自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽系统

摘要

一种自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽系统，包含自然通风冷却塔和置于冷却塔水池上方的直接水膜蒸发空冷集群凝汽器。汽轮机出来的乏汽在凝汽器管内流动放热，凝结成水排出；淋水在管外形成水膜，流动空气掠过水膜，水膜吸收管内乏汽热量并向流动空气传递显热和水膜蒸发的潜热。淋水落进冷却塔水池，再经循环泵送到各台凝汽器管束上方的淋水分配装置。本系统消耗一定蒸发水量，明显提高热力循环效率，没有风机耗能，减少厂用电，可克服直接干空冷凝汽方式高温环境不能满发的不足。与水冷凝汽方式比，本系统可获得比水冷更低的凝汽温度，获得更高的热力循环效率，可明显减少耗水量。本系统适用于不缺水但节水要求日趋严格的地区。

说明书

技术领域

本发明涉及火电、核电、流程工业的自备电厂或余热发电等汽轮发电机组的蒸汽动力循环系统，具体涉及一种采用自然通风直接水膜蒸发空冷的凝汽系统。

背景技术

火电、核电等汽轮发电机组的蒸汽动力循环(亦称朗肯循环)将蒸汽热能转变为机械能，再将机械能转变为电能。如附图1所示，温熵图上朗肯循环线包围的面积即为蒸汽热能可转化输出的机械能。之所以称为循环，是因为蒸汽状态要经过高温高压蒸汽→低温低压蒸汽→低温低压水→低温高压水→高温高压蒸汽的状态循环过程。故汽轮机排出的低温低压蒸汽(简称乏汽)需要先冷凝成低温低压水，然后再泵入锅炉重新变成可作功的高温高压蒸汽。乏汽在凝汽器中冷凝需要向冷却介质放热，不同的冷却介质和不同的凝气设备可构成不同的冷却方式或冷却系统。

常见的水冷凝汽方式为，循环冷却水在凝汽器管内间壁对流吸收管外乏汽的热量，再到冷却塔中淋到填料上形成水膜，水膜与空气直接接触，将热量通过对流和蒸发方式传递给空气。水冷式凝汽器体积较小，凝汽温度较低且较稳定，有利于发电机组出力，但循环水量大，耗水量也大。这样的水冷方式在发电行业也称为湿冷方式。

目前在北方缺水地区推广使用的直接干空冷凝汽方式为，空气在鼓风机作用下在翅片管外流动，并吸收管内乏汽的热量，热风直接排向大气。直接空冷系统体积大，凝汽温度较高且易受气候影响，发电机组出力较小，厂用电率比水冷式的高，但能够显著节水。

除了以上水冷和直接空冷两种基本凝汽方式外，还有以下凝汽方式：

(1)混合式凝汽器间接空冷系统(简称海勒式)

系统中的冷却水是高纯度的中性水，中性冷却水进入喷射式凝汽器直接与乏汽混合并将乏汽冷凝，受热后的冷却水绝大部分泵送至空冷塔散热器，与空气间壁对流换热后通过调压水轮机将冷却水再次送入凝汽器；受热后的冷却水极少部分经过精处理后送到汽轮机回热器，再泵入锅炉加热。使用海勒式间接空冷系统的汽轮机组年平均背压低于直接空冷机组，煤耗较低。但循环冷却水与锅炉主给水混合，需设置凝结水精处理设备，使系统复杂化。且该系统采用全铝制的散热器，抗冻性较差。该系统一般用于200MW以下的发电机组，一般与中背压汽轮机配套。

(2)表面式凝汽器间接空冷系统(简称哈蒙式)

该系统中，水冷式凝汽器(亦称表面式凝汽器)出来的循环冷却水进入冷却塔后，不直接与空气接触，而是进入到冷却塔中的间壁式换热器将热量传给空气，即循环冷却水是封闭运行的。哈蒙式间接空冷系统的突出优点是节水，冷却水系统与主给水系统分开，水质可按各自要求控制；但凝汽器端差比水冷式的大，机组煤耗高，且多出一套换热设备，投资多。

(3)采用并联正、逆制冷循环的工质的间接空冷系统(简称并联正逆循环式)

该系统中，表面式凝汽器使用的冷却介质是氨等常用制冷剂。环境温度较高时，制冷剂液体在凝汽器中吸收乏汽热量变成制冷剂蒸汽，再经小汽轮机驱动的压缩机升压，到空冷器降温变成液体，经节流膨胀后再到凝汽器吸热。制冷剂蒸发温度足够低，可有效降低凝汽温度，满足正常发电要求。系统中除了蒸汽热力循环外，还有制冷剂的热力循环，因为制冷剂热力循环中压缩机消耗了外功，故称正制冷循环。

当环境温度较低时，制冷剂液体在凝汽器中吸收乏汽热量变成制冷剂蒸汽，再经膨胀机减压，到空冷器降温变成液体，再泵送到凝汽器吸热。此时，系统利用凝汽温度与环境散热温度之间制冷剂的焓差，使膨胀机驱动小发电机发电，故制冷剂的热力循环可对外做功，故称逆制冷循环。

采用并联正、逆制冷循环的工质的间接空冷系统除了间接空冷节水外，其突出优点在于环境温度高时凝汽温度足够低，机组仍能满发；且环境温度低时，还可多发电。但这个系统增加的设备将使系统复杂化，将使初投资明显增加。

发明内容

本发明提供一种用于火电、核电、流程工业的自备电厂或余热发电等蒸汽动力循环发电的，采用自然通风的直接水膜蒸发空冷凝汽系统。该系统主要由直接水膜蒸发空冷集群凝汽器和自然通风冷却塔组成，其特征是，多台直接水膜蒸发空冷凝汽器集群安装在自然通风冷却塔内，且在所述冷却塔的下部，在冷却塔水池的上方。故本系统也可简称为“凝汽空冷塔”。

本发明称之为自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽系统的原因有三：其一，本发明用冷却塔自然通风，不用风机。其二，类似于直接干空冷，乏汽走管内，乏汽热量传递给管外的空气。其三，水冷凝汽方式中，乏汽放热在凝汽器内，水膜蒸发却在冷却塔内；而本发明的水膜蒸发直接在凝汽器内进行。

由朗肯循环理论得知，提升朗肯循环的高温高压线，可扩大循环线包围的面积，即可提高蒸汽动力循环的效率。目前正在推广的超临界或超超临界火力发电机组之所以发电效率高，是因为随着耐高温材料技术的突破和相关技术的进步，提升朗肯循环的高温高压线有了可能。

由朗肯循环理论还可得知，降低朗肯循环的低温低压线，也可扩大循环线包围的面积，也可提高蒸汽动力循环的效率。这就是本发明提高发电效率的主要理论依据。

考虑到公路或铁路运输的宽度限制，单台直接水膜蒸发空冷凝汽器一般宽3米。根据汽轮发电机组容量的大小和乏汽冷凝热负荷的大小，可将多台直接水膜蒸发空冷凝汽器集群安装，一个集群可配置一个水处理装置和一台补水泵。

从汽轮机出来的乏汽经分配管送入各台直接水膜蒸发空冷凝汽器的进口管箱或联箱，再经管箱或联箱分配进入换热管束的管内。换热管束的管子可以是截面为圆形、椭圆形或矩形的表面光滑管，也可以是表面不光滑的波形管，槽型管等。管子排列方式通常为交叉排列，也可平顺排列。冷却塔水池中的淋水被泵送到分配装置，再从上到下淋落，在换热管外形成水膜。管外水膜自上而下流动的过程中吸收管内乏汽热量，使水膜温度升高。自然流动的空气掠过水膜，与水膜对流换热；同时，由于流动空气含湿量未达饱和，故水膜表面的水分子会蒸发进入空气，并随风排到大气。冷却塔可强化自然通风，也就强化了流动空气吸收水膜的显热和蒸发潜热。当环境温度比乏汽温度低得较多时，对流换热量会较大；当环境温度比乏汽温度低得较少或基本相当时，蒸发传热量会较大。

少量淋水蒸发后，大部分淋水落到冷却塔水池里，水池配有排污泵和补水泵。排污的目的是控制淋水中的杂质浓度不要过高，以免加剧结垢和腐蚀。水处理装置要根据换热管材料防腐要求和水源水质，对淋水进行防腐、除垢和灭藻处理。

在冷却塔强化通风的作用下，塔外空气流到水池上方，进入各台凝汽器换热管束的管子之间，掠过换热管外的水膜，吸收水膜传递的显热和潜热，再穿过配水装置上方的收水器，排向大气。收水器用塑料制成复合波型或蜂窝型，高效收水可以大大减少水雾飘出，避免水雾飘落到附近设备上引起腐蚀，也可减轻对局部大气环境的不利影响。

集群型凝汽器凝结水出口管箱或联箱高于凝结水泵的入口，以便凝结水进入凝结水泵。集群型凝汽器的换热管可用铜管或不锈钢管，因为主给水已做过精处理，故换热管不用配备管内胶球清洗装置。

自然通风直接水膜蒸发空冷集群凝汽器设在冷却塔水池上方，以保证各台凝汽器来风顺畅。各台凝汽器之间留有巡捡和安装通道。通道的大部分面积要用钢板焊封起来，以免大量漏风短路，影响换热。通道留出较窄的通风口，以避免凝汽器收水器出口处排出的空气回旋到安装检修通道处形成回流，增加流动阻力。

一种自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽系统，包括自然通风冷却塔和多台安装在所述自然通风冷却塔内的直接水膜蒸发空冷凝汽器，其中，所述直接水膜蒸发空冷凝汽器安装在所述自然通风冷却塔的下部，在冷却塔水池的上方，所述直接水膜蒸发空冷凝汽器包括换热管束、淋水分配装置、收水器、凝汽器乏汽进口和凝汽器乏汽出口。

进一步地，所述的换热管束的管子为横截面是圆形、椭圆形或矩形的表面光滑管，或者为表面不光滑的波形管或槽型管。

进一步地，所述的换热管束的管子在凝汽器中的排列方式为交叉排列或者平顺排列。

进一步地，所述的换热管束的管子为铜管或不锈钢管。

进一步地，所述收水器用塑料制成复合波型或蜂窝型。

进一步地，各台直接水膜蒸发空冷凝汽器之间安装有检修通道。

进一步地，所述的换热管束下方迎风侧敞口进风，凝汽器管束下方背风侧设置挡风板，使得大部分来风只能穿过所述换热管束。

进一步地，所述的挡风板开有窄缝通风，以避免或减小换热管束出口的主流风产生涡流。

进一步地，所述直接水膜蒸发空冷凝汽器呈同心圆环均布安装。

一种蒸汽动力循环系统，包括上述的自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽系统。

各种凝汽方式的技术特点比较：

(1)传热系数

水冷式凝汽器内，冷却水无相变走管内，乏汽冷凝相变走管外，以提高凝汽器传热系数。

直接干空冷凝汽器内，乏汽要封闭流动，只能走管内，故管内传热系数较大。管外的空气导热系数小，对流传热系数小，故以翅片来强化管外传热，但管外的传热系数仍然较小，所以总传热系数还是较小。

直接水膜蒸发空冷凝汽器内，乏汽要封闭流动，需要走管内，管内传热系数较大。管外空气掠过水膜时，水膜蒸发相变，传热系数也较大，故直接水膜蒸发空冷总的传热系数不比水冷式凝汽器的传热系数小。

(2)热负荷(即制冷量)

直接干空冷器中，空冷的热负荷等于乏汽的放热量。

直接水膜蒸发空冷凝汽器中，空冷的热负荷等于乏汽的放热量。

水冷凝汽方式中，冷却水将乏汽热量带到冷却塔中，最后在冷却塔中空冷的热负荷等于乏汽的放热量+泵阀管路温升热量+低温冷水管路漏损带走的冷量。

可见，水冷凝汽方式的热负荷大，直接水膜蒸发空冷热负荷小。

(3)凝汽温度

直接干空冷的设计端差约15℃，故乏汽凝汽温度较高。

直接水膜蒸发空冷的设计端差约3～5℃，故乏汽凝汽温度较低。

水冷器的设计端差约为5℃，与之配套的冷却塔的设计端差约3～5℃。

比较得知，直接水膜蒸发空冷的乏汽冷凝温度比水冷方式低5℃左右，比直接干空冷方式则可以低出20℃以上。

可见，与广泛使用的水冷凝汽方式相比，直接水膜蒸发空冷凝汽方式降低了朗肯循环的低温低压线，扩大了朗肯循环包围的面积，提高了蒸汽动力循环的效率。这样，蒸汽热能就可更多地转化为汽轮机的动能，这就更能确保汽轮发电机组夏季满发。

(4)能耗水耗

直接干空冷凝汽方式节水，但蒸汽动力循环效率低，风机能耗大。

水冷凝汽方式的循环水量大，耗水量大，循环水泵能耗也大。

直接水膜蒸发空冷比水冷式明显节水，比直接干空冷明显节能，故直接水膜蒸发空冷适用于不缺水但节水要求日趋严格的地区，如我国华中、华东、华南和西南地区。

(5)自然通风直接水膜蒸发空冷的技术经济优势

与直接干空冷凝汽方式相比，自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽方式在消耗一定蒸发水量的情况下，可明显提高热力循环效率，明显多发电，减少厂用电，可克服直接干空冷凝汽方式高温环境不能满发的不足，且无风机耗能。

与水冷凝汽方式相比，自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽方式可获得比水冷更低的凝汽温度，可多发电，获得更高的热力循环效率，可大大减少循环水量，可明显减少耗水量。

与海勒式相比，自然通风直接水膜蒸发空冷省去了主给水精处理装置。

与哈蒙式相比，自然通风直接水膜蒸发空冷减少了给冷却水降温的换热设备，提高了传热效率，提高了热力循环效率。

与并联正逆循环式相比，自然通风直接水膜蒸发空冷简单得多，更易于实现。

附图说明

图1是蒸汽动力循环的温熵图

图2是不同凝汽温度下蒸汽动力循环对比的温熵图

图3是采用了本发明后的蒸汽动力循环系统示意图和本发明的自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽器集群分布示意图

图4是本发明的自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽器集群工作示意图

【图号及名称】

1锅炉               2过热器                            3汽轮机

4发电机             5自然通风直接水膜蒸发凝汽空冷塔    6凝结水泵

7低压加热器         8除氧器                            9给水泵

10高压加热器        11冷却塔底部水池                   12凝汽器

13收水器            14淋水分配装置                     15凝汽器乏汽进口

16换热管束          17凝汽器凝结水出口管箱或联箱       18水池

19淋水循环泵        20补水和水处理装置                 21补水泵

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。但本发明不限于实施例，本领域技术人员对本发明做某些非本质性的修改而形成的技术方案，均在本发明保护范围内。

参照图3，本发明的自然通风直接水膜蒸发空冷凝汽系统主要用于火电或核电等汽轮发电机组的乏汽凝结。该系统主要由直接水膜蒸发空冷集群凝汽器和自然通风冷却塔组成，其特征是，多台直接水膜蒸发空冷凝汽器集群安装在自然通风冷却塔内，且在所述冷却塔的下部，在冷却塔水池的上方。故本系统也可简称为“凝汽空冷塔”。图3的蒸汽动力循环系统中共有十种设备，仅自然通风直接水膜蒸发凝汽空冷塔5装在室外，其它九种设备都装在室内。

考虑到凝汽器12的安装和检修可能要抽出管子，故各台凝汽器12之间需留有安装检修空间，为充分利用冷却塔内的空间多装凝汽器12，凝汽器12不能太长，也不能太短。一般以换热管束6米长、3米宽为宜。这种换热管束的凝汽器外形尺寸约长7米，宽3.1米。根据乏汽热负荷大小，可选用不同直径的冷却塔。以水池直径100米为例，冷却塔内可按直径36米、56米、76米和96米分为四层环圈。36米环圈安装7台凝汽器，56米环圈安装12台凝汽器，76米环圈安装16台凝汽器，96米环圈安装21台凝汽器，总共56台凝汽器。

各台凝汽器之间的安装检修通道，大部分面积要用钢板焊封起来，以免大量漏风短路，影响换热。各通道留出20mm～50mm宽的通风口，以避免凝汽器12收水器出口处排出的空气回旋到安装检修通道处形成回流，增加流动阻力。

先建造冷却塔塔体和凝汽器集群平台，冷却塔内的凝汽器集群平台要高于冷却塔的进风口，再安装各台凝汽器12的换热管束16、淋水分配装置14、乏汽分配管路、凝结水汇集管路、收水器13等。集群凝汽器凝结水出口管箱或联箱17高于凝结水泵6的入口，以便凝结水进入凝结水泵。

集群凝汽器的换热管束16可用铜管或不锈钢管。收水器13通常用塑料制成复合波型或蜂窝型。高效收水可以大大减少水雾飘出，避免水雾飘落到附近设备上引起腐蚀，也可减轻对局部大气环境的不利影响。

冷却塔水池需装上排污管和补水管，以排污降浓和补充新水。淋水的防腐、除垢、灭藻处理可在冷却塔水池中进行，也可在补水和水处理装置20中进行。水池中的淋水经循环泵19送到淋水分配装置14，淋水分配装置一般使用明渠配水，使用溅水器来淋水。

冷天运行防冻问题

本发明一般用于不缺水但节水要求日趋严格的我国华中、华东、华南和西南地区，这些地区冬天流动水一般不结冰。所以只要直接水膜蒸发空冷使用淋水循环，淋水就会吸收管内乏汽热量，流动淋水的温度就不会太低，就不会结冰堵塞管路。

排污管要注意保温，不能因管道结冰影响排污。补水及水处理装置20的管路也应注意保温。不能因管道结冰影响补水。

可在管外包覆保温层防止结冰，也可用蒸汽管线伴热防止结冰。