ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОНДЕНСАТОР ПАРА С ПОЛНОСТЬЮ ВТОРИЧНЫМ ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
INDUSTRIAL STEAM CONDENSER WITH COMPLETELY SECONDARY AIR COOLING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится к высокопроизводительным, сооружаемым на месте, промышленным конденсаторам пара с воздушным охлаждением.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[002] В качестве оребренной проточной трубы, используемой в большинстве высокопроизводительных, сооружаемых на месте, промышленных конденсаторов пара с воздушным охлаждением (air cooled industrial steam condensers, ACC), применяется уплощенная труба, имеющая длину приблизительно 11 метров при ширине 200 мм (также называемая «длина воздушного пути») с полукруглыми передними и задними краями и внутренней высотой 18,8 мм (перпендикулярной длине воздушного пути). Толщина стенки трубы составляет 1,35 мм. К обеим плоским сторонам каждой трубы припаяны ребра. Ребра обычно имеют высоту 18,5 мм, и на одном дюйме (25,4 мм) расставлены с промежутками 11 ребер. Поверхность ребра имеет волнообразный рисунок для улучшения теплопередачи и придания ребру жесткости. Стандартное межцентровое расстояние между трубами составляет 57,2 мм. Сами трубы составляют приблизительно одну треть площади поверхности поперечного сечения (перпендикулярно направлению воздушного потока); тогда как ребра составляют почти две трети площади поверхности поперечного сечения. Между соседними концами ребер имеется небольшое пространство, 1,5 мм. Для летних условий окружающей среды максимальная скорость пара через трубы обычно может достигать 28 м/с и, как правило, от 23 до 25 м/с. Комбинированная конструкция одиночной А-образной рамы вместе с этими трубами и ребрами была оптимизирована в зависимости от длины трубы, расстояния между ребрами, высоты и формы ребра и длины воздушного пути. Ребристые трубы собраны в пучки теплообменников, как правило, 39 труб на пучок теплообменников, а 10-14 пучков расположены в двух теплообменниках, установленных вместе в одной А-образной раме на каждый вентилятор. Вентилятор обычно находится под А-образной рамой, нагнетая воздух вверх через пучки. Общая конструкция трубы и ребер, а также перепад давления воздуха в комбинации труб и ребер также были оптимизированы таким образом, что соответствуют производительности перемещения воздуха больших вентиляторов (диаметром 36 футов (10,97 м)), с мощностью от 200 до 250 л.с. Указанное оптимизированное устройство оставалось сравнительно неизменным у многих разных производителей с момента введения принципа однорядной эллиптической трубки более 20 лет назад.
[003] Типичный АСС с А-образной рамой, описанный выше, включает в себя как конденсаторные пучки 1-й ступени или «первичные» пучки, так и пучки 2-й ступени или «вторичные» пучки. Приблизительно от 80% до 90% пучков теплообменников являются пучками 1-й ступени или первичные пучками конденсатора. Пар поступает в верхние части первичных пучков конденсатора, а конденсат и некоторая часть пара выходит из нижней части. Конфигурация первой ступени является термически эффективной; однако не обеспечивает средства для удаления неконденсируемых газов. Для удаления неконденсируемых газов через пучки 1-й ступени, от 10% до 20% пучков теплообменника выполнены как пучки 2-й ступени или вторичные пучки, обычно перемежающиеся первичными пучками, которые втягивают пары из нижнего коллектора конденсата. При таком расположении пар и неконденсируемые газы проходят через пучки 1-й ступени, когда они втягиваются в нижнюю часть вторичного пучка. По мере прохождения смеси газов через вторичный пучок, оставшаяся часть пара конденсируется, концентрируя неконденсируемые газы. Верхние части вторичных пучков прикреплены к вакуумному коллектору, который удаляет из системы неконденсируемые газы.
[004] Были раскрыты изменения к стандартному АСС предшествующего уровня техники, как, например, в документах US 2015/0204611 и US 2015/0330709. В этих заявках показаны такие же ребристые трубы, но резко укороченные, а затем расположенные в ряде небольших А-образных рам, как правило, пять А-образных рам на один вентилятор. Отчасти логика заключается в уменьшении перепада давления пара, что оказывает небольшое влияние на общую производительность в летних условиях, но большее влияние в зимних условиях. Другая часть логики заключается в том, чтобы сварить верхний трубопровод коллектора пара с каждым из пучков в заводских условиях, и отгружать их вместе, тем самым экономя дорогостоящие сварочные работы. Чистый эффект этой компоновки, с коллектором пара, установленным на заводе и поставляемым с пучками труб, заключается в сокращении длины трубы для размещения коллектора в стандартном грузовом контейнере большого объема. Поскольку трубы короче и, поэтому, общая величина площади поверхности уменьшена, сравнительная производительность относительно стандартной конструкции одиночной А-образной рамы с аналогичными габаритами в летних условиях снижена приблизительно на 3%.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] Изобретением, предствленным в настоящем документе, являются 1) новая конструкция трубы для использования в системах теплообменников, включая, помимо прочего, высокопроизводительные, сооружаемые на месте, промышленные конденсаторы пара; и 2) новая конструкция для высокопроизводительных, сооружаемых на месте, промышленных конденсаторов пара для электростанций и т.п., которые значительно увеличивают теплоемкость АСС, а в некоторых конфигурациях уменьшают расход материала. Различные аспекты и/или варианты воплощения изобретений изложены ниже:
[006] В соответствии с различными вариантами воплощения конструкции трубы, трубы имеют длину 2,044 м, размеры поперечного сечения труб составляют 100-200 мм в ширину, предпочтительно 125 мм в ширину (длина воздушного пути) с высотой поперечного сечения (перпендикулярно длине воздушного пути), меньшей, чем 10 мм, предпочтительно 4-10 мм, более предпочтительно 5,0-9 мм, еще более предпочтительно 5,2-7 мм и наиболее предпочтительно 6,0 мм в высоту (также «ширина трубы снаружи»), с расположенными с промежутками ребрами в количестве 9-12, предпочтительно 8,9 ребер на дюйм (25,4 мм). В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом воплощения реальные ребра могут быть 17-20 мм в высоту, предпочтительно 18,5 мм в высоту, и охватывать пространство между двумя соседними трубами, фактически создавая наличие 9,25 мм ребра для каждой трубы с каждой стороны.
[007] Изготовление труб меньшего поперечного сечения (при такой же длине воздушного пути, но значительно меньшей высоте) прямо противоречит существующему в настоящее время мнению в данной области техники о том, что трубы должны быть выполнены с максимально возможным поперечным сечением, чтобы вмещать большие объемы пара, который производится мощной электростанцией, а также тому, что большие трубы снижают затраты. Хотя стоимость этого устройства значительно больше, чем известной конструкции трубы, авторы изобретения непредвиденно обнаружили, что увеличение эффективности при использовании труб с меньшей высотой (в наиболее предпочтительном варианте воплощения, превышающее на 30% эффективность по сравнению с трубами предшествующего уровня техники) больше, чем компенсация увеличения стоимости. Указанная новая конструкция трубы может использоваться в высокопроизводительных, сооружаемых на месте, промышленных конденсаторах пара предшествующего уровня техники (например, как описанные в разделе описания уровня техники), или может использоваться в сочетании с новой конструкцией АСС, описанной ниже.
[008] Обращаясь к новой конструкции для высокопроизводительных, сооружаемых на месте, промышленных конденсаторов пара, основной особенностью настоящего изобретения является то, что все пучки труб АСС согласно настоящему изобретению созданы в виде вторичных пучков труб, в то время как пар подается в вертикально ориентированные трубы (выровненные параллельно с поперечной осью пучка, при этом каждая труба, обычно ориентирована под углом 25-35° и предпочтительно 30° к вертикали) снизу, и конденсат собирается из пучков труб снизу, предпочтительно, с использованием комбинированного/гибридного коллектора, который как подает пар в трубы, так и собирает конденсат из труб. Согласно одному варианту воплощения комбинированный/гибридный коллектор может быть создан таким образом, что препятствует возврату конденсата вниз по стояку (стоякам) для подачи пара, а вместо этого подается в трубу для извлечения конденсата, соединенную с комбинированным/гибридным коллектором. Согласно альтернативному варианту воплощения комбинированный/гибридный коллектор может быть создан таким образом, что конденсат может перемещаться вниз по стоякам для подачи пара и удаляться из трубопровода для подачи пара ближе к земле. Верхние части труб соединены с отдельным коллектором для сбора неконденсируемых газов. Указанное новое «полностью вторичное» устройство АСС может быть выполнено в виде А-образной рамы с двумя вторичными пучками, соединенными вверху, с одним коллектором, собирающим неконденсируемые газы из труб, или с двумя не конденсирующими коллекторами, по одному в верхней части каждого пучка.
[009] Используемые в настоящем документе термины «полностью вторичный» и «не первичный» относятся к высокопроизводительным, сооружаемым на месте, промышленным конденсаторам пара с воздушным охлаждением, в которых все пучки труб получают пар снизу и собирают конденсат внизу, а неконденсируемые газы подают через верх. Для сравнения, в высокопроизводительном, сооружаемом на месте, промышленном конденсаторе пара с воздушным охлаждением первичные пучки труб получают пар сверху, подают конденсат вниз и подают неконденсируемые газы вниз, в отдельный вторичный конденсатор.
[0010] Однако предпочтительно, АСС согласно изобретению может быть выполнен в V-образной форме, в которой два исключительно вторичных пучка конденсатора соединены в нижней части с единственным комбинированным коллектором для распределения пара/сбора конденсата, с отдельным не конденсирующим сборным коллектором в верхней части каждого пучка.
[0011] В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения V-образной формы, поскольку коллектор пара находится в нижней части пучков, вход в коллектор в более чем одном месте уменьшает размер коллектора и обеспечивает немного большую длину ребристых труб. В сочетании с меньшим поперечным сечением труб, описанным в настоящем документе (200 мм менее чем на 10 мм, предпочтительно 4-10 мм, более предпочтительно 5,0-9 мм, еще более предпочтительно 5,2-7 мм, и наиболее предпочтительно 6,0 мм в высоту), система проявляет улучшенные характеристики, по меньшей мере на 25-30% относительно стандартного расположения и конфигурации АСС, описанного выше, и установка может быть уменьшена на аналогичную величину по площади горизонтального сечения.
[0012] Согласно еще одному альтернативному варианту воплощения новая конструкция АСС согласно настоящему изобретению может быть использована с трубами, имеющими размеры 100 мм на предпочтительно 4-10 мм, более предпочтительно 5,0-9 мм, еще более предпочтительно 5,2-7 мм, и наиболее предпочтительно 6,0 мм в высоту, со смещенными ребрами.
[0013] В соответствии с еще одним вариантом воплощения новая конструкция АСС согласно настоящему изобретению может использоваться с трубами сечением 120 мм или до 200 мм на 5-7 мм с ребрами типа «стрелка», с расстановкой 9,8 ребер на дюйм (25,4 мм).
[0014] В соответствии с еще одним вариантом воплощения новая конструкция АСС согласно настоящему изобретению может использоваться с трубами, имеющими ребра «типа жалюзи», которые выполнены приблизительно как смещенные ребра, и они легче доступны и проще в изготовлении.
[0015] В соответствии с предпочтительными и наиболее предпочтительными вариантами воплощения настоящего изобретения, в сочетании с наиболее предпочтительной конфигурацией АСС и наиболее предпочтительными размерами труб, АСС согласно настоящему изобретению имеет следующие характеристики и размеры:
• Полностью вторичные пучки (все трубы получают пар снизу, подают конденсат через нижнюю часть, и подают неконденсируемые газы через верхнюю часть); при этом отсутствуют первичные пучки;
• Имеется четыре, пять (наиболее предпочтительно) или шесть V-образных пар пучков на ячейку/вентилятор;
• Наружный размер трубы составляет 4-10 мм (предпочтительно 5-7 мм и наиболее предпочтительно: 6,0 мм) на 100-200 мм (наиболее предпочтительно 125 мм) в поперечном сечении;
• Межцентровое расстояние между трубами составляет 20-29 мм (наиболее предпочтительно: 24,5 мм);
• Толщина стенки трубы равна 0,7-0,9 мм (наиболее предпочтительно: 0,8 мм);
• Количество труб в пучке равно 40-60 (наиболее предпочтительно 50);
• Длина трубы составляет 1700-2400 мм (наиболее предпочтительно 2044 мм);
• Стрельчатые ребра (предпочтительно, не обязательно) проложены между соседними трубами и термически соединены с обеими трубами;
• Высота ребра равна 17-19 мм (наиболее предпочтительно 18,5 мм [эффективная высота 9,25 мм на каждую трубу]);
• Длина ребра воздушного пути составляет 95-195 мм, наиболее предпочтительно: 120 мм.
[0016] В соответствии с этим наиболее предпочтительным вариантом воплощения общая площадь поверхности пучка по сравнению с АСС предшествующего уровня техники, имеющего одинаковую суммарную мощность вентиляторов, объем пара и тепловые условия, составляет 79%. Аналогично, общая площадь горизонтального сечения для указанного наиболее предпочтительного варианта воплощения составляет 79% площади АСС известного уровня техники, имеющего такую же суммарную мощность вентиляторов, объем пара и тепловые условия.
[0017] Кроме того, конструкция АСС согласно настоящему изобретению может быть легче установлена на месте, так как требует меньшего общего пространства внутри электростанции.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0018] Фиг. 1А является видом в перспективе части теплообменника высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением предшествующего уровня техники.
[0019] Фиг. 1В является частично разобранным и увеличенным видом сверху части теплообменника высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением известного уровня техники, изображающий ориентацию труб относительно коллектора для распределения пара.
[0020] Фиг. 2 является видом в перспективе части теплообменника высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением («АСС») в соответствии с первым вариантом воплощения настоящего изобретения.
[0021] Фиг. 3 является видом в перспективе части теплообменника высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением («АСС») в соответствии со вторым вариантом воплощения настоящего изобретения.
[0022] Фиг. 4А является видом в перспективе части теплообменника высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением («АСС») в соответствии с третьим вариантом воплощения настоящего изобретения.
[0023] Фиг. 4В является видом в перспективе части теплообменника высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением («АСС») в соответствии с четвертым вариантом воплощения настоящего изобретения.
[0024] Фиг. 5 является видом в перспективе поперечного разреза трубы АСС и ребер предшествующего уровня техники.
[0025] Фиг. 6 является видом в перспективе мини-трубы и ребер согласно одному варианту воплощения настоящего изобретения.
[0026] Фиг. 7 является видом в перспективе мини-труб и ребер согласно другому варианту воплощения настоящего изобретения.
[0027] Фиг. 8 является видом сбоку одной магистрали высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения, с V-образным размещением исключительно вторичных пар пучков теплообменника, показанным на фиг. 4А.
[0028] Фиг. 9 является видом с торца высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением, показанного на фиг. 8.
[0029] Фиг. 10 является видом сверху высокопроизводительного, сооружаемого на месте, промышленного конденсатора пара с воздушным охлаждением, показанного на фиг. 8, на котором показан один выпускной канал турбины, разделенный на 6 продольных паровых колонн (6 магистралей) по 6 ячеек в каждой.
[0030] Фиг. 11 является видом в перспективе вторичного ребристого трубчатого пучка конденсатора согласно одному из вариантов воплощения настоящего изобретения.
[0031] Фиг. 12 является фотографией вида в перспективе вторичного ребристого трубчатого пучка конденсатора, воспроизводящая чертеж по фиг. 11.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0032] АСС с А-образной рамой полностью с вторичными пучками
[0033] Как показано на фиг. 2, трубы 2 расположены во вторичных пучках 4. Продольные оси труб 2 выровнены параллельно поперечной оси пучка труб, причем каждая труба, как правило, ориентирована под углом 25-35°, и предпочтительно 30° к вертикали. Комбинированные коллекторы 6 для распределения пара/конденсата скреплены в нижней части каждого из двух вторичных пучков 4, которые соединены в верхней части в А-образной раме. Пар распределяется по трубам 2 через комбинированные коллекторы 6 для распределения пара/сбора конденсата, а конденсат образуется в трубах 2, когда пар конденсируется и проходит по трубам 2 вниз, в комбинированный коллектор 6 для распределения пара/сбора конденсата. Единственный не конденсирующий сборный коллектор 8 прикреплен к верхней части обоих пучков 6 для сбора неконденсируемых газов, которые поступают в верхнюю часть труб 2. Пар подается в комбинированный коллектор 6 для распределения пара/сбора конденсата из паропровода 10 через стояки 12. Сконденсированная вода, которая собирается в комбинированном коллекторе 6 для распределения пара/сбора конденсата, выводится из АСС в трубу 14 извлечения конденсата.
[0034] На фиг. 3 показан вариант воплощения близкий к варианту воплощения по фиг. 2, за исключением того, что каждый пучок 4 прикреплен в верхней части к специальному не конденсирующему сборному коллектору.
[0035] АСС с V-образной рамой полностью с вторичными пучками
[0036] Как показано на фиг. 4А и 4В, трубы 2 расположены во вторичных пучках 4. Продольные оси труб 2 выровнены параллельно поперечной оси пучка труб, причем каждая труба, как правило, ориентирована под углом 25-35°, и предпочтительно 30° к вертикали. Комбинированный коллектор 6 для распределения пара/сбора конденсата прикреплен в нижней части двух вторичных пучков 4, которые соединены в V-образной форме под углом 55-65°, предпочтительно 60°. Пар распределяется по трубам 2 через комбинированный коллектор 6 для распределения пара/сбора конденсата, а конденсат образуется в трубах 2, когда пар конденсируется и проходит по трубам 2 вниз, в комбинированный коллектор 6 для распределения пара/сбора конденсата. Не конденсирующий сборный коллектор 8 прикреплен к верхней части обоих пучков 6 для сбора неконденсируемых газов, которые поступают в верхнюю часть труб 2. Пар подается в комбинированный коллектор 6 для распределения пара/сбора конденсата из паропровода 10 через стояки 12. Конденсируемая вода, которая собирается в комбинированном коллекторе 6 для распределения пара/сбора конденсата, уносится из АСС в трубу 14 извлечения конденсата.
[0037] Новая конструкция АСС, описанная выше, может быть использована с любыми известными трубами, включая трубы, показанные на фиг. 5, имеющие длину около 11 м и ширину (или «длину воздушного потока») 200 мм с полукруглыми передней и задней кромками, и имеющие высоту внутри (перпендикулярно длине воздушного пути) 18,8 мм, и толщину стенки трубы 1,35 мм, с ребрами, припаянными к обеим плоским сторонам каждой трубы, обычно высотой 18,5 мм, с расстановкой 11 ребер на дюйм (25,4 мм). Однако в соответствии с более предпочтительным вариантом воплощения новая конструкция АСС согласно настоящему изобретению имеет следующие характеристики и размеры:
• Полностью вторичные пучки (все трубы получают пар снизу, подают конденсат через нижнюю часть, и подают неконденсируемые газы через верхнюю часть); при этом отсутствуют первичные пучки;
• Имеется четыре, пять (наиболее предпочтительно) или шесть V-образных пар пучков на ячейку/вентилятор;
• Наружный размер трубы составляет 4-10 мм (предпочтительно 5-7 мм и наиболее предпочтительно: 6,0 мм) на 100-200 мм (наиболее предпочтительно 125 мм) в поперечном сечении;
• Межцентровое расстояние между трубами составляет 20-29 мм (наиболее предпочтительно: 24,5 мм);
• Толщина стенки трубы 0,7-0,9 мм (наиболее предпочтительно: 0,8 мм);
• Количество труб в пучке равно 40-60 (наиболее предпочтительно 50);
• Длина трубы составляет 1700-2400 мм (наиболее предпочтительно 2044 мм);
• Стрельчатые ребра (предпочтительно, не обязательно) проложены между соседними трубами и термически соединены с обеими трубами;
• Высота ребра 18,5 мм (эффективная высота 9,25 мм на сторону трубы);
• Длина ребра воздушного пути 95-195 мм, наиболее предпочтительно: 120 мм. В соответствии с этим предпочтительным вариантом воплощения обеспечивается увеличение производительности на 25-30% по сравнению с конструкцией А-образной рамы предшествующего уровня со стандартными трубами, для одной ячейки при постоянной мощности вентилятора.
[0038] На фиг. 8-10 показан типичный высокопроизводительный, сооружаемый на месте, промышленный конденсатор пара с воздушным охлаждением в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения, с V-образным размещением исключительно вторичных пар пучков теплообменника, показанным на фиг. 4А. Устройство, показанное на фиг. 8-10, является АСС с 36 ячейками (6 магистралей по 6 ячеек), причем наиболее предпочтительный вариант воплощения с пятью парами пучков на ячейку, но изобретение может быть использовано с любым размером АСС и с любым количеством пар пучков на ячейку.