CN104919263A - 用于给水加热器的双端板低温冷却区 - Google Patents

用于给水加热器的双端板低温冷却区 Download PDF

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Abstract

蒸汽发电厂利用高压和低压给水加热器来提高整体系统效率。这两种类型的加热器一般包括与冷凝区分隔开的低温冷却区。能否成功的分隔这些区域对于整体系统效率很重要，特别是由于蒸汽从所述冷凝区泄漏至所述低温冷却区而导致的效率降低。本发明教导了用于改善此类给水加热器的区域分隔成功率的方法，所述方法通过将双端板用于所述低温冷却区，在所述冷凝区和低温冷却区之间创建三重分隔层，从而防止了意外的和导致效率降低的蒸汽泄漏。

Description

用于给水加热器的双端板低温冷却区
相关申请的交叉引用
本申请针对2013年1月21日提交的第61/754,754号美国临时申请主张权利。
技术领域
本发明涉及蒸汽发电厂和对具有低温冷却区(subcooling zone)和冷凝区(condensing zone)的高压和低压两种类型的给水加热器的建造和使用的改进。
背景技术
在蒸汽发电厂中，给水加热器被用于逐步提高给水的温度至锅炉运行条件的饱和温度。对给水进行预热改善了系统的热力学效率，降低了发电厂运营成本，并减少了对锅炉金属的热冲击。一个热力发电厂可以配有大量的给水加热器。
用于加热所述给水的能量通常源自从蒸汽涡轮机中抽取的蒸汽。由于本来要用于在涡轮机中做膨胀功(并因此生成电能)的蒸汽并非被用于该目的，所以必须小心的优化所述抽取的蒸汽以获得最大化的发电厂热效率。
给水加热器可以为开放式或封闭式热交换器。在开放式给水加热器中，所述抽取的蒸汽可以直接与所述给水加热器混合从而将其加热。
封闭式给水加热器通常具有外壳和管式热交换器，其中所述给水通过所述管并被在所述外壳内部以及所述管外部流动的涡轮抽取蒸汽加热。授予Fraser的第2,412,573号美国专利和授予Kawano的第 6,095,238号美国专利公开了此类封闭式系统的示例。在过去几年中对蒸汽发电厂的改进也有很多，例如授予Sieder的第2,729,430号美国专利和授予Thompson的第 2,812,164号美国专利。
在蒸汽发电厂中，位于锅炉给水泵的上游的给水加热器被称为高压给水加热器，而位于锅炉给水泵的下游的给水加热器被称为低压给水加热器。
在高压给水加热器中，所述涡轮抽取蒸汽具有巨大的过热量。因此，高压给水中的给水典型的在三个独立的分隔空间中分三个阶段被加热：过热冷却区；冷凝区；以及低温冷却区。在所述低温冷却区通过对冷凝的涡轮抽取蒸汽进行低温冷却来对所述给水加热器进行初始加热；在所述冷凝区通过所述冷凝的涡轮抽取蒸汽对所述给水加热器进行二次加热；在所述过热冷却区通过所述涡轮抽取蒸汽中的过热来对所述给水加热器进行最终加热。
在低压给水加热器中，涡轮排出蒸汽具有较小的过热量。因此，低压给水中的给水典型的在两个独立的分隔空间中分两个阶段被加热：冷凝区；以及低温冷却区。在所述低温冷却区通过对冷凝的涡轮抽取蒸汽进行低温冷却来对所述给水加热器进行初始加热；在所述冷凝区通过所述冷凝的涡轮抽取蒸汽对所述给水加热器进行二次加热和最终加热。
发明内容
待解决的技术问题如下：在高压和低压两种给水加热器中，必须防止冷凝区中的抽取蒸汽进入低温冷却区。如果抽取蒸汽进入了低温冷却区，低温冷却区中的冷凝物将会被加热，而不是被低温冷却，因此全部的冷凝物低温冷却功能将会失效。在主流的给水加热器设计中，是通过以下方式将低温冷却区与冷凝区隔离开来的：保持水平面高于低温冷却区的入口，并在低温冷却区的一端使用端板，从而使低温冷却区与冷凝区分开。所述端板通常为2”-3”厚，在所述端板上以紧公差(tight tolerance)钻出穿透所述端板的管孔。当蒸汽进入管外径和端板管孔之间的紧凑空间时，所述蒸汽被冷凝并形成水封闭(water seal)，从而防止蒸汽进入低温冷却区。
不适当的管孔钻孔误差、过度使用、正常磨损(wear and tear)或是这些情况的组合都会增大管外径和管孔之间的空隙。如果出现这些情况，蒸汽将从冷凝区进入，将冷凝物加热并降低低温冷却区、整个加热器乃至整个蒸汽发电厂的性能。每过一年，这个问题就会变得更加严重，直至效率已降无可降。最终必须替换该加热器。
本发明的目的就是防止蒸汽通过端板管孔进入低温冷却区，因为它是影响给水加热器性能的一个主要问题。
根据本发明，可以通过以下方式来防止蒸汽进入低温冷却区：在低温冷却区和冷凝区之间使用两块端板，并通过所述两块端板之间的水封闭来提供额外保护。根据本发明给水加热器配有低温冷却区，所述低温冷却区使用两块端板，而不是一块，所述端板上的管孔也钻成紧公差。
另外，半圆板被焊接至两块端板。扁平板被焊接至所述端板的顶部从而所述两块端板之间形成封闭空间。在连接所述两块端板的顶板上钻孔，使得冷凝物可以进入所述封闭空间；在所述圆板的底部钻孔，用于将冷凝物排出。在本发明的这个方面，通过小幅流动贯穿所述封闭空间的冷凝物形成水墙(water dam)。所述水墙小幅流动形成水封闭。
所述中间具有水封闭的双端板的优点在于在冷凝区和低温冷却区之间提供了三重隔离层。而现有技术仅有一重隔离层。
根据本发明，第一隔离层是通过管外径和外端板上的管孔之间的环形空间中收集的冷凝物来提供的。在处于冷凝区蒸汽饱和温度时，管外径和外端板上的管孔之间的环形空间中充满了冷凝物。由于温度不会降低，减少了冷凝区的蒸汽进入所述管孔和所述外端板上的管的外径之间的环形空间中的诱因。
根据本发明，第二隔离层是源于所述内外端板之间的水墙。所述内外端板之间的封闭空间在处于或略低于冷凝区饱和温度时充满冷凝物。来自冷凝区的、可能通过所述管外径和所述外端板上的管孔之间的环形空间泄漏的任何蒸汽都被所述水墙冷凝。
根据本发明，第三隔离层是通过占据了所述管外径和所述内端板上的管孔之间的环形空间的冷凝物形成的。来自冷凝区的、可能通过所述管外径和所述外端板上的管孔之间的环形空间泄漏的、由于某些原因未能被所述内外端板之间的水墙冷凝的任何蒸汽都被占据了所述管外径和所述内端板上的管孔之间的环形空间的冷凝物冷凝。
根据本发明的所述三重防护设计由双端板和所述双端板之间的环形冷凝物组成，防止了蒸汽进入低温冷却区。低温冷却区的性能得以保全，给水加热器的使用寿命也被延长。
附图说明
图1是蒸汽发电厂系统的示意图；
图2是封闭式系统高压给水加热器的侧面剖视图；
图2A显示了高压给水加热器中的蒸汽和给水的温度变化；
图3是封闭式系统低压给水加热器的侧面剖视图；
图3A显示了低压给水加热器中的蒸汽和给水的温度变化；
图4是现有技术中的给水加热器的低温冷却区的细节图；
图5是从冷凝区观察的图4的低温冷却区的截面图；
图6显示了用于标准低压给水加热器的低温冷却区的现有单端板设计的剖视图；
图7是根据本发明的双端板子系统的细节立体图；
图8是图7所示的双端板子系统的横截面图。
具体实施方法
参见附图，其中在多张图中相同或类似的标号表示相同或类似的组成部分，图1是蒸汽发电厂系统1000的块状图，所述系统1000形成过热蒸汽供给给由电力蒸汽涡轮机11驱动的发电机12以生成电能。从所述蒸汽涡轮机排出的低压蒸汽在蒸汽表面冷凝器13中被来自冷却塔、湖泊、河流或海洋的、通过入口130进入的冷水冷凝。作为备选方案，蒸汽可以在气冷式冷凝器中被冷凝，其中冷环境空气被用来将所述蒸汽涡轮机11排出的低压蒸汽冷凝。在所述水冷式或气冷式冷凝器13中被冷凝的蒸汽被冷凝泵14压入低压给水加热器15。通过管线152进入所述低压给水加热器15的冷凝物被称为给水。在所述低压给水加热器15中，所述给水被从所述蒸汽涡轮机11抽取的、通过入口150进入的蒸汽加热。在所述低压给水加热器15中被冷凝的所述抽取蒸汽通过出口151被排放进入所述蒸汽表面冷凝器13中。已加热给水通过管线155流入除气器16，其中使用从所述蒸汽涡轮机11抽取的、通过入口160进入所述除气器的蒸汽除去所述给水中的空气。来自所述除气器16的已加热给水被锅炉给水泵17经由入口182压入高压给水加热器18，其中所述给水被通过加热器入口180进入的涡轮抽取蒸汽进一步加热。所述被加热给水通过出口183流出并进入锅炉10。在所述高压给水加热器18中被冷凝的所述抽取蒸汽通过出口181被排出并经由入口161进入除气器16。根据尺寸的不同，发电厂可以具有多个高压和低压给水加热器。
图2更详细的显示了图1的封闭式高压给水加热器18的大致细节。高压给水加热器18具有3个区域：过热冷却区187；冷凝区189；以及低温冷却区188。在某些实施例中，所述高压给水加热器18可以仅配有冷凝区和低温冷却区。所述高压给水加热器18配有大量管，所述管用于运送所述给水。该图大致的显示了贯穿各个所述区域示例性管190。所述给水通过入口182进入所述加热器的管侧，沿着所述管流动并被加热。如图1所示，被加热的给水通过出口183离开所述高压给水加热器18并流入锅炉10。亦如图1所示，涡轮抽取蒸汽经由入口180进入所述高压给水加热器18，冷凝物经由出口181离开所述封闭式高压给水加热器18并回到除气器16。在低温冷却区188中，所述给水被低温冷却冷凝物加热。在冷凝区189中，来自所述冷凝抽取蒸汽的热能加热所述给水。在过热冷却区187中，通过所述抽取蒸汽的过热将所述给水进一步加热。通过封闭环191和端板185将冷凝区中的蒸汽与低温冷却区排出的冷凝物分离。入口184仅允许冷凝物进入低温冷却区188。
图2A例举了高压给水加热器中的低温冷却区、冷凝区和过热冷却区中的蒸汽和给水的相对温度，所述温度沿该图表的纵向轴分布。在图2A中，所述抽取蒸汽在过热冷却区中的温度从左向右降至接近饱和温度的值。在冷凝区中，所述抽取蒸汽的温度恒定保持在所述饱和温度。在所述冷凝区中，所述抽取蒸汽在管上冷凝，产生相变。在低温冷却区中，所述冷凝的抽取蒸汽被低温冷却至略高于给水入口温度的温度。所述管内的给水的流动方向与所述抽取蒸汽的流动方向相反，导致其在管外冷凝。如图2A所示，所述给水的温度随着它通过所述管流经低温冷却区、冷凝区、过热冷却区而升高。
图3显示了低压给水加热器15，用于和高压给水加热器18进行对比。配有低温冷却区的高压或低压给水加热器都将从本发明受益。低压给水加热器15具有两个区域：冷凝区157和低温冷却区158。该图大致的显示了贯穿所述两个区域中的每一个的示例性管159。给水经由入口155进入所述管，流经低温冷却区和冷凝区，并经由出口156排出。涡轮抽取蒸汽经由入口150进入低压给水加热器15并在冷凝区157冷凝。被冷凝的抽取蒸汽经由入口154进入低温冷却区158并且由于所述管中流动的给水而导致丧失了热量，从而被低温冷却。所述被低温冷却的冷凝物经由出口151离开所述低压给水加热器。
与图2A类似，图3A例举了低压给水加热器中的蒸汽和给水的相对温度，所述温度沿该图表的纵向轴分布。在图3A中，在冷凝区中，由于所述抽取蒸汽冷凝，所述抽取蒸汽的温度恒定保持在所述饱和温度。在相变过程中所述温度保持恒定。在低温冷却区中，由于所述管中流动的给水而导致热量丧失，冷凝的涡轮抽取蒸汽的温度降低。给水流动的方向与低温冷却区中的冷凝的抽取蒸汽的流动方向相反。随着所述给水流经低温冷却区和冷凝区，所述给水的温度稳定提高。
现有技术图4详细显示了低压给水加热器15的低温冷却区158的截面细节，其中管板152具有贯穿所述管板152的示例性管159。端板200在低温冷却区158和冷凝区157之间形成单一非焊接防护层。纵向挡板(longitudinal baffle)201、半圆形低温冷却区护罩202和封闭环153在所述两个区域之间共同形成焊接边缘。所述焊接边缘在冷凝区和低温冷却区之间形成永久防漏防护层。位于冷凝区157底部的冷凝物水平面299以正弦虚线表示，它始终充分的保持高于低温冷却区的入口154，确保了来自冷凝区的蒸汽不会进入低温冷却区。
现有技术图5是从右(或冷凝区157)侧显示的端板200的截面图，它显示了管孔203，管-例如示例性管159-从中穿过。以透视方式显示低温冷却区入口154，其位于冷凝物出口151的前方。冷凝区157(视图获取的方向)和低温冷却区158之间的焊接边缘为顶部的纵向挡板201、半圆形纵向挡板202和封闭环153(未示出)。包含管孔203和贯穿所述管孔的管的端板200是仅有的非焊接边缘，其将低温冷却区158和冷凝区157(视图获取的方向)分开。
现有技术图6例举了现有的低温冷却区158。纵向挡板201和纵向护罩202以及封闭环153(未示出)一起在冷凝区和低温冷却区之间形成焊接防护层。单端板200，由多个管（例如示例性管159）贯穿多个管孔203组成，在冷凝区157(未示出)和低温冷却区158之间形成单一非焊接防护层。端板200上的管孔203被钻成直径略高于所述管的直径，从而使所述管可以在端板200的管孔203中滑动。虽然预期情况是管外径和端板200上的管孔之间的环形空间中收集的水将形成贯穿所述加热器整个使用寿命的永久封闭，使用现有系统的运转负荷阻止了这种预期情况的出现。部分原因是给水加热器需要持续25到30年每天工作24小时。
图7和图8详细显示了基于附图6的现有技术的本发明，即使用包括双端板200和300(及其之间的水封闭)的端板系统2000在具有低温冷却区158的给水加热器中的低温冷却区158和冷凝区157(视图获取方向)之间形成三重防护层。在图7中，根据本发明用于具有低温冷却区的给水加热器的端板系统2000部分显示，其具有内端板200和外端板300。半圆板302被焊接至所述内端板200和所述外端板300。短水平板301(未整体示出)被焊接至所述内端板200的顶部和所述外端板300的顶部，而所述半圆板302以类似的方式被焊接至所述板，从而在中间形成水室。所述半圆板302的边缘在所述短水平板301的上方延伸，而横条则焊接至所述内端板200以及所述外端板300的顶部，从而在所述短水平板301的顶部形成水墙。在所述短水平板301上钻出小孔(未示出)，使冷凝物可以进入分别具有管孔203和303的所述端板200和300之间的水室。如图8所示，排水孔(以所示的排水孔305为代表)被置于所述半圆板302的底部以排放所述冷凝物。其目的是为了使所述端板之间的水室始终被充满，形成小股水流，防止冷凝物留滞。
根据本发明，通过使用由内端板200、外端板300和两个端板之间的水封闭组成的三重防护层设计来避免蒸汽进入低温冷却区，这是全世界给水加热器性能降低的主要原因之一。
所述外端板300通过精密钻出的管孔，形成第一防护层。蒸汽在所述管的外径和所述管孔之间的环形空间中冷凝。在所述小环形空隙中积累的冷凝物防止了任何其它蒸汽的进入。由于正常磨损、过度使用或端板钻孔时的微小错误，所述管外径和所述端板管孔之间的环形空隙会随着时间流逝而增大，来自冷凝区的蒸汽会突破所述第一防护层。
在这种情况下，进入的蒸汽将会与第二防护层接触并冷凝，所述第二防护层包括所述内外端板之间的环形空间中收集的冷凝物。
顶部的纵向挡板201上的进入孔和位于所述半圆柱302的底部的排放孔305使冷凝物形成小幅流动，防止其留滞在所述内外端板之间的水室中。
如果由于某些不可预期的原因，来自冷凝区的蒸汽突破了第一和第二防护层，它将被包括内端板200的第三防护层阻止进入低温冷却区。所述管外径和所述内端板200的管孔203之间的环形空隙阻止了来自冷凝区的蒸汽进入低温冷却区。
通过以上方法，根据本发明的双端板和贯穿所述双端板之间空间的环形冷凝物阻止了蒸汽进入低温冷却区。低温冷却区的性能得以保全，给水加热器的使用寿命也被延长。
虽然本发明描述了具体的部件配置，其它合适的配置和部件也可以被使用在封闭给水加热器的冷凝区和低温冷却区的成功率方面获得类似的效果，包括但不限于使用多个所述端板从而在所述低温冷却区和冷凝区之间提供一个以上的水封闭。
本领域技术人员在阅读了本发明后也会对本发明进行其它改进。这些改进将被本发明的保护范围覆盖，所述改进包括但不限于使用多个所述板及因此而创造的水封闭。

Claims (16)

1.一种用于给水加热器中的双端板装置，包括： 外端板，所述外端板将冷凝区与水封闭区分离，有多个管贯穿所述外端板上的孔； 内端板，所述内端板将低温冷却区与水封闭区分离，有多个管贯穿所述内端板上的孔； 由此所述水封闭区将所述内端板和所述外端板分离。
2.根据权利要求1所述的装置，所述装置进一步包括： 半圆板，所述半圆板被焊接至所述内端板和所述外端板； 水平板，所述水平板被焊接至所述内端板和所述外端板； 由此所述半圆板和所述水平板在所述内端板和所述外端板之间形成封闭空间。
3.根据权利要求2所述的装置，所述装置进一步包括位于就所述水平板上的孔，所述位于所述水平板上的孔用于使冷凝物流入并被收集在所述封闭空间中。
4.根据权利要求2所述的装置，所述装置进一步包括排放孔，所述排放孔位于所述半圆板的底部，用于排放所述封闭空间中收集的冷凝物。
5.一种用于低压给水加热器中的双端板装置，包括： 外端板，所述外端板将冷凝区与水封闭区分离，有多个管贯穿所述外端板上的孔； 内端板，所述内端板将低温冷却区与水封闭区分离，有多个管贯穿所述内端板上的孔； 由此所述水封闭区将所述内端板和所述外端板分离。
6.根据权利要求5所述的装置，所述装置进一步包括： 半圆板，所述半圆板被焊接至所述内端板和所述外端板； 水平板，所述水平板被焊接至所述内端板和所述外端板； 由此所述半圆板和所述水平板在所述内端板和所述外端板之间形成封闭空间。
7.根据权利要求6所述的装置，所述装置进一步包括位于就所述水平板上的孔，所述位于所述水平板上的孔用于使冷凝物流入并被收集在所述封闭空间中。
8.根据权利要求6所述的装置，所述装置进一步包括排放孔，所述排放孔位于所述半圆板的底部，用于排放所述封闭空间中收集的冷凝物。
9.一种用于高压给水加热器中的双端板装置，包括： 外端板，所述外端板将冷凝区与水封闭区分离，有多个管贯穿所述外端板上的孔； 内端板，所述内端板将低温冷却区与水封闭区分离，有多个管贯穿所述内端板上的孔； 由此所述水封闭区将所述内端板和所述外端板分离。
10.根据权利要求9所述的装置，所述装置进一步包括： 半圆板，所述半圆板被焊接至所述内端板和所述外端板； 水平板，所述水平板被焊接至所述内端板和所述外端板； 由此所述半圆板和所述水平板在所述内端板和所述外端板之间形成封闭空间。
11.根据权利要求10所述的装置，所述装置进一步包括位于就所述水平板上的孔，所述位于所述水平板上的孔用于使冷凝物流入并被收集在所述封闭空间中。
12.根据权利要求10所述的装置，所述装置进一步包括排放孔，所述排放孔位于所述半圆板的底部，用于排放所述封闭空间中收集的冷凝物。
13.一种用于低压给水加热器中的多端板装置，包括： 外端板，所述外端板将冷凝区与水封闭区分离，有多个管贯穿所述外端板上的孔； 至少一个额外端板，所述至少一个额外端板形成水封闭区的边缘，有多个管贯穿所述至少一个额外端板上的孔； 内端板，所述内端板将低温冷却区与水封闭区分离，有多个管贯穿所述内端板上的孔； 由此所述多个端板形成多个水封闭区，所述多个水封闭区将所述冷凝区和所述低温冷却区分离。
14.根据权利要求13所述的装置，所述装置进一步包括： 半圆板，所述半圆板被焊接至所述内端板、各个所述额外端板和所述外端板； 水平板，所述水平板被焊接至所述内端板、各个所述额外端板和所述外端板； 由此所述半圆板和所述水平板在所述内端板和所述外端板之间形成封闭空间。
15.根据权利要求14所述的装置，所述装置进一步包括位于就所述水平板上的孔，所述位于所述水平板上的孔用于使冷凝物流入并被收集在所述封闭空间中。
16.根据权利要求14所述的装置，所述装置进一步包括排放孔，所述排放孔位于所述半圆板的底部，用于排放所述封闭空间中收集的冷凝物。
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