CN114109533A - 一种高效燃机透平转子空气冷却器及防泄漏控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于地面重型燃气轮机透平冷却技术领域，具体是涉及一种高效燃机透平转子空气冷却器及防泄漏控制方法。包括设置在壳体内部空间的屏蔽筒和套设在屏蔽筒中间的缠绕状换热芯体。换热芯体的冷流体进口和冷流体出口均通过管程集管与外部联通；屏蔽筒的顶部与壳体上设置的透平冷却空气进口连接，屏蔽筒的底部设置开口，透平冷却空气出口设置在壳体的侧壁上；壳体与屏蔽筒之间还设置有液体泄漏检测开关，液体泄漏检测开关包括高位检测开关和低位检测开关；通过三取二的方式利用液体泄漏检测开关检测冷却器内的液体泄漏情况并做出对应的解决方案。本发明可以在满足燃机透平冷却空气高效冷却的同时，实现燃机透平冷却系统的“零泄漏”安全运行。
Description
技术领域
本发明属于地面重型燃气轮机透平冷却技术领域，具体是涉及一种防止给水泄漏的高效燃机透平转子空气冷却器及其防泄漏控制方法。
技术背景
燃气轮机联合循环(CCPP)主要由燃气轮机(主要包括压气机、燃烧室、透平三大部分)、余热锅炉、蒸汽轮机三部分构成。因其具有效率高、排放少、占地少、耗水量少、运行高度自动化、快速启停、调节灵活、建设周期短等一系列优点，在我国冶金和天然气行业发电系统中被广泛使用。提高透平进口温度是提高燃气轮机效率的最有效途径，目前最先进的H级燃机透平进口温度可达1600℃，透平的高效冷却是燃机的一项关键核心技术。
目前国内所有低热值煤气机组、绝大多数的天然气机组包括部分最先进的H级燃机(如MHI M701J、GE 9HA、Siemens SGT-8000H)都采用的是开式空气冷却。根据各级冷却通道的阻力和最后掺入主气流处的压力选择压气机中不同压力的抽气点进行抽气，抽出的高压空气作为冷却空气直接送往透平不同部位，通过内部冲击冷却或外部气膜冷却等形式对透平动静叶、转子等暴露于高温燃气中的部件进行冷却保护。为减少抽取的压气机冷却空气量，进一步提高发电效率和功率，同时提高透平冷却效果，可将抽取的空压机热风(温度可高达500℃左右)先通过外置的燃机透平转子空气冷却器(TCA)进一步冷却，然后再送往透平相应部位做冷却空气用。
地面重型燃气轮机所用的TCA冷却器多为气-水式热交换器，通过换热管把壳侧的高温空气携带的热量传递给管内的给水(可取自凝结水、锅炉给水、除盐水或电厂其他水源)，满足燃机透平冷却空气温度要求的同时回收空压机热风余热供生产使用。从而提高整个CCPP机组的经济性，降低发电标煤耗。目前国内的TCA冷却器基本都采用U型管式换热结构，该结构为常规列管式换热器，冷热侧流体非纯逆流换热，换热效率不高，且在传统弓形折流板附近区域会存在“传热死区”，造成所需设备投资大，所占安装空间大，存在能源、资源浪费问题。此外，由于壳程流体横向冲刷管束，激发流体诱导振动，导致其抗振能力不强，尤其是尾部防振结构效果不佳。另外，当给水流量低时，高温空气入口处的部分换热管管壁温度较高，会导致管内的给水发生局部汽化，引起管内阻力增大的同时使得传热进一步恶化，易引发事故。最后，若管内给水压力高于壳程空气，一旦发生泄漏，大量给水窜入冷却空气中，而该结构无法布设泄漏监测系统，这将会给燃机透平造成严重事故。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种高效、安全的可防止给水泄漏的燃机透平转子空气冷却器。
本发明采用了以下技术方案：
一种高效燃机透平转子空气冷却器，包括设置在壳体内部空间的屏蔽筒和套设在所述屏蔽筒中间的缠绕状换热芯体，所述屏蔽筒的直径小于所述壳体的内直径且屏蔽筒的轮廓与所述壳体相适配；所述换热芯体的冷流体进口和冷流体出口均通过管程集管与外部联通；所述屏蔽筒的顶部与所述壳体上设置的透平冷却空气进口连接，所述屏蔽筒的底部设置开口，所述透平冷却空气出口设置在所述壳体的侧壁上；
所述壳体与屏蔽筒之间还设置有液体泄漏检测开关，所述液体泄漏检测开关包括高位检测开关和低位检测开关；所述高位检测开关贴靠在所述屏蔽筒的底端设置，所述低位检测开关设置在所述壳体的底部位置。
优选的，所述壳体由圆筒段、上封头和下封头组成，所述透平冷却空气进口设置在所述上封头的顶部，所述冷流体进口通过设置在圆筒段上的管程进口集管与外部联通，所述冷流体出口通过设置在圆筒段上的管程出口集管与外部联通。
优选的，所述换热芯体是由多根换热管缠绕在中部支撑杆的周侧而形成的沿径向排布的内外层状换热结构，相邻换热管间通过管箍固定形成管间间隙；所述管程进口集管和管程出口集管的管壁上设置有与所述换热管数量相匹配的管孔，每根所述换热管均由所述管孔与对应的所述管程进口集管和管程出口集管连接；所述中部支撑杆依靠换热芯体支撑杆与所述壳体连接并固定。
优选的，所述管程进口集管和所述管程出口集管设置在圆筒段的同一侧，且所述管程出口集管的设置位置高于所述管程进口集管。
优选的，所述透平冷却空气出口设置至少一个在所述圆筒段上的同一水平位置上，且所述透平冷却空气出口设置位置高于所述管程进口集管但低于所述管程出口集管。
优选的，所述下封头的最底端设置有排液口，所述排液口连接竖直排液管用于排液；所述低位检测开关设置在所述排液口边沿。
优选的，所述高位检测开关在其设置位置的同一高度上环绕所述壳体内侧壁设置三个，所述低位检测开关所述排液口边沿设置一个。
优选的，所述排液口上设置有用于控制所述排液口开启和关闭的第一控制装置，所述管程进口集管和管程出口集管上设置有控制冷流体流动的第二控制装置，所述第一控制装置和第二控制装置均与所述液体泄漏检测开关电连接。
优选的，所述液体泄漏检测开关包括检测电极和控制器，所述检测电极由液体泄漏检测开关本体水平向所述壳体中轴线延伸，并检测液位信息传递至所述控制器，所述控制器电连接所述第一控制装置和第二控制装置，所述控制器还具有报警功能。
本发明的目的之二在于提供上述一种高效燃机透平转子空气冷却器的防泄漏控制方法，该方法为：当低位检测开关和高位检测开关均未检测到液体时，所述第一控制装置和第二控制装置关闭，此时排液口关闭，换热芯体内冷流体与外界联通并继续在所述换热芯体内流动；当仅低位检测开关检测到液体时，所述第一控制装置启动，打开排液口排液；当低位检测开关检测到液体，同时高位检测开关中的至少两个也检测到液体时，所述第一控制装置启动打开排液口排液，同时所述第二控制装置启动，切断换热芯体内冷流体与外部的联通。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的壳程为两流程结构，壳体顶部开设供透平冷却空气流入的壳程进口，冷却空气先通过一流程自上而下在屏蔽筒内的换热芯体换热管的间隙流动并与换热管内的冷流体进行充分换热实现冷却，然后再通过二流程自下而上在屏蔽筒与壳体之间的间隙内流动并与屏蔽筒内的冷却空气二次换热，最后再导向壳体上设置的冷却空气出口。一方面实现了壳体不直接与进口高温空气接触，降低了壳体温度，提高了壳体材料的许用应力，可减少筒体壁厚，节省材料；另一方面防止壳体材料发生高温蠕变，并改善了传统U型管式换热器壳体上热下冷温度不均匀的问题，大大降低了壳体的热应力，延长了使用寿命。
(2)本发明所述壳体内部设有螺旋缠绕状换热芯体，与传统U型管式换热芯体相比，一方面单位体积内有效换热面积提高，整体结构尺寸减小，金属材料重量显著下降，极大了节省了设备投资与安装空间；另一方面热空气沿管束方向纵向旋流与给水进行纯逆流换热，消除了“传热死区”，传热效率显著提高，实现了温度场与流场的协同；此外，这种纵向流动有效的克服了流体诱导振动并且紧密缠绕在中部支撑杆上的换热管通过限位条和管箍固定，形成螺旋换热管束整体结构，可有效防止换热管束的振动，保障安全。
(3)本发明取消了现有空气冷却器中的进出口管箱与管板的结构，通过设置管程进出口集管实现给水的流入与排出。极大了简化了设备结构、节省了设备投资。同时，管程出口集管与入口高温空气接触时，不易发生管内给水局部汽化的现象，避免了给水在管道内的闪蒸事故。
(4)本发明中的液体泄漏检测开关及检测系统，通过在壳体下部布设不同高差的液体检测开关来监测给水泄漏的严重程度，对于程度较轻的泄漏，依靠排液装置即可解决，不影响空气冷却器的整体运行；若检测到给水大量泄漏到冷却空气中，则在排液的同时，将空气冷却器与给水系统隔离，保证安全。最终实现燃机透平冷却系统的“零泄漏”安全运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中管程进口集管的结构示意图；
图3为本发明中管程出口集管的结构示意图；
图4为本发明中液体泄漏检测开关的结构示意图；
图5为本发明中高位检测开关的布置示意图。
图中标注符号的含义如下：
10-壳体 11-圆筒段 12-上封头 13-下封头
20-屏蔽筒
30-换热芯体 31-换热管 32-中部支撑杆
33-换热芯体支撑杆 331-换热芯体上支撑杆 332-换热芯体下支撑杆
41-管程进口集管 42-管程出口集管 43-管孔
51-透平冷却空气进口 52-透平冷却空气出口
60a-高位检测开关 60b-低位检测开关 61-检测电极 62-控制器
70-排液口 71-排液管
81-第一控制装置 82-第二控制装置
90-导流板 91-导流板短管
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
如图1-5所示，一种高效燃机透平转子空气冷却器，包括设置在壳体10内部空间的屏蔽筒20和套设在屏蔽筒20中间的缠绕状换热芯体30。壳体10由圆筒段11、上封头12和下封头13组成，圆筒段11和上封头12、下封头13间使用法兰连接。
屏蔽筒20的直径小于壳体10的内直径且屏蔽筒20的轮廓与壳体10相适配。壳体10的顶部设置的透平冷却空气进口51，该透平冷却空气进口51与屏蔽筒20的顶部开口密封连接，使得进入壳体的冷却空气全部进入屏蔽筒20内，而不与壳体10直接接触。
换热芯体30是由多根换热管31缠绕在中部支撑杆32的周侧而形成的沿径向排布的内外层状换热结构，每根换热管31紧密缠绕构成换热芯体径向排布的一层，且换热芯体的相邻层的缠绕方向相反；每根换热管31间通过管箍固定形成管间间隙；换热管31数量可根据所需的冷流体流量大小进行配置；中部支撑杆32依靠换热芯体支撑杆33与壳体固定连接。
换热芯体30的冷流体进口和冷流体出口均通过管程集管与外部联通；管程集管包括管程进口集管41和管程出口集管42，其中冷流体进口通过设置在壳体10内部并穿出壳体10的管程进口集管41与外部联通，冷流体出口通过设置在壳体10内部并穿出壳体10管程出口集管42与外部联通。
中部支撑杆32的两端与管程进口集管41和管程出口集管42的管壁间设有间隙，或与管程进口集管41和管程出口集管42的管壁非固定式贴靠。管程进口集管41和管程出口集管42的管壁上43设置有与换热管31数量相匹配的管孔431，管孔431可与管壁和中部支撑杆32的贴靠位置相避让，每根换热管31均由管孔431与对应的管程进口集管41和管程出口集管42连接。
屏蔽筒20的底部设置开放式开口，通过开口，屏蔽筒将冷却空气在壳体内部空间的热交换体系分为两个流程。进入屏蔽筒20内部的冷却空气自换热管31的管间间隙自上而下流动，与换热管31中的流体进行换热，该过程为第一流程。
本实施例中，管程进口集管41和管程出口集管42在壳体10上的出口设置在圆筒段11的同一侧。为了更好的换热效果，管程出口集管42的设置位置高于管程进口集管41，使换热芯体30中流体的流动方向为自下而上，从而实现与冷却空气的逆向换热，提高换热效率。
透平冷却空气出口52设置至少一个在圆筒段11上的同一水平位置上，且透平冷却空气出口52设置位置高于管程进口集管41但不高于管程出口集管42。
冷却空气从屏蔽筒20下方流出，并沿屏蔽筒20与壳体10之间的间隙自下而上流动，最终进入透平冷却空气出口52，此过程中冷却空气再次与屏蔽筒20内部的热环境发生热量交换，为冷却空气的第二流程。
本实施例中，进入壳体的冷却空气温度可达500℃，压力在2.0MPa，换热芯体30使用的冷流体为汽轮机凝结水、锅炉给水、除盐水或电厂其他水源，入水温度在45℃左右。冷却空气即热流体经上述第一流程和第二流程与冷流体进行热交换后，冷流体的出水温度大约在70℃，而在透平冷却空气出口52出的温度低于200℃，冷却效果良好。
为保证冷却空气的流动，透平冷却空气出口52在壳体10的内侧壁上还可以设置导流板90，帮助完成热交换的冷却空气由透平冷却空气出口52流出，减少滞留。导流板90上设置导流板短管91，设置在换热芯体30上部的换热芯体上支撑杆331插入导流板短管91中构成导向连接，用于适应中部支撑杆32热胀时的变化；设置在换热芯体30下部的换热芯体下支撑杆332一端与中部支撑杆32下端连接，另一端与壳体10固定连接。
壳体10可选用碳钢材料，圆筒段11根据需要还可以按照标准开设检修孔。
壳体10与屏蔽筒20之间还设置有液体泄漏检测开关，液体泄漏检测开关包括检测电极61和控制器62，检测电极61由液体泄漏检测开关本体水平向壳体10中轴线水平延伸，检测电极61可选择接触液体式检测等。
液体泄漏检测开关包括高位检测开关60a和低位检测开关60b；高位检测开关60a贴近屏蔽筒20的底端设置，低位检测开关60b设置在壳体10的底部位置。本实施例中，高位检测开关60a在其设置位置的同一高度上环绕壳体10内侧壁等间隔120°设置三个，低位检测开关60b在排液口70边缘设置一个。
下封头13的最底端设置的排液口70连接排液管71用于排液，排液口70上还设置有用于控制排液口70开启和关闭的第一控制装置81，管程进口集管41和管程出口集管42上设置有控制冷流体流动的第二控制装置82，第一控制装置81和第二控制装置82均与液体泄漏检测开关电连接。
工作时，液体泄漏检测开关检测液位信息传递至控制器62，控制器62电连接第一控制装置81和第二控制装置82。
本发明中，防泄漏控制方法中高位检测开关60a采用“三取二”的判定方法，具体如下：
Ⅰ.当低位检测开关60b和高位检测开关60a均未检测到液体时，第一控制装置81和第二控制装置82关闭，此时排液口70关闭，换热芯体30内冷流体与外界联通并继续在换热芯体30内流动，空气冷却器正常运行。
Ⅱ.当低位检测开关60b检测到液体而高位检测开关60a未检测到液体时，第一控制装置81启动打开排液口70排液，其他部分正常运行；
Ⅲ.当低位检测开关60b检测到液体，同时高位检测开关60a中至少两个检测到液体时，第一控制装置81启动打开排液口70排液，由于此时空气冷却器管道存在已破裂可能，为防止给水流入冷却器和带至燃机，第二控制装置82启动，切断换热芯体30内冷流体与外部的联通，空气冷却器与给水系统隔离，停止运行，确保系统的安全。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，包括设置在壳体(10)内部空间的屏蔽筒(20)和套设在所述屏蔽筒(20)中间的缠绕状换热芯体(30)，所述屏蔽筒(20)的直径小于所述壳体(10)的内直径且屏蔽筒(20)的轮廓与所述壳体(10)相适配；所述换热芯体(30)的冷流体进口和冷流体出口均通过管程集管与外部联通；所述屏蔽筒(20)的顶部与所述壳体(10)上设置的透平冷却空气进口(51)连接，所述屏蔽筒(20)的底部设置开口，所述透平冷却空气出口(52)设置在所述壳体(10)的侧壁上；
所述壳体(10)与屏蔽筒(20)之间还设置有液体泄漏检测开关，所述液体泄漏检测开关包括高位检测开关(60a)和低位检测开关(60b)；所述高位检测开关(60a)贴靠在所述屏蔽筒(20)的底端设置，所述低位检测开关(60b)设置在所述壳体(10)的底部。
2.如权利要求1所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，所述壳体(10)由圆筒段(11)、上封头(12)和下封头(13)组成，所述透平冷却空气进口(51)设置在所述上封头(12)的顶部，所述冷流体进口通过设置在壳体(10)内部并穿出所述壳体(10)的管程进口集管(41)与外部联通，所述冷流体出口通过设置在壳体(10)内部并穿出所述壳体(10)管程出口集管(42)与外部联通。
3.如权利要求2所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，所述换热芯体(30)是由多根换热管(31)缠绕在中部支撑杆(32)的周侧而形成的沿径向排布的内外层状换热结构，相邻换热管(31)间通过管箍固定形成管间间隙；所述管程进口集管(41)和管程出口集管(42)的管壁上设置有与所述换热管(31)数量相匹配的管孔(43)，每根所述换热管(31)均由所述管孔(43)与对应的所述管程进口集管(41)和管程出口集管(42)连接；所述中部支撑杆(32)依靠换热芯体支撑杆(33)与所述壳体(10)连接并固定。
4.如权利要求2所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，所述管程进口集管(41)和所述管程出口集管(42)在壳体(10)上的出口设置在所述圆筒段(11)的同一侧，且所述管程出口集管(42)的设置位置高于所述管程进口集管(41)。
5.如权利要求4所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，所述透平冷却空气出口(52)设置至少一个在所述圆筒段(11)上的同一水平位置上，且所述透平冷却空气出口(52)设置位置高于所述管程进口集管(41)但低于所述管程出口集管(42)。
6.如权利要求5所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，所述下封头(13)的最底端设置有排液口(70)，所述排液口(70)连接排液管(71)用于排液；所述低位检测开关(60b)设置在所述排液口(70)的边沿。
7.如权利要求6所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，所述高位检测开关(60a)在其设置位置的同一高度上环绕所述壳体(10)内侧壁设置三个，所述低位检测开关(60b)所述排液口(70)边沿设置一个。
8.如权利要求6所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，所述排液口(70)上设置有用于控制所述排液口(70)开启和关闭的第一控制装置(81)，所述管程进口集管(41)和管程出口集管(42)上设置有控制冷流体流动的第二控制装置(82)，所述第一控制装置(81)和第二控制装置(82)均与所述液体泄漏检测开关电连接。
9.如权利要求8所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器，其特征在于，所述液体泄漏检测开关包括检测电极(61)和控制器(62)，所述检测电极(61)由液体泄漏检测开关本体水平向所述壳体(10)中轴线延伸，并检测液位信息传递至所述控制器(62)，所述控制器(62)电连接所述第一控制装置(81)和第二控制装置(82)，所述控制器(62)还具有报警功能。
10.一种如权利要求9所述的一种高效燃机透平转子空气冷却器的防泄漏控制方法，其特征在于，当低位检测开关(60b)和高位检测开关(60a)均未检测到液体时，所述第一控制装置(81)和第二控制装置(82)关闭，此时排液口(70)关闭，换热芯体(30)内冷流体与外界联通并继续在所述换热芯体(30)内流动；当仅低位检测开关(60b)检测到液体时，所述第一控制装置(81)启动，打开排液口(70)排液；当低位检测开关(60b)检测到液体，同时高位检测开关(60a)中的至少两个也检测到液体时，所述第一控制装置(81)启动打开排液口(70)排液，同时所述第二控制装置(82)启动，切断换热芯体(30)内冷流体与外部的联通。
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