕该布水管圆环的圆周而设计于布水管(该布水管可以设有多个，在该实施例中设有2个布水管)之上，从而喷雾方式是环形旋流喷雾，水滴喷入到水平分配管5内遇到汽轮机的乏汽，温度低压力高的水滴在温度高压力低的环境下会迅速蒸发，降低乏汽的温度，从而达到降低乏汽温度、使之冷却的目的。冷却后的乏汽进入到空冷器管束6中，进一步冷凝后进入凝结水集水管7，再做进一步处理(进入凝结水集水管7的冷凝水在重力作用下通过凝结水回水管流回到排气装置的热井中(图未示)。其中，上面所述的进入喷淋设备的冷却介质也可以是将来自凝结水集水管7的凝结水再循环用作冷却介质。

实施例2

参见图3a-图3c，图3a是实施例2的节能冷却装置的整体结构示意图，图3b是图3a的冷却装置的喷淋设备的放大图，图3c是图3a的冷却装置中与水平分配管5连接的空冷器管束的侧视放大图。由图3a-图3c可以看出，实施例2的节能冷却装置与实施例1的节能冷却装置大致相同，不同之处在于，喷水控制阀17在该实施例中设为1组，通过喷水管接头将装设喷水控制阀17的管路与布水管连接，布水管是涵道形，多个喷头设于其上排列成纺锤形或者锥形，从而形成涵道形的雾化冷却段，在喷头的作用下，形成剧烈的涡流旋流，加速降温冷却。

实施例3

参见图4a和图4b，其是实施例3的节能冷却装置。其中，图4a是实施例3的节能冷却装置的整体结构示意图，图4b是图4a的冷却装置中喷淋设备的放大图。由图4a-图4b可以看出，与实施例1的节能冷却装置大致相同，不同之处在于，喷水控制阀17在该实施例中设为1组，通过喷水管接头18将装设喷水控制阀17的管路与布水管19连接，布水管19设置在空冷器管束6的区域前方，是两端部封闭的管道，在布水管19下方设置多个垂直向下的喷头，以实现在空冷器管束区前方进行垂直喷雾，即，当蒸汽未进入管束的前端时，在该区域内，在喷头喷出低温雾化的凝结水，迅速气化而降低温度。

实施例4

参见图5a-图5c，其是实施例4的节能冷却装置结构示意图；其中，图5a是实施例4的节能冷却装置的整体结构示意图，图5b是图5a的节能冷却装置中与水平分配管5连接的空冷器管束的侧视放大图，图5c是图5a的节能冷却装置的喷淋设备的局部放大结构示意图。由图5a-图5c可以看出，该冷却装置与实施例3的节能冷却装置大致相同，不同之处在于，喷水控制阀17在该实施例中设为1组，通过喷水管接头18将装设喷水控制阀17的管路与布水管19连接，布水管19设置在空冷器管束6的区域正上方，以实现在空冷器管束区上方进行垂直(竖直)喷雾。其中，当蒸汽在水平分配管5内，进入管束段时，在该区域内上端，喷头21喷出低温冷却介质，一部分雾化降低水平分配管5内的蒸汽温度，一部分凝结水雾裹挟着蒸汽进入到管束内部，进一步气化降温。

实施例5

参见图6a-图6c，其是实施例5的节能冷却装置结构示意图；其中，图6a是实施例5的节能冷却装置的整体结构示意图，图6b是图6a的节能冷却装置中与水平分配管5连接的空冷器管束的侧视放大图，图6c是图6a的节能冷却装置的喷淋设备的局部放大结构示意图。由图6a-图6c可以看出，该冷却装置与实施例4的节能冷却装置大致相同，不同之处在于，喷水控制阀17在该实施例中设为1组，通过喷水管接头18将装设喷水控制阀17的管路与布水管19连接，布水管19设置在空冷器管束的紧上方，每一个管束入口处设置一个喷头21(这里，管束6入口处的喷头21布置方向优选和管束6的倾斜方向一致)，导管20用来连接布水管19和喷头21，将凝结水或其他冷却介质从布水管19输送到喷头21内，以实现在空冷器管束入口处喷雾。即，在水平分配管5内，蒸汽进入管束时，管束入口处，在喷头21喷出低温凝结水，雾化的低温凝结水雾裹挟着蒸汽进入到管束内部，气化降温。

实施例6

参见图7a-图7b，其是实施例6的节能冷却装置结构示意图；其中，图7a是实施例6的节能冷却装置的整体结构示意图，图7b是图7a的节能冷却装置中水平分配管和喷淋设备的侧视放大图。由图7a-图7b可以看出，该冷却装置与实施例1的节能冷却装置大致相同，不同之处在于，喷水控制阀17在该实施例中设为1组，通过喷水管接头18将装设喷水控制阀17的管路与布水管19连接，布水管19设置在空冷器管束的区域前方，布水管19上设置水平方向的喷头(这里可以设置通过导管连接喷头，也可无需导管而直接将喷头固定在布水管上；在该实施例中具体设计为后者即无导管的实施方式，布水管19起到固定喷头的作用，该喷头设计为旋流喷头，其体积及喷流量均较大)，以实现在空冷器管束区域前方水平喷雾，即，当蒸汽未进入管束的前端时，在该区域内，在喷头水平旋流喷出低温雾化的凝结水，迅速气化而降低温度。

技术效果

将本发明的实施例1的装置(其中冷却介质是来自凝结水集水管7的凝结水)应用于某火力发电厂，其汽轮发电机组的型号为CZK200－12.75/0.981/535/535，下面表1示出了电厂对该空冷凝汽器降温系统要求的设计参数、该设备的实际运行参数以及采取了本发明的喷淋设备后的运行参数详细对比情况。

(表1见下页)

表1设计参数——实际运行参数——采取喷淋措施运行参数的对比表

由上表可以看出，使用本发明的技术后，排汽装置的背压即排汽压力降低了66KPa，可以降低蒸汽进入空冷系统的热量，提高系统的真空度，从而提高汽轮机的工作效率。

Claims (11)

1.一种用于直接空冷系统的节能冷却装置，其特征在于，其包括：

主排汽管，汽轮机排出的蒸汽流入主排汽管；

上升管，上升管与主排汽管连通，竖直向上，蒸汽由主排汽管进入上升管向上流动；

水平分配管，水平分配管一端与上升管连通，蒸汽由上升管进入水平分配管，水平分配管另一端下部与空冷器管束连通；

空冷器管束，空冷器管束上端与水平分配管连通；以及

凝结水集水管，经过空冷器管束冷却的水进入凝结水集水管；

其中，在水平分配管内设置喷淋设备，喷淋设备包括布水管和喷头，布水管设置在水平分配管内部，用于分配冷却水并连接喷头，喷头用于将冷却水雾化。

2.根据权利要求1所述的节能冷却装置，其中，喷淋设备是涵道形喷淋设备，包括布水管和设置于其上的多个喷头，所述多个喷头排列成纺锤形或者锥形，布水管安装在水平分配管内，以此形成涵道形的雾化冷却段。

3.根据权利要求1所述的节能冷却装置，其中，喷淋设备是环形喷淋管。

4.根据权利要求1所述的节能冷却装置，其中，喷淋设备是竖直喷淋管，在布水管上设置有多个竖直向下的喷头。

5.根据权利要求1所述的节能冷却装置，其中，喷淋设备是水平喷淋管，在布水管上设置有水平方向的喷头。

6.根据权利要求1-5任一项所述的节能冷却装置，其中，喷淋设备设置在空冷器管束前。

7.根据权利要求1-5任一项所述的节能冷却装置，其中，喷淋设备设置在空冷器管束竖直正上方。

8.根据权利要求1-5任一项所述的节能冷却装置，其中，喷淋设备设置在空冷器管束入口处。

9.根据权利要求1-5任一项所述的节能冷却装置，其中，设置有多组喷淋设备。

10.根据权利要求1-5任一项所述的节能冷却装置，其中，在喷淋设备的入口处设置有喷水控制阀。

11.根据权利要求1-5任一项所述的节能冷却装置，其中，喷淋设备中，在布水管和喷头之间还装设有导管，通过导管将喷头连接于布水管上。