CN1086226C - 具有整体式叠置通风冷凝器的蒸汽冷凝组件 - Google Patents

Abstract

一种具有整体式通风冷凝器的气冷式蒸汽冷凝器组件，具有一蒸汽总管、一排或多排在蒸汽总管和一(通常较低)的公共冷凝集水器之间的冷凝管道。该组件还有至少一排邻近冷凝管道的、将下集水器连接到通风总管的通风冷凝器或分凝器。该分凝器管道直径可以是与冷凝管道的直径相同或较大。

Description

具有整体式叠置通风冷凝器的蒸汽冷凝组件

发明领域

本发明总地涉及热传递设备，具体地涉及用于热交换的气冷式真空蒸汽冷凝器。

发明背景

蒸汽冷凝器通常用在发电工业中以提供其热动力兰金能量循环的拒热段。为了实现这一功能，蒸汽冷凝器都配备到低压汽轮机的出口处，以便将排出的蒸汽冷凝成液体，并使其恢复，以便在能量循环中重复使用。蒸汽冷凝器的主要功能在于在汽轮机出口处提供一低背压，一般在1.0和6.0英寸汞柱绝对高度之间。保持低背压可使能源工厂的热效率最高。

两种主要类型的蒸汽冷凝器为水冷表面冷凝器和气冷冷凝器。水冷表面冷凝器在现代发电厂中是一项主要的技术。然而，为了符合严格的环境要求，更多地使用气冷蒸汽冷凝器。

气冷蒸汽冷凝器从十九世纪三十年代以来一直在使用。现在这种冷凝器所受到主要的技术挑战是关于有效地排空冷凝液的手段以及在使汽轮机背压最小的同时收集和除去非冷凝的气体(一般为漏进该系统中的空气)。这些气冷蒸汽冷凝器一般呈A形框架结构，具有水平地设置在基部的风扇以及倾斜在其上方、空气从中流过的分离的冷凝器管道组件。通到这些冷凝器的管道组件的蒸汽入口位于顶部或顶层，这样蒸汽和任何产生的冷凝物共同在组件中向下流动。

通常一典型的气冷蒸汽冷凝器的各个组件都包括叠置在其中的四排或四排左右的管道。当空气流绕这些叠置管道排向上流动时，其温度升高而导致这些空气和以后的管道内部的蒸汽之间的温差相应减小。相继的管道排这种较低的温差使相对那个管道排产生的蒸汽流量和冷凝物流量较小。由于对于各个相继的管道排而言冷凝物和蒸汽流量较低，所以各个相继的管道排的两相流量压力降也较低。

对于一个简单的冷凝器而言，所有这些管道排都向一个公共的下集水器排出，该集水器处于与最高(第四排或最高一排管道)出口压力相等的压力下。因此，在公共下集水器中的蒸汽和非冷凝的气体先进入前三排管道的排出端。由于此时蒸汽进入一根管道的两个端部，非冷凝的气体(空气)在其中被收集起来。在气候寒冷的情况下，在冷凝物在这些空气囊中冷凝。同样，这些空气囊盖住热传递表面，从而减小了热气候情况下冷凝器的效率。没有被收集的非冷凝的气体一般用真空泵或喷射泵从下集水器排出。

解决蒸汽冷凝器存在的问题的理想方案是使排出各排管道的流体蒸汽保持完全分开。在美国专利第4,129,180号中这是蒸汽冷凝器的基本手段。该专利揭示了一种分开的下集水器而不是一个公共下集水器，下集水器的各个部分都有分开的冷凝物和通风管线，由于这种独立的管线，在各个管道排之间没有压力过渡，来自下集水器的各个部分的冷凝物管线进入一由水支线密封构成的公共排出罐，以平衡它们之间的不同压力。来自下集水器的各个部分的通风管线还独立地通到各个真空泵或喷射泵，以均匀地向大气排出。虽然这种手段是理想的，但由于排出管线和通风管的系统复杂，所以制造和安装成本较高。

通常所用的另一种设计是两级冷凝器。在主冷凝器中，蒸汽和冷凝物同时向下流，一起经过冷凝蒸汽所需的大约三分之二的热交换表面积。由于主冷凝器的表面积对于完全冷凝来说是不够的，所以各排中的剩余蒸汽流入主冷凝器的公共下集水器。这阻止了蒸汽和非冷凝气体流回这些管道排内。

然后这些剩余蒸汽流到一个单独的次级冷凝器，一般为分凝器，它包括全部冷凝器表面积的其余部分(大约三分之一)。这种分凝器的结构与主冷凝器类似，并且其各组集合有多个(通常为四排或四排左右)垂直叠置的管道。尽管如此，在此分凝器中，这种剩余的蒸汽和非冷凝的气体在被排出之前，在这些管道排中从一公共下集水器向上流动。尽管如此，由这种向上流动的剩余蒸汽流所产生的冷凝物，由于重力作用，逆向向下流回到供应这些管道排的公共下集水器。因此这种公共下集水器同时向这些管道排输送剩余的蒸汽和非冷凝的气体，以及从这些管道排中收集冷凝物。

主冷凝器下游的这样一个分离的通风冷凝器(或者分凝器)是用来防止主冷凝器中聚集任何非冷凝的气体。尽管如此，如果通风冷凝器本身还包括多排管道(通常是这情况)，这一通风冷凝器接着也将在其本身的低排管道中存在回流。因此，由于流入低排管道中的回流而引起的非冷凝气体的聚集问题将仅仅从主冷凝器移到通风冷凝器中。

美国专利第4,177,859号揭示了一种气冷式蒸汽冷凝器，其下集水器是带有隔板的。该下集水器还带有一独立的检修井，它可聚集来自第一或最底部管道排的冷凝物，而可使流过其中的蒸汽完全冷凝。这一检修井可检查来自第一排管道的冷凝物的温度。然而，该专利并没有揭示如何防止检修井中的冷凝物达到凝固温度时的凝固。而且该专利也没有讨论如何消除回流到管道中的现象，以避免非冷凝气体的循环。

其它的设计方案还涉及到固定孔或瓣阀，以均衡管道排之间的压降。还有的设计可以改变各排管道的叶片间隔、片高或片长，以实现一平衡的蒸汽压降的目的。一种在美国专利4,513,813中描述的新颖方案中将管道以多个通道水平布置。在此种布置中，通过各个管道的流动具有类似的冷却可能性，并且因此具有类似的冷凝速率和压降。然而，所有这些技术方案不是仅仅只能在蒸汽冷凝设计的工作状况下运行良好和/或就是价格上没有竞争力。

对于整体式通风冷凝器而言一个重要的设计极限是逆向流动限制了蒸汽蒸发的速度，在这种临界速度时，进入通风冷凝器的蒸汽是处于足以使逆向流动的冷凝物(因重力而流动)向上流动或倒流到通风冷凝器以阻止它排出。这种倒流的液体被大量收集而增加了通风冷凝器的压降，并且因此降低了空气排除系统的效率以及增加了汽轮机的背压。

因此本发明的一个目的在于提供一种与已知的空气流冷凝器相比维护和结构成本低的气冷式冷凝器。本发明的又一个目的是基本上消除在热交换器的多排管道中非冷凝气体的积聚。本发明的再一个目的在于通过在主冷凝器上叠置通风冷凝器来基本上消除冷凝管道中的冷凝物的凝固，两个冷凝器组合地或整体地构成一单个组件体，而不是分离但又靠近的两个组件。本发明还有一个目是在于将通风冷凝器置于一个区域中，该处空气温度已被加热到水的凝固点之上。本发明的一个附加目的在于通过以所有主冷凝管道排外的恒定的蒸汽流动，而在连续不断的基础上清除它们中的任何一种气体，而防止非冷凝气体的的积聚。本发明的另一个目的在于提供一种关于分凝器的入口结构的设计，以便增加逆向流动极限值，从而增加热交换器所允许的负载和流速。

本发明所独具的各种新颖的特点将在本文所附的、并构成本文一部分的权利要求书中具体指出。为了较好地理解本发明，即其运作优点和使用它所获得的特别效果，以下将结合附图中示出的本发明一个较佳实施例参照附图作详细的描述。

发明概述

本发明涉及一种具有整体式通风冷凝器的气冷式蒸汽冷凝器组件。这种蒸汽冷凝器具有一蒸汽总管，它被设计成用来将蒸汽输送到与之相连的至少一排细长冷凝管道中。一个公共冷凝集水器与蒸汽总管隔开，并且该分离的冷凝集水器连接到冷凝管着的第二相对端部。一部分通过冷凝管道的蒸汽被冷凝，其余的未被冷凝、或剩余的蒸汽部分连续流过冷凝管道并进入公共冷凝集水器。该冷凝集水器中没有将冷凝管道排分离或分开的隔板或分隔部分。至少一排通风冷凝管道与冷凝管道排整体地设置，并且各个通风冷凝管道具有一连接到冷凝集水器的底端。这些通风冷凝器管道一般平行于冷凝管道，并且没有冷凝或剩余的部分蒸汽流过这些通风冷凝器管道以完成其冷凝。一个通风总管连接到通风冷凝管道的上部，并且设置有用来将冷却空气输送到冷凝组件中的装置。

附图的简述

图1是示出本发明的内部构件的视图；

图2是沿图1中的线2-2的截面图，示出了冷凝器中的管道布置；

图3是与图2不同的另一种管道布置；

图4是分凝器中的一种典型的管道入口的视图；

图5是斜切的分凝器管道入口的视图；

图6是斜切的分凝器管道入口的另一个视图。

较佳实施例的描述

先请参见图1-3，图中示出了一个气冷式冷凝器或热交换器10。在此实施例中，蒸汽被输送到热交换器10的上蒸汽总管12。蒸汽总管12再连接到包括多个管道排14的主冷凝器上。虽然图1中揭示了三排这样的从总管12接收蒸汽的管道14，但如果需要的话，这样的管道排14还可以更多或更少。在各排管道14中的各根管道16一般制成有一系列隔开的固定到其上的叶片18。这些叶片18增加了管道16和由风扇22迫使流过管道排14的向上流动的空气20之间的热交换。在其它的实施例中，这种空气流动可自然地进行而没有被迫使的必要，从而可能不需要风机22。

图1是沿着与中心线24相交的垂直平面剖切，只示出了热交换器10的一侧，另一侧与示出部分成镜像。同样，热交换器10一般可由多个相邻的组件25构成，其各自有一个与示出部分类似的横截面。这些各个组件25可通过蒸汽总管12和公共冷凝集水器26相互平行连接，这样在各个组件25之间只有少量或没有压力差。冷凝器10所需的组件25的实际数量由流入蒸汽总管12的蒸汽流的体积和发生在汽轮机出口(连接在蒸汽总管12上，但图中未示出)处的所需背压所决定。

在附图中，冷凝集水器26构成为公共式的，其中没有将各种管道排分离或分开的分隔层或隔离板。所示的集水器26还作为下部或底部蒸汽总管12，但这不是所有情况下都需要的。在任何一种情况下，流过管道排14的蒸汽在它进入下冷凝集水器26之前在所有的运作情况下没有完全冷凝。由于来自各个管道排14的剩余蒸汽现在是连续地流动，所以这些管道排14之间的压力在下集水器26中是均等的。管道14的这种连续清除保证了没有从下集水器26向管道排14的逆流发生。如果发生这种逆流现象，空气将聚集在其中，而引起冷凝物冷凝固，并且一根或多根管道16开裂。

虽然图中所示的下冷凝集水器26是矩形的，但也可以是其它类似的形状。同样，将冷凝集水器26固定到多排管道14上以及热交换器10上的方式可以根据需要变化。而且，通过互连来自热交换器10的多个组件25的冷凝集水器26，仅仅需要采用单根或少量的冷凝物排出管线27。

如图1所示的，整体式上管道排或通风冷凝器28大致与管道排14平行，但这种上管道排28起到一通风冷凝器的作用，它可排出非冷凝的气体以及冷凝进入冷凝集水器26的剩余蒸汽。由于来自下集水器26的没有冷凝的剩余蒸汽经上管道28向上流动，所以任何产生的冷凝物将克服这种蒸汽流向下流动。因此，重要的是这种蒸汽流的体积或速度将不足以大得能聚集或带走上管道排28中的这种冷凝物。基本的是，热交换器10是通过保证剩余蒸汽流过主冷凝器的管道排14、并且在通风冷凝器的整体式管道排28中发生完全冷凝进行工作。由于这种结构，不需要将剩余蒸汽如前所要求的输送到一分离的冷凝器或分凝器中。取而代之的是，各个组件25现在都具有其本身的通风冷凝管道排28。

图2示出了冷凝管道排14和上通风管道排28的一种典型布置。在这种布置中，各个管道16的尺寸都是相同的。尽管如此，如图3所示，在上管道排28中的管道尺寸可做得比主冷凝器的管道排14的管道大。对于上管道排28而言，这种较大的管道尺寸将使通过这排管道28的蒸汽速度较低，从而减少任何冷凝物保持或聚集在这排管道28中的机会。通过调节风机功率或叶片的节距来改变空气流量20还可提供凝固保护。所需的实际控制量取决于其它变量之一的冷凝器压力。

事实上，对于整体式通风冷凝器管道排28而言一个重要的设计限制是逆向流动极限(CCFL)蒸汽速度。在这种临界速度下，进入上管道28的蒸汽处于足以防止其中的冷凝物向集水器26向下回流的速度下。这种情况增加了通过通风冷凝器(即管道排28)的压降，从而减少了冷凝器10的效率。它还增加了不必要的汽轮机背压。

然而，为了避免这种情况发生，可以使用图3所示的管道尺寸。这些上管道28不仅在其上带有叶片以增加其冷却能力，而且尺寸还大于管道排14中的管道。这些较大的管道28各自有一表面积大于主冷凝器中的管道14的表面积(与其直径的比值成比例)。另外，各个较大的管道28还有一流量面积大于管道16的流量面积(与其直径平方的比值成比例)。因此，通过上管道排28的蒸汽速度将减小。

图3还示出了主冷凝器的各排管道14由相同直径的管道16组成。这不是所有情况下都是必要的，因为也有可能这些管道排14中的一个由直径不同于其它相邻管道排14的管道16组成。例如，当两个最底部的管道排可由外径大约2英寸的管道16组成时，其次的较高管道排14可由外径大约为1.5英寸的管道16组成。同样地，上部或通风冷凝器管道排28可包括外径大约为2英寸的管道16。第二管道排14直径的减小有助于减小通风冷凝管道排28的必需的通风量。

位于上通风冷凝器管道排28的出口端的是管子30(一般水平地排列)，它接收通过上管道28的非冷凝的剩余流量。这一管子30将这种非冷凝的气体传送到一空气去除系统(未示)，从而排出了携带在输送到蒸汽总管12或漏入热交换器10中的任何非冷凝的气体。如果需要的话，也可以通过将空气去除管子30设置在蒸汽总管12中来提供进一步的凝固保护。

图1示出了叠放在主冷凝器的管道排14上的通风冷凝器的管道排28。然而，如果需要的话，这些通风冷凝器的管道排28可以位于主冷凝器的这些管道排14中或之间。因此，虽然图1中示出了在到达上管道排28之前先通过管道排14的风机空气流20，但它可以变化。换句话说，热交换器10可以制成为空气20将流过主冷凝器管道14的、例如两排管道，然后流过通风冷凝器管道排28，最后流过主冷凝器的最后一排或多排管道排14。在任何情况下，整体式通风冷凝器管道排28位于流过该处的空气温度在凝固点之上的位置处，这些空气20先流过主冷凝器管道14加热。

热交换器10的一个主要优点是可简单地将冷凝物从冷凝集水器26中去除，将空气和非冷凝气体经管子30去除。相对各排管道带有单独的冷凝物去除和空气去除管道的设计而言，这明显地减小了成本。同样，如以上所述那样，将通风冷凝器管道排28邻近主冷凝器的管道排14放置或放于其中，这种通风冷凝器管道排28受到凝固保护，并且没有进入管道排14的任何局部逆流的可能性。同样，通过将主冷凝器14和通风冷凝器管道28结合在相同的组件25中，由于既不需要单独的元件，也不需要在它们之间传送剩余的蒸汽，因此可节约成本。

虽然图中所示的实施例在主冷凝器中具有三个管道排14，但根据必须满足的情况实际上可采用更多的或较少的管道排(并且其中各根管道的直径可变化)。同样，通风管道排28的数量和直径还可根据需要改变。而且，为了满足使用者的需求，可以改变冷凝器10的各个元件的宽度、长度和深度。另外，叶片18或各个管道和/或管道排14，16和28的管径、壁厚、材料和热传递特性可以根据大量的技术要求制造而并不脱离本发明的精神。

热交换器10的另一个实施例、特别是管道排28示出在图4-6中。在此实施例中，连接到下集水器26上的管道排28中的各个管道端部不是如图4所示的直线切成的，而是如图5和6所示的以一角度切成的。在此形式中，通风冷凝器管道排28的各根管道有一较大的开口32，而不会增加许多单独管道的总直径。这种较大的开口32产生了较大的CCFL值，从而使热交换器10能在较大的负载状态下运作。因此，不管通风冷凝器的管道排28的尺寸或直径的大小，逆向流动的极限由于开口32的斜角而最大。通过以一斜角切割开口32，而不是如图4所示的以一较普通的直角切割，而减小进入开口32的蒸汽速度。因此，总的蒸汽流速可增加直至达到一个新的较高的逆流极限。

可以想象，在位于下集水器26中的通风冷凝器的管道排28的入口处，由于剩余蒸汽的冷凝发生在此入口的下游，所以剩余蒸汽和冷凝物的速度为它们的最大。同样，在此入口，进入普通直切管道的剩余蒸汽所引起内部流量分离会减小有效的流动面积。尽管如此，通过使通风管道排28的入口制得如图5和6所示，增加入口的流动面积，它减小了流入开口32处的管道的蒸汽速度。这种斜切的开口32还增加了CCFL值，从而在逆流冷凝水聚集在通风冷凝器的管道排28之前，剩余蒸汽有一较快的流速。

虽然图5和6揭示了斜切开口32的角度为45°，但是其它角度的开口也会产生上述的改进。

Claims (15)

1.一种具有整体式通风冷凝器的气冷式蒸汽冷凝器组件，它包括：

(a)至少一排具有连接到蒸汽流过其中的蒸汽总管上的第一端的细长的冷凝管道；

(b)一与所述蒸汽总管隔开的、并连接到所述冷凝管道的第二相对端上的公共冷凝集水器，所述蒸汽通过在其中被局部冷凝的所述冷凝管道，并且剩余的非冷凝的剩余蒸汽部分连续地流过所述冷凝管道、并流入所述公共冷凝集水器，所述公共冷凝集水器中没有分离或隔开所述冷凝管道的所述管道排的隔板或元件；

(c)至少一排邻近并通常平行于冷凝组件中的所述冷凝管道的通风冷凝管道，所述通风冷凝管道具有连接到所述公共冷凝集水器的底端，以便于所述非冷凝的剩余蒸汽流过其中，以使之完全冷凝；

(d)一个连接到所述通风冷凝管道的上部的通风总管；以及，

(e)用来使冷却空气流过冷凝组件的装置。

2.如权利要求1所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风冷凝管道的底端是斜切或倾斜的，从而相对所述通风冷凝管道的纵轴形成一角度。

3.如权利要求2所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风冷凝管道的所述底端以相对所述管道的纵轴成45°角切成。

4.如权利要求3所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述公共冷凝集水器在所述蒸汽总管的下方或下面。

5.如权利要求4所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，多个这样的组件以相互平行关系由所述蒸汽总管和所述公共冷凝集水器连接在一起。

6.如权利要求4所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，在冷凝组件中的还包括三排所述冷凝管道和一排所述通风冷凝管道。

7.如权利要求4所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风冷凝管道排位于所述冷凝管道排之上。

8.如权利要求4所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风冷凝管道排位于所述冷凝管道排中间。

9.如权利要求4所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风冷凝管道的直径与所述冷凝管道的最大直径相等。

10.如权利要求4所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风冷凝管道的直径大于所述冷凝管道的直径。

11.如权利要求10所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风冷凝管道的直径是所述冷凝管道直径的两倍。

12.如权利要求4所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，它还包括一连接到所述公共冷凝集水器上的冷凝排放口，所述排放口的尺寸定得可从所述公共冷凝集水器中去除任何聚集的冷凝物。

13.如权利要求12所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风总管大致与所述蒸汽总管平行地延伸。

14.如权利要求13所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风总管从外部伸到所述蒸汽总管。

15.如权利要求14所述的气冷式蒸汽冷凝器组件，其特征在于，所述通风总管在所述蒸汽总管中延伸。

Images