凝汽器蒸汽喷射真空系统及变工况自平衡自由式疏水结构的制作方法

1.本技术公开凝汽器蒸汽喷射真空系统及变工况自平衡自由式疏水结构，涉及蒸汽喷射技术领域。


背景技术：

2.凝汽器蒸汽喷射真空系统在火力发电厂用于抽取凝汽器中不凝性汽体，不凝性汽体在喷射器中混合动力蒸汽形成汽气混合物，然后通过冷凝器(也称换热器)进行凝结冷却，冷却后的凝结水通过疏水管道排至凝汽器的热井，冷凝器中的不凝性汽体排至大气。由于凝汽器的热井需要保持低压真空(大概4-10kpa)，各级冷凝器中压力在动力蒸汽加压下通常处于低压真空至和略大于大气压(以标准大气压101.3kpa为例)之间。
3.这里存在两个问题，一是冷凝器需要将不凝性汽体排向大气；二是冷凝器中压力大于热井中压力，冷凝器向热井排水时需要采取有效手段隔离冷凝器和热井，以便维持凝汽器的低压真空。
4.针对第一个问题，目前采取的技术方案是采用多级冷凝器的结构形式，图1所示为三级凝汽器蒸汽喷射真空系统，包括第一级冷凝器1、第二级冷凝器2和第三级冷凝器3，冷凝器的冷却水来自冷却水进水管道4；凝汽器中的不凝性汽体分别来自凝汽器的高压侧抽真空母管5和低压侧抽真空母管6，两个第一级喷射器7分别抽取高压侧抽真空母管5和低压侧抽真空母管6中的不凝性汽体，两个第一级喷射器7的喷射口均连接至第一级冷凝器1的壳侧入口，第二级喷射器8抽取第一级冷凝器1中的不凝性汽体，第二级喷射器8的喷射口连接至第二级冷凝器2的壳侧入口，第三级喷射器9抽取第二级冷凝器2中的不凝性汽体，第三级喷射器9的喷射口连接至第三级冷凝器3的壳侧入口，第一级喷射器7、第二级喷射器8和第三级喷射器9的动力源均来自动力蒸汽管道10的动力蒸汽，在动力蒸汽的逐级加压下，第三级冷凝器3中壳侧压力略高于大气压，因此第三级冷凝器3中的不凝性汽体可以直接排至大气。
5.针对第二个问题，目前采取的技术方案是图1中方框内的疏水排水结构，在各级冷凝器的疏水口的疏水管道上设置多级水封结构11和疏水阀12，在冷凝器内设置液位计13，多级水封结构11保持冷凝器和热井之间的隔离，同时通过液位计13观察冷凝器内液位，从而观测水封的状态，防止水封失效，冷凝器内液位高于目标值时水封正常，冷凝器内液位大幅下降低于目标值时，为防止水封失效可以通过关闭疏水阀12确保隔离冷凝器和热井，以维持凝汽器的低压真空。
6.采用上述结构来隔离冷凝器和热井所带来的问题有：
7.一、过多的附属结构，比如液位计、疏水阀和多级水封结构，配件较多，在实际使用时，容易发生比如卡涩、泄漏、失磁、电磁干扰、仪表异常、电缆故障、量程盲区、量程超限等情况，尽管有多级水封结构维持，但依然无法避免因疏水控制参数失效造成疏水控制门误动或拒动，冷凝器液位失控，凝汽器真空度受损，影响机组运行安全性。同时，因液位计指示错误严重影响系统事故处理及消缺效率，人力资源成本造成极大浪费。
8.二、冷凝器中需要始终保持一定液位高度的水封，冷凝器的热交换面只有高于液位的部分才可以执行换热功能，这就导致冷凝器的冷凝换热效率下降，为了达到预设冷凝换热效率，就必须采用更大规格的冷凝器，从而导致整个结构体积及重量增加。
9.三、过多的附属结构以及更大规格的冷凝器导致整个蒸汽喷射真空系统体积庞大，作为更高的安装平台，汽轮机房中心层由于集约紧凑的需求，现有蒸汽喷射真空系统无法安装在汽轮机房中心层上，导致缺少足够的纵向高度进行水封，因此只能采取多级水封，这又导致附属结构增多、整个蒸汽喷射真空系统体积增大，从而导致恶性循环。


技术实现要素：

10.本技术的目的是解决背景技术中指出的问题。
11.为了达到上述目的，一方面，本技术的技术方案是提供了变工况自平衡自由式疏水结构，用于凝汽器蒸汽喷射真空系统，所述凝汽器蒸汽喷射真空系统设有冷凝器，所述冷凝器设有疏水口，所述疏水口经u型疏水排水管连接至凝汽器的热井，所述u型疏水排水管包括左侧立管、底部连通管和右侧立管，左侧立管顶部与冷凝器连接，右侧立管顶部与热井连接，右侧立管满液的液柱提供的压力大于冷凝器和热井的压差，实现所有冷凝器无需水位控制运行，达到变工况自平衡自由式疏水的目的。
12.进一步的，所述u型疏水排水管底部设有排污取样口。
13.另一方面，本技术还提供了凝汽器蒸汽喷射真空系统，使用上述疏水排水结构，所述凝汽器蒸汽喷射真空系统包括
14.凝汽器，所述凝汽器设有抽真空母管；
15.动力蒸汽管道；
16.多级喷射器；
17.多级冷凝器；
18.多级喷射器中的第一级喷射器的抽吸口连接抽真空母管、动力蒸汽口连接动力蒸汽管道、喷射口连接同级冷凝器的壳侧入口；
19.多级喷射器中的中间级喷射器的抽吸口连接上一级冷凝器的壳侧出口、动力蒸汽口连接动力蒸汽管道、喷射口连接同级冷凝器的壳侧入口；
20.多级喷射器中的最后一级喷射器的抽吸口连接上一级冷凝器的壳侧出口、动力蒸汽口连接动力蒸汽管道、喷射口连接最后一级冷凝器的壳侧入口；
21.最后一级冷凝器的壳侧出口排至大气；
22.所述冷凝器均设有疏水口，所述疏水口均经u型疏水排水管连接至凝汽器的热井，所述u型疏水排水管包括左侧立管、底部连通管和右侧立管，左侧立管顶部与冷凝器连接，右侧立管顶部与热井连接，右侧立管满液的液柱提供的压力大于冷凝器和热井的压差。
23.优选的，所述凝汽器设有凝结水管道，所述凝结水管路设有支管，所述支管设为冷却水进水管道连接至冷凝器。
24.优选的，所述抽真空母管包括高压侧抽真空母管和低压侧抽真空母管，所述第一级喷射器设为两个，两个第一级喷射器的抽吸口分别连接高压侧抽真空母管和低压侧抽真空母管。
25.优选的，所述左侧立管的高度设为h1、右侧立管的高度设为h2，则：
26.ρgh2》k1(p
3-p0)
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(1)
27.其中ρ为疏水密度，g为重力加速度，p3为最后一级冷凝器内压力，p0为热井内压力，k1为第一安全系数。
28.所述左侧立管在满液前将u型疏水排水管中液体排至热井，即冷凝器压力加上左侧立管满液的液柱压力大于热井压力加上右侧立管满液的液柱压力：
29.p1+ρgh1》k2(ρgh2+p0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
30.其中，p1为第一级冷凝器内压力，k2为第二安全系数。
31.所述u型疏水排水管管径记为d、总长记为l，u型疏水排水管内疏水流速记为v，则：
[0032][0033][0034]
式中，ω为已知疏水流量，疏水流速v范围0.2～0.5m/s，h为左侧立管的液面高度，最大取h1，λ为排水管的沿程阻力系数。
[0035]
本技术提供的使用变工况自平衡自由式疏水结构的凝汽器蒸汽喷射真空系统，完全替代传统凝汽器蒸汽喷射真空系统的有水位运行方式冷凝器用液位计作为控制参数，无需开闭疏水控制门调整液位维持机组真空。其无水位运行方式不仅删减了液位计、远传热控仪表、疏水控制门、设备仪表及阀门点位卡件、控制电缆、多级水封等大量冗杂配置，而且解决了有水位运行方式冷凝器换热面利用率低，选型较大，占地面积大，系统安装选址困难的问题，节约大量的系统设备成本及运维成本。
[0036]
具有以下优点：
[0037]
(1)变工况自平衡自由式疏水的凝汽器蒸汽喷射真空系统，在更有优势的位置(集约紧凑的汽轮机房中心层)安装设备后，通过对疏水流量、疏水阻力、管道阻力、水封高度、疏水流速进行针对性计算，实现运行期间随着疏水流量的变化，水位线仅在冷凝器下部疏水管道内上下波动，冷凝器内无水位运行；
[0038]
(2)变工况自平衡自由式疏水的凝汽器蒸汽喷射真空系统，选择的最佳疏水管径和最佳水封高度，不仅满足疏水流量完全排至机组凝汽器，而且满足系统运行和备用状态大气不会漏入凝汽器；
[0039]
(3)变工况自平衡自由式疏水的凝汽器蒸汽喷射真空系统，该方法无需安装冷凝器液位计、远传仪表、疏水控制门及配套的控制电缆与卡件等，在配置冗杂的传统凝汽器蒸汽喷射真空系统上做了大幅优化，提高系统安全性和稳定性的同时，减少泄漏风险，减少运维量；
[0040]
(4)变工况自平衡自由式疏水的凝汽器蒸汽喷射真空系统，无需多级水封即可实现冷凝器在线查漏。当机组凝结水水质超标需判断该系统冷凝器是否存在泄漏时，可满足系统运行和备用状态下，通过水封底部排污取样口进行水质取样、查漏，也可通过定期取样化验来满足冷凝器定期查漏的需求。
附图说明
[0041]
图1为现有技术中凝汽器蒸汽喷射真空系统结构示意图；
[0042]
图2为实施例中提供的使用变工况自平衡自由式疏水结构的凝汽器蒸汽喷射真空
系统示意图；
[0043]
图3为实施例中提供的疏水排水结构示意图。
具体实施方式
[0044]
为使本技术更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0045]
实施例
[0046]
本实施例提供的是凝汽器蒸汽喷射真空系统及变工况自平衡自由式疏水结构，在现有技术的基础上，本实施例对多级凝汽器蒸汽喷射真空系统采用的疏水排水结构进行了改进，以三级凝汽器蒸汽喷射真空系统为例，具体参见图2和图3，多级凝汽器蒸汽喷射真空系统可相似类推。
[0047]
三级凝汽器蒸汽喷射真空系统包括
[0048]
第一级冷凝器1、第二级冷凝器2和第三级冷凝器3；
[0049]
第一级喷射器7、第二级喷射器8和第三级喷射器9；
[0050]
凝汽器，凝汽器上一般设有的凝结水管路14、高压侧抽真空母管5和低压侧抽真空母管6，高压侧抽真空母管5和低压侧抽真空母管6末端连接真空泵组15；
[0051]
动力蒸汽管道10；
[0052]
第一级喷射器7设有两个，两个第一级喷射器7的抽吸口分别连接高压侧抽真空母管5和低压侧抽真空母管6，两个第一级喷射器7的动力蒸汽口均连接动力蒸汽管道10，两个第一级喷射器7的喷射口均连接至第一级冷凝器1的壳侧入口；第一级喷射器7以动力蒸汽为动力抽取来自高压侧抽真空母管5和低压侧抽真空母管6的未凝结汽体，并对汽水混合物加压使其进入第一级冷凝器1，在第一级冷凝器1内换热凝结；第二级喷射器8的抽吸口连接第一级冷凝器1的壳侧出口，第二级喷射器8的动力蒸汽口连接动力蒸汽管道10，第二级喷射器8的喷射口连接至第二级冷凝器2的壳侧入口，第二级喷射器8抽取第一级冷凝器1中未凝结汽体，加压后使其进入第二级冷凝器2，在第二级冷凝器2内继续换热凝结；第三级喷射器9的抽吸口连接第二级冷凝器2的壳侧出口，第三级喷射器9的动力蒸汽口连接动力蒸汽管道10，第三级喷射器9的喷射口连接至第三级冷凝器3的壳侧入口，第三级喷射器9抽取第二级冷凝器2中未凝结汽体，加压后使其进入第三级冷凝器3，在第三级冷凝器3内继续换热凝结；第三级冷凝器3内未凝结的汽体直接排向大气；
[0053]
凝结水管路14引出一条支管作为冷却水进水管道4连接至第一级冷凝器1、第二级冷凝器2和第三级冷凝器3的水侧入口，为各级冷凝器提供冷却水，各级冷凝器的水侧出口汇合后连接回凝结水管路14。
[0054]
第一级冷凝器1、第二级冷凝器2和第三级冷凝器3所采用的疏水排水结构如图2方框内和图3所示，第一级冷凝器1、第二级冷凝器2和第三级冷凝器3设有疏水口，疏水口均经u型疏水排水管16连接至热井(低压真空，一般为4kpa)，由于第一级冷凝器1、第二级冷凝器2和第三级冷凝器3内部压力逐渐增大，第三级冷凝器3内部压力一般超过101.3kpa，则第三级冷凝器3与热井压差最大，进行疏水排水时，只要和第三级冷凝器3连接的u型疏水排水管16的高度满足水封要求，和第一级冷凝器1、第二级冷凝器2连接的u型疏水排水管16自然也满足水封要求；具体的，u型疏水排水管16包括左侧立管、底部连通管和右侧立管，左侧立管顶部与冷凝器连接，右侧立管顶部与热井连接，左侧立管的高度设为h1、右侧立管的高度设
为h2，则应当满足：
[0055]
右侧立管满液的液柱提供的压力大于第三级冷凝器3和热井的压差：
[0056]
ρgh2》k1(p
3-p0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0057]
其中ρ为疏水密度，g为重力加速度，p3为第三级冷凝器3内压力，p0为热井内压力，k1为第一安全系数；
[0058]
当满足上述条件时，u型疏水排水管16的右侧立管满液后可以抵抗第三级冷凝器3和热井的压差，始终保持u型疏水排水管16存在水封，因此u型疏水排水管16的设置可以实现第三级冷凝器3和热井的隔离，而第一级冷凝器1、第二级冷凝器2和热井的压差更低，也可以实现隔离的目的。
[0059]
在可能的实现方式中，u型疏水排水管16底部开设有排污取样口，发生堵塞时可以打开进行排污或者取样检测。
[0060]
进一步的，左侧立管应当满足在满液前将u型疏水排水管16中液体排至热井，即冷凝器压力加上左侧立管满液的液柱压力大于热井压力加上右侧立管满液的液柱压力，由于第一级冷凝器1中压力最低，因此需要满足
[0061]
p1+ρgh1》k2(ρgh2+p0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0062]
其中，p1为第一级冷凝器1内压力，k2为第二安全系数。u型疏水排水管16作为水封，实际上是一个平衡连通器，只有左侧的静压大于右侧的静压时，水才会流动，将冷凝水从左侧排放到右侧，而多级冷凝器中，第一级冷凝器压力最低，当满足上式时，第一级冷凝器可以实现将冷凝水排至热井，第二级冷凝器和第三级冷凝器压力更高，也可以实现将冷凝水排至热井。
[0063]
进一步的，对于具体型号的冷凝器，根据其工作状态，可以获知疏水流量ω(t/h)，排水管管径的选择需要与疏水流量相适应，确保疏水流速v处于合适范围0.2～0.5m/s，通常可供选择的排水管管径d有多个规格，将可选择的排水管管径d代入下式计算疏水流速v，
[0064][0065]
满足疏水流速v处于0.2～0.5m/s的排水管管径为待选管径，待选管径的集合记为sd＝{d1...di...dn}，同时对应于待选管径di的疏水流速记为vi；
[0066]
依次将di,vi代入下式进行验证，
[0067][0068]
式中，h为左侧立管的液面高度，最大可取h1，λ为排水管的沿程阻力系数，表示液体在排水管中流动的阻力，l为排水管的总长，上式表达了疏水流动的动力要大于管道的阻力，确保流动畅通，否则同样造成疏水不畅，引起冷凝器满水引发事故，满足式(3)式(4)的管径即为实际可用管径。
[0069]
上述公式表述了u型疏水排水管16应当满足的标准条件，实际制造使用时，可参考以下经验公式，
[0070]
冷凝器内压力与热井压力平衡时，系统流动阻力稳定，要求h1比h2大20％及以上，故h1≥1.2
·
h2；
[0071]
冷凝器内压力大于热井压力时，系统流动阻力微变，要求h1比h2大50％及以上，故h1≥1.5
·
h2；
[0072]
因汽轮机房内系统可供选择的安装位置极其有限，冷凝器安装高度较为固定，一般要求h1比h2大20％到50％之间，故比例系数k1和k2取值1.2～1.5。
[0073]
综上所述，本实施例提供了变工况自平衡自由式疏水系统及疏水排水结构，通过对疏水流量、疏水阻力、管道阻力、水封高度、疏水流速进行针对性计算，设计出最佳疏水管径和最佳水封高度，满足机组各种负荷和运行工况下凝汽器蒸汽喷射真空系统冷凝器疏水流量完全排出，同时能抵抗大气通过对空排气管道漏入凝汽器。设计后的水封实现在线取样功能，从而监测冷凝器管板有无泄漏。因此本技术具有以下优点：
[0074]
1.减小了系统占地面积，在更有优势的位置(集约紧凑的汽轮机房中心层)安装设备后实现了冷凝器运行时冷凝器内无需水位运行(无水位运行方式)；
[0075]
2.提高了冷凝器换热面积的利用率(冷凝器运行时冷凝器内无需水位)；
[0076]
3.取消了传统冷凝器的液位计；
[0077]
4.取消了传统冷凝器液位计远传所需的仪表设备；
[0078]
5.取消了传统冷凝器液位控制所需的疏水控制门；
[0079]
6.取消了传统冷凝器液位计远传及疏水控制门所需的电缆及卡件。