CN1158979A - 急冷器 - Google Patents

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Abstract

用于冷却热流气体的急冷器，主要由一圆筒形的壳套(10)构成，该壳套与一热气管(7)和一冷气管(9)相连，它具有一个喷水装置(30)。这个喷水装置(30)是一些可供入水和蒸汽的压力雾化嘴。该蒸汽是在安装于热气管路(7)上的蒸发装置(17)中产生的。

Description

急冷器
本发明涉及的是一种用来冷却热气流的急冷器，它基本上包含一个圆筒壳套，这个圆筒壳套通过一个气体入口连接件与热气管线相连并通过一个气体出口连接件与冷气管线相连，而且它还具有一个喷水装置。本发明还涉及这种急冷器在开放的燃气轮机设备中的应用。
新型的和顶级性能的燃气轮机都以很高的涡轮机入口温度工作，这使得燃烧室，转子和叶片的冷却变得极为重要。为此，通常在压缩机的出口处要排出高度压缩的空气。因为现代的预混合燃烧需要很大量的压缩空气，一方面由于只能有极少量的冷却空气用于冷却的目的。另一方面，这种用于冷却的空气由于压缩而又已经变得很热，因此若能预先将它冷却就更为可取了。
因此，采用原本熟知的(气体急冷)喷水法再次对空气进行冷却是较为适当的。冷却空气的高值热能仅仅只部分地被这种方法所利用，在现代机器中其含量可达20MW。但是，采用这种方法却可获得很多胜过对流冷却器的重要优点，而这种对流冷却器也是可行的，它是建立在空气/空气或液体/空气的热交换基础上的。
因而，本发明的一个目的是提供一种用于高温气体和液体并处于高压条件下的高效急冷器。如果这种装备是用在现代燃气轮机设备，则对这类装置有如下的具体热水力学要求：气体入口的高温应在300-530℃之间，气体侧的高压应在20和35bar之间，在气体和液体侧都有少量的压力损失，以及比较高的气体冷却范围，这个范围应大于250℃。
按照本发明，这个目的可这样来实现，喷水装置是一些可通入水和蒸汽的压力雾化嘴。如果对于水的雾化所需之蒸汽是在安置于热气管路本身中的蒸发器中产生的，则是特别有利的。这种方法的优点尤其在于：它无需分开提供通常所用的雾化空气。
附图中借助于一个燃气轮机设备来表示本发明的一个实施例。只示出了对理解本发明起重要作用的元件。
如果参考后面的详细描述并结合附图进行考虑则本发明将变得更好理解，因而，本发明的较为全面的评价和它的许多注目的优点的发现都会变得容易，这些附图是：
图1.画出了一个燃气轮机设备的简化示意图，
图2.画出了一个具有喷水和监控系统的急冷器的剖面图。
现在参考附图，其中相同的标号在所有几个附图中都表示同一的或相应的部件，这里只画出了对于理解本发明极为重要的零件，而箭头表示工作介质的流动方向，在图1中1的位置上从大气吸入的新鲜空气在燃气轮机的工作循环过程中被压缩机2加压到工作压力。压缩空气在燃烧室3中被剧烈加热，例如，用天然气或燃料气体燃烧，这样形成的燃料气体在燃气轮机4中膨胀，以便做功。在这个做功过程中获得的能量被传送到发电机5或者压缩机2。从燃气轮机产生的废气通过废气管路6和烟道(未画出)排入大气。
对于冷却所要求的空气而言，空气管路7从压缩机2的出口分支到急冷器8。在它流过后者以后，经冷却的空气就经过冷却管路9传送到各个消耗装置。在水方面，则通过管路22被水泵15送入这个急冷器。
这个急冷器8可借助图2加以详细解释：待冷却的介质经过热气管路7送进管路---这里，管路7就是从压缩机引出的空气管路。该装置基本上包含气体入口连接件11，它一方面被法兰连接到空气管路而另一方面又用一法兰与圆筒套壳10相连。在出口边，这个壳套10同时又通过一法兰与气体出口连接件12相连，连接件12又被一法兰连到冷气管路9上---这里，就是冷却管路。
喷水装置以分布在圆的横切面上的方式安装在壳套的入口处。这个喷水装置包含有很多的压力雾化嘴30。一方面，可从围绕该装置的环型腔20向它们供水而另一方面，又从围绕该装置的环型腔21向它们供应蒸汽。这种蒸汽用来使水雾化，在喷嘴口可获得微米尺寸的雾滴。
用来使水在喷水装置30中雾化的蒸汽的制备可方便地在热气管路中发生，在这里就是指在空气管路7中发生，而这个管路从压缩机通到急冷却器8。工作介质首先经过水泵15传送进水的预热器16。从这里，大部分水通过水管22被引导到环型腔20。在这个水管22中安置有一控制阀18。一些水在预热器的出口处被转送入水的蒸发器17。这个水蒸发器在预热器的上游的空气侧被连接到热气管路中。产生的蒸汽通过蒸汽管23从蒸发器传送进环型腔21，在蒸汽管中安置有一稳压阀19。
在压力雾化嘴30的下流，壳套10的圆形切面上装有一个填料柱13式的静态混合器，而流动就通过这个圆形横切面。这样的圆筒柱13含有层状的填充材料，以下就叫做填充料。在这种情形，填充可以是灌装，也就是所谓的无序填充。但有规则的填充则更为适宜，由于特别均匀的分布因而它具有压力下降较小而又能高度混合的优点。原本已知的用于这种填充的适宜材料是高级合金钢或陶瓷，它们在水系统中都具有良好的可湿性的特点。
喷射的水和空气单向流过多层有序的填充层。在填充层中发生这两个物相的完全混合，在这个混合过程中水这部分被汽化。在这过程中，热空气释放出汽化焓，因而装置中就会发生空气温度等焓地降低。
这可用很多例子来更详细地加以解释：不言而喻，关于装置尺寸的绝对值，尤其是必须的充填长度是不可能用数值来加以说明的，因为它们与太多的参数都有关，所以绝对值无论如何都无太大的意义。设计的唯一决定因素是喷射的水发生全部汽化。
让待冷却的空气进入时的状态处于大约34bar和大约500℃；空气的流量为大约35kg/sec。喷射水的流量为大约10kg/sec。经由空气出口连接件12，工作介质那时就会作为冷却空气离开装置，其温度约为170℃。因此，在本情形中空气的温度大约下降了330℃。
这样的装置的特点是结构紧凑而且工作时无明显压力损失。紧凑性和只需要一些短的管子就能紧靠着机器把急冷器建立起来。因而它可包含在由阻热材料块构成的隔声区域中。
燃气轮机的输出将会因为急冷冷却而增加，这是由于进入涡轮机的质量流至少部分地被汽化的水所增加；这是因为冷却介质在完成了它的冷却功能之后还继续用来在燃气轮机的叶片组中做功的缘故。
充填材料以薄片形式安装在分离壳套14内的充填柱中而且被设计成一个能被推入圆形壳套筒10的充填筒。这具有下述优点：残留的蒸汽不可能存留在实际的装置壳套10上。当在维修过程中将充填柱拆除时，形成一层的残留蒸汽因而仍在充填筒中。这样还消除了颗粒从壳套壁10脱落下来并可能被送进待冷却的消耗装置的危险。
引入燃气轮机的较热部件的冷却空气流不应含有任何水滴，因为这些水滴在冲击较热部件时会导致部件的损害。如果在冷却空气流中发现有水则应将机器关掉。对于在现有的高压和高温条件下的含水率的检测设备目前市场上还不能买到。在静态混合器中的温度测量本身在这里就可提供一种补救，为此目的，将几个适当的热电偶25安置在充填料的内部。由于有水碰到由充填材料构成的隔壁，因而充填材料的温度就会迅速下降。如果水流足够大，则充填材料的温度将下降到潮湿蒸汽的温度。这样的测量因而是适宜在短时间内对接触充填材料的水的检测。
监测充填柱中水和水蒸汽的存在的再一个方法是测量静态混合器的上游和下游的温度。为此，用适当的方法将相应的热电偶26和27穿过壳套10并将它们适当地分布在流动经过的横切面中。混合器入口和出口之间的温差的检测可指示出有适当的蒸发存在。
在急冷器中聚集的任何冷凝液都将通过排泄管24流进与烟道相连的废气管6中。用这种测量就可免除掉惯常的扩容箱，在这种扩容箱中处于压力状态下的冷凝液被膨胀到大气压同时由于与冷水混合而降温。
当然，本发明并不限于上面所表述的典型实施例。原则上，新颖的装置概念可应用到其中涉及具有高温和甚至高压的工作介质的一切过程。
显然，根据上述技术对本发明作出很多改进和变化都是可能的。因而，应知道，除了在这里所具体描述的而外，本发明还可在所附的权利要求范围内实施。
          标号一览表
1压缩机入口         15水泵
2压缩机             16水预热器
3燃烧室             17水的蒸发装置
4燃气轮机           18控制阀
5发电机             19稳压阀
6废气管             20水的环形腔
7热气管             21蒸汽的环形腔
8急冷器             22通到20的水管
9冷气管             23通到21的蒸汽管
108的壳套           24通向6的排泄管
11气体进口连接件    25热电偶
12气体出口连接件    26热电偶
13填料柱            27热电偶
14 13的壳套         30喷水装置，压力雾化嘴

Claims (7)

1.用来冷却热的流动气体的急冷器，基本上包括一个圆筒形的壳套(10)，该壳套通过一个气体入口连接件(11)与热气管(7)相连，通过一个气体出口连接件(12)与冷气管(9)相连，该壳套还具有一个喷水装置(30)，其特征在于：喷水装置(30)是一些可供入水和蒸汽的压力雾化嘴。
2.按照权利要求1所述的急冷器，其特征在于：蒸汽是在安置于热气管路(7)上的蒸发设备(17)中产生的。
3.按照权利要求1所述的急冷器，其特征在于：充满了外壳套(10)内流动所经过的横切面的充填柱(13)安装在喷水装置(30)的下游。
4.按照权利要求1所述的急冷器，其特征在于：充填柱(13)被设计成一个可推入圆筒形壳套(10)并具有一个分离的壳套(14)的充填料筒。
5.按照权利要求1所述的急冷器，其特征在于：热电偶(26，27)安装在充填柱(13)的上游和下游的流动所经过的壳套(10)的横切面上。
6.按照权利要求5所述的急冷器，其特征在于：充填柱(13)中装有一些热电偶(25)。
7.按照权利要求1或6所述的急冷器在燃气轮机过程中的应用，其中，气体入口连接件(11)是与燃气轮机的压缩机(2)的出口相连，而气体出口连接件(12)是与和燃气轮机(4)相通的冷气管(9)相连，而且聚集在急冷器(8)中的冷凝液直接经过排泄管(24)进入与烟道相通的废气管(6)。
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