用于给水加热器的双端板低温冷却区的制作方法
【专利说明】用于给水加热器的双端板低温冷却区
[0001]相关申请的交叉引用本申请针对2013年I月21日提交的第61/754，754号美国临时申请主张权利。
技术领域
[0002]本发明涉及蒸汽发电厂和对具有低温冷却区(subcooling zone)和冷凝区(condensing zone)的高压和低压两种类型的给水加热器的建造和使用的改进。
【背景技术】
[0003]在蒸汽发电厂中，给水加热器被用于逐步提高给水的温度至锅炉运行条件的饱和温度。对给水进行预热改善了系统的热力学效率，降低了发电厂运营成本，并减少了对锅炉金属的热冲击。一个热力发电厂可以配有大量的给水加热器。
[0004]用于加热所述给水的能量通常源自从蒸汽涡轮机中抽取的蒸汽。由于本来要用于在涡轮机中做膨胀功(并因此生成电能)的蒸汽并非被用于该目的，所以必须小心的优化所述抽取的蒸汽以获得最大化的发电厂热效率。
[0005]给水加热器可以为开放式或封闭式热交换器。在开放式给水加热器中，所述抽取的蒸汽可以直接与所述给水加热器混合从而将其加热。
[0006]封闭式给水加热器通常具有外壳和管式热交换器，其中所述给水通过所述管并被在所述外壳内部以及所述管外部流动的涡轮抽取蒸汽加热。授予Fraser的第2，412，573号美国专利和授予Kawano的第6，095，238号美国专利公开了此类封闭式系统的示例。在过去几年中对蒸汽发电厂的改进也有很多，例如授予Sieder的第2，729，430号美国专利和授予Thompson的第2, 812, 164号美国专利。
[0007]在蒸汽发电厂中，位于锅炉给水泵的上游的给水加热器被称为高压给水加热器，而位于锅炉给水泵的下游的给水加热器被称为低压给水加热器。
[0008]在高压给水加热器中，所述涡轮抽取蒸汽具有巨大的过热量。因此，高压给水中的给水典型的在三个独立的分隔空间中分三个阶段被加热:过热冷却区；冷凝区；以及低温冷却区。在所述低温冷却区通过对冷凝的涡轮抽取蒸汽进行低温冷却来对所述给水加热器进行初始加热；在所述冷凝区通过所述冷凝的涡轮抽取蒸汽对所述给水加热器进行二次加热；在所述过热冷却区通过所述涡轮抽取蒸汽中的过热来对所述给水加热器进行最终加热。
[0009]在低压给水加热器中，涡轮排出蒸汽具有较小的过热量。因此，低压给水中的给水典型的在两个独立的分隔空间中分两个阶段被加热:冷凝区；以及低温冷却区。在所述低温冷却区通过对冷凝的涡轮抽取蒸汽进行低温冷却来对所述给水加热器进行初始加热；在所述冷凝区通过所述冷凝的涡轮抽取蒸汽对所述给水加热器进行二次加热和最终加热。
【发明内容】
[0010]待解决的技术问题如下:在高压和低压两种给水加热器中，必须防止冷凝区中的抽取蒸汽进入低温冷却区。如果抽取蒸汽进入了低温冷却区，低温冷却区中的冷凝物将会被加热，而不是被低温冷却，因此全部的冷凝物低温冷却功能将会失效。在主流的给水加热器设计中，是通过以下方式将低温冷却区与冷凝区隔离开来的:保持水平面高于低温冷却区的入口，并在低温冷却区的一端使用端板，从而使低温冷却区与冷凝区分开。所述端板通常为2”-3”厚，在所述端板上以紧公差(tight tolerance)钻出穿透所述端板的管孔。当蒸汽进入管外径和端板管孔之间的紧凑空间时，所述蒸汽被冷凝并形成水封闭(waterseal)，从而防止蒸汽进入低温冷却区。
[0011]不适当的管孔钻孔误差、过度使用、正常磨损(wear and tear)或是这些情况的组合都会增大管外径和管孔之间的空隙。如果出现这些情况，蒸汽将从冷凝区进入，将冷凝物加热并降低低温冷却区、整个加热器乃至整个蒸汽发电厂的性能。每过一年，这个问题就会变得更加严重，直至效率已降无可降。最终必须替换该加热器。
[0012]本发明的目的就是防止蒸汽通过端板管孔进入低温冷却区，因为它是影响给水加热器性能的一个主要问题。
[0013]根据本发明，可以通过以下方式来防止蒸汽进入低温冷却区:在低温冷却区和冷凝区之间使用两块端板，并通过所述两块端板之间的水封闭来提供额外保护。根据本发明给水加热器配有低温冷却区，所述低温冷却区使用两块端板，而不是一块，所述端板上的管孔也钻成紧公差。
[0014]另外，半圆板被焊接至两块端板。扁平板被焊接至所述端板的顶部从而所述两块端板之间形成封闭空间。在连接所述两块端板的顶板上钻孔，使得冷凝物可以进入所述封闭空间；在所述圆板的底部钻孔，用于将冷凝物排出。在本发明的这个方面，通过小幅流动贯穿所述封闭空间的冷凝物形成水墙(water dam)。所述水墙小幅流动形成水封闭。
[0015]所述中间具有水封闭的双端板的优点在于在冷凝区和低温冷却区之间提供了三重隔离层。而现有技术仅有一重隔离层。
[0016]根据本发明，第一隔离层是通过管外径和外端板上的管孔之间的环形空间中收集的冷凝物来提供的。在处于冷凝区蒸汽饱和温度时，管外径和外端板上的管孔之间的环形空间中充满了冷凝物。由于温度不会降低，减少了冷凝区的蒸汽进入所述管孔和所述外端板上的管的外径之间的环形空间中的诱因。
[0017]根据本发明，第二隔离层是源于所述内外端板之间的水墙。所述内外端板之间的封闭空间在处于或略低于冷凝区饱和温度时充满冷凝物。来自冷凝区的、可能通过所述管外径和所述外端板上的管孔之间的环形空间泄漏的任何蒸汽都被所述水墙冷凝。
[0018]根据本发明，第三隔离层是通过占据了所述管外径和所述内端板上的管孔之间的环形空间的冷凝物形成的。来自冷凝区的、可能通过所述管外径和所述外端板上的管孔之间的环形空间泄漏的、由于某些原因未能被所述内外端板之间的水墙冷凝的任何蒸汽都被占据了所述管外径和所述内端板上的管孔之间的环形空间的冷凝物冷凝。
[0019]根据本发明的所述三重防护设计由双端板和所述双端板之间的环形冷凝物组成，防止了蒸汽进入低温冷却区。低温冷却区的性能得以保全，给水加热器的使用寿命也被延长。
【附图说明】
[0020]图1是蒸汽发电厂系统的示意图；
图2是封闭式系统高压给水加热器的侧面剖视图；
图2A显示了高压给水加热器中的蒸汽和给水的温度变化；
图3是封闭式系统低压给水加热器的侧面剖视图；
图3A显示了低压给水加热器中的蒸汽和给水的温度变化；
图4是现有技术中的给水加热器的低温冷却区的细节图；
图5是从冷凝区观察的图4的低温冷却区的截面图；
图6显示了用于标准低压给水加热器的低温冷却区的现有单端板设计的剖视图；
图7是根据本发明的双端板子系统的细节立体图；
图8是图7所示的双端板子系统的横截面图。
[0021]具体实施方法
参见附图，其中在多张图中相同或类似的标号表示相同或类似的组成部分，图1是蒸汽发电厂系统1000的块状图，所述系统1000形成过热蒸汽供给给由电力蒸汽涡轮机11驱动的发电机12以生成电能。从所述蒸汽涡轮机排出的低压蒸汽在蒸汽表面冷凝器13中被来自冷却塔、湖泊、河流或海洋的、通过入口 130进入的冷水冷凝。作为备选方案，蒸汽可以在气冷式冷凝器中被冷凝，其中冷环境空气被用来将所述蒸汽涡轮机11排出的低压蒸汽冷凝。在所述水冷式或气冷式冷凝器13中被冷凝的蒸汽被冷凝泵14压入低压给水加热器15。通过管线152进入所述低压给水加热器15的冷凝物被称为给水。在所述低压给水加热器15中，所述给水被从所述蒸汽涡轮机11抽取的、通过入口 150进入的蒸汽加热。在所述低压给水加热器15中被冷凝的所述抽取蒸汽通过出口 151被排放进入所述蒸汽表面冷凝器13中。已加热给水通过管线155流入除气器16，其中使用从所述蒸汽涡轮机11抽取的、通过入口 160进入所述除气器的蒸汽除去所述给水中的空气。来自所述除气器16的已加热给水被锅炉给水泵17经由入口 182压入高压给水加热器18，其中所述给水被通过加热器入口 180进入的涡轮抽取蒸汽进一步加热。所述被加热给水通过出口 183流出并进入锅炉10。在所述高压给水加热器18中被冷凝的所述抽取蒸汽通过出口 181被排出并经由入口 161进入除气器16。根据尺寸的不同，发电厂可以具有多个高压和低压给水加热器。
[0022]图2更详细的显示了图1的封闭式高压给水加热器18的大致细节。高压给水加热器18具有3个区域:过热冷却区187 ;冷凝区189 ;以及低温冷却区188。在某些实施例中，所述高压给水加热器18可以仅配有冷凝区和低温冷却区。所述高压给水加热器18配有大量管，所述管用于运送所述给水。该图大致的显示了贯穿各个所述区域示例性管190。所述给水通过入口 182进入所述加热器的管侧，沿着所述管流动并被加热。如图1所示，被加热的给水通过出口 183离开所述高压给水加热器18并流入锅炉10。亦如图1所示，涡轮抽取蒸汽经由入口 180进入所述高压给水加热器18，冷凝物经由出口 181离开所述封闭式高压给水加热器18并回到除气器16。在低温冷却区188中，所述给水被低温冷却冷凝物加热。在冷凝区189中，来自所述冷凝抽取蒸汽的热能加热所述给水。在过热冷却区187中，通过所述抽取蒸汽的过热将所述给水进一步加热。通过封闭环191和端板185将冷凝区中的蒸汽与低温冷却区排出的冷凝物分离。入口 184仅允许冷凝物进入低温冷却区188。
[0023]图2A例举了高压给水加热器中的低温冷却区、冷凝区和过热冷却区中的蒸汽和给水的相对温度，所述温度沿该图表的纵向轴分布。在图2A中，所述抽取蒸汽在过热冷却区中的温度从左向右降至接近饱和温度的值。在冷凝区中，所述抽取蒸汽的温度恒定保持在所述饱和温度。在所述冷凝区中，所述抽取蒸汽在管上冷凝，产生相变。在低温冷却区中，所述冷凝的抽取蒸汽被低温冷却至略高于给水入口温度的温度。所述管内的给水的流动方向与所述抽取蒸汽的流动方向相反，导致其在管外冷凝。如图2A所示，所述给水的温度随着它通过所述管流经低温冷却区、冷凝区、过热冷却区而升高。
[0024]图3显示了低压给水加热器15，用于和高压给水加热器18进行对比。配有低温冷却区的高压或低压给水加热器都将从本发明受益。低压给水加热器15具有两个区域:冷凝区157和低温冷却区158。该图大致的显示了贯穿所述两个区域中的每一个的示例性管159。给水经由入口 155进入所述管，