CN106959021A - 一种起膜冷凝真空系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种起膜冷凝真空系统，它包括起膜冷凝装置(1)、真空泵(2)、汽水分离器(3)和换热器(4)；所述的起膜冷凝装置(1)顶部的抽气接口(8)通过管道与所述的真空泵(2)的吸入口(2.1)连接，所述的真空泵(2)的排出口(2.2)通过管道与汽水分离器(3)上部的汽水分离器入口(3.1)连接，所述的汽水分离器(3.1)通过换热器(4)与真空泵(2)的回水口(2.3)连接；在所述的起膜冷凝装置(1)的底端设置有凝结水排水接口(7)与电厂凝汽器热井连接；它克服了现有技术中真空泵易汽蚀并增加了工质损失的缺点，具有简单高效，布置方便，无额外设备，可集成化布置，减小占地空间，节省成本的优点。

Description

一种起膜冷凝真空系统

技术领域

本发明涉及到冷凝装置技术领域，更加具体来说是一种起膜冷凝真空系统。

背景技术

由于受到电站所在地水源及占地面积的限制，目前国内大部分电站都采用间接水冷或空冷方式运行。对于间接水冷或空冷电站而言，其热效率受汽机运行背压的影响十分明显，在汽机的背压即排汽压力高于阻塞背压时，降低汽机的运行背压可以明显提升机组的热效率。而汽机的运行背压主要受制于凝汽系统的真空度，凝汽系统的真空度则取决于凝汽器系统能否高效的将汽轮机排汽冷凝成水。

在凝汽器中，透平末级排汽与冷却介质对流换热后，部分凝结形成近似饱和蒸汽和空气的混合物。随着凝结换热过程的进行，蒸汽空气混合物中的空气分压不断上升，造成蒸汽对应的饱和温度下降，并导致对流换热蒸汽侧流速下降，对流换热系数减小，使得凝汽器中真空不断下降。因此运行真空泵持续的抽出空气和蒸汽的混合物，对于保证对流换热效率，维持凝汽器真空至关重要。

抽真空系统的抽气中含蒸汽较高会导致凝汽器汽侧工质流速增加，换热系数显著增加，有利于提高凝汽器换热效率。但更高的蒸汽含量会增加抽气的体积并导致真空泵更易汽蚀，且增加了工质损失。

在电站表面式凝汽器后加装混合式冷凝装置，可以提高抽真空系统带出的蒸汽量，导致抽气流速和蒸汽分压的上升，有利于提高凝汽器汽侧的对流换热系数，降低机组的运行背压。该装置可迅速凝结抽气中的蒸汽，在保证在提高机组效率的同时，不增加真空泵汽蚀的程度，保证机组的稳定，安全运行。

目前已有的混合式冷凝真空系统往往采用水雾喷淋的方式让蒸汽在逆流通过水雾的过程中换热凝结成水，再由真空泵抽出不凝结气体。该种类型系统需要在冷凝罐上部设置喷嘴，并在喷嘴前设置雾化装置，导致整个冷凝真空系统十分复杂，并且在水雾化之后存在较多的小液滴会被上升的气流夹带出冷凝装置形成气液两相流，气液两相流在高速运动中极易引发管道震荡，会造成真空泵抽气量下降，极易造成抽真空系统排汽带水。如果在冷凝真空系统的冷凝罐顶部采用汽液分离装置则进一步增加了系统复杂程度和投资，增加了占地空间。由于在冷凝罐内蒸汽流速较快，停留时间不足同样导致蒸汽冷凝效率下降，并夹带大量液滴离开冷凝罐，造成工质损失。

发明内容

本发明的第一目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种起膜冷凝真空系统。

本发明的技术方案通过如下措施来实施的：一种起膜冷凝真空系统，它包括起膜冷凝装置、真空泵、汽水分离器和换热器；所述的起膜冷凝装置顶部的抽气接口通过管道与所述的真空泵的吸入口连接，所述的真空泵的排出口通过管道与汽水分离器上部的汽水分离器入口连接，所述的汽水分离器通过换热器与真空泵的回水口连接；在所述的起膜冷凝装置的底端设置有凝结水排水接口与电厂凝汽器热井连接。

在上述技术方案中：所述的起膜冷凝装置截面呈椭圆形，在所述的起膜冷凝装置中上部的两侧开有冷却水接口，在所述的起膜冷凝装置中下部两侧开有进汽接口，在所述的起膜冷凝装置包括整体呈椭圆形的筒体，在所述的筒体的上端和下端分别焊接有导流盖和凝结水室，在所述的筒体内的中上部焊接有混合热水室，在所述的筒体内的下部焊接有导流托盘。

在上述技术方案中：所述的筒体被所述的混合换热室分为三个腔体，分别为上部的混合换热室与所述的导流盖之间围成的汽水分离室、中部的混合换热水室以及所述的混合换热水室与所述的凝结水室之间围成的混合凝结室。

在上述技术方案中：所述的混合换热水室截面形状为圆形，在所述的混合换热水室内沿外侧周向等间距布置有八个通流筒；每个所述的通流筒均贯穿所述的混合换热水室上下两端，在所述的通流筒上开有若干个通流孔。

在上述技术方案中：所述的通流孔布置在所述的通流筒的中上部且分层错开布置；每个所述的通流孔沿所述的通流筒的壁向切向与径向呈60度，且每个所述的通流孔向下倾斜并与水平线之间的夹角为10度。

在上述技术方案中：所述的导流托盘的截面为圆形，所述的导流托盘盘向开有导流孔。

本发明包括如下优点：1、本发明中的混合换热水室配合通流筒及通流孔，使得水在重力作用下自流就能形成水膜，从而与蒸汽形成强烈的膜式换热，无需任何额外的喷嘴和雾化装置，在优化换热方式的基础上并不会增加额外的设备成本及占地空间，经济而高效。2、本发明中的通流筒在混合换热水室上的分布呈极轴对称，中心不设通流筒，蒸汽夹带液滴穿过通流筒后不会从抽气接口中直接离开冷凝器进入真空泵，而是在汽水分离室中和导流盖碰撞并再次冷凝后再进入抽气接口，因此蒸汽的冷凝效果更好，抽气中携带的蒸汽量更少，进入真空泵的气流温度更低，从而降低了真空泵的汽蚀风险。3、本发明的换热主要发生在混合冷凝室和混合换热水室中，由于进行的是水膜式换热，并不存在雾化的液滴，蒸汽中夹带的水滴和水雾换热相比显著减少，配合导流盖和汽水分离室，离开起膜冷凝装置进入真空泵的气体中仅携带少量液滴，可以提高抽气效率，大大减少排气带水。4、本发明中的通流孔在通流筒上沿切线方向倾斜60度并在中上部分层错落布置，保证了混合换热水室中的冷却水可沿通流孔斜向进入通流筒并沿壁面旋转流动，在混合换热水室出口处形成均匀、连续的水膜，水膜与蒸汽直接接触换热效果剧烈，相比常规的水雾换热，可以较大的提高蒸汽的凝结效率。5、本发明中的导流托盘和导流孔可以优化抽气的流场，一定程度降低蒸汽的流速并增加蒸汽在起膜冷凝装置中的停留时间，进一步增强了换热效果同时减少了气流中夹带的液滴量。6、本发明简单高效，布置方便，无额外设备，可集成化布置，减小占地空间，节省成本。

附图说明

图1为本发明的结构布置图。

图2为本发明中混合换热水室及通流筒的结构示意图。

图3为本发明中通流筒和通流孔的结构示意图。

图4为本发明中通流筒和通流孔的结构布置图。

图5为本发明中导流托盘及导流孔结构示意图。

图6为常规混合式冷凝真空系统示意图。

图7为蒸汽质量Q随过冷度△t的变化曲线。

图8为干空气总体积为V随过冷度△t的变化曲线。

图中：起膜冷凝装置1，筒体1.1、导流盖1.2、凝结水室1.3，混合换热水室1.4、汽水分离室1.5、混合凝结室1.6、导流托盘1.7、导流孔1.8、通流筒1.9、通流孔1.9.1、真空泵2、吸入口2.1、排水口2.2、回水口2.3、汽水分离器3、换热器4、冷却水接口5、进汽接口6、凝结水排水接口7、抽气接口8、冷却水雾化装置N1、雾化冷却水喷嘴N2。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明一种起膜冷凝真空系统，它包括起膜冷凝装置1、真空泵2、汽水分离器3和换热器4；所述的起膜冷凝装置1顶部的抽气接口8通过管道与所述的真空泵2的吸入口2.1连接，所述的真空泵2的排出口2.2通过管道与汽水分离器3上部的汽水分离器入口3.1连接，所述的汽水分离器3.1通过换热器4与真空泵2的回水口2.3连接；在所述的起膜冷凝装置1的底端设置有凝结水排水接口7与电厂凝汽器热井连接。

所述的起膜冷凝装置1截面呈椭圆形，在所述的起膜冷凝装置1中上部的两侧开有冷却水接口5，在所述的起膜冷凝装置1中下部两侧开有进汽接口6，在所述的起膜冷凝装置1包括整体呈椭圆形的筒体1.1，在所述的筒体1.1的上端和下端分别焊接有导流盖1.2和凝结水室1.3，在所述的筒体1.1内的中上部焊接有混合热水室1.4，在所述的筒体1.1内的下部焊接有导流托盘1.7。

所述的筒体1.1被所述的混合换热室1.4分为三个腔体，分别为上部的混合换热室1.4与所述的导流盖1.2之间围成的汽水分离室1.5、中部的混合换热水室1.4以及所述的混合换热水室1.4与所述的凝结水室1.3之间围成的混合凝结室1.6。

所述的混合换热水室1.4截面形状为圆形，在所述的混合换热水室1.4内沿外侧周向等间距布置有八个通流筒1.9；每个所述的通流筒1.9均贯穿所述的混合换热水室1.4上下两端，在所述的通流筒1.9上开有若干个通流孔1.9.1。

所述的通流孔1.9.1布置在所述的通流筒1.9的中上部且分层错开布置；每个所述的通流孔1.9.1沿所述的通流筒1.9的壁向切向与径向呈60度，且每个所述的通流孔1.9.1向下倾斜并与水平线之间的夹角为10度。

所述的导流托盘1.7的截面为圆形，所述的导流托盘1.7盘向开有导流孔1.8。

参照图1所示：下面详细阐述本发明中气体与液体在各个器件中的运转情况：本发明一种起膜冷凝真空系统，它包括起膜冷凝装置1、真空泵2、汽水分离器3和换热器4；所述的起膜冷凝装置1从抽气接口8处通过管道与真空泵2连接，真空泵2通过管道与所述的汽水分离器3连接，将从所述的起膜冷凝装置1中抽出的不凝结气体与部分未凝结蒸汽通入汽水分离器3中进行气水分离，分离出的气体通过上部排气口排入大气，分离出的水及蒸汽进一步冷凝后的水通过下部接口连入换热器4进行冷却，冷却后的水通入真空泵2回水口2.3，补充并冷却真空泵2工作液，以降低汽蚀风险。

所述的起膜冷凝装置1其截面为圆形，且筒体壁面有两个进汽接口6和两个冷却水接口5，其中两个冷却水接口5的水引自电厂化学补充水，两个进汽接口6的汽来自凝汽器。

在筒体1.1的上端和下端，采用焊接方式连接导流盖1.2和凝结水室1.3，在导流盖1.2顶端有抽气接口8连接到真空泵2，在凝结水室1.3底端有凝结水排水接口8连接到电厂凝汽器热井。混合换热水室1.4采用焊接方式与筒体1.1及导流盖1.2连接，导流托盘1.7采用焊接方式和所述的筒体1.1连接。筒体1.1被混合换热水室1.4分为3个腔体，分别为混合换热水室1.4本身、混合换热水室1.4和导流盖1.2之间的汽水分离室1.5以及混合换热水室1.4和凝结水室1.3之间的混合凝结室1.6。

参照图2-4所示：所述的混合换热水室1.4截面形状为圆形，所述的混合换热水室1.4截面中开有圆形截面的通流筒1.9，通流筒1.9围绕混合换热水室1.4的圆心呈极轴对称布置。为防止汽水混合物直接通过通流筒1.9进入汽水分离室1.5，混合换热水室1.4的圆心处不设通流筒。通流筒1.9筒壁面上打有多个通流孔1.9.1，所述的通流孔1.9.1沿壁面切向与径向呈60°并向下倾斜10°穿透通流筒1.9。所述通流孔1.9.1在通流筒壁面上分层错开布置，通流孔1.9.1布置在通流筒1.9的中上部以保证冷却水有足够空间沿筒壁旋转流动。

所述的混合换热水室1.4配合通流筒1.9及通流孔1.9.1，使得水在重力作用下自流就能形成水膜，从而与蒸汽形成强烈的膜式换热，无需任何额外的喷嘴和雾化装置，在优化换热方式的基础上并不会增加额外的设备成本及占地空间，经济而高效。

所述的通流筒1.9在混合换热水室1.4上的分布呈极轴对称，中心不设通流筒，蒸汽夹带液滴穿过通流筒1.9后不会从抽气接口8中直接离开冷凝器进入真空泵2，而是在汽水分离室1.5中和导流盖1.2碰撞并再次冷凝后再进入抽气接口8，因此蒸汽的冷凝效果更好，抽气中携带的蒸汽量更少，进入真空泵2的气流温度更低，从而降低了真空泵2的汽蚀风险。

参照图5所示：所述的导流托盘1.7为圆形截面，截面上分布导流孔1.8，可对所述的进汽接口6进入的蒸汽空气混合物流场进行优化，能一定程度降低蒸汽的流速并增加蒸汽在起膜冷凝装置1中的停留时间，进一步增强了换热效果同时减少了气流中夹带的液滴量。

参照图6所示：常规的混合式凝结真空系统，其冷凝装置采用冷却水雾化的方式，通过喷嘴将冷却水喷射进冷凝器中，实现和蒸汽的混合式换热。在该过程中蒸汽以较高的流速通过冷凝装置，其和冷却水的接触时间无法得到保证，蒸汽的冷凝效果不佳，从而导致进入真空泵的气流中蒸汽含量高，气流温度高，容易造成真空泵汽蚀，真空泵抽气温度增大导致真空泵需要更多温度更低的冷却回水，从而在一定程度上增大了冷凝真空系统中的汽水分离器及换热器的负担，增大能耗；除此之外水雾换热极易导致汽流中夹带大量液滴进入真空泵，从而导致抽气气流中需要被抽出的不凝结气体比重下降，大大降低抽气效果，长期运行无法保证凝汽器的真空度，从而降低机组的效率。由于采用雾化液滴冷凝方式，需要在冷凝器外设置雾化装置并在冷凝器内分层布置喷嘴，从而导致系统复杂，成本上升。大量雾化的液滴在高速汽流的夹带下离开冷凝装置，形成高速运动的气液两相流，极易发管道震荡，于电站管道布置及安全极为不利。若要消除以上影响，需要在冷凝装置外加装额外的气液分离器，进一步增加了系统复杂性和投资。因此常规的混合式凝结装置存在着系统复杂，成本较高，汽流容易夹带液滴造成管道震荡，无法保证蒸汽与冷却水换热时间等问题。

而对比图1及图6可以发现，本发明其核心在于通过对起膜冷凝装置中的新型混合换热水室和导流托盘的设计，实现了用效率更高的冷却水膜式换热替代冷却水雾化换热，在消除了常规冷凝真空系统的现有缺陷的同时，保证蒸汽在起膜冷凝装置内的高效凝结，在降低汽蚀风险的基础上提高了真空泵的抽气效果，从而降低了机组运行背压，提高了机组热效率。

下面以一组典型的间接空冷机组实际运行参数为例，计算采用了本发明的起膜冷凝真空系统后对反映机组运行背压的凝汽器抽气侧蒸汽含量及分压的影响。

改机组的具体参数如表1所示：

表1 某间接空冷机组部分运行参数

该干空气量为参照HEI标准根据凝汽器凝汽量选取经验值得到，取m₂＝61.24Kg/m³，抽气过冷度△t根据HEI标准取4.16℃。根据如下步骤计算不同工况下蒸汽和不凝结性气体混合物中蒸汽和干空气的分压以及汽气混合物的总体积：

(1)假定汽气混合物总压为P0(KPa)，蒸汽分压为P1(KPa)，干空气分压为P2(KPa)，而P1即为凝汽器运行压力下对应的蒸汽饱和温度减去过冷度所对应的饱和压力，且根据道尔顿分压定律有P0＝P1+P2。

(2)假定凝汽器运行压力P0下对应的饱和蒸汽温度为T0(℃)，则凝汽器实际运行温度Tr＝T0-△t(℃)

(3)P1为Tr对应下的饱和蒸汽压，而P0即为凝汽器的运行压力，因此可求得干空气分压P2。根据公式1、2，可得到蒸汽及干空气混合物体积。

P₂×v₂＝R_g×T_r (1)

m₂×v₂＝V (2)

(4)假定蒸汽质量为m1，饱和蒸汽对应P1下的蒸汽比容ν₁可根据饱和蒸汽表查出公式3可求得蒸汽质量m1。

m₁×v₁＝m₂×v₂ (3)

根据上述计算方法，计算出设计工况，THA工况以及夏季工况对应下的抽气中干空气和蒸汽的含量以及抽气的体积，计算结果如表2所示。

表2 计算结果

假设真空泵从凝汽器中每抽出1kg干空气所带出的蒸汽质量为Q，抽气中每1kg干空气所带的蒸汽及干空气总体积为V,根据道尔顿分压定律有：

根据表2、公式4和5，三种不同工况下不同过冷度△t对应的Q值以及V值分别如图7和图8所示。

以此空冷机组为例，对于常规冷凝真空系统，所选真空泵抽气容积为3681m³/h，抽干空气量为61.24Kg/h，假设△t＝4.16℃，结合图7与图8，迭代计算可以得到：当P₀＝10.3KPa时，△t＝3.03088℃。当26.9KPa时，△t＝1.36135℃。

而在采用了本发明的起膜冷凝真空系统之后，化学补充水按照流量为Dw＝10000kg/h，冷却水温度Tw＝20℃考虑。抽干空气量仍按D＝61.24Kg/h计算，抽气点压力按P₀＝10.3KPa，△t＝3.04℃考虑，抽气点的蒸汽分压力P₁＝8.8KPa，对应的饱和蒸汽比焓h₁和饱和水比焓h₂分别为：2579.5KJ/Kg和181.53KJ/Kg。假定每1kg干空气所对应的化补水为Ds(kg)＝Dw/D,根据热平衡有：

D_s×D×(h₁-h₂)＝D_w×(h₂-4.1868×T_w) (6)

带入数据计算得到，Ds＝6.56kg。对比常规冷凝真空系统，加装了本发明的起膜冷凝真空系统后每1kg空气所带出的蒸汽质量从3.66kg上升为10.22kg，每1kg空气对应的抽气体积由60.56m³上升为168.94m³，相应的△t从3.04℃下降至1.05℃。此时凝汽器中空气、蒸汽混合物的流速上升为原来的2.79倍使得凝汽器内对流换热系数上升。抽气中蒸汽比例的上升造成蒸汽分压上升，蒸汽饱和温度提高，也有利于混合物的冷凝，对流换热系数也更高。而在真空泵前增设起膜冷凝装置后，真空泵入口V值和△t与之前相比变化较小，但会使得凝汽器出口处的△t迅速下降，抽气所带蒸汽量迅速上升，可以在不增加真空泵汽蚀程度的条件下显著增强凝汽器汽侧的换热效率。而凝汽器冷端的效率上升会造成凝汽器内真空提高，有利于降低机组运行背压，提升机组热效率。

计算结果表明，本发明公开的一种起膜冷凝真空系统显著降低了凝汽器汽侧的热阻，在增加抽气带汽量的同时不会给真空泵造成额外的汽蚀危险，凝汽器真空上升，汽机运行背压下降，提高了机组热效率。

上述未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (6)

1.一种起膜冷凝真空系统，其特征在于：它包括起膜冷凝装置(1)、真空泵(2)、汽水分离器(3)和换热器(4)；所述的起膜冷凝装置(1)顶部的抽气接口(8)通过管道与所述的真空泵(2)的吸入口(2.1)连接，所述的真空泵(2)的排出口(2.2)通过管道与汽水分离器(3)上部的汽水分离器入口(3.1)连接，所述的汽水分离器(3.1)通过换热器(4)与真空泵(2)的回水口(2.3)连接；在所述的起膜冷凝装置(1)的底端设置有凝结水排水接口(7)与电厂凝汽器热井连接。

2.根据权利要求1所述的一种起膜冷凝真空系统，其特征在于：所述的起膜冷凝装置(1)截面呈椭圆形，在所述的起膜冷凝装置(1)中上部的两侧开有冷却水接口(5)，在所述的起膜冷凝装置(1)中下部两侧开有进汽接口(6)，在所述的起膜冷凝装置(1)包括整体呈椭圆形的筒体(1.1)，在所述的筒体(1.1)的上端和下端分别焊接有导流盖(1.2)和凝结水室(1.3)，在所述的筒体(1.1)内的中上部焊接有混合热水室(1.4)，在所述的筒体(1.1)内的下部焊接有导流托盘(1.7)。

3.根据权利要求1或2所述的一种起膜冷凝真空系统，其特征在于：所述的筒体(1.1)被所述的混合换热室(1.4)分为三个腔体，分别为上部的混合换热室(1.4)与所述的导流盖(1.2)之间围成的汽水分离室(1.5)、中部的混合换热水室(1.4)以及所述的混合换热水室(1.4)与所述的凝结水室(1.3)之间围成的混合凝结室(1.6)。

4.根据权利要求3所述的一种起膜冷凝真空系统，其特征在于：所述的混合换热水室(1.4)截面形状为圆形，在所述的混合换热水室(1.4)内沿外侧周向等间距布置有八个通流筒(1.9)；每个所述的通流筒(1.9)均贯穿所述的混合换热水室(1.4)上下两端，在所述的通流筒(1.9)上开有若干个通流孔(1.9.1)。

5.根据权利要求4所述的一种起膜冷凝真空系统，其特征在于：所述的通流孔(1.9.1)布置在所述的通流筒(1.9)的中上部且分层错开布置；每个所述的通流孔(1.9.1)沿所述的通流筒(1.9)的壁向切向与径向呈60度，且每个所述的通流孔(1.9.1)向下倾斜并与水平线之间的夹角为10度。

6.根据权利要求4或5所述的一种起膜冷凝真空系统，其特征在于：所述的导流托盘(1.7)的截面为圆形，所述的导流托盘(1.7)盘向开有导流孔(1.8)。