КОНДЕНСАТОР ПАРА С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ, А ТАКЖЕ СПОСОБ
CONDENSER OF STEAM WITH AIR COOLING AND NATURAL CIRCULATION, AND ALSO METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение, в целом, относится к области вакуумно-паровых конденсаторов с воздушных охлаждением для электростанций, а именно к конденсаторам с воздушным охлаждением и естественной циркуляцией.
Уровень техники, предшествующий изобретению
На многих типах промышленных объектов, таких, например, как электростанции, конденсация пара осуществляется как неотъемлемая часть замкнутого парового цикла. Для конденсации используются градирни как сухого, так и мокрого типа. Поскольку системы, использующие мокрый способ охлаждения, потребляют значительное количество охлаждающей воды, системы, использующие сухой способ охлаждения, занимают все большую долю рынка, поскольку они позволяют экономить водные ресурсы. В частности, воздушные конденсаторы с принудительной подачей сухого воздуха, состоящие из множества теплообменников из оребренных трубок, известны достаточно давно. В отличие от систем, использующих мокрый способ охлаждения, отличающихся наличием вторичного контура водяного охлаждения, подобные системы являются т.н. системами «прямого» осушения, в которых пар непосредственно конденсируется на теплообменниках из оребренных трубок за счет воздушного охлаждения. Теплообменники из оребренных трубок устанавливаются таким образом, чтобы центровые линии трубок проходили наклонно вертикальной плоскости. Пучки устанавливаются на опорную конструкцию, что позволяет при помощи вентиляторов нагнетать охлаждающий воздух через теплообменники из оребренных трубок. Окружающий воздух, соприкасающийся с теплообменниками из оребренных трубок, конденсирует пар внутри оребренных трубок, который затем выходит из теплообменника в виде конденсированной переохлажденной жидкости. Несмотря на коммерческий успех на протяжении многих лет, одним из недостатков конденсаторов с прямым воздушным охлаждением является расход электроэнергии для обеспечения работы вентиляторов, а также шум, создаваемый вентиляторами, который в большинстве случаев является нежелательным. В настоящее время используются два типа сухого охлаждения, конденсаторы с воздушным охлаждением с вентиляторами и градирни с принудительной тягой с естественной циркуляцией или с вентиляторами.
Другим типом является система с т.н. сухим «непрямым» охлаждением. В подобной системе используется конденсатор отходящего пара турбины, причем пар из турбины конденсируется при помощи охлаждающей воды. Охлаждающая вода по водоводу при помощи насоса подается в градирню с воздушным охлаждением, которая может работать по принципу мокрого или сухого охлаждения. В случае сухого охлаждения градирня состоит из множества теплообменников с воздушным охлаждением, из которых тепло передается в окружающий воздух по принципу конвекции. Градирня может работать за счет естественной циркуляции или при помощи вентиляторов. Конденсатор отходящего пара турбины может быть, например, поверхностным или струйным конденсатором. Из-за наличия вторичного контура водяного охлаждения системы с сухим непрямым охлаждением являются не столь эффективными, как системы с прямым сухим охлаждением. Другим недостатком систем с сухим непрямым охлаждением и естественной циркуляцией является также более высокая инвестиционная стоимость по сравнению с воздушными конденсаторами с принудительной прямой подачей воздуха.
Вакуумно-паровые конденсаторы отличаются тем, что в них проникает окружающий воздух (инертный или неконденсирующийся газ). Если он неполностью удаляется из теплообменников, то подобный газ значительно снижает эффективность теплообменника, поскольку неконденсирующийся газ накапливается и создает «воздушные карманы» в оребренных трубках. В результате эффективность поверхности теплообменника и производительность конденсатора снижаются. Поэтому в вакуумных конденсаторах используются вторичные конденсаторы, работающие в парциальном режиме, при котором инертные газы удаляются из верхней части коллекторов теплообменников вторичных конденсаторных пучков при помощи специальных откачивающих средств. Для обеспечения того чтобы весь инертный газ поступал в подобные верхние паровые коллекторы вторичных конденсаторов, в пучки трубок вторичных конденсаторов непрерывно в достаточном объеме должен подаваться охлаждающий воздух. Из-за локальных изменений в окружающем воздухе в результате ветра или иных причин системы охлаждения с естественной циркуляцией в отдельных случаях не способны обеспечивать бесперебойное охлаждение вторичного конденсатора, тогда как охлаждение отдельных секций основного конденсатора по-прежнему происходит. Это может приводить не только к скоплению инертных газов и снижению эффективности, но и также ускорять коррозию трубок и создавать опасность промерзания трубок при отрицательных температурах. Поскольку надлежащий отвод тепла из пучков теплообменников не может быть гарантирован в любых условиях эксплуатации, сочетание сухой конденсации и охлаждения с использованием естественной циркуляции, частично рассмотренное ранее, представляет реальную угрозу для операторов установки.
Ввиду вышесказанного, несмотря на то что существующие системы прямого и непрямого охлаждения успешно зарекомендовали себя, на уровне техники существует потребность в других типах конденсаторов пара с воздушным охлаждением, позволяющих в отдельных случаях снизить уровень шума, себестоимость и/или энергопотребление, обеспечивая при этом такой же уровень безопасности, как и прежде.
Сущность изобретения
По некоторым вариантам осуществления изобретения предлагаются конденсаторы пара с воздушным охлаждением, позволяющие в отдельных случаях снизить уровень шума, себестоимость и/или энергопотребление. По некоторым вариантам осуществления для предотвращения скопления воздуха в теплообменниках основные и вторичные конденсаторные секции объединены в один пучок теплообменника. Поэтому локальные изменения в потоке охлаждающего воздуха всегда оказывают одновременное влияние на основную и вторичную секцию для того, чтобы обеспечивалось полное локальное удаление воздуха.
По одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается конденсаторная установка с воздушным охлаждением в гиперболоидном или цилиндрическом кожухе, у которого имеется открытая верхняя часть и открытая нижняя часть, кольцо из пар пучков теплообменников, расположенных, в целом, вертикально, причем пучки в каждой паре расположены под углом друг к другу в нижней части кожуха, а каждый из пучков теплообменника содержит основную конденсационную область и вторичную конденсационную область, приспособлен для прохождения через него воздушного потока с целью конденсации пара в пучках и выполнен таким образом, чтобы воздушный поток проходил через пучки и выходил через открытую верхнюю часть кожуха, при этом воздуховод находится внизу кожуха, а система удаления воздуха соединена с верхними коллекторами вторичного конденсатора. С каждой стороны пары может находиться несколько пучков теплообменников в зависимости от общей потребности по теплоотводу и размера кожуха.
В другом варианте осуществления подробно рассматривается конденсаторная установка с воздушным охлаждением, в которой имеется кольцо из пар пучков теплообменников, расположенных, в целом, вертикально, причем пучки в каждой паре расположены под углом друг к другу в нижней части кожуха, а каждый из пучков теплообменника содержит основную конденсационную секцию и вторичную конденсационную секцию и приспособлен для прохождения через него воздушного потока с целью конденсации пара в пучках, а средства управления воздушным потоком выполнены таким образом, чтобы воздушный поток проходил через пучки, которые в отдельных случаях специально предназначены для эксплуатации при отрицательных температурах.
По другому варианту осуществления способ конденсации с воздушным охлаждением также предусматривает использование гиперболоидного или цилиндрического кожуха, у которого имеется открытая верхняя часть и открытая нижняя часть, более одного кольца из пар пучков теплообменников, расположенных, в целом, вертикально и под углом друг к другу, причем каждый из пучков содержит основную конденсационную область и вторичную конденсационную область, приспособлен для прохождения через него воздушного потока с целью конденсации пара в пучках и выполнен таким образом, чтобы воздушный поток проходил через пучки и выходил через открытую верхнюю часть кожуха, при этом воздуховод находится внизу кожуха, а пар подается в пучки через воздуховод. Кольца из пар пучков теплообменника расположены поверх друг друга. Отводные каналы предназначены для удаления из теплообменников скопившегося в них воздуха. Боковые стороны пар теплообменников могут состоять более чем из одного пучка, а управление воздушным потоком может осуществляться при помощи средств управления воздушным потоком.
По другому варианту осуществления настоящего изобретения предлагается конденсаторная установка с воздушным охлаждением, имеющая трубчатый кожух с открытой верхней частью и открытой нижней частью для создания естественной циркуляции потока охлаждающего воздуха, кольцо из пар охлаждающих панелей, расположенных, в целом, вертикально, причем панели в каждой паре расположены под углом друг к другу в нижней части кожуха, а каждая из панелей содержит пучки из единственного ряда трубок с основной конденсационной областью и вторичной конденсационной областью и приспособленных для прохождения через них воздушного потока с целью конденсации пара в панелях, воздуховод, расположенный внутри кожуха на уровне грунта для подачи пара в пучки трубок, устройства управления воздушным потоком, позволяющие осуществлять регулировки в зависимости от различных условий эксплуатации, а также система удаления неконденсирующихся газов, которая управляет локальной скоростью удаления смеси из неконденсирующихся газов и примешанного пара.
По одному из вариантов осуществления настоящего изобретения предлагается установка конденсации с воздушным охлаждением, содержащая кольцо из пар охлаждающих панелей, расположенных, в целом, вертикально, причем панели в каждой паре расположены под углом друг к другу в нижней части кожуха, а каждая из панелей содержит основные средства конденсации и вторичные средства конденсации, панели приспособлены для прохождения через них воздушного потока с целью конденсации жидкости в панелях, пучки трубок с несколькими рядами трубок, причем каждый ряд относится либо к основной, либо к вторичной конденсаторной секции, при этом вторая секция обращена в сторону потока охлаждающего воздуха, средства направления воздуха выполнены таким образом, чтобы воздушный поток проходил через панели, а также систему удаления неконденсирующихся газов с активными или пассивными устройствами, предназначенными для управления локальным расходом удаляемой смеси из неконденсирующихся газов и примешанного пара.
По дополнительному варианту осуществления предлагается способ конденсации с воздушным охлаждением, использующий трубчатый кожух с открытой верхней частью и открытой нижней частью для создания естественной циркуляции потока охлаждающего воздуха, кольцо из охлаждающих панелей, расположенных, в целом, вертикально и под углом друг к другу, причем каждый из пучков трубок содержит основную область конденсации и вторичную область конденсации и предназначен для прохождения через них воздушного потока с целью конденсации жидкости в панелях, а также воздуховод, расположенный внутри кожуха на уровне грунта. Воздуховод подает пар в панели и регулирует расход воздушного потока.
По другому варианту осуществления предлагается конденсаторная установка с воздушным охлаждением с трубчатым кожухом, у которого имеется открытая верхняя часть и открытая нижняя часть, кольцо из гибридных охлаждающих панелей, расположенных, в целом, вертикально, в виде пар треугольников рядом друг с другом, причем каждая из гибридных панелей содержит основную конденсационную область и вторичную конденсационную область и приспособлена для прохождения через нее воздушного потока с целью конденсации жидкости в панелях, при этом кольцо находится в нижней части кожуха и выполнено таким образом, чтобы воздушный поток проходил через панели и выходил через верхнюю часть кожуха, внутри кожуха также находится система с мокрым способом охлаждения.
Таким образом, в общих чертах были обрисованы некоторые варианты осуществления изобретения для того, чтобы предлагаемое здесь его подробное описание было более понятно, а также для того, чтобы был лучше оценен его вклад в существующий уровень техники. Разумеется, существуют дополнительные варианты осуществления изобретения, которые будут описаны ниже и которые составляют предмет прилагаемой формулы изобретения.
В этой связи, прежде чем будет подробно рассмотрен, по меньшей мере, хотя бы один из вариантов осуществления изобретения следует отметить, что применяемость изобретения не ограничивается деталями конструкции и расположением элементов, изложенных в последующем описании или изображенных на чертежах. Возможны другие варианты осуществления изобретения, помимо тех, которые различным образом описаны, практикуются или осуществляются. Также следует понимать, что используемая в настоящем документе фразеология и терминология, а также реферат служат для описания и не должны рассматриваться в качестве ограничения.
Таким образом, специалистам в данной области техники будет понятно, что концепция, на которой основано настоящее изобретение, может без труда использоваться в качестве основы для разработки других конструкций, способов и систем для осуществления отдельных целей настоящего изобретения. В этой связи важно, чтобы формула изобретения рассматривалась как включающая в себя аналогичные конструкции, если они соответствуют объему и сущности настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показан вид в перспективе градирни с кожухом и периферийными пучками теплообменников по предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 показана схематичная блок-схема потока, проходящего через отдельный пучок теплообменника.
Подробное описание изобретения
По некоторым вариантам осуществления изобретения предлагаются конденсаторы пара с воздушным охлаждением, позволяющие в отдельных случаях снизить уровень шума, себестоимость и/или энергопотребление. Некоторые предпочтительные варианты осуществления далее будут подробно рассмотрены со ссылкой на чертежи, на которых аналогичные детали везде обозначены одинаковыми ссылочными позициями.
На фиг.1 показана конденсационная система 10 с воздушным охлаждением. Система содержит вертикальный полый трубчатый кожух 12. Кожух 12 может быть гиперболоидным либо может иметь прямые или покатые стороны и может изготавливаться из армированного бетона, стали или других подходящих строительных материалов. У кожуха имеется открытая верхняя область 14, а также впускная область 16 основания. Впускная область 16 основания вертикально отстоит от поверхности земли или уровня грунта.
По периферии впускной области 16 расположено конденсационное кольцо 18. Конденсационное кольцо 18 включает в себя, по существу, горизонтальную крышу 20, а снизу крыши 20 находится массив из двухходовых пучков 22. Конденсационные пучки 22 также именуются в настоящем документе пучками трубок или трубчатыми панелями. Трубчатые панели 22 установлены вертикально снаружи окружности кожуха 12 на уровне грунта кольцеобразно. Панели 22 расположены под углом относительно друг к другу, образуя множество треугольников в плане. Конструкция также может быть зигзагообразной или гофрированной. Расположение в виде треугольников позволяет увеличить площадь поверхности для данной окружности по сравнению с простым расположением панелей в непосредственной близости по кругу. В зависимости от размера градирни панели 22 могут состоять более чем из одного пучка трубок.
Хотя показано единственное, в целом, круглое кольцо из треугольных панелей 22, по отдельным вариантам осуществления у основания кожуха 12 под крышей 20 могут находиться несколько концентрических колец. В крупных установках при большой высоте кожухов градирен теплообменные треугольники могут располагаться несколькими кольцами одно над другим. Одна башня может обслуживать несколько паровых турбин или наоборот.
Также, как показано на фиг.1, по некоторым возможным вариантам осуществления установки мокрая охлаждающая секция 50 может находиться внутри кожуха 12 таким образом, чтобы воздух после прохождения через трубчатые панели 22 также проходил и через мокрую охлаждающую секцию 50. Кроме этого, хотя на фиг.1 изображено лишь одно кольцо из трубчатых панелей 22, по другим вариантам осуществления несколько колец из панелей 22 могут быть расположены ярусом поверх друг друга у основания кожуха 12.
Можно заметить, что по мере того как воздух поступает в пучки трубок в направлении, обозначенном стрелкой А на фиг.1, он проходит через пучки, тем самым конденсируя пар, при этом непосредственно сам воздух за время прохождения под крышей 20 и перед подачей внутрь кожуха 12 нагревается. Таким образом, теплый воздух стремится подняться вверх и, следовательно, пройти через верхнее отверстие 14 в направлении, обозначенном стрелкой В. Это можно назвать эффектом естественной циркуляции. Благодаря естественной циркуляции можно отказаться от использования вентиляторов и избежать связанных с этим сложностей и энергозатрат. Для управления потоком воздуха отдельные или все пучки 22 могут быть оборудованы вентиляционными створками (не показаны).
В отдельных случаях желательно, чтобы пучки 22 трубок на всей установке располагались как можно ниже для максимального увеличения высоты столба естественной циркуляции для конкретной высоты башни. Кроме этого, относительно большое количество панелей 22 по сравнению с окружностью основания башни позволяет использовать относительно небольшие дозаторы паровых коллекторов сверху каждого из пучков за счет использования относительно небольших патрубков, что уменьшает размер всей магистральной и коллекторной системы, уменьшая таким образом потребность в сильфонных компенсаторах.
Далее на фиг.2 показано прохождение потока через типовой пучок 22 с единственной трубкой. В частности, в турбине 30 имеется воздуховод 32 для подачи пара в секцию 34 основного охлаждающего конденсатора. Пар, главным образом, конденсируется при прохождении воздуха через панель 22. Направление потока пара, проходящего через основную секцию 34, обозначено стрелками 36. Затем частично конденсированный пар поступает на вторичное конденсирующее устройство 40. В нем процесс конденсации завершается таким образом, чтобы конденсат 42 можно было удалить из нижнего коллектора 46 пучка, а весь неконденсирующийся газ 44 также удаляется через верхний коллектор 45 вторичного конденсатора. За счет подобной компоновки обеспечиваются «основная» и «вторичная» конденсации, что повышает эффективность, кроме этого создается конструкция 22 из пучков трубок, которая отдает тепло воздуху из окружающей среды, что делает ее более устойчивой. Помимо этого, в кожухе 12 создается естественная циркуляция за счет плотности и разницы гидростатического напора между воздухом, окружающим кожух 12, и нагретым воздухом после его прохождения через конденсационное кольцо 18, расположенное внутри кожуха 12, что позволяет избежать энергозатрат и других недостатков, связанных с использованием вентиляторов. Далее будет более подробно рассмотрена эксплуатация компонентов основного и вторичного конденсаторов, сопряженных с каждой из панелей 22.
Для предотвращения эффекта неравномерного расхода охлаждающего воздуха каждый пучок 22 теплообменника, как отмечалось выше, содержит основной ход 34 и вторичный ход 40. За счет этого скорость воздушного потока, попадающего на все трубки внутри пучка, будет примерно одинаковой, поскольку ширина отдельных пучков в диапазоне максимум 2-3 метров весьма незначительна по сравнению с размерами башни. Поэтому воздушный поток или колебания температуры охлаждающей среды, по большому счету, не влияют на удаление инертных газов. Параметры производительности, такие как температура внешней среды и скорость воздуха, одинаковы как для основного, так и для вторичного ходов, поэтому объем пара, удаляемого через вторичный ход, обеспечивается на локальной основе. Это позволяет уменьшить или предотвратить возможное образование застойных зон в основном ходе.
Изменения эксплуатационных параметров воздуха вокруг башни вызывают изменения выходного давления во вторичных пучках, через которые осуществляется удаление неконденсирующегося газа. Для того чтобы удаление могло осуществляться параллельно через все выходные коллекторы вторичных пучков, отводные трубки, например, могут быть оборудованы элементами ограничения потока (пассивными средствами) для уменьшения колебаний неконденсирующегося газа, а также остающегося пара. Другой вариант решения предполагает установку в отводных трубках температурно-регулируемых автоматических клапанов (активных средств), которые закрываются при прохождении пара по трубе. Таким образом предотвращается образование локальных воздушных карманов, перекрывающих доступ к поверхности теплообменника. Когда температура отводимого газа снижается, клапаны снова открываются. Как дополнительный вариант, подобные клапаны также могут непосредственно управляться температурными датчиками. В условиях сильных ветров предпочтительно использовать несколько систем удаления.
Для предотвращения неравномерного распределения пара и образования застойных зон, свойственных многорядным трубным системам, пучки предпочтительно формируются из единственного ряда трубок. Это позволяет проектировать вторичную часть меньшего размера, чем в многорядных конструкциях. Одновременно это приводит к увеличению общей охлаждающей способности, поскольку вторичные конденсаторы обладают более низкой производительностью, чем основные конденсаторы. Между тем, как вариант, также могут использоваться многорядные системы с равномерно регулируемой рядной производительностью.
Для управления расходом воздуха охлаждающие треугольники оснащаются вентиляционными створками. Как вариант, вентиляционные створки могут быть разделены на две (или более) отдельные регулируемые части, закрывающие верхний и нижний диапазон площади поверхности треугольников. Если необходимо уменьшить производительность, то часть вентиляционных створок, например 50%, может закрываться, а остальная часть створок основных и вторичных конденсаторов продолжает оставаться открытой. Таким образом, возможности второго хода по удалению по-прежнему используются в полной мере. Площадь, перекрываемая вентиляционными створками, согревается неконденсированным паром.
Для особо суровых погодных условий, по меньшей мере, часть пучков может быть спроектирована исключительно в качестве парциальных систем, пар в которые поступает только снизу. В особо суровых условиях и при низкой паровой нагрузке используются только эти пучки, тогда как все двухходовые пучки отключаются при помощи вентиляционных створок либо, как вариант, с точки зрения подачи пара, при помощи паровых задвижек.
Основные воздуховоды для отходящего пара турбины предпочтительно расположены на земле. Это позволяет снизить расходы по обслуживанию воздуховодов. Подводящие трубопроводы, подающие пар на индивидуальные пучки трубок, могут быть небольшого диаметра и подвержены незначительному воздействию при температурных колебаниях. Поэтому сильфонные компенсаторы не требуются.
В центральной части башни в зависимости от выбранного варианта расположения воздуховода какие-либо конструкции обычно отсутствуют. Поэтому дымовая труба, при необходимости, может быть установлена внутри кожуха башни.
Как вариант, если конструкции в центре кожуха отсутствуют, внутри может быть установлена параллельная мокрая система 50 охлаждения, используемая при пиковых тепловых нагрузках. Мокрая система охлаждения будет удалять тепло, поступающее либо с параллельной поверхности конденсатора для отходящего пара с турбины, либо со второго устройства. Как вариант, часть окружности башни может использоваться в качестве поперечноточной мокрой градирни, а часть - в качестве сухого конденсатора, как это было рассмотрено выше. Размеры мокрой и сухой секций могут быть спроектированы для конденсации отходящих газов.
По дополнительному варианту осуществления изобретения впускное отверстие для воздуха оснащено системой водяного орошения, предназначенной для снижения фактической температуры охлаждения в условиях летней жары.
По дополнительному варианту осуществления изобретения внутри и снаружи могут быть установлены поддувные стенки для уменьшения эффекта неравномерного воздушного потока. В частности, прохождение сильных ветров через основание башни от одной стороны к другой можно предотвратить при помощи заградительных или направляющих конструкций, расположенных внутри кожуха.
Многие признаки и преимущества изобретения очевидны из подробного описания изобретения, поэтому цель прилагаемой формулы изобретения заключается в том, чтобы охватить все подобные признаки и преимущества изобретения, составляющие объем и сущность изобретения. Кроме этого, поскольку специалистам в данной области техники без труда будут видны многочисленные возможные модификации и изменения, задача не стоит в том, чтобы ограничить изобретение показанными и описанными точными конструкциями и применением, соответственно имеют право на существование любые подходящие модификации и аналоги, не выходя за объем и сущность изобретения.