本發(fā)明涉及到冷凝裝置技術(shù)領(lǐng)域，更加具體來說是一種起膜冷凝真空系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于受到電站所在地水源及占地面積的限制，目前國內(nèi)大部分電站都采用間接水冷或空冷方式運行。對于間接水冷或空冷電站而言，其熱效率受汽機運行背壓的影響十分明顯，在汽機的背壓即排汽壓力高于阻塞背壓時，降低汽機的運行背壓可以明顯提升機組的熱效率。而汽機的運行背壓主要受制于凝汽系統(tǒng)的真空度，凝汽系統(tǒng)的真空度則取決于凝汽器系統(tǒng)能否高效的將汽輪機排汽冷凝成水。

在凝汽器中，透平末級排汽與冷卻介質(zhì)對流換熱后，部分凝結(jié)形成近似飽和蒸汽和空氣的混合物。隨著凝結(jié)換熱過程的進行，蒸汽空氣混合物中的空氣分壓不斷上升，造成蒸汽對應(yīng)的飽和溫度下降，并導致對流換熱蒸汽側(cè)流速下降，對流換熱系數(shù)減小，使得凝汽器中真空不斷下降。因此運行真空泵持續(xù)的抽出空氣和蒸汽的混合物，對于保證對流換熱效率，維持凝汽器真空至關(guān)重要。

抽真空系統(tǒng)的抽氣中含蒸汽較高會導致凝汽器汽側(cè)工質(zhì)流速增加，換熱系數(shù)顯著增加，有利于提高凝汽器換熱效率。但更高的蒸汽含量會增加抽氣的體積并導致真空泵更易汽蝕，且增加了工質(zhì)損失。

在電站表面式凝汽器后加裝混合式冷凝裝置，可以提高抽真空系統(tǒng)帶出的蒸汽量，導致抽氣流速和蒸汽分壓的上升，有利于提高凝汽器汽側(cè)的對流換熱系數(shù)，降低機組的運行背壓。該裝置可迅速凝結(jié)抽氣中的蒸汽，在保證在提高機組效率的同時，不增加真空泵汽蝕的程度，保證機組的穩(wěn)定，安全運行。

目前已有的混合式冷凝真空系統(tǒng)往往采用水霧噴淋的方式讓蒸汽在逆流通過水霧的過程中換熱凝結(jié)成水，再由真空泵抽出不凝結(jié)氣體。該種類型系統(tǒng)需要在冷凝罐上部設(shè)置噴嘴，并在噴嘴前設(shè)置霧化裝置，導致整個冷凝真空系統(tǒng)十分復雜，并且在水霧化之后存在較多的小液滴會被上升的氣流夾帶出冷凝裝置形成氣液兩相流，氣液兩相流在高速運動中極易引發(fā)管道震蕩，會造成真空泵抽氣量下降，極易造成抽真空系統(tǒng)排汽帶水。如果在冷凝真空系統(tǒng)的冷凝罐頂部采用汽液分離裝置則進一步增加了系統(tǒng)復雜程度和投資，增加了占地空間。由于在冷凝罐內(nèi)蒸汽流速較快，停留時間不足同樣導致蒸汽冷凝效率下降，并夾帶大量液滴離開冷凝罐，造成工質(zhì)損失。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一目的在于克服上述背景技術(shù)的不足之處，而提出一種起膜冷凝真空系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術(shù)方案通過如下措施來實施的：一種起膜冷凝真空系統(tǒng)，它包括起膜冷凝裝置、真空泵、汽水分離器和換熱器；所述的起膜冷凝裝置頂部的抽氣接口通過管道與所述的真空泵的吸入口連接，所述的真空泵的排出口通過管道與汽水分離器上部的汽水分離器入口連接，所述的汽水分離器通過換熱器與真空泵的回水口連接；在所述的起膜冷凝裝置的底端設(shè)置有凝結(jié)水排水接口與電廠凝汽器熱井連接。

在上述技術(shù)方案中：所述的起膜冷凝裝置截面呈橢圓形，在所述的起膜冷凝裝置中上部的兩側(cè)開有冷卻水接口，在所述的起膜冷凝裝置中下部兩側(cè)開有進汽接口，在所述的起膜冷凝裝置包括整體呈橢圓形的筒體，在所述的筒體的上端和下端分別焊接有導流蓋和凝結(jié)水室，在所述的筒體內(nèi)的中上部焊接有混合熱水室，在所述的筒體內(nèi)的下部焊接有導流托盤。

在上述技術(shù)方案中：所述的筒體被所述的混合換熱室分為三個腔體，分別為上部的混合換熱室與所述的導流蓋之間圍成的汽水分離室、中部的混合換熱水室以及所述的混合換熱水室與所述的凝結(jié)水室之間圍成的混合凝結(jié)室。

在上述技術(shù)方案中：所述的混合換熱水室截面形狀為圓形，在所述的混合換熱水室內(nèi)沿外側(cè)周向等間距布置有八個通流筒；每個所述的通流筒均貫穿所述的混合換熱水室上下兩端，在所述的通流筒上開有若干個通流孔。

在上述技術(shù)方案中：所述的通流孔布置在所述的通流筒的中上部且分層錯開布置；每個所述的通流孔沿所述的通流筒的壁向切向與徑向呈60度，且每個所述的通流孔向下傾斜并與水平線之間的夾角為10度。

在上述技術(shù)方案中：所述的導流托盤的截面為圓形，所述的導流托盤盤向開有導流孔。

本發(fā)明包括如下優(yōu)點：1、本發(fā)明中的混合換熱水室配合通流筒及通流孔，使得水在重力作用下自流就能形成水膜，從而與蒸汽形成強烈的膜式換熱，無需任何額外的噴嘴和霧化裝置，在優(yōu)化換熱方式的基礎(chǔ)上并不會增加額外的設(shè)備成本及占地空間，經(jīng)濟而高效。2、本發(fā)明中的通流筒在混合換熱水室上的分布呈極軸對稱，中心不設(shè)通流筒，蒸汽夾帶液滴穿過通流筒后不會從抽氣接口中直接離開冷凝器進入真空泵，而是在汽水分離室中和導流蓋碰撞并再次冷凝后再進入抽氣接口，因此蒸汽的冷凝效果更好，抽氣中攜帶的蒸汽量更少，進入真空泵的氣流溫度更低，從而降低了真空泵的汽蝕風險。3、本發(fā)明的換熱主要發(fā)生在混合冷凝室和混合換熱水室中，由于進行的是水膜式換熱，并不存在霧化的液滴，蒸汽中夾帶的水滴和水霧換熱相比顯著減少，配合導流蓋和汽水分離室，離開起膜冷凝裝置進入真空泵的氣體中僅攜帶少量液滴，可以提高抽氣效率，大大減少排氣帶水。4、本發(fā)明中的通流孔在通流筒上沿切線方向傾斜60度并在中上部分層錯落布置，保證了混合換熱水室中的冷卻水可沿通流孔斜向進入通流筒并沿壁面旋轉(zhuǎn)流動，在混合換熱水室出口處形成均勻、連續(xù)的水膜，水膜與蒸汽直接接觸換熱效果劇烈，相比常規(guī)的水霧換熱，可以較大的提高蒸汽的凝結(jié)效率。5、本發(fā)明中的導流托盤和導流孔可以優(yōu)化抽氣的流場，一定程度降低蒸汽的流速并增加蒸汽在起膜冷凝裝置中的停留時間，進一步增強了換熱效果同時減少了氣流中夾帶的液滴量。6、本發(fā)明簡單高效，布置方便，無額外設(shè)備，可集成化布置，減小占地空間，節(jié)省成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)布置圖。

圖2為本發(fā)明中混合換熱水室及通流筒的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明中通流筒和通流孔的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明中通流筒和通流孔的結(jié)構(gòu)布置圖。

圖5為本發(fā)明中導流托盤及導流孔結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為常規(guī)混合式冷凝真空系統(tǒng)示意圖。

圖7為蒸汽質(zhì)量q隨過冷度△t的變化曲線。

圖8為干空氣總體積為v隨過冷度△t的變化曲線。

圖中：起膜冷凝裝置1，筒體1.1、導流蓋1.2、凝結(jié)水室1.3，混合換熱水室1.4、汽水分離室1.5、混合凝結(jié)室1.6、導流托盤1.7、導流孔1.8、通流筒1.9、通流孔1.9.1、真空泵2、吸入口2.1、排水口2.2、回水口2.3、汽水分離器3、換熱器4、冷卻水接口5、進汽接口6、凝結(jié)水排水接口7、抽氣接口8、冷卻水霧化裝置n1、霧化冷卻水噴嘴n2。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的實施情況，但它們并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定，僅作舉例而已，同時通過說明本發(fā)明的優(yōu)點將變得更加清楚和容易理解。

本發(fā)明一種起膜冷凝真空系統(tǒng)，它包括起膜冷凝裝置1、真空泵2、汽水分離器3和換熱器4；所述的起膜冷凝裝置1頂部的抽氣接口8通過管道與所述的真空泵2的吸入口2.1連接，所述的真空泵2的排出口2.2通過管道與汽水分離器3上部的汽水分離器入口3.1連接，所述的汽水分離器3.1通過換熱器4與真空泵2的回水口2.3連接；在所述的起膜冷凝裝置1的底端設(shè)置有凝結(jié)水排水接口7與電廠凝汽器熱井連接。

所述的起膜冷凝裝置1截面呈橢圓形，在所述的起膜冷凝裝置1中上部的兩側(cè)開有冷卻水接口5，在所述的起膜冷凝裝置1中下部兩側(cè)開有進汽接口6，在所述的起膜冷凝裝置1包括整體呈橢圓形的筒體1.1，在所述的筒體1.1的上端和下端分別焊接有導流蓋1.2和凝結(jié)水室1.3，在所述的筒體1.1內(nèi)的中上部焊接有混合熱水室1.4，在所述的筒體1.1內(nèi)的下部焊接有導流托盤1.7。

所述的筒體1.1被所述的混合換熱室1.4分為三個腔體，分別為上部的混合換熱室1.4與所述的導流蓋1.2之間圍成的汽水分離室1.5、中部的混合換熱水室1.4以及所述的混合換熱水室1.4與所述的凝結(jié)水室1.3之間圍成的混合凝結(jié)室1.6。

所述的混合換熱水室1.4截面形狀為圓形，在所述的混合換熱水室1.4內(nèi)沿外側(cè)周向等間距布置有八個通流筒1.9；每個所述的通流筒1.9均貫穿所述的混合換熱水室1.4上下兩端，在所述的通流筒1.9上開有若干個通流孔1.9.1。

所述的通流孔1.9.1布置在所述的通流筒1.9的中上部且分層錯開布置；每個所述的通流孔1.9.1沿所述的通流筒1.9的壁向切向與徑向呈60度，且每個所述的通流孔1.9.1向下傾斜并與水平線之間的夾角為10度。

所述的導流托盤1.7的截面為圓形，所述的導流托盤1.7盤向開有導流孔1.8。

參照圖1所示：下面詳細闡述本發(fā)明中氣體與液體在各個器件中的運轉(zhuǎn)情況：本發(fā)明一種起膜冷凝真空系統(tǒng)，它包括起膜冷凝裝置1、真空泵2、汽水分離器3和換熱器4；所述的起膜冷凝裝置1從抽氣接口8處通過管道與真空泵2連接，真空泵2通過管道與所述的汽水分離器3連接，將從所述的起膜冷凝裝置1中抽出的不凝結(jié)氣體與部分未凝結(jié)蒸汽通入汽水分離器3中進行氣水分離，分離出的氣體通過上部排氣口排入大氣，分離出的水及蒸汽進一步冷凝后的水通過下部接口連入換熱器4進行冷卻，冷卻后的水通入真空泵2回水口2.3，補充并冷卻真空泵2工作液，以降低汽蝕風險。

所述的起膜冷凝裝置1其截面為圓形，且筒體壁面有兩個進汽接口6和兩個冷卻水接口5，其中兩個冷卻水接口5的水引自電廠化學補充水，兩個進汽接口6的汽來自凝汽器。

在筒體1.1的上端和下端，采用焊接方式連接導流蓋1.2和凝結(jié)水室1.3，在導流蓋1.2頂端有抽氣接口8連接到真空泵2，在凝結(jié)水室1.3底端有凝結(jié)水排水接口8連接到電廠凝汽器熱井。混合換熱水室1.4采用焊接方式與筒體1.1及導流蓋1.2連接，導流托盤1.7采用焊接方式和所述的筒體1.1連接。筒體1.1被混合換熱水室1.4分為3個腔體，分別為混合換熱水室1.4本身、混合換熱水室1.4和導流蓋1.2之間的汽水分離室1.5以及混合換熱水室1.4和凝結(jié)水室1.3之間的混合凝結(jié)室1.6。

參照圖2-4所示：所述的混合換熱水室1.4截面形狀為圓形，所述的混合換熱水室1.4截面中開有圓形截面的通流筒1.9，通流筒1.9圍繞混合換熱水室1.4的圓心呈極軸對稱布置。為防止汽水混合物直接通過通流筒1.9進入汽水分離室1.5，混合換熱水室1.4的圓心處不設(shè)通流筒。通流筒1.9筒壁面上打有多個通流孔1.9.1，所述的通流孔1.9.1沿壁面切向與徑向呈60°并向下傾斜10°穿透通流筒1.9。所述通流孔1.9.1在通流筒壁面上分層錯開布置，通流孔1.9.1布置在通流筒1.9的中上部以保證冷卻水有足夠空間沿筒壁旋轉(zhuǎn)流動。

所述的混合換熱水室1.4配合通流筒1.9及通流孔1.9.1，使得水在重力作用下自流就能形成水膜，從而與蒸汽形成強烈的膜式換熱，無需任何額外的噴嘴和霧化裝置，在優(yōu)化換熱方式的基礎(chǔ)上并不會增加額外的設(shè)備成本及占地空間，經(jīng)濟而高效。

所述的通流筒1.9在混合換熱水室1.4上的分布呈極軸對稱，中心不設(shè)通流筒，蒸汽夾帶液滴穿過通流筒1.9后不會從抽氣接口8中直接離開冷凝器進入真空泵2，而是在汽水分離室1.5中和導流蓋1.2碰撞并再次冷凝后再進入抽氣接口8，因此蒸汽的冷凝效果更好，抽氣中攜帶的蒸汽量更少，進入真空泵2的氣流溫度更低，從而降低了真空泵2的汽蝕風險。

參照圖5所示：所述的導流托盤1.7為圓形截面，截面上分布導流孔1.8，可對所述的進汽接口6進入的蒸汽空氣混合物流場進行優(yōu)化，能一定程度降低蒸汽的流速并增加蒸汽在起膜冷凝裝置1中的停留時間，進一步增強了換熱效果同時減少了氣流中夾帶的液滴量。

參照圖6所示：常規(guī)的混合式凝結(jié)真空系統(tǒng)，其冷凝裝置采用冷卻水霧化的方式，通過噴嘴將冷卻水噴射進冷凝器中，實現(xiàn)和蒸汽的混合式換熱。在該過程中蒸汽以較高的流速通過冷凝裝置，其和冷卻水的接觸時間無法得到保證，蒸汽的冷凝效果不佳，從而導致進入真空泵的氣流中蒸汽含量高，氣流溫度高，容易造成真空泵汽蝕，真空泵抽氣溫度增大導致真空泵需要更多溫度更低的冷卻回水，從而在一定程度上增大了冷凝真空系統(tǒng)中的汽水分離器及換熱器的負擔，增大能耗；除此之外水霧換熱極易導致汽流中夾帶大量液滴進入真空泵，從而導致抽氣氣流中需要被抽出的不凝結(jié)氣體比重下降，大大降低抽氣效果，長期運行無法保證凝汽器的真空度，從而降低機組的效率。由于采用霧化液滴冷凝方式，需要在冷凝器外設(shè)置霧化裝置并在冷凝器內(nèi)分層布置噴嘴，從而導致系統(tǒng)復雜，成本上升。大量霧化的液滴在高速汽流的夾帶下離開冷凝裝置，形成高速運動的氣液兩相流，極易發(fā)管道震蕩，于電站管道布置及安全極為不利。若要消除以上影響，需要在冷凝裝置外加裝額外的氣液分離器，進一步增加了系統(tǒng)復雜性和投資。因此常規(guī)的混合式凝結(jié)裝置存在著系統(tǒng)復雜，成本較高，汽流容易夾帶液滴造成管道震蕩，無法保證蒸汽與冷卻水換熱時間等問題。

而對比圖1及圖6可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明其核心在于通過對起膜冷凝裝置中的新型混合換熱水室和導流托盤的設(shè)計，實現(xiàn)了用效率更高的冷卻水膜式換熱替代冷卻水霧化換熱，在消除了常規(guī)冷凝真空系統(tǒng)的現(xiàn)有缺陷的同時，保證蒸汽在起膜冷凝裝置內(nèi)的高效凝結(jié)，在降低汽蝕風險的基礎(chǔ)上提高了真空泵的抽氣效果，從而降低了機組運行背壓，提高了機組熱效率。

下面以一組典型的間接空冷機組實際運行參數(shù)為例，計算采用了本發(fā)明的起膜冷凝真空系統(tǒng)后對反映機組運行背壓的凝汽器抽氣側(cè)蒸汽含量及分壓的影響。

改機組的具體參數(shù)如表1所示：

表1某間接空冷機組部分運行參數(shù)

該干空氣量為參照hei標準根據(jù)凝汽器凝汽量選取經(jīng)驗值得到，取m2＝61.24kg/m³，抽氣過冷度△t根據(jù)hei標準取4.16℃。根據(jù)如下步驟計算不同工況下蒸汽和不凝結(jié)性氣體混合物中蒸汽和干空氣的分壓以及汽氣混合物的總體積：

(1)假定汽氣混合物總壓為p0(kpa)，蒸汽分壓為p1(kpa)，干空氣分壓為p2(kpa)，而p1即為凝汽器運行壓力下對應(yīng)的蒸汽飽和溫度減去過冷度所對應(yīng)的飽和壓力，且根據(jù)道爾頓分壓定律有p0＝p1+p2。

(2)假定凝汽器運行壓力p0下對應(yīng)的飽和蒸汽溫度為t0(℃)，則凝汽器實際運行溫度tr＝t0-△t(℃)

(3)p1為tr對應(yīng)下的飽和蒸汽壓，而p0即為凝汽器的運行壓力，因此可求得干空氣分壓p2。根據(jù)公式1、2，可得到蒸汽及干空氣混合物體積。

p2×v2＝rg×tr(1)

m2×v2＝v(2)

(4)假定蒸汽質(zhì)量為m1，飽和蒸汽對應(yīng)p1下的蒸汽比容ν1可根據(jù)飽和蒸汽表查出公式3可求得蒸汽質(zhì)量m1。

m1×v1＝m2×v2(3)

根據(jù)上述計算方法，計算出設(shè)計工況，tha工況以及夏季工況對應(yīng)下的抽氣中干空氣和蒸汽的含量以及抽氣的體積，計算結(jié)果如表2所示。

表2計算結(jié)果

假設(shè)真空泵從凝汽器中每抽出1kg干空氣所帶出的蒸汽質(zhì)量為q，抽氣中每1kg干空氣所帶的蒸汽及干空氣總體積為v,根據(jù)道爾頓分壓定律有：

根據(jù)表2、公式4和5，三種不同工況下不同過冷度△t對應(yīng)的q值以及v值分別如圖7和圖8所示。

以此空冷機組為例，對于常規(guī)冷凝真空系統(tǒng)，所選真空泵抽氣容積為3681m³/h，抽干空氣量為61.24kg/h，假設(shè)△t＝4.16℃，結(jié)合圖7與圖8，迭代計算可以得到：當p0＝10.3kpa時，△t＝3.03088℃。當26.9kpa時，△t＝1.36135℃。

而在采用了本發(fā)明的起膜冷凝真空系統(tǒng)之后，化學補充水按照流量為dw＝10000kg/h，冷卻水溫度tw＝20℃考慮。抽干空氣量仍按d＝61.24kg/h計算，抽氣點壓力按p0＝10.3kpa，△t＝3.04℃考慮，抽氣點的蒸汽分壓力p1＝8.8kpa，對應(yīng)的飽和蒸汽比焓h1和飽和水比焓h2分別為：2579.5kj/kg和181.53kj/kg。假定每1kg干空氣所對應(yīng)的化補水為ds(kg)＝dw/d,根據(jù)熱平衡有：

ds×d×(h1-h2)＝dw×(h2-4.1868×tw)(6)

帶入數(shù)據(jù)計算得到，ds＝6.56kg。對比常規(guī)冷凝真空系統(tǒng)，加裝了本發(fā)明的起膜冷凝真空系統(tǒng)后每1kg空氣所帶出的蒸汽質(zhì)量從3.66kg上升為10.22kg，每1kg空氣對應(yīng)的抽氣體積由60.56m³上升為168.94m³，相應(yīng)的△t從3.04℃下降至1.05℃。此時凝汽器中空氣、蒸汽混合物的流速上升為原來的2.79倍使得凝汽器內(nèi)對流換熱系數(shù)上升。抽氣中蒸汽比例的上升造成蒸汽分壓上升，蒸汽飽和溫度提高，也有利于混合物的冷凝，對流換熱系數(shù)也更高。而在真空泵前增設(shè)起膜冷凝裝置后，真空泵入口v值和△t與之前相比變化較小，但會使得凝汽器出口處的△t迅速下降，抽氣所帶蒸汽量迅速上升，可以在不增加真空泵汽蝕程度的條件下顯著增強凝汽器汽側(cè)的換熱效率。而凝汽器冷端的效率上升會造成凝汽器內(nèi)真空提高，有利于降低機組運行背壓，提升機組熱效率。

計算結(jié)果表明，本發(fā)明公開的一種起膜冷凝真空系統(tǒng)顯著降低了凝汽器汽側(cè)的熱阻，在增加抽氣帶汽量的同時不會給真空泵造成額外的汽蝕危險，凝汽器真空上升，汽機運行背壓下降，提高了機組熱效率。

上述未詳細說明的部分均為現(xiàn)有技術(shù)。