专利名称：用于发电站设备的空气冷却器以及这种空气冷却器的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电站技术领域。它涉及权利要求书1前序部分的空气冷却器，以及一个这种空气冷却器的应用。
背景技术：
上述类型的空气冷却器例如由文件EP-A1-0773 349(参看该文件中的图5和所属的说明)公开。
对于燃气轮机装置通常的情况是，从压缩机得到的空气在作为冷却空气输入涡轮机的冷却系统之前，先借助喷水或外部冷却对其进行冷却。在此情况下，整个系统在很大程度上丢失热量。
与此相反，众所周知，对于组合设备大都要在一个空气/水—热交换器内实施空气的水冷却，并且从冷却空气—冷却中产生的热可被重新利用。借助输送泵将水方面的压力提高，以避免超过饱和蒸汽压力而蒸发，及事后将在冷却器内被加热的水在一个可使它蒸发的低压系统中减压。在一个变型方案中，热交换器与一个连接在燃气轮机组后面的余热蒸汽发生器的燃料节省器并联地运行。
作为强制循环加热器，空气冷却器被集成在一个组合—发电站设备中。由此，与上述燃气轮机装置的冷却相比，可实现更简单的调节及更高的效率。图1-它相应于本文开始部分所提到的文件中的图1-示出一个具有一个燃气轮机组和一个汽轮机组的组合—发电站设备40。该燃气轮机组由一个压缩机1、一个连接在后面的燃烧室2和一个在燃烧室2的下游设置的燃气轮机3组成。在燃气轮机3上耦合一个用于发电的发电机4。通过压缩机1吸入的吸入空气5在压缩后作为压缩空气6导入燃烧室2，并且在那里与喷入的液态和/或气态燃料7混合。产生的燃料/空气—混合物燃烧。从燃烧室2流出的热气体8随后在燃气轮机3内在做动的情况下减压。然后，燃气轮机3的废气9被使用在连接在后面的蒸汽循环中的余热蒸汽发生器15中。
因为燃烧室2和燃气轮机3的热负荷非常高，所以必须尽可能有效地的冷却热负荷机组。这将借助于一个空气冷却器10来进行，该空气冷却器是一个螺旋线—蒸汽发生器。从压缩机1取出的、已被强烈加热的压缩空气11的一部分流过该空气冷却器10。在空气冷却器10的内部的热交换借助流过螺旋线—蒸汽发生器的一些管道的水—分流12来进行。因而，压缩空气11一方面被冷却到这样的程度，使得它接着作为冷却空气13被引入待冷却的机组内。作为例子在图1中示出了高压—冷却器。该高压—冷却器在压缩机1的输出口全部取走压缩空气11，及它的冷却空气13在燃烧室2和在燃气轮机3的最高压力级(Druckstufe)内被用于冷却机组。作为替代方案，可以从压缩机1的一个中间压力级提取低压空气，该空气为了冷却的目的使用在燃气轮机3的相应压力级内。
另一方面，水—分流12在冷却空气冷却器10内被这样强烈加热，以致水蒸发。这个蒸汽14然后根据图1被引至一个余热蒸汽发生器15的过热部分。它使加载在汽轮机17上的新蒸汽16增加，因而改善了整个设备的效率。发电站设备在正常的运行中，动力技术最佳地利用了在冷却空气冷却器10内产生的蒸汽14。同样也可以将蒸汽14直接与新蒸汽16混合或将其引至燃烧室2或燃气轮机3。
燃气轮机3的仍具有高卡路里潜能的废气9流过余热蒸汽发生器15。这样借助一个热交换方法将进入余热蒸汽发生器15的供水18转变成新蒸汽16，然后该新蒸汽形成剩余的蒸汽循环的工作介质。然后热量被充分利用了的废气作为烟气(Rauchgas)19排出到自由空间。从汽轮机17产生的能量将通过另一个耦合的发电机20转变为电流。在图1中作为例子展示了一个多轴布置。不言而喻也可以选择单轴布置，在单轴布置中，燃气轮机3和汽轮机17沿一条轴排列，驱动同一个发电机。来自汽轮机17的废蒸汽21在一个水冷却—或空气冷却的冷凝器22内凝聚。冷凝液借助一个在此处未显示的泵泵入设置在冷凝器22下游的、在图1中未显示的供水容器/除气器内。接着供水18通过另一个泵被泵入余热蒸汽发生器15内以便进行一个新的穿流，或水的一个分流12通过一个这里未显示的调节阀输入空气冷却器10。
在本文开始所述文件EP-A1-0773 349中，在图2至5及所属的说明部分中介绍了特别适用于使用在根据图1的一个组合—发电站设备中的空气冷却器的各种类型。在图2至4的实施形式中，待冷却的冷却空气在垂直竖立的空气冷却器内、在一个中央的管内从下向上在内部流过热交换器的设置在一个高压容器内的螺旋线形状的管束，在管束的上方向下转向，并且从上向下在向在管束内逆流(从下向上)地流动的水蒸汽释放热量的情况下流过管束。在下方从管束出来的被冷却了的冷却空气重新转向，及在高压容器内在管束外部旁向上流，在上方冷却空气从高压容器中出来。因为在空气冷却器的这种构型中，高压容器的外壁内侧仅承受已经冷却后的冷却空气，所以外壁可以按一个比较低的工作温度来设计，这带来明显的优点，例如与必要的壁厚相关。相反，缺点是所有的空气流必须向上转向；对于空气流的转向必须有较大的环形通道；并且在上部放置的输出接管不适于涡轮机。
与此相反，在EP-A1-0 773 349的图5的实施形式中则放弃了冷却空气在管束出口处的第二个转向，并且冷却了的空气直接在管束的下方从同时也构成管束的容器的高压容器中被取出。这个替换方案具有各种设备技术上的优点，然而也有缺点，即高压容器的壁太热，因为这些壁专门在空气冷却器的上部区域直接承受来自压缩机的未被冷却的空气。
发明内容
因而本发明的任务是，提供一种用于发电站设备的空气冷却器，它避免了上述的空气冷却器的缺点，而不放弃它们的设备技术上的优点；以及给出这种空气冷却器的应用。
该任务将通过权利要求书1和7的全部特征解决。本发明的核心在于使用二个公知的实施形式的混合构型，在该混合构型中流过空气冷却器的空气的大部分不变化地在该空气冷却器的同一个端部被取走，在该端部上也输入空气(如EP-A1-0 773 349的图5)，但在一个旁路中，使被冷却的空气的很少部分在从管束出来后，在外部在管束和高压容器的外壁之间向上流动，并在该上部被取走(如EP-A1-0 773 349的图2至4)。以这种方式，高压容器的外壁被充分冷却，然而冷却空气的主要部分是从(垂直竖立的)空气冷却器的下方被取走。
本发明空气冷却器的一个优选的构型优点在于，这些单独的连接装置包括至少一个从外部通入至第三空间内的输出接管以及一个连接管，该连接管将该至少一个输出接管与空气输出接管连通；及所述连接管在空气输出接管内部以一个扩压器终止。该属于旁路的输出接管可以伸进到第三空间内。也可以设置多个输出接管，它们汇集在一个连接管上。
如果按照一个其它优选的构型，这样地确定环形缝隙和这些单独的连接装置的尺寸，使得穿过环形缝隙流过的旁路-空气流是总的流过空气冷却器的空气流的约10％时，本发明的空气冷却器获得一个最佳的效率。
此外，优选地在第二空间的区域，在高压容器上设置一个与管束的朝向第二空间侧连通的入水室，以及在第三空间设置一个与管束的朝向第三空间侧连通的蒸汽输出室。
此外，空气冷却器垂直竖立，并且将第二空间设置在下方及第一和第三空间设置在上方是合适的。
下面按照实施例连同图示对本发明详细解释。
图1一个具有冷却空气冷却器的、适合于应用本发明的空气冷却器的组合-发电站设备的简化的设备示意图，和图2本发明的优选的实施例的一个空气冷却器的纵剖面。
具体实施例方式
在图2中示出了按照本发明优选实施例的一个空气冷却器的纵剖面图。该空气冷却器10有一个长形的、垂直竖立的、基本上圆柱形的高压容器39，该高压容器在下端部和上端部各由一个弯曲的底部封闭。在高压容器的内部安置了一个与空气冷却器10的纵轴线同轴心的、由一个圆柱形的中心管24、一个包围该中心管24的螺旋线状的管束25和一个包围该管束25的圆柱形的内罩26组成的装置。该中心管24通入到在同轴心装置24、25、26的上端部的一个与管束25连通的、向外被内罩26封闭的第一空间33。该中心管24在同轴心装置24、25、26的下端部穿过一个与管束25连接的第二空间34，可通过一个空气进入接管23从高压容器39外加载空气。包围管束25和第一空间33的罩作为与高压容器39隔开的内罩26构成。该内罩26被高压容器39的圆柱形外罩28在内罩26和外罩28之间形成一个环形缝隙27的情况下同心地包围，在第一空间33外部和高压容器39的内部，在高压容器39的上端部构造有一个第三空间35，该空间通过环形缝隙27与第二空间34连通。
为了水的输送，在下方的第二空间34的区域内，在高压容器39上设置了一个入水室31，该入水室通过(在图2中仅示出了开始部分)一些输入管道与管束25的下端部连接，并通过一个调节阀37从外面获得水。为了提取在管束25内产生的蒸汽，在上方的第三空间35的区域内设置了一个蒸汽输出室32，它通过一些输入管道与管束25的上端部连接，并通过这些输入管道可以从管束25提取蒸汽。第二空间34可通过一个空气输出接管29从外面达到。第三空间35按照一个旁路的方式通过一个单独的连接管30与所述空气输出接管29连接，该连接管30在输入侧连接在一个从第三空间35引出来的输出接管36上，在输出侧以一个同轴心布置在管状空气输出接管29内的扩压器38内结束。
空气冷却器10工作时，空气通过空气进入接管23从下面被引至中心管24(在图2划着双箭头)，该空气在管束25的上方从中心管24出来以一个压力p1进入第一空间33，按照在图1所示的拐弯的箭头转向，并向下流经管束25。该空气在通过管束25的途中将热释放给在管束25内逆流流动的水，并且被冷却地从管束25的下端部出来，以一个压力p2流入第二空间34。由于在管束中的压力损失，压力P2小于压力P1。在第二空间内被冷却了的空气，大部分通过空气输出接管29从高压容器39出来，并且例如根据图1被继续用于冷却一定的设备部件。
一个占出现在第二空间34内的被冷却了的空气的大约10％的旁路—流，流经内罩26和外罩28之间的环形缝隙或者说环形通道27，向上进入第三空间35，并由此冷却了内罩26和外罩28。该环形缝隙27的宽度例如为20mm。在第三空间35内压力为P3，由于在环形缝隙27内的压力损失，压力P3小于压力P2。旁路—空气通过输出接管36、连接管30和扩压器38从第三空间35流入设置在下面的空气输出接管29，并且在那儿与主要的—空气流混合。在空气输出接管29里的加速压力降将在空气输出接管29里的静压力减低至小于P2的一个值上。该推动压力差(抽吸作用)将被充分利用，用于克服摩擦压力降和曲率压力降和实现使旁路—空气流通过环形缝隙27。所期望的旁路—空气流(例如总空气流的10％)可以通过环形缝隙27的尺寸确定、连接管30和连接管30的管端部(扩压器38)几何结构来调节。因为流过环形缝隙27的空气冷却了高压容器39的外罩28，所以外罩28或者说压力壳的壁厚可以以更低的空气温度来设计。
根据本发明的空气冷却器以下列所有的优点和特别的性能而出众—外罩28和拱曲底部的设计温度可以降低。这节约了材料。
—可建造一个简单的蒸汽收集器—结构；由此避免了穿过外壳的一些单个管道的导送装置。
—与空气出口在上端部的空气冷却器(EP-A1-0 773 349的图2至4)相比，外罩28的直径减小了例如150mm。因此，随之而来的是外罩28的壁厚更小。
—被冷却了的空气流的又加热与公知的用总空气流的水套冷却相比更少(例如5K替代7K)。
—在相同管束25和空气输出接管29情况下的总压力损失与公知的用总空气流的水套冷却相比更小。
参考标号表1 压缩机2 燃烧室3 燃气轮机4，20 发电机5 吸入空气6 压缩空气7 燃料8 热气体9 废气10 空气冷却器12 分流(水)13 冷却空气14 蒸汽(来自空气冷却器)15 余热蒸汽发生器(HRSG)16 新蒸汽17 汽轮机18 供水19 烟气21 废蒸汽22 冷凝器23 空气进入接管24 中心管25 管束(螺旋线)26 内罩
27 环形缝隙(环形通道)28 外罩(高压容器)29 空气输出接管30 连接管(旁路)31 入水室32 蒸汽输出室33，34，35 空间36 输出接管(旁路)37 调节阀38 扩压器39 高压容器40 发电站设备(组合设备)
权利要求
1.用于发电站设备(40)的空气冷却器(10)，包括一个高压容器(39)，在该高压容器中安置了由一个圆柱形中心管(24)、一个包围该中心管(24)的螺旋线状的管束(25)和一个包围该管束(25)的圆柱形的罩(26)组成的同轴心的装置(24，25，26)，其中该中心管(24)在同轴心的装置(24，25，26)的一个端部上通入一个与管束(25)连接的、对外被所述罩(26)封闭的第一空间(33)，此外，该中心管(24)在该同轴心的装置(24，25，26)的另一个端部上穿过一个与管束(25)连接的第二空间(34)，可以通过一个空气进入接管(23)从高压容器(39)外加载空气，及为管束(25)设置了连接装置(31，32)，借助所述连接装置从同轴心装置(24，25，26)的另一个端部向管束内供水，并且可以在一个端部从管束(25)提取蒸汽，及第二空间(34)可通过一个空气输出接管(29)从外面达到，其特征在于，该包围管束(25)和第一空间(33)的罩作为与高压容器(39)隔开的内罩(26)构成；该内罩(26)被高压容器(39)的一个圆柱形外罩(28)同心地包围，在内罩(26)和外罩(28)之间形成一个环形缝隙(27)；在第一空间(33)的外部和高压容器(39)的内部构造有一个第三空间(35)，该第三空间通过环形缝隙(27)与第二空间(34)连通；及第三空间(35)与空气输出接管(29)通过一些单独的连接装置(30，36，38)这样地连通，使得在工作期间在第三空间(35)建立的压力(p3)小于在第二空间内的压力(p2)。
2.根据权利要求1的空气冷却器，其特征在于，这些单独的连接装置包括至少一个从外面通入第三空间(35)内的输出接管(36)以及一个连接管(30)，该连接管将该至少一个输出接管(36)与空气输出接管(29)连通。
3.根据权利要求2的空气冷却器，其特征在于，所述连接管在空气输出接管(29)内部以一个扩压器(38)终止。
4.根据权利要求1至3中一项的空气冷却器，其特征在于，环形缝隙(27)和这些单独的连接装置(30，36，38)的尺寸是这样确定的，使得穿过环形缝隙(27)流过的旁路一空气流是总的流过空气冷却器(10)的空气流的约10％。
5.根据权利要求1至4中一项的空气冷却器，其特征在于，在第二空间(34)的区域内，在高压容器(39)上设置一个与管束(25)的朝向第二空间(34)侧连通的入水室(31)，及在第三空间(35)的区域内设置一个与管束(25)的朝向第三空间(35)侧连通的蒸汽输出室(32)。
6.根据权利要求1至5中一项的空气冷却器，其特征在于，空气冷却器(10)垂直竖立；第二空间(34)设置在下方，及第一和第三空间(33，35)设置在上方。
7.根据权利要求1的用于冷却从一个压缩机(1)取出的冷却空气(11)的空气冷却器(10)在组合-发电站设备(40)中的应用，其中从余热蒸汽发生器(15)提取用于供入管束(25)的水，及在管束(25)内产生的蒸汽供入余热蒸汽发生器(15)。
全文摘要
用于发电站设备(40)的一个空气冷却器(10)包括一个高压容器(39)，在该高压容器中安置了由一个圆柱形中心管(24)、一个包围该中心管(24)的螺旋状的管束(25)和一个包围该管束(25)的圆柱形的罩(26)组成的一个同轴心的装置(24，25，26)，其中该中心管(24)在同轴心装置(24，25，26)的一个端部上通入一个与管束(25)连接的、对外被所述罩(26)封闭的第一空间(33)，此外，该中心管(24)在该同轴心装置(24，25，26)的另一个端部上穿过一个与管束(25)连接的第二空间(34)，可以通过一个空气进入接管(23)从高压容器(39)外加载空气，并且设置了管束(25)的连接装置(31，32)，借助所述连接装置从同轴心装置(24，25，26)的另一个端部向管束内供水，并且可以在一个端部从管束(25)提取蒸汽，及第二空间(34)从外面可通过一个空气输出接管(29)达到。在一个这样的空气冷却器(10)中，通过以下方法使高压容器(39)得到充分的冷却，即该包围管束(25)和第一空间(33)的罩作为与高压容器(39)隔开的内罩(26)构成，该内罩(26)被高压容器(39)的一个圆柱形外罩(28)同心地包围，在内罩(26)和外罩(28)之间形成一个环形缝隙(27)；在第一空间(33)的外部和高压容器(39)的内部构造有一个第三空间(35)，该第三空间通过环形缝隙(27)与第二空间(34)连通，及第三空间(35)与空气输出接管(29)通过一些单独的连接装置(30，36，38)这样地连通，使在工作期间在第三空间(35)建立的压力(p3)小于在第二空间内的压力(p2)。
文档编号F22B1/26GK1745278SQ200480003120
公开日2006年3月8日 申请日期2004年1月28日 优先权日2003年1月29日
发明者穆斯塔法·优素福 申请人:阿尔斯通技术有限公司