Vorabscheider für eine ein Zweiphasengemisch führende Rohrleitung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Vorabscheider gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Bei Sattdampf-Turbinenanlagen wird der nass aus dem Hochdruckteil der Turbine austretende Dampf vor seinem Wiedereintritt in die Niederdruckturbine getrocknet und anschliessend leicht überhitzt. Dies geschieht in Wasserabscheider-Überhitzern mittels Drahtgeflechtmatten oder Prallplattenwänden, wie dies in Brown Boveri Mitteilungen, Januar 1976, Band 63, S. 66 ff. beschrieben ist.

[0003] Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass die Unterströmleitung zwischen Hochdruckturbine und den Wasserscheider-Elementen der Dampfströmung einem relativ hohen Wassergehalt ausgesetzt ist.

[0004] Dies erhöht zwangsläufig das Erosions-/ Korrosionspotential und die Druckverluste.

[0005] Auch können sich Wasserschwalle und lokale hohe Feuchtekonzentrationen bilden, die dann vom Abscheider nun nicht mehr mit deutlichem Abscheidegrad ausgeschieden werden können.

[0006] Des weiteren ist die Wasserabscheidung mittels Drahtgeflechtmatten und Prallplattenwänden dadurch charakterisiert, dass ihr Abscheidewirkungsgrad von der Dampfströmungsgeschwindigkeit, der Tropfengrösse und der absoluten Höhe der Nässebehandlung abhängt.

[0007] Es ist bekannt, durch Vor- oder Nachschalten von Strömungswiderständen, gemäss EP-A-0 005 225, oder durch besondere Gestaltung der Strömungswege, gemäss CH-A-483 864, die Abscheiderelemente möglichst gleichmässig mit Dampf zu beaufschlagen.

[0008] Zwar kann durch diese Massnahme die Nässebeaufschlagung teilweise vergleichmässigt werden, indessen bleiben Wasserschwälle und Wassersträhnen bestehen, und die absolute Grösse der mittleren Nässe kann deshalb nicht verändert werden. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, dass bei ca. 10 % Nässe der Druckverlust in den Verbindungsleitungen zwischen Hochdruckturbine und Wasserabscheider ca. 3 mal grösser als bei trockenem Dampf ist.

[0009] Aus EP-A-0 096 916 ist es des weiteren bekannt, in einem Hochgeschwindigkeits-Wasserabscheider, stromaufwärts der Umlenkschaufeln, einen Wasser-Vorabscheider vorzusehen, der im wesentlichen aus einem in der Wandung des Rohrkniestückes durchgehenden Spalt besteht, der von einer in den Strömungskanal hineinragenden Deckplatte überlappt ist. Zwar wird damit eine Abscheidung des in der Nähe des Rohrwandes strömenden Wassers erzielt, indessen kann die Abschälung der Wandnässkonzentration nur minimal sein, will man bestimmungsgemäss nur Schichtströmungswasser erfassen.

[0010] Bei einem aus der FR-A-961 953 bekannten Wasserabscheider begrenzt ein Innenrohr, das einen über seine ganze Länge gleichbleibenden Querschnitt aufweist, mit dem eigentlichen Dampfrohr einen Ringkanal, in dem der Transportdampf vom Wasser getrennt wird. Im vorderen Teil des Innenrohres befinden sich zwei zueinander verschränkte, entgegengesetzt geneigte Prallplatten, die jeweils den halben Durchflussquerschnitt überdecken und den einströmenden Nassdampf in Drehung versetzen, wodurch das Wasser an die Innenwandung zentrifugiert werden soll, um am stromabwärtigen Ende des Innenrohres über einen Ringspalt, der von diesem Innenrohr und einem blendenförmigen Einsatz begrenzt ist, abgeschält und in den besagten Ringkanal geleitet zu werden, wo sich Wasser und Transportdampf separieren und von dort getrennt abgeleitet werden. Diese Einrichtung erzeugt an ihrem stromaufwärtigen Ende, wo der Durchflussquerschnitt des Innenrohres abrupt verkleinert wird, sowie durch die Prallplatten einen erheblichen Strömungswiderstand. Es ist auch zweifelhaft, ob die Verwirbelung durch die Prallplatten die gewünschte starke und gleichmässige Zentrifugalwirkung erzeugen kann, die einen hohen Abscheidegrad ermöglicht.

[0011] Gegenüber den Nachteilen der vorstehend skizzierten, bekannten Lösungen will hier die Erfindung Abhilfe schaffen.

[0012] Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die aufgabe zugrunde, einen Vorabscheider vorzuschlagen, mit dem gute Wasserabscheidungsgrade erreicht werden und gleichzeitig auch die für das abzuscheidende Wasser dienende Transportdampfschicht separiert werden kann, womit unregelmässige Rohrwandwasserströmungen, wie Schwallströmungen, Pfropfenströmungen, Wellenströmungen etc., erfasst werden können. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, den Vorabscheider so zu gestalten, dass er nachträglich mit wenig Aufwand auch in bestehende Turbinenanlagen eingebaut werden kann.

[0013] Damit wird erreicht, dass die dampfseitigen Druckverluste zwischen Hochdruckturbine und Überhitzer durch frühzeitige Reduzierung der Nässe minimiert werden.

[0014] Die Reduktion des Nässegehaltes induziert eine Verminderung des Erosions-/ Korrosionspotentials in den Verbindungsleitungen undeine Verringerung des Wärmeverbrauchs der Turbogruppe. Durch die gute Wasserabscheidung im Vorabscheider verringert sich das Potential der Wasserschwälle und Wassersträhnen in den nachgeordneten Wasserabscheiderelementen gemäss Verwendung des erfindungsgemässen Vorabscheiders, die darin besteht, dass dieser stromabwärts des Hochdruckteiles der Turbine und stromaufwärts eines weiteren, einem Zwischenüberhitzer vorgeschalteten Wasserabscheiders beliebiger Bauweise angeordnet ist. Dies vermindert den Wasserdurchschlag und erhöht, über alle eingebauten Abscheiderelemente betrachtet, den Gesamtwirkungsgrad der Wasserabscheidung.

[0015] Es ergiht sich, dass die erfindungsgemässe Lösung nicht nur für neu zu konzipierende, sondern auch für bestehende Anlagen Vorteile bringt, wenn sich bei den letzteren nach Inbetriebnahme erweist, dass dort die Wasserabscheidung ungenügend ist.

[0016] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

[0017] Es zeigt:

Fig. 1 eine Sattdampf-Turbinenschaltung mit eingebauten Wasserabscheidern,

Fig. 2 einen Vorabscheider mit zwei Kammern,

Fig. 3 einen Vorabscheider mit zwei Kammern, und

Fig. 4 einen weiteren Vorabscheider mit drei Kammern.

[0018] Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angedeutet. In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

[0019] Fig. 1 zeigt eine Sattdampf-Turbinenanlage mit Wasserabscheidung, wobei der erfindungsmässe Vorabscheider 3 in diese Schaltung integriert ist. Der aus der Hochdruckturbine 1 austretende Dampf durchströmt vorerst den unmittelbar stromabwärts plazierten Vorabscheider 3, danach über die Forsetzung der Rohrleitung 31 einen weiteren Wasserabscheider - hier beispielsweise einen Hochgeschwindigkeitsabscheider 4 - um anschliessend über die Leitung 8 in den Zwischenüberhitzer 5 zu gelangen. Selbstverständlich kann die Wasserabscheidung, nebst dem erwähnten vorabscheider 3, aus einer Reihe von nachgeschalteten Wasserabscheidern beliebiger Bauart bestehen. Dies hängt vom anggestrebten Wasser-Abscheidegran ab, der zur Verbesserung des Turbinenwirkungsgrades und zur Verringerung der Schauffelerosion in der Niederdruckturbine 2 notwendigerweise gross sein muss. Danebst ist zu bemerken, dass durch die Einführung des Vorabscheiders 3 zum Beispiel auf den Einsatz des teuren und druckverlustträchtigen Wasserabscheider- Überhitzers verzichtet werden kann.

[0020] Nach Durchströmung des zwischenüberhitzers 5 beaufschlagt der nun optimal trockene Dampf 9 die Niederdruckturbine 2. Dabei gilt der Dampf 9 dann als optimal aufbereitet, wenn er in der Niederdruckturbine 2 auf durchaus "konventionelle" Endnässen expandiert. Im Vorabscheider 3 findet eine Wasser/Transportdampf/Arbeitsdampf-Phasentrennung statt. In diesem Fall werden das abgeschiedene Wasser 37 und der separierte Transportdampf 36 einer Drucksenke 6 zugeführt. Selbstverständlich kann der kann der im Vorabscheider 3 separierte Transportdampf 36 einzeln einer anderen Drucksenke, zum Beispiel einem Vorwärmer, zugeführt werden. Das im Hochgeschwindigkeitsabscheider 4 noch abgeschiedene Wasser 7 fliesst zusammen mit Wasser 36 ab.

[0021] Anhand der beschriebenen Schaltung braucht der Hochgeschwindigkeitsabscheider 4, durch Anbringung interner Massnahmen, nicht auf die erforderlichen Wasserabscheidungswirkungsgrade von grösser 95 % getrimmt zu werden. Hohe Abscheiderarten und -wirkungsgrade können vielmehr durch Hintereinanderschaltung mehrerer Hochgeschwindigkeitsabscheider 4 einfacher Bauweise unter Hinzufügung eines vorgeschalteten Vorabscheiders 3 erreicht werden. Mit dieser Schaltung wird auch eine Restfeuchte von Niederdruck-Turbine von 1-2 % erreicht. Durch die vorliegende Verringerung der Druckverluste und Restfeuchte wird bei einer 1000 MWe-Anlage 7,5 MWe mehr elektrische Energie erzeugt.

[0022] Die Schaltung der Wasserabscheider zueinander muss nicht notwendigerweise, eine parallele sein.

[0023] In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Vorabscheiders 3 dargestellt.

[0024] Die dampfführende Rohrleitung 31 weist ein konzentrisches Innenrohr auf, das vorzugsweise die Form einer Lavaldüse 33a hat. Zwischen Rohrleitung 31 und Eintrittsöffnung des Innenrohres 33 ist eine Ringspaltöffnung 32 vorhanden. Weiter stromabwärts der Ringspaltöffnung 32 buchtet sich die Rohrleitung 31 zu einem Zwischenraum 35 aus, in dem ein zweit es konzentrisches Zwischenrohr 34 angeordnet ist, das rohrleitungsseitig die voll führte Kontour der Rohrleitung 31 nachvollzieht. Somit entsteht zwischen Rohrleitung 31 und Zwischenrohr 34 eine in Strömungsrichtung gleichbleibende Kammer 35b.

[0025] Dort wo die Strömungsverhältnisse es erheischen, wird die Kammer 35b in Strömungsrichtung beispielsweise mit einer Rate von 5 % ausgeweitet. Das Innenrohr 34 weist stromabwärts der Öffnung 36 und stromaufwärts der anderen Öffnung 37 einen Bodenabschluss auf, womit die andere Kammer 35a entsteht, aus der die als Leitung ausgebildete Öffnung 36 abgeht. Stromabwärts des Bodenabschlusses des Innenrohres 34 und stromaufwärts des dampfdichten Zusammenschlusses zwischen Rohrleitung 1 und Innenrohr 33 weist die Kammer 35b ebenfalls eine als Leitung ausgebildete Öffnung 37 auf.

[0026] In der Rohrleitung 31, welche gemäss Fig. 1 die zwischen Hochdruckturbine 1 und Vorabscheider 3 dampfführende Unterströmleitung ist, strömt das Wasser zum grossen Teil in der Nähe der Rohrwand an. Diese bereits vorhandene Phasentrennung in der Strömung wird in der Ringspaltöffnung 32 separiert, wobei deren Dimensionierung so gewählt wird, dass die Strömung durch den Ringspalt 32 isokinetisch bleibt.

[0027] Dadurch, dass das Innenrohr 33 die Form einer Lavaldüse 33a hat, vermindert sich stromabwärts der Ringspaltöffnung 32 die Geschwindigkeit des separierten Wasser/Transportdampf-Gemisches Dies hat zur Folge, dass beispiels weise eine Wellenströmung sich zu einer Schichtströmung beruhigt, so dass im Zwischenraum 35 durch die spaltbildende Eintrittsöffnung des Innenrohres 34 leicht eine interne Phasentrennung dieses Gemisches vorgenommen werden kann. Während dar Transportdampf durch die Öffnung 36 abgesogen wird, fliesst das Wasser durch die Öffnung 37 ab.

[0028] Fig. 3 zeigt einen weiteren Vorabscheider 3. Gegenüber dem Vorabscheider aus Fig. 2 ist hier die Rohrleitung 31 nicht ausgebuchtet. Der Zwischenraum 35 ist deshalb naturgemäss kleiner und stromabwärts dar Ringspaltöffnuung 32 geschieht die interne Phasentrennung zwischen Wasser und Transportdampf nicht aufgrund einer Abschälung durch Anbringung eines weiteren spaltbildenden Innenrohres. Das hier vorgesehene Innenrohr 38 ist bodenseitig offen und es teilt den Zwischenraum 35 lediglich in zwei unter sich kommunizierende Kammern 35a, 35b auf. Dampfdicht ist das Innenrohr 38 stromaufwärts der Öffnung 36 mit der Rohrleitung 1 verbunden. Das stromabwärts der Ringspaltöffnung 32 sich entspannende Wasser/Transportdampf Gemisch strömt durch die Kammer 35a hindurch, wobei nach deren Durchlauf die Phasentrennung des Gemisches soweit erstellt ist, dass der Transportdampf nun in Gegenstromrichtung durch die Kammer 35b zur Öffnung 36 hin abströmen kann. Dass Wasser hingegen fliesst durch die Öffnung 37 ab.

[0029] Wie in Fig. 4 dargestellt ist, weist dieser Vorabscheider drei Kammern 35a, 35b, 35c auf. Das Innenrohr 39 bildet ab Ausbuchtungsanfang die Fortsetzung der Rohrleitung 31. Dieses zieht sich bis gegen den Auslauf der lavaldüsenförmigen Abschnittes des Innenrohres 33 hin und dort ist es mit in Umfangsrichtung angeordneten Öffnungen 41 versehen. Diese Öffnungen 41 sind ihrerseits mit einem weiteren Innenrohr 40 ummantelt, das die Funktion einer Prallwander füllt.

[0030] Wenn nun das separierte Wasser/Transportdampf-Gemisch über die Kammer 35a aus den Öffnungen 31 hinaus strömt, prallt es gegen die Innenwand des Innenrohres 40 ab, mit dem Effekt, dass die Phasentrennung nunmehr weitgehend mechanisch abläuft. Während das Wasser über die Öffnung 37 abfliessen kann, strömt der Transportdampf über die Öffnung 36 ab.

[0031] Der nachträgliche Einbau des erfindudngsgemässen Vorabscheiders an bestehenden Anlagen lässt sich einfach bewerkstelligen, indem ein Stück Rohrleitung 31 heraus getrennt wird und an dessen Stelle die gewünschte Vorabscheidervariante eingesetzt wird.

[0032] Die Vorabscheider sind vorzugsweise vertikal einzubauen.

Ansprüche

1. Vorabscheider für eine ein Zweiphasengemisch führende Rohrleitung, insbesondere zur Abscheidung von Wasser aus dem Arbeitsdampf, welcher von einen Turbinenteil über eine Rohrleitung zu einem anderen Turbinenteil, zu einem Verbraucher oder zu einer Wärmesenke geführt wird, wobei die Rohrleitung (31) mindestens ein querschnittverengendes Innenrohr (33) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zuströmungsseitigen Stirnseite des Innenrohres (33) und der Rohrleitung (31) eine isokinetisch dimensionierte Ringspaltöffnung (32) vorhanden ist, dass stromabwärts der Ringspaltöffnung (32) zwischen dem Innenrohr (33) und der Rohrleitung (31) mindestens ein weiteres Innenrohr (34, 38, 39, 40) den Zwischenraum (35) in mindestens zwei Kammern (35a, 35b, 35c) aufteilt, dass aus mindestens zwei der Kammern (35a, 35b) je eine Öffnung (36, 37) für die Ableitung von Transportdampf bzw. Wasser vorhanden ist, und dass stromabwärts der letzten Öffnung (37) für die Ableitung von Wasser die Rohrleitung (31) gegenüber den genannten Kammern dampfdicht abgeschlossen ist.

2.Vorabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das querschnittverengende Innenrohr (33) die Form einer Lavaldüse (33a) hat.

3. Verwendung des Vorabscheiders (3) nach Anspruch 1 bei einer Sattdampf-Turbinenanlage, wobei der Vorabscheider (3) stromabwärts der Hochdruckturbine (1) und stromaufwärts mindestens eines weiteren, einem Zwischenüberhitzer (5) vorgeschalteten Wasserabscheiders (4) beliebiger Bauweise angeordnet ist.

Claims

1. Preseparator for pipework carrying a two- phase mixture, in particular for separating water from the working steam, which is led from one turbine part via a pipework to another turbine part, into a consumption unit or into a heat sink, the pipework (31) having at least one inner pipe (33) narrowing the cross-section, characterized in that an isokinetically dimensioned annular gap opening (32) is present between the inlet flow end of the inner pipe (33) and the pipework (31), that at least one further inner pipe (34, 38, 39, 40) downstream of the annular gap opening (32) between the inner pipe (33) and the pipework (31) divides the intermediate space (35) into at least two chambers (35a, 35b, 35c), that one opening (36, 37) for the removal of transport steam or water is available from each of at least two of the chambers (35a, 35b), and that the pipework (31) is closed in a steam-tight manner downstream of the last opening (37) relative to the chambers mentioned for the removal of water.

2. Preseparator according to Claim 1, characterized in that the inner pipe (33) narrowing the cross-section has the shape of a Laval nozzle (33a).

3. Use of the preseparator (3) according to Claim 1 in a saturated steam turbine installation, the preseparator (3) being located downstream of the high pressure turbine (1) and upstream of at least one further water separator (4) of arbitrary design installed upstream of a reheat superheater (5).

Revendications

1. Préséparateur pour une conduite tubulaire transportant un mélange biphasique, en particulier pour séparer l'eau de la vapeur active qui est transportée d'une première partie de turbine par une conduite jusqu'à une autre partie de turbine, à un appareil utilisateur ou à un puits de chaleur, dans lequel la conduite (31) présente au moins un tube intérieur (33) à rétrécissement de section, caractérisé en ce qu'entre la section terminale d'entrée du tube intérieur (33) et la conduite tubulaire (31) il est prévu une fente annulaire (32) dimensionnée de manière isocinétique, en ce quen aval de la fente annulaire (32) entre le tube intérieur (33) et la conduite tubulaire (31) au moins un autre tube intérieur (34, 38, 39, 40) divise la chambre intermédiaire (35) en au moins deux chambres (35a, 35b, 35c), en ce qu'il y a une ouverture (36, 37) dans chacune d'au moins deux des chambres (35a, 35b) pour l'évacuation de la vapeur de transport, respectivement de l'eau, et en ce qu'en aval de la dernière ouverture (37) assurant l'évacuation de l'eau la conduite tubulaire (31) est obturée de façon étanche à ta vapeur par rapport auxdites chambres.

2. Préséparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le tube intérieur (33) à rétrécissement de section a la forme d'une tuyère de Laval (33a).

3. Utilasation du préséparateur (3) suivant la revendication 1 dans une installation de turbines à vapeur saturée, dans laquelle le préséparateur (3) est disposé en aval de la turbine haute pression (1) et en amont d'au moins un autre séparateur d'eau (4) de n' importe quel type installé avant un resurchauffeur (5).

Zeichnung