CN1466660A - 汽轮机装置和运行汽轮机装置的方法 - Google Patents

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哈里·绍尔
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Abstract

本发明涉及一种包括一个真空泵系统(14)的汽轮机装置(2)，真空泵系统有串联布置的真空喷射泵(26)和液体环泵(28)。对于真空喷射泵(26)作为工作介质(T)使用在装置(2)中产生的蒸汽(D)，优选混合有空气(L)的蒸汽作为工作介质(T)。由此可以使下游的液体环泵(28)尺寸较小。真空泵系统(14)优选设计为用于汽轮机装置(2)的中央真空泵系统并用于汽轮机装置的多个部件(8、18、22)的除气。

Description

汽轮机装置和运行汽轮机装置的方法
技术领域
本发明涉及一种包括一个真空泵系统的汽轮机装置，真空泵系统有串联布置的真空喷射泵和液体环泵。此外本发明还涉及一种运行汽轮机装置的方法，其中，借助一个包括串联布置的真空喷射泵和液体环泵的真空泵系统为装置的部件除气。
背景技术
在例如发电领域的汽轮机装置中，通常设置一个有多个透平级的主汽轮机装置，以便尽可能充分利用制备好的蒸汽的蓄能量。大功率的汽轮机装置通常有高压级、中压级及低压级，其中，在锅炉内加热的蒸汽输入高压级并朝低压级方向膨胀。低压级端侧有数量级在80mbar与18mbar之间的负压。从低压级排出的蒸汽输入凝汽器并在那里凝出。
在凝汽器内凝结时产生的气体量必须从凝汽器中抽出。为此设置真空泵系统，它基于低压级处低的终端压力必须在抽吸侧达到例如≤18mbar的负压。由于在汽轮机装置内产生的通常大的蒸汽量，所以真空泵系统必须设计用于从凝汽器抽出大气体量输送气体为凝汽器除气。
此外，在大型电厂的汽轮机装置中，通常设一辅助透平用于向锅炉供应给水，它相对于主汽轮机装置约为1GW的功率例如有功率为20MW。此辅助透平同样配设一必须除气的凝汽器。
通常各凝汽器包括一个管道系统，它供入来自透平的要凝结的蒸汽。若蒸汽借助水冷却，则水通过所谓的水箱输入凝汽器。为了获得凝汽器的工作能力，水箱也必须除汽。由于对低压级所用的、辅助透平所用的凝汽器以及对于凝汽器的水箱在除气功率方面有不同的要求目前为这三个分系统的每一个设置自己的真空泵装置。
由GB1542483已知一种真空泵系统用于汽轮机凝汽器的除气，其中串联地设一真空喷射泵和一液体环泵。采用空气作为真空喷射泵的工作介质。通过在液体环泵上游连接真空喷射泵，改善了要达到的负压。典型地，借助液体环泵可产生负压约为50mbar。由于在上游连接一真空喷射泵，因此借助此整个系统可达到的负压＜15mbar。
在此由真空喷射泵和液体环泵组成的系统中一般存在这样的问题：液体环泵不仅必须设计为使实际上要抽出的输送气体的量等同于真空喷射泵工作介质的量，与此同时，用空气工作的真空喷射泵必要的动力空气的量，比从凝汽器抽出的输送气体的量大许多倍。为了例如借助真空喷射泵将来自凝汽器的由大约15kg/h空气和35kg/h蒸汽组成的混合物构成的输送气体质量流量从约40mbar压缩到125mbar，动力空气的质量流量务必有约200kg/h。由于这种非常大的空气份额，所以液体环泵应针对作为输送气体的干燥空气设计。与湿空气作为输送气体相比，这降低了液体环泵的工作能力。
液体环泵及其工作原理可参见例如Siemens-Broschüre″ELMO-L2BL1-Luftgekühlt，lfrei：die neueGeneration yon Vakuumpumpen″，Siemens AktiengesellschaftDeutschland，12/98，Bestellnr.：E20001-P782-A208，或因特网http：\\www.ad.siemens.de/elmo(Stand August2000)。所介绍的液体环泵有一个偏心地安装在外壳内的工作轮。通过工作轮旋转工作介质，通常为水，在外壳内形成一个随同旋转的水环。由于工作轮偏心布置，在工作轮轮毂与随同旋转的水环之间构成不同大小的分腔，在这些分腔内压缩要泵送的介质。
此外，例如由EP088226A2和DE2913960A1可知真空喷射泵与下游的液体环泵的组合。按EP088226，液体环泵用油作为工作介质工作，它被加热到温度约130℃。为了充分利用在油内储存的能量，规定通过换热器将水汽化并将此蒸汽作为工作介质输入真空喷射泵。因此在此系统中不需要单独的工作介质供给装置。当然此系统限于用油工作的液体环泵，其中可将油加热到温度超过100℃。通常液体环泵用水工作，水一般加热到最高约35℃，如由上述Siemens-Broschüre可得知的那样。
按DE2913960A1，来自配属于液体环泵的分离器的空气作为工作介质输入真空喷射泵。在这里，从分离器提取的空气除湿，以便向真空喷射泵供入尽可能干燥的空气。
发明内容
本发明的目的是能在装置简单的情况下经济地运行汽轮机装置。
按本发明此目的通过一种具有真空泵系统的汽轮机装置达到，真空泵系统有串联布置的真空喷射泵和液体环泵，其中，蒸汽管路与真空喷射泵连接，蒸汽管路用于输入在汽轮机装置中产生的蒸汽作为真空喷射泵的工作介质。
在这里作为蒸汽主要利用剩余的蒸汽，以便不影响汽轮机装置的效率。使用蒸汽作为工作介质突出的优点是，由此与传统上采用动力空气相比较，明显地减少对不能凝结的工作介质所需要的量。从而存在这种可能性，即，设在真空喷射泵下游的液体环泵可针对明显较低的质量流量设计，由此可显着地降低成本。通过使用处于大气压力下的蒸汽或蒸汽-空气混合物作为工作介质，就借助于液体环泵要输送的质量流量而言的功率需求减少约40-50％，因为蒸汽状态的质量部分在液体环泵内凝结，以及不必压缩到大气压力。
恰当地，通过它将蒸汽作为工作介质输入真空喷射泵的蒸汽管路连接在用于透平轴密封系统的汽封回路上。
为了密封旋转的透平轴，通常采用迷宫密封装置，通过它导引所谓的密封蒸汽。在离开透平密封装置后，此密封蒸汽又称为汽封蒸汽。此汽封蒸汽是一种在汽轮机装置内产生的“废料”，并因而特别适用于作为处于大气压力状态的工作介质，不会损害汽轮机装置的效率。
此外，将汽封蒸汽供入真空泵系统有突出的优点，即，汽封蒸汽由于液体环泵的作用原理导致凝出。由此不需要通常在汽轮机装置内设置用于汽封蒸汽的冷凝系统。从而可以节省投资，并除此之外与传统的汽轮机装置相比减少了对必要的装置的需求量。
恰当地，气体管路与蒸汽管路连接，此气体管路用于混入空气以构成蒸汽-空气混合物作为真空喷射泵的工作介质。由此获得真空喷射泵的一种特别有效的工作。尤其是在混合用的空气和蒸汽之间调整为均匀的质量流量分配。此外混入空气的优点是，可以方便地调整必要的工作介质量，尤其在汽封蒸汽的量有限的情况下此蒸汽量单独作为工作介质是不够的。
恰当地，气体管路以其另一端与液体环泵在压力侧连接，并尤其连接在一个配属于液体环泵的分离器上。也就是说，被液体环泵压缩到大气压力的空气一起用作工作介质。这样做的优点是为了输入真空喷射泵不需要单独的压缩器。
按一种恰当的设计，真空泵系统通过一条用于凝汽器除气的第一除气管路连接在此凝汽器上，此凝汽器规定用于从汽轮机尤其从汽轮机低压部分排出的过程蒸汽的凝结。
优选地，真空泵系统同时通过第二除气管路连接在第二凝汽器上，后者配属于辅助透平。也就是说优选地不仅主透平的凝汽器而且辅助透平的凝汽器均借助同一个真空泵系统除气。由此取消了为各个凝汽器配设多个真空泵系统的必要性。
通常用于冷却液的凝汽器有一水箱，它为了其除气优选地通过第三除气管路与真空泵系统连接。
因此设置一个形式上为真空泵装置的中央真空泵系统，它为汽轮机装置中的多个部件制备真空。由此，与多个分散的真空泵系统相比，就真空泵系统而言的设备费用及维护费用明显降低。
为了水箱除气，第三除气管路优选地连接在液体环泵的附加孔上。通过此附加孔从水箱抽出冷却水析出的饱和的水箱空气。它样做突出的优点是，从水箱抽出的饱和空气量单独供给液体环泵，而不添加在从两个凝汽器抽出的输送气体量内。
恰当地，附加孔设有液体环泵吸入接管与压力接管之间，并与一个在工作时形成的工作或压缩腔连接。因此第三除气管路将来自水箱的饱和空气输入液体环泵在吸入接管与压力接管之间的中间区内。在此区域内，液体环泵还提供足够的用于水箱除气的负压。与此同时，在此部位输入不导致或只是不明显地导致提高液体环泵的功率需要。液体环泵通过此防气蚀的孔可以说“徒劳地”提供输送功率。因此，当在附加孔上设第三除气管路时，液体环泵不必增大尺寸。
在这里采用这种附加孔作为附加的抽吸接头是基本性质(Natur)，这一般适用于各种液体环泵，不限于在汽轮机装置中应用。有这种附加孔的液体环泵还例如在造纸工业中在造纸机上提供用于过滤部分的除水。这种液体环泵通常适合在造纸领域使用。在这种情况下，通过在吸入接管与压力接管之间恰当地定位附加孔以及选择附加孔的直径，不仅鉴于体积流量而且鉴于要达到的负压，可在某个范围内改变抽吸能力。
此外，按本发明通过一种运行汽轮机装置的方法达到此目的，其中借助一真空泵系统为汽轮机装置的部件除气，它有串联布置的真空喷射泵和液体环泵，向真空喷射泵输入在汽轮机装置内产生的尤其剩余的蒸汽作为工作介质。
已列举的有关汽轮机装置的优点及优选的设计按意义可应用于此方法。在从属权利要求中含有方法有利的设计。
附图说明
下面借助附图进一步说明本发明的实施例。其中：
图1汽轮机装置的局部示意图，以及
图2通过液体环泵的示意剖视图。
具体实施方式
按图1的汽轮机装置2有一汽轮机4，它尤其是一个例如3级主透平装置的低压级。这样一种多级的主透平装置例如在电厂中用于功率为千兆瓦范围内的发电。汽轮机4出口侧有负压，在低压级中此负压典型地在80mbar与18mbar之间的范围内。输入汽轮机4的过程蒸汽P通过出口管路6离开汽轮机并输入第一凝汽器8。过程蒸汽P在此凝汽器8中凝出，冷凝水经排水管10排出并作为给水重新输入没有进一步表示的锅炉。
在冷凝过程中，在第一凝汽器8内汇集一种称为输送气体F的气体-蒸汽混合物，它通过第一除气管路12被真空泵系统14抽出。
此外，汽轮机装置2还有一辅助透平16，它类似于汽轮机4设计，但功率小得多。此辅助透平16主要用于驱动给水泵，并曲型地功率约为20MW。类似于汽轮机4，为辅助透平16配设第二凝汽器18，输入辅助透平16的过程蒸汽P在其中凝出。类似于第一凝汽器8，冷凝水通过排水管10排出。为了第二凝汽器18的除气设第二除气管路20，它同样连接在真空泵系统14上。通过此第二除气管路20同样从第二凝汽器18抽出作为输送气体F的气体-蒸汽混合物。在这里，第一除气管路12汇入第二除气管路20中。
两个凝汽器8、18优选地有水作为冷却剂，水储存在各凝汽器8、18的水箱22内。当凝汽器8、18工作时，在各自的水箱22内形成气垫。为了除去至少第一凝汽器8水箱22中的空气设第三除气管路24，它同样通往真空泵系统14。在这里，从水箱22抽出由冷却水析出的饱和的空气，它被称为水箱空气WL。
真空泵系统14包括一台真空喷射泵26和一台沿流动方向布置在真空喷射泵26下游的液体环泵28。第二除气管路20连接在真空喷射泵26的吸入区27上，以及真空喷射泵的出口侧与液体环泵28的吸入接管30连接。来自两个凝汽器8、18的输送气体F因而首先被真空喷射泵26预压缩。真空喷射泵26在这里用工作介质T工作，它从外部供入并与输送气体F混合。典型地，在第一凝汽器中以及在第二凝汽器18中的压力处于一个范围内，这一范围大体相应于汽轮机4或辅助透平16的出口压力。因此在两个凝汽器8、18内存在处于80与18mbar范围内的负压。所以输送气体F正是有此负压。在真空喷射泵26内输送气体大约压缩3倍，以及接着在液体环泵内进一步压缩到环境压力并通过压力接管34排出。
此外，液体环泵28在吸入接管30与压力接管34之间有一附加孔35，其上连接第三除气管路24。在这里，附加孔35在吸入槽70与压力槽72(见图2)之间设在液体环泵28的所谓控制盘(图中未表示)内。通过液体环泵28的作用原理，引起经吸入接管30输入的由输送气体F和工作介质T组成的泵混合物与液体环泵28的工作介质混合。在这里此工作介质是水W。水与可能从泵混合物产生的冷凝水一起在分离器38内与空气L分离。水W通过换热器40重新输入液体环泵28。空气L通过其中连接一阀44的气体管路42作为工作介质T输入真空喷射泵26。剩余的空气L从真空泵系统14通过排气管路46排入周围环境中。
重要的是，除空气L作为工作介质T输入真空喷射泵26外，还通过蒸汽管路48输入蒸汽D。在蒸汽管路48内连接另一个阀44。在这里，蒸汽管路48连接在汽封回路50上，密封蒸汽S在此汽封回路中通过一些透平密封装置52导引。为汽轮机4以及辅助透平16配设透平密封装置52，它们设计为迷宫密封装置，使透平4、16的旋转轴相对于周围环境密封。密封蒸气流过透平密封装置52后也被称为汽封蒸汽(Wrasendampf)。此蒸汽D作为工作介质T输入真空喷射泵26。也就是说，工作介质T是一种蒸汽-空气混合物，其中，蒸汽D或空气L各自的份额可通过两个阀44调整。优选地，在蒸汽D和空气L之间调整为均匀分配。如果能提供足够的蒸汽量，则作为工作介质T也可以仅仅使用蒸汽D。因为汽封蒸汽是一种在汽轮机装置2内产生的剩余的蒸汽，所以不会由于使用汽封蒸汽作为工作介质T而影响汽轮机装置2的总效率。除使用汽封蒸汽外还建议其他在汽轮机装置内产生的蒸汽类别。例如可考虑使用在用于调节的汽封系统中产生的以及通常在其中一个凝汽器8、18内被废弃的蒸汽。
借助于图2所示的通过液体环泵28的横截面示意图可以看出液体环泵28的作用原理，它有一个偏心地装在液体环泵28外壳62内的工作轮64。在工作时，水W形成一个随同旋转的液体环66，所以在工作轮64的各辐条68与液体环66之间构成不同容积的分腔68。在外壳62端侧，在用符号70表示的位置设一吸入槽，通过吸入接管30经由此吸入槽抽吸要吸入的介质。由于偏心的布局，但泵送的介质在工作轮64旋转过程中被压缩，并在用符号72表示的位置经压力槽向压力接管34排出。
附加孔35设在外壳62内吸入槽70与压力槽72之间并与工作腔连接，工作腔由各个分腔68构成。取决于附加孔35的位置，液体环泵28在此位置存在的不仅就存在的负压而言而且就输送量而言的抽吸能力可以改变。此外，抽吸能力也可以通过选择附加孔35的直径加以改变。
尽管在附加孔35处的负压高于在吸入接管30处的负压，但它仍足够低，从而能为水箱22除气。此外用于水箱22除气的体积抽吸能力也足够高。因为第三除气管路24不与吸入接管30连接，所以通过附加地输入气体混合物G不会或几乎不会造成液体环泵28附加的负载。由于连接第三除气管路24可能有必要略微增大液体环泵28的尺寸，但与为水箱22除气设一单独的泵系统相比这无论如何是更为有利的。
如此设计的具有统一的中央真空泵系统14的汽轮机装置有下列突出的优点：
1.由于使用蒸汽D和空气L作为真空喷射泵26的工作介质T，与仅使用空气L作为工作介质T相比，液体环泵28可以设计得小得多，因为蒸汽D在液体环泵内冷凝，只有空气部分必须压缩到大气压力。
2.在汽封回路50中产生的汽封蒸汽优选完全通过真空泵系统14导引。在这里不是绝对必须的是，将汽封蒸汽全部的量作为工作介质T用于真空喷射泵26。通过将汽封蒸汽输送给液体环泵28和配属的分离器38使汽封蒸汽凝出，所以不需要单独用于汽封蒸汽的凝汽系统。
3.为全部必须与真空系统连接的装置部件，设置作为中央真空系统的真空泵系统14。由此可以简化和降低设备成本。尤其是取消了安装多个分散的真空泵系统的必要性。
4.通过将第三除气管路24连接在附加孔35上，利用了由液体环泵28可以说是“徒劳地”提供的抽吸能力，无需由于连接此第三除气管路24增加液体环泵28的尺寸。

Claims (17)

1.汽轮机装置(2)，包括一个真空泵系统(14)，它有串联布置的真空喷射泵(26)和液体环泵(28)，其特征为：蒸汽管路(48)与真空喷射泵(26)连接，蒸汽管路(48)用于输入在汽轮机装置中产生的蒸汽(D)作为真空喷射泵(26)的工作介质(T)。
2.按照权利要求1所述的装置(2)，其特征为：蒸汽管路(48)连接在用于透平密封装置(52)的汽封回路(50)上。
3.按照权利要求1或2所述的装置(2)，其特征为：气体管路(42)与蒸汽管路(48)连接，气体管路(42)用于混入空气(L)以构成蒸汽-空气混合物作为工质(T)。
4.按照权利要求3所述的装置(2)，其特征为：气体管路(42)还与液体环泵(28)在压力侧连接，并尤其连接在一个配属于液体环泵(28)的分离器(38)上。
5.按照前列诸权利要求之一所述的装置(2)，其特征为：真空泵系统(28)通过一条用于第一凝汽器(8)除气的第一除气管路(12)连接在凝汽器(8)上，此凝汽器规定用于从汽轮机(4)尤其从汽轮机(4)低压部分排出的过程蒸汽(P)的凝结。
6.按照前列诸权利要求之一所述的装置(2)，其特征为：真空泵系统(28)通过第二除气管路(20)连接在第二凝汽器(18)上，后者配置于辅助透平(16)。
7.按照权利要求5或6所述的装置(2)，其特征为：用于冷却液的凝汽器(8、18)有一水箱(22)，它为了其除气通过第三除气管路(24)与真空泵系统(14)连接。
8.按照权利要求7所述的装置(2)，其特征为：液体环泵(28)有一个连接第三除气管路(24)的附加孔(35)。
9.按照权利要求8所述的装置(2)，其特征为：附加孔(35)设在液体环泵(28)外壳(62)上的吸入接管(30)与压力接管(34)之间，并且与一个在运行过程中形成的工作腔(68)连接。
10.运行一种汽轮机装置(2)的方法，其中借助一个包括串联布置的真空喷射泵(26)与液体环泵(28)的真空泵系统(14)，为汽轮机装置的部件(8、18、22)除气，其特征为：向真空喷射泵(26)输入一种在汽轮机装置(2)内产生的作为工作介质(T)的蒸汽(D)。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征为：作为工作介质(T)使用一种用于透平密封装置(52)的密封蒸汽(S、D)。
12.按照权利要求10或11所述的方法，其特征为：作为工作介质(T)使用蒸汽-空气混合物(D、L)。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征为：对于混合物(D、L)调整为蒸汽(D)和空气(L)大体相同的比例。
14.按照权利要求10至13之一所述的方法，其特征为：密封蒸汽(S、D)在真空泵系统(14)内凝结。
15.按照权利要求10至14之一所述的方法，其特征为：汽轮机(4、16)的凝汽器(8、18)被除气。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征为；凝汽器(8、18)的水箱(22)被除气。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征为：为了水箱(22)除气，在水箱内产生的饱和的水箱空气(WL)通过液体环泵(28)上的附加孔(35)抽出。
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