ДЕФЛЕГМАТОР
REFLUX

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к дефлегматору типа применяемого в установках конденсации пара, чтобы отделять неконденсируемые газы от конденсируемых газов. Такой дефлегматор имеет форму вторичного парциального конденсатора, который служит для удаления неконденсируемых газов из того, что обычно является паром в одной или другой форме. Дефлегматор этого типа обычно используют в установке для конденсации пара после паровых турбин, используемых на электростанциях, и после первичных конденсаторов.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Из-за уменьшающейся доступности и роста стоимости охлаждающей воды на электростанциях с паровыми турбинами для рассеяния теплоты в окружающую среду все больше используются сухие градирни или охлаждаемые воздухом конденсаторы пара. К сожалению, при повышенных температурах окружающей среды эффективность таких систем охлаждения снижается, что приводит к соответствующему снижению КПД турбин. Любое снижение в выходной мощности турбин в жаркое время может приводить к значительной потере дохода, особенно в областях, где в это время спрос на электроэнергию и ее ценность высокие. Помимо этого, может потребоваться увеличить производительность системы охлаждения, чтобы соответствовать повышенным окружающим температурам, что приводит к увеличению капитальных расходов и, соответственно, к повышению издержек на производство электроэнергии.
В прямой А-образной системе конденсатора пара с воздушным охлаждением типа, широко используемого на электростанциях, пар, выходящий из паровой турбины, подается через паровой коллектор в систему первичного конденсатора, и остаточный пар, выходящий из системы первичного конденсатора, конденсируется в дефлегматоре, который позволяет отделять неконденсируемые газы и сбрасывать их в атмосферу. Такие дефлегматоры доступны в вариантах сухого охлаждения или мокрого охлаждения, и по причинам, изложенным выше, сухое охлаждение часто может быть предпочтительным, несмотря на указанный недостаток.
В качестве альтернативы вышеизложенному используют так называемые адиабатические системы, в которых вода разбрызгивается в поступающий воздух. Однако достигаемое в этом случае улучшение кажется несоизмеримым со связанными с этим расходами. Однако для испытанных форсунок испарилось только 60%-70% разбрызгиваемой воды, и даже применение сепаратора капель не может обеспечить, чтобы оребренные поверхности труб теплообменника оставались сухими. Неиспарившиеся капли воды, которые накапливаются на конструкции, могут привести к коррозии поверхностей конструкции, а также к нежелательному каплепадению, которое может вызвать загрязнение поверхностных и подпочвенных вод. Разбрызгивание более мелких капель может быть достигнуто за счет применения меньших форсунок высокого давления. По практическим и стоимостным соображениям маловероятно, что охлаждение поступающего воздуха разбрызгиванием найдет применение в больших конденсаторах с воздушным охлаждением.
Таким образом, существует необходимость в дефлегматоре, который способен улучшить существующую ситуацию.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением предложен дефлегматор, включающий две ступени, соединенные последовательно, причем первая ступень выполнена в форме парциального конденсатора с воздушным охлаждением и причем вторая ступень включает пучок в общем горизонтальных гладких или оребренных труб, который можно по выбору эксплуатировать или в режиме воздушного охлаждения (сухого) в выбранных окружающих условиях или в режиме мокрого испарительного охлаждения в других выбранных окружающих условиях, включая условие повышенной окружающей температуры, причем парциальный конденсатор с воздушным охлаждением имеет форму А-образного конденсатора с воздушным охлаждением, у которого множество оребренных труб проходят с двух противоположных сторон для создания А-образной или перевернутой А-образной конструкции, и пучок труб горизонтальный и расположен по центру в верхней части конденсатора в случае А-образной конструкции и в нижней части конденсатора в случае перевернутой А-образной конструкции, и один или несколько вентиляторов предназначены для того, чтобы способствовать восходящему потоку воздуха по трубам теплообмена и в направлении пучка труб.
Другие признаки изобретения предусматривают систему расположения разбрызгивающих форсунок, которые установлены выше пучка труб, чтобы разбрызгивать воду на пучок труб для создания режима испарительного охлаждения, сепараторы капель, расположенные выше системы разбрызгивающих форсунок, чтобы предотвратить потерю воды в форме водяной взвеси, и один или несколько сборных желобов, расположенных ниже пучка труб для того, чтобы позволить собирать стекающую воду и обеспечить возврат в оборот лишней воды.
Другие признаки изобретения предусматривают, что пучок труб включает по меньшей мере две группы труб, включающие первую группу труб, которые имеют входные концы и выходные концы, и вторую группу труб, которые имеют входные концы, сообщающиеся с выходными концами труб чем первая группа труб; что вторая группа труб включает приблизительно 15%-30%, и предпочтительно приблизительно 20% от числа труб в первой группе труб; и что пучок труб включает третью группу труб, причем трубы третьей группы имеют входные концы, сообщающиеся с выходными концами труб второй группы, и причем третья группа труб включает значительно меньше труб чем вторая группа труб, обычно приблизительно одну треть или одну четверть.
Другие признаки изобретения предусматривают, что первая группа труб расположена вертикально над второй группой труб, которая расположена вертикально над третьей группой труб; что трубы наклонены к их выходным концам, чтобы обеспечить сток конденсата в направлении выходного конца; что трубы расположены в общем горизонтальными рядами, причем трубы одного ряда смещены от труб в соседнем ряду по вертикали на половину расстояния между трубами; и что первая и вторая группы труб сгруппированы на их сообщающихся концах путем установки перегородки в коллекторной камере, сообщающейся с наружными концами всех труб первой группы, входными концами труб второй группы, а также выходными концами третьей группы труб; и что выходные концы труб второй группы открыты в коллекторную камеру, с которой сообщаются входные концы труб третьей группы.
В одной предпочтительной схеме расположения пучка труб несколько рядов в общем горизонтальных труб расположены в общем под прямыми углами. Каждая из первой, второй и третьей групп труб включает некоторое число в общем горизонтальных рядов параллельных труб. Одна схема расположения включает 20 рядов труб первой группы, 4 ряда труб второй группы и 1 ряд труб третьей группы.
В первом варианте изобретения парциальный конденсатор воздушного охлаждения может быть А-образным конденсатором воздушного охлаждения общеизвестного типа, в котором множество оребренных труб проходят вверх с двух противоположных сторон, чтобы создать А-образную конструкцию. В таком случае пучок труб может быть удобно расположен на верху конденсатора. Один или несколько вентиляторов для содействия восходящему потоку воздуха после труб теплообмена и в направлении пучка труб обычно могут быть расположены в горизонтальном положении, соответствуя донной или нижней области оребренных труб.
В случае существующего А-образного конденсатора воздушного охлаждения с сухим дефлегматором он может быть модифицирован, чтобы включать вторую ступень, которая определена выше, которую можно эксплуатировать по выбору или как конденсатор с воздушным охлаждением (сухой), или как конденсатор с испарительным охлаждением, когда поверхность пучка труб на стороне воздуха залита водой. Альтернативно, в случае новой установки первая ступень может включать немного укороченные наклонные оребренные трубы, которые подобны трубам, используемым в сухой А-образной конфигурации.
Во втором варианте изобретения парциальный конденсатор с воздушным охлаждением может включать множество оребренных труб, проходящих вниз с наклоном друг к другу в схеме перевернутого А-образного типа, причем в этом случае пучок труб может быть расположен на нижних концах оребренных труб. При таком расположении один или несколько вентиляторов могут быть расположены в области верхних концов наклонных вниз оребренных труб и труб для втягивания воздуха вверх по ребрам труб и в направлении горизонтального пучка труб.
Следует понимать, что во время низких окружающих температур, когда воздушного охлаждения достаточно, вторая ступень дефлегматора может эксплуатироваться в сухом режиме. Однако в жаркое время стекающую вниз воду можно разбрызгивать по пучку в общем горизонтальных труб, который обычно состоит из труб из оцинкованной стали, и тогда вторая ступень может эксплуатироваться как испарительный конденсатор. Лишняя стекающая вода обычно собирается под пучком труб в желобах и возвращается в оборот.
Система изобретения потенциально имеет улучшенные тепловые характеристики в периоды высоких окружающих температур, при этом имея более низкий совокупный расход воды чем система адиабатического предварительного охлаждения поступающего воздуха с разбрызгиванием воды с получением сходного улучшения эксплуатационных характеристик.
По оценкам, капитальные затраты на конденсаторную установку согласно настоящему изобретению будут лишь немного выше затрат на стандартный А-образный дефлегматор с воздушным охлаждением.
Для более полного понимания изобретения оно будет описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 дано схематическое изображение типичного А-образного конденсатора с воздушным охлаждением и узла дефлегматора;
Фиг.2 - схематическое изображение в поперечном разрезе конфигурации одного предлагаемого варианта осуществления гибридного дефлегматора согласно первому варианту изобретения;
Фиг.3 - его схематический вид сбоку;
Фиг.4 - схематическое изображение, вид сбоку, конфигурации одного варианта осуществления пучка труб для использования в гибридном дефлегматоре согласно изобретению;
Фиг.5 - схематическое изображение поперечного сечения относительного расположения труб в двух соседних рядах;
Фиг.6 - схема потока пара, выходящего из паровой турбины и поступающего в А-образную конденсаторную установку с узлом дефлегматора согласно изобретению;
Фиг.7 - сравнительный график, показывающий выходную мощность четырех разных конфигураций конденсаторов; и
Фиг.8 - вид, подобный Фиг.2 варианта осуществления второго варианта изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СО ССЫЛКАМИ НА ЧЕРТЕЖИ
В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1-5 чертежей, дефлегматор (1) согласно изобретению включен в существующую конденсаторную установку А-образного типа с воздушным охлаждением (сухую), включающую несколько первичных конденсаторов (2) в обычном расположении.
Сам дефлегматор является оконечным устройством в пути потока отработанного пара, выходящего из паровой турбины действующего оборудования по производству электроэнергии, и, как более четко показано на Фиг.2 и 3, соответствует настоящему изобретению.
Таким образом, дефлегматор включает две ступени, соединенные последовательно, причем первая ступень (3) является общеизвестным парциальным конденсатором с воздушным охлаждением, состоящим из множества наклонных оребренных труб (4), которые подобны трубам, используемым в сухой А-образной конфигурации, если они специально выполнены для этой цели, они могут быть немного короче. Один или несколько вентиляторов (5), расположенных в области нижних концов наклонных оребренных труб, могут быть использованы для создания тяги в трубах.
Вторая ступень (6) дефлегматора включает в общем горизонтальный пучок гладких оцинкованных труб (7) со средством для разбрызгивания стекающей воды (8), расположенным выше пучка труб, и средством для сбора воды в форме желобов (9), расположенных под пучком труб, для сбора стекающей воды и обеспечения возврата в оборот лишней воды.
Вторая ступень может по выбору эксплуатироваться или в режиме воздушного охлаждения (сухого) в выбранных окружающих условиях, или в режиме мокрого испарительного охлаждения в других выбранных окружающих условиях, включая, особенно, повышенную окружающую температуру.
Теперь более конкретно со ссылкой на Фиг.4 и 5 чертежей, было установлено, что конкретное расположение пучка труб работает особенно хорошо для улучшения тепловых характеристик заливаемого пучка труб и обеспечения эффективного удаления неконденсируемых газов с труб. Для того чтобы достигнуть этого, пучок труб выполнен с тремя проходами труб, включая первую группу труб, вторую группу труб и третью группу труб. В этом конкретном случае весь пучок труб имеет 25 горизонтальных рядов труб, разнесенных по вертикали. Первая группа труб (11), которая указана пунктирной линией (X) на Фиг.4, имеет 20 рядов и расположена наверху. Вторая группа труб (12), которая указана пунктирной линией (Y), имеет 4 ряда труб и расположена сразу же под первой группой труб. Третья группа труб (13), которая указана пунктирной линией (Z), имеет 1 ряд труб и расположена внизу.
Во всех случаях и как схематически показано на Фиг.5, трубы в ряду отстоят друг от друга приблизительно на расстояние наружного диаметра самих труб, и трубы в одном ряду смещены от труб в соседнем ряду на расстояние, равное наружному диаметру трубы, так что вода, падающая между двумя трубами одного ряда, будет падать на трубы следующего ряда.
Все трубы немного наклонены к горизонтали по их длине, так что их выходные концы немного ниже, чем их входные концы просто для того, чтобы обеспечить эффективный сток конденсата в направлении последнего выходного конца третьей группы труб. Наклон должен быть небольшим и может, например, составлять порядка 50 мм при длине трубы 2,5 м.
Концы труб сообщаются в большой коллекторной камере (16), имеющей перегородку (15), причем выходные концы (17) всех труб первой группы сообщаются с входными концами (18) труб второй группы,  а выходные концы (19) труб третьей группы отделены от указанных  концов труб (17) и (18) посредством перегородки (15). Входные концы (20) первой группы труб расположены так, чтобы принимать газы, поступающие с первой ступени дефлегматора.
Сообщение между выходными концами (21) второй группы труб и входными концами (22) третьей группы труб достигнуто посредством относительно небольшой коллекторной камеры (24) рядом с входными концами первой группы труб.
Схема расположения такова, что поступающие газы проходят через первую группу труб в большую коллекторную камеру, где они изменяют движение на противоположное и поступают во входные концы труб второй группы. Из выходных концов второй группы труб газы снова изменяют направление на противоположное, чтобы пройти во входные концы труб третьей группы.
Неконденсируемые газы в конечном итоге будут накапливаться в выходном коллекторе, откуда они могут быть удалены эжектором, и конденсат будет стекать под действием силы тяжести.
Эффективное удаление неконденсируемых газов предотвращает переохлаждение конденсата в дефлегматоре, что повысило бы поглощение кислорода конденсатом, приводя к повышенной коррозии. Кроме того, переохлаждение привело бы к замерзанию конденсата зимой, вызывая повреждение труб и, в конечном итоге, требуя дополнительного регенеративного подогрева подаваемой воды до ее возврата в бойлер. Переохлаждения поэтому лучше избегать.
Следует понимать, что во время низких окружающих температур, когда воздушного охлаждения достаточно, вторая ступень дефлегматора может эксплуатироваться в сухом режиме. Однако в жаркое время стекающая вода может разбрызгиваться по в общем горизонтальному пучку труб, чтобы он работал как испарительный конденсатор.
Эта система потенциально имеет улучшенные тепловые характеристики во время высоких окружающих температур при меньшем общем расходе воды, чем в случае адиабатического предварительного охлаждения поступающего воздуха с использованием разбрызгиваемой воды, при этом обеспечивая такое же улучшение эксплуатационных характеристик.
Следует сказать, что оребренные трубы установки остаются сухими, что снижает риск коррозии и образования накипи, и мокрые оцинкованные поверхности пучка труб можно промывать чистой водой по регулярному графику, чтобы минимизировать загрязнение.
Результаты первых сравнительных испытаний приведены на Фиг.7, где показана выходная мощность испытываемого оборудования в мегаваттах против окружающей температуры в градусах Цельсия. Кривая, обозначенная буквой "А", относится к известной трехпроходной сухой А-образной конденсаторной установке; кривая, обозначенная буквой "В", относится к известной четырехпроходной сухой А-образной конденсаторной установке; кривая, обозначенная буквой "С", относится к трехпроходному узлу конденсатора, включающему дефлегматор согласно изобретению, эксплуатируемый в мокром режиме; и кривая, обозначенная буквой "D", относится к трехпроходному узлу конденсатору, включающему дефлегматор согласно изобретению, эксплуатируемый в сухом режиме.
Следует сказать, что путем использования испарительного охлаждения в дефлегматоре, предложенном настоящим изобретением, выходная мощность электростанции может быть значительно повышена в жаркое время, этим повышая доходы и КПД электростанции.
В системе охлаждения согласно изобретению можно использовать технологию существующего А-образного конденсатора с воздушным охлаждением, и посредством введения гибридного (сухого или мокрого) дефлегматора достигается заметное улучшение в характеристиках охлаждения при высоких окружающих температурах. В такие периода гибридный (сухой или мокрый) конденсатор, эксплуатируемый в мокром режиме, может достигать таких же повышенных эксплуатационных характеристик турбин, как и завышенный по размерам конденсатор с воздушным охлаждением или конденсатор с воздушным и адиабатическим охлаждением (охлаждение разбрызгиванием) поступающего воздуха, но по значительно меньшей стоимости. При той же выходной мощности турбины расход воды в конденсаторе с воздушным охлаждением, включающем гибридный (сухой или мокрый) дефлегматор, значительно меньше, чем у конденсатора с воздушным адиабатическим охлаждением поступающего воздуха.
Следует понимать, что в одном варианте осуществления изобретения, применимом к существующим установкам, необходимо модифицировать только дефлегматоры, что позволяет модернизировать существующие конденсаторы пара с воздушным охлаждением для работы в условиях изобретения.
Конечно, изобретение может быть применено к устройствам иным чем устройства стандартной А-образной конфигурации, и на Фиг.8 показана одна альтернативная схема расположения. В этой схеме расположения две последовательности оребренных труб (31) конденсатора наклонены вниз в направлении друг друга в одном типе перевернутой А-образной конфигурации, причем пучок труб (32) расположен между их нижними концами в подходящем положении по длине конденсатора. Система разбрызгивающих форсунок (33) расположена над пучком труб, и сепараторы капель (34) расположены над разбрызгивающими форсунками, чтобы улавливать по меньшей мере некоторые из капель, которые могут перемещаться вверх. Один или несколько вентиляторов (35) для создания тяги в оребренных трубах конденсатора и по их ребрам могут, в этом случае, быть удобно расположены в области верхних концов оребренных труб конденсатора.
Какая бы конструкция не использовалась, по оценкам капитальные расходы на гибридный (сухой или мокрый) дефлегматор согласно изобретению будут только немного больше чем на дефлегматор стандартного А-образного конденсатора с воздушным охлаждением.
Изменения в вышеописанном могут быть выполнены в пределах объема изобретения.