專利名稱：具有整體式疊置通風冷凝器的蒸汽冷凝組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總地涉及熱傳遞設(shè)備，具體地涉及用于熱交換的氣冷式真空蒸汽冷凝器。
背景技術(shù)：
蒸汽冷凝器通常用在發(fā)電工業(yè)中以提供其熱動力蘭金能量循環(huán)的拒熱段。為了實現(xiàn)這一功能，蒸汽冷凝器都配備到低壓汽輪機的出口處，以便將排出的蒸汽冷凝成液體，并使其恢復，以便在能量循環(huán)中重復使用。蒸汽冷凝器的主要功能在于在汽輪機出口處提供一低背壓，一般在1.0和6.0英寸汞柱絕對高度之間。保持低背壓可使能源工廠的熱效率最高。
兩種主要類型的蒸汽冷凝器為水冷表面冷凝器和氣冷冷凝器。水冷表面冷凝器在現(xiàn)代發(fā)電廠中是一項主要的技術(shù)。然而，為了符合嚴格的環(huán)境要求，更多地使用氣冷蒸汽冷凝器。
氣冷蒸汽冷凝器從十九世紀三十年代以來一直在使用?，F(xiàn)在這種冷凝器所受到主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是關(guān)于有效地排空冷凝液的手段以及在使汽輪機背壓最小的同時收集和除去非冷凝的氣體(一般為漏進該系統(tǒng)中的空氣)。這些氣冷蒸汽冷凝器一般呈A形框架結(jié)構(gòu)，具有水平地設(shè)置在基部的風扇以及傾斜在其上方、空氣從中流過的分離的冷凝器管道組件。通到這些冷凝器的管道組件的蒸汽入口位于頂部或頂層，這樣蒸汽和任何產(chǎn)生的冷凝物共同在組件中向下流動。
通常一典型的氣冷蒸汽冷凝器的各個組件都包括疊置在其中的四排或四排左右的管道。當空氣流繞這些疊置管道排向上流動時，其溫度升高而導致這些空氣和以后的管道內(nèi)部的蒸汽之間的溫差相應(yīng)減小。相繼的管道排這種較低的溫差使相對那個管道排產(chǎn)生的蒸汽流量和冷凝物流量較小。由于對于各個相繼的管道排而言冷凝物和蒸汽流量較低，所以各個相繼的管道排的兩相流量壓力降也較低。
對于一個簡單的冷凝器而言，所有這些管道排都向一個公共的下集水器排出，該集水器處于與最高(第四排或最高一排管道)出口壓力相等的壓力下。因此，在公共下集水器中的蒸汽和非冷凝的氣體先進入前三排管道的排出端。由于此時蒸汽進入一根管道的兩個端部，非冷凝的氣體(空氣)在其中被收集起來。在氣候寒冷的情況下，在冷凝物在這些空氣囊中冷凝。同樣，這些空氣囊蓋住熱傳遞表面，從而減小了熱氣候情況下冷凝器的效率。沒有被收集的非冷凝的氣體一般用真空泵或噴射泵從下集水器排出。
解決蒸汽冷凝器存在的問題的理想方案是使排出各排管道的流體蒸汽保持完全分開。在美國專利第4,129,180號中這是蒸汽冷凝器的基本手段。該專利揭示了一種分開的下集水器而不是一個公共下集水器，下集水器的各個部分都有分開的冷凝物和通風管線，由于這種獨立的管線，在各個管道排之間沒有壓力過渡。來自下集水器的各個部分的冷凝物管線進入一由水支線密封構(gòu)成的公共排出罐，以平衡它們之間的不同壓力。來自下集水器的各個部分的通風管線還獨立地通到各個真空泵或噴射泵，以均勻地向大氣排出。雖然這種手段是理想的，但由于排出管線和通風管的系統(tǒng)復雜，所以制造和安裝成本較高。
通常所用的另一種設(shè)計是兩級冷凝器。在主冷凝器中，蒸汽和冷凝物同時向下流，一起經(jīng)過冷凝蒸汽所需的大約三分之二的熱交換表面積。由于主冷凝器的表面積對于完全冷凝來說是不夠的，所以各排中的剩余蒸汽流入主冷凝器的公共下集水器。這阻止了蒸汽和非冷凝氣體流回這些管道排內(nèi)。
然后這些剩余蒸汽流到一個單獨的次級冷凝器，一般為分凝器，它包括全部冷凝器表面積的其余部分(大約三分之一)。這種分凝器的結(jié)構(gòu)與主冷凝器類似，并且其各組集合有多個(通常為四排或四排左右)垂直疊置的管道。盡管如此，在此分凝器中，這種剩余的蒸汽和非冷凝的氣體在被排出之前，在這些管道排中從一公共下集水器向上流動。盡管如此，由這種向上流動的剩余蒸汽流所產(chǎn)生的冷凝物，由于重力作用，逆向向下流回到供應(yīng)這些管道排的公共下集水器。因此這種公共下集水器同時向這些管道排輸送剩余的蒸汽和非冷凝的氣體，以及從這些管道排中收集冷凝物。
主冷凝器下游的這樣一個分離的通風冷凝器(或者分凝器)是用來防止主冷凝器中聚集任何非冷凝的氣體。盡管如此，如果通風冷凝器本身還包括多排管道(通常是這情況)，這一通風冷凝器接著也將在其本身的低排管道中存在回流。因此，由于流入低排管道中的回流而引起的非冷凝氣體的聚集問題將僅僅從主冷凝器移到通風冷凝器中。
美國專利第4,177,859號揭示了一種氣冷式蒸汽冷凝器，其下集水器是帶有隔板的。該下集水器還帶有一獨立的檢修井，它可聚集來自第一或最底部管道排的冷凝物，而可使流過其中的蒸汽完全冷凝。這一檢修井可檢查來自第一排管道的冷凝物的溫度。然而，該專利并沒有揭示如何防止檢修井中的冷凝物達到凝固溫度時的凝固。而且該專利也沒有討論如何消除回流到管道中的現(xiàn)象，以避免非冷凝氣體的循環(huán)。
其它的設(shè)計方案還涉及到固定孔或瓣閥，以均衡管道排之間的壓降。還有的設(shè)計可以改變各排管道的葉片間隔、片高或片長，以實現(xiàn)一平衡的蒸汽壓降的目的。一種在美國專利4,513,813中描述的新穎方案中將管道以多個通道水平布置。在此種布置中，通過各個管道的流動具有類似的冷卻可能性，并且因此具有類似的冷凝速率和壓降。然而，所有這些技術(shù)方案不是僅僅只能在蒸汽冷凝設(shè)計的工作狀況下運行良好和/或就是價格上沒有競爭力。
對于整體式通風冷凝器而言一個重要的設(shè)計極限是逆向流動限制了蒸汽蒸發(fā)的速度。在這種臨界速度時，進入通風冷凝器的蒸汽是處于足以使逆向流動的冷凝物(因重力而流動)向上流動或倒流到通風冷凝器以阻止它排出。這種倒流的液體被大量收集而增加了通風冷凝器的壓降，并且因此降低了空氣排除系統(tǒng)的效率以及增加了汽輪機的背壓。
因此本發(fā)明的一個目的在于提供一種與已知的空氣流冷凝器相比維護和結(jié)構(gòu)成本低的氣冷式冷凝器。本發(fā)明的又一個目的是基本上消除在熱交換器的多排管道中非冷凝氣體的積聚。本發(fā)明的再一個目的在于通過在主冷凝器上疊置通風冷凝器來基本上消除冷凝管道中的冷凝物的凝固，兩個冷凝器組合地或整體地構(gòu)成一單個組件體，而不是分離但又靠近的兩個組件。本發(fā)明還有一個目是在于將通風冷凝器置于一個區(qū)域中，該處空氣溫度已被加熱到水的凝固點之上。本發(fā)明的一個附加目的在于通過以所有主冷凝管道排外的恒定的蒸汽流動，而在連續(xù)不斷的基礎(chǔ)上清除它們中的任何一種氣體，而防止非冷凝氣體的的積聚。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種關(guān)于分凝器的入口結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以便增加逆向流動極限值，從而增加熱交換器所允許的負載和流速。
本發(fā)明所獨具的各種新穎的特點將在本文所附的、并構(gòu)成本文一部分的權(quán)利要求書中具體指出。為了較好地理解本發(fā)明，即其運作優(yōu)點和使用它所獲得的特別效果，以下將結(jié)合附圖中示出的本發(fā)明一個較佳實施例參照附圖作詳細的描述。發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種具有整體式通風冷凝器的氣冷式蒸汽冷凝器組件。這種蒸汽冷凝器具有一蒸汽總管，它被設(shè)計成用來將蒸汽輸送到與之相連的至少一排細長冷凝管道中。一個公共冷凝集水器與蒸汽總管隔開，并且該分離的冷凝集水器連接到冷凝管著的第二相對端部。一部分通過冷凝管道的蒸汽被冷凝，其余的未被冷凝、或剩余的蒸汽部分連續(xù)流過冷凝管道并進入公共冷凝集水器。該冷凝集水器中沒有將冷凝管道排分離或分開的隔板或分隔部分。至少一排通風冷凝管道與冷凝管道排整體地設(shè)置，并且各個通風冷凝管道具有一連接到冷凝集水器的底端。這些通風冷凝器管道一般平行于冷凝管道，并且沒有冷凝或剩余的部分蒸汽流過這些通風冷凝器管道以完成其冷凝。一個通風總管連接到通風冷凝管道的上部，并且設(shè)置有用來將冷卻空氣輸送到冷凝組件中的裝置。
附圖的簡述

圖1是示出本發(fā)明的內(nèi)部構(gòu)件的視圖；圖2是沿圖1中的線2-2的截面圖，示出了冷凝器中的管道布置；圖3是與圖2不同的另一種管道布置；圖4是分凝器中的一種典型的管道入口的視圖；圖5是斜切的分凝器管道入口的視圖6是斜切的分凝器管道入口的另一個視圖。
較佳實施例的描述先請參見圖1-3，圖中示出了一個氣冷式冷凝器或熱交換器10。在此實施例中，蒸汽被輸送到熱交換器10的上蒸汽總管12。蒸汽總管12再連接到包括多個管道排14的主冷凝器上。雖然圖1中揭示了三排這樣的從總管12接收蒸汽的管道14，但如果需要的話，這樣的管道排14還可以更多或更少。在各排管道14中的各根管道16一般制成有一系列隔開的固定到其上的葉片18。這些葉片18增加了管道16和由風扇22迫使流過管道排14的向上流動的空氣20之間的熱交換。在其它的實施例中，這種空氣流動可自然地進行而沒有被迫使的必要，從而可能不需要風機22。
圖1是沿著與中心線24相交的垂直平面剖切，只示出了熱交換器10的一側(cè)，另一側(cè)與示出部分成鏡像。同樣，熱交換器10一般可由多個相鄰的組件25構(gòu)成，其各自有一個與示出部分類似的橫截面。這些各個組件25可通過蒸汽總管12和公共冷凝集水器26相互平行連接，這樣在各個組件25之間只有少量或沒有壓力差。冷凝器10所需的組件25的實際數(shù)量由流入蒸汽總管12的蒸汽流的體積和發(fā)生在汽輪機出口(連接在蒸汽總管12上，但圖中未示出)處的所需背壓所決定。
在附圖中，冷凝集水器26構(gòu)成為公共式的，其中沒有將各種管道排分離或分開的分隔層或隔離板。所示的集水器26還作為下部或底部蒸汽總管12，但這不是所有情況下都需要的。在任何一種情況下，流過管道排14的蒸汽在它進入下冷凝集水器26之前在所有的運作情況下沒有完全冷凝。由于來自各個管道排14的剩余蒸汽現(xiàn)在是連續(xù)地流動，所以這些管道排14之間的壓力在下集水器26中是均等的。管道14的這種連續(xù)清除保證了沒有從下集水器26向管道排14的逆流發(fā)生。如果發(fā)生這種逆流現(xiàn)象，空氣將聚集在其中，而引起冷凝物冷凝固，并且一根或多根管道16開裂。
雖然圖中所示的下冷凝集水器26是矩形的，但也可以是其它類似的形狀。同樣，將冷凝集水器26固定到多排管道14上以及熱交換器10上的方式可以根據(jù)需要變化。而且，通過互連來自熱交換器10的多個組件25的冷凝集水器26，僅僅需要采用單根或少量的冷凝物排出管線27。
如圖1所示的，整體式上管道排或通風冷凝器28大致與管道排14平行，但這種上管道排28起到一通風冷凝器的作用，它可排出非冷凝的氣體以及冷凝進入冷凝集水器26的剩余蒸汽。由于來自下集水器26的沒有冷凝的剩余蒸汽經(jīng)上管道28向上流動，所以任何產(chǎn)生的冷凝物將克服這種蒸汽流向下流動。因此，重要的是這種蒸汽流的體積或速度將不足以大得能聚集或帶走上管道排28中的這種冷凝物?；镜氖牵瑹峤粨Q器10是通過保證剩余蒸汽流過主冷凝器的管道排14、并且在通風冷凝器的整體式管道排28中發(fā)生完全冷凝進行工作。由于這種結(jié)構(gòu)，不需要將剩余蒸汽如前所要求的輸送到一分離的冷凝器或分凝器中。取而代之的是，各個組件25現(xiàn)在都具有其本身的通風冷凝管道排28。
圖2示出了冷凝管道排14和上通風管道排28的一種典型布置。在這種布置中，各個管道16的尺寸都是相同的。盡管如此，如圖3所示，在上管道排28中的管道尺寸可做得比主冷凝器的管道排14的管道大。對于上管道排28而言，這種較大的管道尺寸將使通過這排管道28的蒸汽速度較低，從而減少任何冷凝物保持或聚集在這排管道28中的機會。通過調(diào)節(jié)風機功率或葉片的節(jié)距來改變空氣流量20還可提供凝固保護。所需的實際控制量取決于其它變量之一的冷凝器壓力。
事實上，對于整體式通風冷凝器管道排28而言一個重要的設(shè)計限制是逆向流動極限(CCFL)蒸汽速度。在這種臨界速度下，進入上管道28的蒸汽處于足以防止其中的冷凝物向集水器26向下回流的速度下。這種情況增加了通過通風冷凝器(即管道排28)的壓降，從而減少了冷凝器10的效率。它還增加了不必要的汽輪機背壓。
然而，為了避免這種情況發(fā)生，可以使用圖3所示的管道尺寸。這些上管道28不僅在其上帶有葉片以增加其冷卻能力，而且尺寸還大于管道排14中的管道。這些較大的管道28各自有一表面積大于主冷凝器中的管道14的表面積(與其直徑的比值成比例)。另外，各個較大的管道28還有一流量面積大于管道16的流量面積(與其直徑平方的比值成比例)。因此，通過上管道排28的蒸汽速度將減小。
圖3還示出了主冷凝器的各排管道14由相同直徑的管道16組成。這不是所有情況下都是必要的，因為也有可能這些管道排14中的一個由直徑不同于其它相鄰管道排14的管道16組成。例如，當兩個最底部的管道排可由外徑大約2英寸的管道16組成時，其次的較高管道排14可由外徑大約為1.5英寸的管道16組成。同樣地，上部或通風冷凝器管道排28可包括外徑大約為2英寸的管道16。第二管道排14直徑的減小有助于減小通風冷凝管道排28的必需的通風量。
位于上通風冷凝器管道排28的出口端的是管子30(一般水平地排列)，它接收通過上管道28的非冷凝的剩余流量。這一管子30將這種非冷凝的氣體傳送到一空氣去除系統(tǒng)(未示)，從而排出了攜帶在輸送到蒸汽總管12或漏入熱交換器10中的任何非冷凝的氣體。如果需要的話，也可以通過將空氣去除管子30設(shè)置在蒸汽總管12中來提供進一步的凝固保護。
圖1示出了疊放在主冷凝器的管道排14上的通風冷凝器的管道排28。然而，如果需要的話，這些通風冷凝器的管道排28可以位于主冷凝器的這些管道排14中或之間。因此，雖然圖1中示出了在到達上管道排28之前先通過管道排14的風機空氣流20，但它可以變化。換句話說，熱交換器10可以制成為空氣20將流過主冷凝器管道14的、例如兩排管道，然后流過通風冷凝器管道排28，最后流過主冷凝器的最后一排或多排管道排14。在任何情況下，整體式通風冷凝器管道排28位于流過該處的空氣溫度在凝固點之上的位置處，這些空氣20先流過主冷凝器管道14加熱。
熱交換器10的一個主要優(yōu)點是可簡單地將冷凝物從冷凝集水器26中去除，將空氣和非冷凝氣體經(jīng)管子30去除。相對各排管道帶有單獨的冷凝物去除和空氣去除管道的設(shè)計而言，這明顯地減小了成本。同樣，如以上所述那樣，將通風冷凝器管道排28鄰近主冷凝器的管道排14放置或放于其中，這種通風冷凝器管道排28受到凝固保護，并且沒有進入管道排14的任何局部逆流的可能性。同樣，通過將主冷凝器14和通風冷凝器管道28結(jié)合在相同的組件25中，由于既不需要單獨的元件，也不需要在它們之間傳送剩余的蒸汽，因此可節(jié)約成本。
雖然圖中所示的實施例在主冷凝器中具有三個管道排14，但根據(jù)必須滿足的情況實際上可采用更多的或較少的管道排(并且其中各根管道的直徑可變化)。同樣，通風管道排28的數(shù)量和直徑還可根據(jù)需要改變。而且，為了滿足使用者的需求，可以改變冷凝器10的各個元件的寬度、長度和深度。另外，葉片18或各個管道和/或管道排14，16和28的管徑、壁厚、材料和熱傳遞特性可以根據(jù)大量的技術(shù)要求制造而并不脫離本發(fā)明的精神。
熱交換器10的另一個實施例、特別是管道排28示出在圖4-6中。在此實施例中，連接到下集水器26上的管道排28中的各個管道端部不是如圖4所示的直線切成的，而是如圖5和6所示的以一角度切成的。在此形式中，通風冷凝器管道排28的各根管道有一較大的開口32，而不會增加許多單獨管道的總直徑。這種較大的開口32產(chǎn)生了較大的CCFL值，從而使熱交換器10能在較大的負載狀態(tài)下運作。因此，不管通風冷凝器的管道排28的尺寸或直徑的大小，逆向流動的極限由于開口32的斜角而最大。通過以一斜角切割開口32，而不是如圖4所示的以一較普通的直角切割，而減小進入開口32的蒸汽速度。因此，總的蒸汽流速可增加直至達到一個新的較高的逆流極限。
可以想象，在位于下集水器26中的通風冷凝器的管道排28的入口處，由于剩余蒸汽的冷凝發(fā)生在此入口的下游，所以剩余蒸汽和冷凝物的速度為它們的最大。同樣，在此入口，進入普通直切管道的剩余蒸汽所引起內(nèi)部流量分離會減小有效的流動面積。盡管如此，通過使通風管道排28的入口制得如圖5和6所示，增加入口的流動面積，它減小了流入開口32處的管道的蒸汽速度。這種斜切的開口32還增加了CCFL值，從而在逆流冷凝水聚集在通風冷凝器的管道排28之前，剩余蒸汽有一較快的流速。
雖然圖5和6揭示了斜切開口32的角度為45°，但是其它角度的開口也會產(chǎn)生上述的改進。
權(quán)利要求
1.一種具有整體式通風冷凝器的氣冷式蒸汽冷凝器組件，它包括(a)至少一排具有連接到蒸汽流過其中的蒸汽總管上的第一端的細長的冷凝管道；(b)一與所述蒸汽總管隔開的、并連接到所述冷凝管道的第二相對端上的公共冷凝集水器，所述蒸汽通過在其中被局部冷凝的所述冷凝管道，并且剩余的非冷凝的剩余蒸汽部分連續(xù)地流過所述冷凝管道、并流入所述公共冷凝集水器，所述公共冷凝集水器中沒有分離或隔開所述冷凝管道的所述管道排的隔板或元件；(c)至少一排鄰近并通常平行于冷凝組件中的所述冷凝管道的通風冷凝管道，所述通風冷凝管道具有連接到所述公共冷凝集水器的底端，以便于所述非冷凝的剩余蒸汽流過其中，以使之完全冷凝；(d)一個連接到所述通風冷凝管道的上部的通風總管；以及，(e)用來使冷卻空氣流過冷凝組件的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風冷凝管道的底端是斜切或傾斜的，從而相對所述通風冷凝管道的縱軸形成一角度。
3.如權(quán)利要求2所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風冷凝管道的所述底端以相對所述管道的縱軸成45°角切成。
4.如權(quán)利要求3所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述公共冷凝集水器在所述蒸汽總管的下方或下面。
5.如權(quán)利要求4所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，多個這樣的組件以相互平行關(guān)系由所述蒸汽總管和所述公共冷凝集水器連接在一起。
6.如權(quán)利要求4所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，在冷凝組件中的還包括三排所述冷凝管道和一排所述通風冷凝管道。
7.如權(quán)利要求4所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風冷凝管道排位于所述冷凝管道排之上。
8.如權(quán)利要求4所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風冷凝管道排位于所述冷凝管道排中間。
9.如權(quán)利要求4所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風冷凝管道的直徑與所述冷凝管道的最大直徑相等。
10.如權(quán)利要求4所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風冷凝管道的直徑大于所述冷凝管道的直徑。
11.如權(quán)利要求10所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風冷凝管道的直徑是所述冷凝管道直徑的兩倍。
12.如權(quán)利要求4所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，它還包括一連接到所述公共冷凝集水器上的冷凝排放口，所述排放口的尺寸定得可從所述公共冷凝集水器中去除任何聚集的冷凝物。
13.如權(quán)利要求12所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風總管大致與所述蒸汽總管平行地延伸。
14.如權(quán)利要求13所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風總管從外部伸到所述蒸汽總管。
15.如權(quán)利要求14所述的氣冷式蒸汽冷凝器組件，其特征在于，所述通風總管在所述蒸汽總管中延伸。
全文摘要
一種具有整體式通風冷凝器的氣冷式蒸汽冷凝器組件，具有一蒸汽總管、一排或多排在蒸汽總管和一(通常較低)的公共冷凝集水器之間的冷凝管道。該組件還有至少一排鄰近冷凝管道的、將下集水器連接到通風總管的通風冷凝器或分凝器。該分凝器管道直徑可以是與冷凝管道的直徑相同或較大。
文檔編號F28B9/10GK1159565SQ9612327
公開日1997年9月17日 申請日期1996年12月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月20日
發(fā)明者約翰·L·伯格, 喬治·E·庫波, 威廉·J·奧伯喬, 托馬斯·W·斯托克 申請人:赫德遜產(chǎn)品有限公司