CN111852870A - 一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统及冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统及冷却方法，它包括真空泵本体(1)、气水分离器(2)两个主体设备，前置冷却器(3)、一级换热器(4)、二级换热器(5)共三级冷却装置，凝结水(7)、闭式循环水结构(8)、开式循环水(9)、空调冷冻水(10)共四级冷却水源。所述的四级冷却水源中凝结水(7)注入前置冷却器(3)，剩余温度相对较高的冷却水源注入一级换热器(4)，温度相对较低的冷却水源注入二级换热器(5)。本发明克服了真空泵在部分工况冷却效率不高导致的出力不足、汽蚀、停机等安全问题的缺点，具有使真空泵冷却水温在不同季节、不同温度、不同工况下实现多级、高效调节的优点。
Description
技术领域
本发明涉及到能源、化工技术研究的技术领域，更加具体来说一 种燃煤电站真空泵多级冷却水系统及冷却方法。
背景技术
液环真空泵主要用于真空的形成过程，由于其具有接近等温压 缩、对粉尘不敏感、吸入气体可以夹带液体或大量水蒸气的优点，其 在电力、化工、造纸等行业领域应用广泛。具体于电力行业，真空泵 主要用于建立以及维持冷凝器真空。
液环泵在运行时，由于机械能的释放，抽入气体的凝结放热导致 工作液温度不断上升，从而致使泵体内发生汽蚀，液环泵的性能降低 甚至关键部件损坏。因此，在液环泵运行的过程中需要不断冷却工作 液，以维持真空泵工作温度。用来冷却工作液的液体通常称为冷却液 或冷却水。
大部分电厂采用开式循环水或者闭式循环水结构作为真空泵冷 却水源。然而在夏季工况，气温升高将导致上述两路冷却水温度同步 升高，部分电厂冷却液无法满足真空泵冷却需求，从而导致了真空泵 汽蚀甚至电厂停机等严重运行事故。
因此，根据环境温度变化提供多级冷却水源，研究多级可调的真 空泵冷却水系统和方法已成为当务之急。
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 种燃煤电站真空泵多级冷却水系统。
本发明的第一目的是通过如下技术方案来实施的：一种燃煤电站 真空泵多级冷却水系统，它包括真空泵本体、气水分离器、前置冷却 器、一级冷却器、二级冷却器、气水混合物、排气、回流工作液、凝 结水结构、闭式循环水结构、开式循环水结构、空调冷冻水结构、凝 结水回水结构、闭式循环水回水结构、开式循环水回水结构、空调冷 冻水回水结构和阀门；
所述的真空泵本体上设置有气液入口、气液出气口和工作液回水 口；所述的气水分离器上设置有气水入口、气体出口、工作液出口和 溢流口；所述的前置冷却器上设置有气水入口、气水出口、冷却液 入口和冷却液出口；所述的一级冷却器上设置有工作液入口、工作 液出口、冷却液入口和冷却液出口；所述的二级冷却器上设置有工 作液入口、工作液出口、冷却液入口和冷却液出口；
所述前置冷却器上设置的气水出口通过管道与所述真空泵本体 上设置的气液入口相连接；所述真空泵本体上设置的气液出口通过管 道与所述气水分离器的气水入口相连接；所述的气水分离器的工作液 出口通过管道与所述一级冷却器的工作液入口相连接；所述的一级冷 却器的工作液出口通过管道与所述二级冷却器的工作液入口相连接， 所述二级冷却器的工作液出口通过管道与所述真空泵本体的工作液 回水口相连接；
所述的凝结水结构、闭式循环水结构、开式循环水结构、空调冷 冻水结构、凝结水回水结构、闭式循环水回水结构、开式循环水回水 结构和空调冷冻水回水结构的管道上均设置有阀门。
在上述技术方案中：所述的前置冷却器的冷却液入口上外接有凝 结水结构，所述的冷却液出口外接有凝结水回水结构。
在上述技术方案中：所述的一级冷却器和二级冷却器的冷却水入 口均设置有三路冷却水源，分别为闭式循环水结构、开式循环水和空 调冷冻水；且冷却水出口设置有相对应的闭式循环水结构回水结构、 开式循环水回水结构和空调冷冻水回水结构。
本发明的第二目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一 种燃煤电站真空泵多级冷却水系统的冷却方法。
本发明的第二目的是通过如下技术方案来实施的：一种燃煤电站 真空泵多级冷却水系统的冷却方法，它包括如下步骤；
①、待处理的高温气水混合物首先通过所述的气水入口进入前置 冷却器内，所述的前置冷却器一侧设置的凝结水结构，所述的凝结水 结构喷出凝结水通过冷却液入口进入前置冷却器内与高温的气水混 合物进行喷淋换热，换热后气水混合物继续从冷却器顶部的出气口进 入至真空泵本体中，换热气水混合物形成的液体从冷却器底部的冷却 液出口排至凝结水回水结构中；
②、步骤①处理后的气水混合物通过真空泵气水入口进入真空泵 本体(1)进行压缩抽吸；随后通过气水入口进入所述的气水分离器中， 在所述的气水分离器内完成气液分离后气体通过气水分离器顶部的 排气口排出，一部分液体作为工作液通过气水分离器底部的工作液出 口排出入至所述的一级换热器中，另一部分液体通过气水分离器侧面 的溢流口排出；
③、步骤②处理后的回流工作液进入一级换热器后，根据现场环 境需求，与一级换热器上设置的闭式循环水结构或开式循环水结构或 空调冷冻水结构内喷出的工作液进行换热，换热后的回流工作液随后 从所述的工作液出口排出，并从所述的工作液入口进入至二级换热器 中；
④、步骤③处理后的回流工作液进入至二级换热器后，根据现场 环境需求，与设置在所述的二级换热器上设置的闭式循环水结构或开 式循环水结构或空调冷冻水结构喷出的工作液进行换热，换热后的回 流工作液通过所述的工作液出口排入所述的工作液回水口中，并最终 回流至真空泵。
⑤、循环步骤①至步骤④的过程直至达到真空泵本体换热要求。
在上述技术方案中：在步骤③中；进入一级换热器的冷却水源的 温度高于在步骤④中进入二级换热器的冷却水源。
在上述技术方案中：所述的一级换热器和二级换热器可采用板式 换热器或采用管式换热器。
本发明具有如下优点：
1、本发明设置有前置冷却器、一级换热器和二级换热器共三级 冷却设备，可根据工程具体情况灵活配置，具有较强的适应性和推广 性。
2、本发明中的三级冷却设备中，前置冷却器可降低抽汽温度， 减少其含水量，降低真空泵吸入热量并提升真空泵抽干空气能力。
3、本发明配置有凝结水、闭式循环水结构、开式循环水和空调 冷冻水共四级冷却水源，且四级冷却水源的温度由从15-35℃不等， 可根据不同季节、环境温度、运行条件以及冷却目标进行合理调配。
4、本发明在一级换热器中使用温度相对较高的冷却水源，在二 级换热器中使用温度相对较低的冷却水源，此设置最大程度降低了系 统换热端差，提升了总体换热效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为常规燃煤电站真空泵多级冷却水系统流程图。
图3为本发明中的工作液温度与工作液循环流量的示意图。
图4为本发明中换热量与工作液循环流量的示意图。
图中：真空泵本体1、真空泵气水入口1.1、气水出气口1.2、 工作液回水口1.3、气水分离器2、气水分离器气水入口2.1、气体 出口2.2、工作液出口2.3、溢流口2.4、前置冷却器3、前置冷却器 气水入口3.1、气水出口3.2、冷却液入口3.3、却器冷却液出口3.4 、一级冷却器4、一级冷却器工作液入口4.1、工作液出口4.2、冷 却液入口4.3、冷却液出口4.4、二级冷却器5、二级冷却器工作液 入口5.1、工作液出口5.2、冷却液入口5.3、冷却液出口5.4、气水混合物6、排气6.1、回流工作液6.2、凝结水7、闭式循环水结构8 、开式循环水9、空调冷冻水10、凝结水回水11、闭式循环水结构 回水12、开式循环水回水13、空调冷冻水回水14、阀门15。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的的实施情况，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。
参照图1-4所示：本发明一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统， 它包括真空泵本体1、气水分离器2、前置冷却器3、一级冷却器4、 二级冷却器5、气水混合物6、排气6.1、回流工作液6.2、凝结水结 构7、闭式循环水结构8、开式循环水结构9、空调冷冻水结构10、 凝结水回水结构11、闭式循环水结构回水结构12、开式循环水回水 结构13、空调冷冻水回水结构14和阀门15；
所述的真空泵本体1上设置有气液入口1.1、气液出气口1.2以 及工作液回水口1.3。所述的气水分离器2上设置有气水入口2.1、 气体出口2.2、工作液出口2.3以及溢流口2.4；所述的前置冷却器 3上设置有设置有气水入口3.1、气水出口3.2、冷却液入口3.3以及冷却液出口3.4。所述的一级冷却器4上设置有工作液入口4.1、 工作液出口4.2、冷却液入口4.3以及冷却液出口4.4；所述的二级 冷却器5上设置有工作液入口5.1、工作液出口5.2、冷却液入口5.3 以及冷却液出口5.4；
所述前置冷却器3的气水出口3.2通过管道与所述真空泵本体1 的气液入口1.1相连接；所述真空泵本体1的气液出口1.2通过管道 与所述气水分离器2的气水入口2.1相连接。所述气水分离器2的工 作液出口2.3通过管道与所述一级冷却器4的工作液入口4.1相连 接。所述一级冷却器4的工作液出口4.2通过管道与所述二级冷却器 5的工作液入口5.1相连接，所述二级冷却器5的工作液出口5.2通 过管道与所述真空泵本体1的工作液回水口1.3相连接；
所述的凝结水结构7、闭式循环水结构8、开式循环水9、空调 冷冻水10、冷凝回水11、闭式循环水结构回水12、开式循环水回水13、空调冷冻水回水14管道上均设置有阀门15。
所述前置冷却器3的冷却液入口3.3外接凝结水结构7，冷却液 出口3.4外接凝结水回水结构11；气水混合物6通过凝结水结构7 喷淋冷却后，其温度降低、含水量减少，可大幅降低后续真空泵的吸 入热量并提高其抽气性能。
所述的一级冷却器4和二级冷却器5的冷却水入口均设置有三路 冷却水源，分别为闭式循环水结构8、开式循环水结构9和空调冷冻 水结构10；冷却水出口相应设置有闭式循环水结构回水12、开式循 环水回水13和空调冷冻水回水14。上述三路冷却水源温度从15-35℃ 不等，可根据季节变化和现场需要进行合理调配，以全天候保证真空 泵所需冷却量。
本发明还包括一种冷却方法：一种燃煤电站真空泵多级冷却水系 统的冷却方法，它包括如下步骤；
①、待处理的高温气水混合物6首先通过所述的气水入口3.1进 入前置冷却器3内，与通过冷却液入口3.3进入前置冷却器3的凝结 水7进行喷淋换热，换热后气水混合物6继续从冷却器3顶部的出气 口3.2进入至真空泵本体1中，换热后的液体从冷却器3底部的冷却 液出口3.4排至凝结水回水11中；
②、步骤①处理后的气水混合物6通过真空泵气水入口1.1进入 真空泵本体1进行压缩抽吸；随后通过气水入口2.1进入所述的气水 分离器2，在所述的气水分离器2内完成气液分离后气体6.1通过罐 体顶部的排气口2.2排出，一部分液体6.2作为工作液通过气水分离 器2底部的工作液出口2.3排出入至所述的一级换热器4中，多余的 液体通过罐体侧面的溢流口2.4排出。
③、步骤②处理后的回流工作液6.2进入一级换热器4后，根据 现场环境需求，与一级换热器4上设置的闭式循环水结构8或开式循 环水9或空调冷冻水10进行换热，换热后的工作液6.2随后从所述 的工作液出口4.2排出，并从所述的工作液入口5.1进入至二级换热 器5。
④、步骤③处理后的回流工作液6.2进入至二级换热器5后，根 据现场环境需求，与设置在所述的二级换热器5上设置的闭式循环水 结构8或开式循环水9或空调冷冻水10进行换热，换热后的回流工 作液6.2通过所述的工作液出口5.2排入所述的工作液回水口1.3回 流至真空泵1。
⑤、循环步骤①至步骤④的过程直至达到真空泵本体1换热要 求。
在步骤③中进入一级换热器4的冷却水源是闭式循环水结构8、 开式循环水9、空调冷冻水10中温度相对较高的一路水源，在步骤 ④中进入二级换热器5的冷却水源是闭式循环水结构8、开式循环水 9和空调冷冻水10中的温度相对较低的一路水源。将温度较高的冷 却水源用于一级冷却器4中可最大限度减小换热端差提升系统冷却 效率。
参照图1所示，所述的一级换热器4以及二级换热器5其形式可 采用板式换热器也可以采用管式换热器。两类换热器的换热效率和制 造成本有所不同，电厂可根据各自的气候条件、换热要求、投资额度 进行自主选择。
下面以某燃煤电厂实际运行参数为例，分别计算在相同工况下， 采用常规单级回水方式以及本方案多级回水方式的换热效率以及真 空泵工作液温度。
以某工程夏季工况真空泵运行案例为基准，已知：
本案例将进行四种工况的计算对比，以便更加直观体现本发明的 效果：
(1)工况一：采用常规单级回水方式，利用闭式水作为冷却液 对工作液进行换热。
(2)工况二：采用常规单级回水方式，利用开式水作为冷却液 对工作液进行换热。
(3)工况三：采用本发明所示多级回水方式，首先在前置冷却 器中用凝结水进行换热，真空泵后再利用温度相对较高的闭式水在一 次换热器中进行换热，然后利用温度相对较低的开式水在二次换热器 中进行换热。
(4)工况四：采用本发明所示多级回水方式，首先在前置冷却 器中用凝结水进行换热，真空泵后再利用温度相对较高的闭式水在一 次换热器中进行换热，然后利用温度最低的空调冷却水在二次换热器 中进行换热。
根据换热器原理，为方便计算，将各级换热器内进行的真空泵循 环工作液与凝结水/闭式水/开式水/空调冷却水的换热等效为平板逆 流换热，水的比热cp＝4200J/(kg·℃)。由牛顿冷却定理分析可得， 换热量的计算公式如下：
Q＝qm1cp(t1″-t1′)＝qm2cp(t2′-t2″) (式1)
Q＝kAΔtm (式2)
Nu＝0.023Re0.8Prb (式4)
式中，Q为换热量，qm1为工作液循环流量，qm2为冷却水流量， cp为比热容，t1″为换热过后工作液的温度，t2″为换热过后冷却液的 温度，k为总换热系数，Δtm为换热平均温差，h为对流换热系数。
对于逆流换热，效能的计算式如下：
综合已知条件及式1至式6，应用效能-传热单元法求出了上述 四种工况下不同工作液循环流量的工作液温度及换热量，如表1～表4
表1工况一计算结果
表2工况二计算结果
表3工况三计算结果
表4工况四计算结果
将上述四个表中的数据汇总后如图3或图4所示：
上述计算结果表明，本发明公开的一种燃煤电站真空泵多级冷却水 系统在相同回水流量下其换热量较常规回水方式更大，工作液平均温 度更低，真空泵液环的冷却效果也更高。此外，其换热效率较常规回 水方式有明显提升，并可根据情况选择不同冷却液进行换热，大幅提 升了系统工作效率。
上述未详细说明的部分均为现有技术。
Claims (6)
1.一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统，其特征在于：它包括真空泵本体(1)、气水分离器(2)、前置冷却器(3)、一级冷却器(4)、二级冷却器(5)、气水混合物(6)、排气(6.1)、回流工作液(6.2)、凝结水结构(7)、闭式循环水结构(8)、开式循环水结构(9)、空调冷冻水结构(10)、凝结水回水结构(11)、闭式循环水回水结构(12)、开式循环水回水结构(13)、空调冷冻水回水结构(14)和阀门(15)；
所述的真空泵本体(1)上设置有气液入口(1.1)、气液出气口(1.2)和工作液回水口(1.3)；所述的气水分离器(2)上设置有气水入口(2.1)、气体出口(2.2)、工作液出口(2.3)和溢流口(2.4)；所述的前置冷却器(3)上设置有设置有气水入口(3.1)、气水出口(3.2)、冷却液入口(3.3)和冷却液出口(3.4)；所述的一级冷却器(4)上设置有工作液入口(4.1)、工作液出口(4.2)、冷却液入口(4.3)和冷却液出口(4.4)；所述的二级冷却器(5)上设置有工作液入口(5.1)、工作液出口(5.2)、冷却液入口(5.3)和冷却液出口(5.4)；
所述前置冷却器(3)上设置的气水出口(3.2)通过管道与所述真空泵本体(1)上设置的气液入口(1.1)相连接；所述真空泵本体(1)上设置的气液出口(1.2)通过管道与所述气水分离器(2)的气水入口(2.1)相连接；所述的气水分离器(2)的工作液出口(2.3)通过管道与所述一级冷却器(4)的工作液入口(4.1)相连接；所述的一级冷却器(4)的工作液出口(4.2)通过管道与所述二级冷却器(5)的工作液入口(5.1)相连接，所述二级冷却器(5)的工作液出口(5.2)通过管道与所述真空泵本体(1)的工作液回水口(1.3)相连接；
所述的凝结水结构(7)、闭式循环水结构(8)、开式循环水结构(9)、空调冷冻水结构(10)、凝结水回水结构(11)、闭式循环水回水结构(12)、开式循环水回水结构(13)和空调冷冻水回水结构(14)的管道上均设置有阀门(15)。
2.根据权利要求1所述的一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统，其特征在于：所述的前置冷却器(3)的冷却液入口(3.3)上外接有凝结水结构(7)，所述的冷却液出口(3.4)外接有凝结水回水结构(11)。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统，其特征在于：所述的一级冷却器(4)和二级冷却器(5)的冷却水入口均设置有三路冷却水源，分别为闭式循环水结构(8)、开式循环水(9)和空调冷冻水(10)；且冷却水出口设置有相对应的闭式循环水结构回水结构(12)、开式循环水回水结构(13)和空调冷冻水回水结构(14)。
4.根据权利要求1-3中任意一项权利要求所述的一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统的冷却方法，其特征在于：它包括如下步骤；
①、待处理的高温气水混合物(6)首先通过所述的气水入口(3.1)进入前置冷却器(3)内，所述的前置冷却器(3)一侧设置的凝结水结构(7)，所述的凝结水结构(7)喷出凝结水通过冷却液入口(3.3)进入前置冷却器(3)内与高温的气水混合物(6)进行喷淋换热，换热后气水混合物(6)继续从冷却器(3)顶部的出气口(3.2)进入至真空泵本体(1)中，换热气水混合物(6)形成的液体从冷却器(3)底部的冷却液出口(3.4)排至凝结水回水结构(11)中；
②、步骤①处理后的气水混合物(6)通过真空泵气水入口(1.1)进入真空泵本体(1)进行压缩抽吸；随后通过气水入口(2.1)进入所述的气水分离器(2)中，在所述的气水分离器(2)内完成气液分离后气体(6.1)通过气水分离器(2)顶部的排气口(2.2)排出，一部分液体(6.2)作为工作液通过气水分离器(2)底部的工作液出口(2.3)排出入至所述的一级换热器(4)中，另一部分液体通过气水分离器(2)侧面的溢流口(2.4)排出；
③、步骤②处理后的回流工作液(6.2)进入一级换热器(4)后，根据现场环境需求，与一级换热器(4)上设置的闭式循环水结构(8)或开式循环水结构(9)或空调冷冻水结构(10)内喷出的工作液进行换热，换热后的回流工作液(6.2)随后从所述的工作液出口(4.2)排出，并从所述的工作液入口(5.1)进入至二级换热器(5)中；
④、步骤③处理后的回流工作液(6.2)进入至二级换热器(5)后，根据现场环境需求，与设置在所述的二级换热器(5)上设置的闭式循环水结构(8)或开式循环水结构(9)或空调冷冻水结构(10)喷出的工作液进行换热，换热后的回流工作液(6.2)通过所述的工作液出口(5.2)排入所述的工作液回水口(1.3)中，并最终回流至真空泵(1)。
⑤、循环步骤①至步骤④的过程直至达到真空泵本体(1)换热要求。
5.根据权利要求4所述的一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统的冷却方法，其特征在于：在步骤③中；进入一级换热器(4)的冷却水源的温度高于在步骤④中进入二级换热器(5)的冷却水源。
6.根据权利要求4一种燃煤电站真空泵多级冷却水系统的冷却方法，其特征在于：所述的一级换热器(4)和二级换热器(5)可采用板式换热器或采用管式换热器。
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