СЕПАРАТОР ДЛЯ УСТРОЙСТВА РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДЫ И ПАРА Российский патент 2003 года по МПК F22B37/32 

Изобретение относится к сепаратору для разделения воды и пара с расположенной на стороне пара выпускной трубой и с предусмотренной на стороне воды выпускной трубой, а также с сепарационным пространством между множеством впускных труб и предусмотренным перед выпускной трубой на стороне воды средством, препятствующим вихреобразованию. Оно относится, кроме того, к устройству для разделения воды и пара, в частности, для прямоточного парогенератора, по меньшей мере, с одним таким сепаратором, который соединен с водосборным баком.

Из немецкой акцептованной заявки DAS 1081474 известен центробежный сепаратор воды, в котором соотношение диаметра к высоте должно составлять порядка 1:6 и больше. Кроме того, из статьи Юргена Фольрата "Сепарация пара в кипящих реакторах и кипящих реакторах с ядерным перегревом пара", Technische ьberwachung 9 (1968), № 2, стр. 46-50 известен выбор соотношения диаметра выпускной трубы на стороне пара сепаратора к внутреннему диаметру сепаратора, равный 52%. Кроме того, из JP 1-312304 А известно устройство для разделения воды и пара, в котором водосборный бак, соединенный на стороне воды с сепаратором, располагают на вертикальной высоте, которая определяется вертикальной высотой сепаратора. Сепаратор типа, соответствующего ограничительной части, известен, например, из GB-A-1164996.

Известный из DE 4242144 A1 сепаратор используется обычно в испарительной системе парогенератора, в частности прямоточного парогенератора. В зависимости от производительности парогенератора часто несколько параллельно расположенных сепараторов внутри устройства для разделения воды и пара соединены с общим водосборным баком. В частности, в режиме запуска такого прямоточного парогенератора в испарительной системе в целом скапливаются большие количества воды. При этом тот или иной сепаратор служит для разделения воды и пара, причем воду возвращают в испарительный контур, а пар, по возможности свободный от водяных капель, направляют в перегреватель.

Так как прямоточный парогенератор в противоположность парогенератору с естественной циркуляцией не подлежит никакому ограничению давления, и таким образом возможны давления свежего пара значительно выше критического давления воды (р_крит = 221 бар), современные тепловые электростанции могут эксплуатироваться с высокими давлениями пара от 250 до 300 бар. Высокие давления свежего пара являются необходимыми для достижения высоких термических коэффициентов полезного действия и тем самым низких эмиссий двуокиси углерода. Особенной проблемой является при этом расчет находящихся под давлением деталей, так как такого рода высокие давления пара приводят к слишком большим толщинам стенок, которые, в свою очередь, могут значительно уменьшать температурные переходные процессы.

В прямоточном парогенераторе это касается, в частности, сепараторов, так как они при изменении нагрузки в режиме работы со скользящим давлением, при котором в одном или в каждом сепараторе давление пара и тем самым также температура кипения изменяется линейно с нагрузкой, подвержены значительным температурным изменениям. За счет этого при запуске и при изменениях нагрузки допустимая скорость изменения температуры сильно ограничена. Это опять-таки может приводить к нежелательно большому времени запуска с соответственно высокими пусковыми потерями и к малой скорости изменения нагрузки, что опять-таки ограничивает особенно высокую гибкость прямоточного парогенератора по меньшей мере в режиме работы с высокими давлениями пара.

В основе изобретения лежит задача создания сепаратора для устройства разделения воды и пара, который при одновременно низкой потере давления и высокой степени сепарирования, а также при возможно малой толщине стенки является особенно термоупругим. Кроме того, должен быть создан подходящий способ для эксплуатации содержащего множество таких сепараторов устройства разделения воды и пара для прямоточного парогенератора.

Относительно сепаратора задача согласно изобретению решается согласно признакам п.1 формулы изобретения. Для этого длина его сепарационного пространства составляет, по меньшей мере, пятикратную величину его внутреннего диаметра. При этом длина сепарационного пространства определена расстоянием между определенной впускными трубами сепаратора входной плоскостью и верхним краем расположенного ниже средства, препятствующего вихреобразованию. Соотношение общего поперечного сечения потока впускных труб к внутреннему диаметру в квадрате сепарационного пространства составляет при этом величину 0,2-0,3.

При этом в изобретении, исходя из накопленного опыта, учтен фактор, при котором неожиданным образом в сепараторе, в частности в циклонном сепараторе со средством, препятствующим вихреобразованию потеря давления в сепарационном пространстве является сравнительно высокой, в то время как потери давления, обусловленные выпускной трубой на стороне пара, являются скорее низкими. В то время как это поведение в литературе не отражено, в противоположность этому в циклонном сепараторе без средства, препятствующего вихреобразованию, путем расчетов было подтверждено, что там появляются существенные потери давления при входе в выпускную трубу на стороне пара и в самой выпускной трубе, в то время как потери давления в сепарационном пространстве являются только низкими.

Целесообразным является то, что за счет конструктивного выполнения сепаратора составляющие потерь давления в различных участках сепаратора можно согласовывать между собой таким образом, что их сумма достигает минимума при высоком расходе среды и эффективном сепарационном действии. При этом потеря давления складывается из составляющей входных потерь давления и из составляющей потерь давления на трение при нисходящем и восходящем потоке поступающей в сепаратор пароводяной смеси, а также из составляющей потерь давления на изменение направления нисходящего потока в восходящий поток и составляющей входных потерь давления в выпускную трубу на стороне пара.

При эксплуатации сепаратора даже при высокой плотности массового потока поступающей в него среды М>800 кг/м²с достигается особенно низкая потеря давления при одновременно хорошем сепарационном действии. Плотность массового потока определена при этом как расход [в кг/с], деленный на площадь поперечного сечения [в м²], определенную внутренним диаметром [в м] сепаратора и тем самым его сепарационного пространства.

Кроме того, возможно низкая потеря давления при одновременно возможно высокой степени сепарирования достигается за счет того, что определенная суммой площадей поперечного сечения или поперечными сечениями потока впускных труб общая площадь поперечного сечения F [м²] с внутренним диаметром DI [м] сепаратора или, соответственно, его сепарационного пространства установлена согласно соотношению F=K·DI², при этом К=0,2-0,3, предпочтительно К=0,21-0,26. При этом внутренний диаметр DA [м] выпускной трубы на стороне пара предпочтительно составляет от 40 до 60% внутреннего диаметра сепарационного пространства.

Относительно расположения множества подобных сепараторов внутри устройства разделения воды и пара, в котором, например, три или четыре сепаратора соединены на стороне воды с общим водосборным баком, эта особенно низкая потеря давления при одновременно высокой степени сепарирования и высокой плотности массового потока среды более чем 800 кг/м²с предпочтительно поддерживается за счет того, что верхний конец водосборного бака не выступает за пределы половины аксиальной протяженности сепаратора. При этом относительно нижнего конца сепаратора на стороне воды верхний конец или верхний край водосборного бака должен быть расположен ниже половины длины сепаратора.

Относительно способа названная задача решается согласно изобретению посредством признаков п.4 формулы изобретения. Согласно способу особенно предпочтительные результаты достигаются в прямоточном парогенераторе с, по меньшей мере, одним сепаратором, если пропускная способность сепаратора при полной нагрузке прямоточного парогенератора установлена больше, чем 630-кратное квадрата внутреннего диаметра сепарационного пространства.

Примеры выполнения изобретения поясняются более подробно с помощью чертежей, на которых изображены:

фиг. 1a - сепаратор со средством, препятствующим вихреобразованию в продольном сечении;

фиг. 1b - сепаратор согласно фиг. 1 в поперечном сечении;

фиг. 2 - устройство разделения воды и пара с сепаратором согласно фиг. 1 с подключенным на стороне воды водосборным баком.

Соответствующие друг другу части на фиг. 1 и 2 обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

На фиг. 1 показан сепаратор или циклонный сепаратор 1 в продольном сечении (фиг. 1а), поперечное сечение которого представлено на фиг. 1b. Сепаратор 1 содержит верхнюю выпускную трубу 2 на стороне пара и нижнюю выпускную трубу 3 на стороне воды. Ниже выпускной трубы 2 на стороне пара в расположенной вблизи ее входного отверстия 4 плоскости втекания или входной плоскости Е предусмотрены расположенные по периметру сепаратора 1 впускные трубы 5 для подлежащей разделению на воду W и пар D пароводяной смеси WD. При этом впускные трубы 5 расположены, с одной стороны, наклонно под углом α к горизонтальной линии или горизонтали Н и, с другой стороны, проходящими тангенциально. Ниже входной плоскости Е впускных труб 5 на стенке 8 сепаратора 1 размещены опорные захваты 7, которые удерживают сепаратор в его установленном положении.

За счет расположения впускных труб 5 поступающая в сепаратор 1 пароводяная смесь WD направляется, с одной стороны, вниз к области дна 6 сепаратора 1 и, с другой стороны, при этом создается завихрение. Разделение воды W и пара D происходит при этом за счет центробежной силы, причем пар D отводят по центру вверх, а воду W вниз. Для устранения завихрения в вытекающей через выпускную трубу 3 воды W в области дна 6 сепаратора 1 предусмотрено средство, препятствующее вихреобразованию 9. Он препятствует утечке пара D в выпускную трубу 3 и препятствует перемещению уже отделенной воды W обратно в сепаратор 1, то есть обратному течению в его сепарационное пространство 10.

Для достижения возможно малой толщины d стенки 8 сепаратора 1 при одновременно высокой степени сепарирования длина А определенного входной плоскостью Е и верхним краем В средства, препятствующего вихреобразованию 9 сепарационного пространства 10 сепаратора 1, составляет, по меньшей мере, пятикратную величину внутреннего диаметра DI сепаратора 1. Кроме того, соотношение К между общим поперечным сечением F входных труб 5 и внутренним диаметром DI в квадрате сепаратора 1 и тем самым сепарационного пространства 10 составляет величину 0,2-0,3, предпочтительно 0,21-0,26. При этом общее поперечное сечение F определено суммой отдельных поперечных сечений f₁ до f_n с n=4 в примере выполнения. Выпускная труба 2 на стороне пара имеет такой внутренний диаметр DA, который составляет от 40 до 60% внутреннего диаметра DI сепарационного пространства 10. Относительно общего поперечного сечения F [м²] и внутреннего диаметра DI [м] сепаратора 1 или сепарационного пространства 10, а также внутреннего диаметра DA [м] выпускной трубы 2 на стороне пара предпочтительно действуют следующие соотношения размеров:

F=К·DI² при К=0,21-0,26;

DA=(0,5±0,1)·DI;

А≥5·DI.

На фиг. 2 показано устройство 11 разделения воды и пара прямоточного парогенератора, из которого схематически представлены только его испаритель 12 и его пароперегреватель 13. Устройство 11 разделения воды и пара содержит один или несколько сепараторов 1 согласно фиг. 1. Один или несколько сепараторов 1 соединены на стороне воды через подключенный к его выпускной трубе 3 соединительный трубопровод 14 с водосборным баком 15. Целесообразным является то, что введение соединительного трубопровода 14 от сепаратора 1 в водосборный бак 15 происходит ниже его уровня воды WS так, чтобы была обеспечена спокойная поверхность воды.

При этом внутри устройства 11 разделения воды и пара один или несколько сепараторов 1 и водосборный бак 15 предпочтительно расположены относительно друг друга так, что его верхний конец или верхний край ОК максимально достигает половины длины L сепаратора 1. При этом длина L измерена между верхним концом ОЕ и нижним концом UE сепаратора 1. Половина длины (1/2 L) определена относительно его нижнего конца UE и таким образом измерена исходя от него.

При эксплуатации устройства 11 разделения воды и пара прямоточного парогенератора полученная в его испарителе 12 пароводяная смесь WD проходит через впускные трубы 5 в сепаратор 1 и там вследствие, по меньшей мере, приблизительно тангенциального втекания приводится в завихрение. Вследствие обусловленной за счет этого центробежной силы вода W и пар D отделяются друг от друга. Отделенный пар D проходит через выпускную трубу 2 на стороне пара и соединенный с ней трубопровод 16 для пара в пароперегреватель 13 прямоточного парогенератора, в то время как отделенная вода W через средство, препятствующее вихреобразованию 9, и соединительный трубопровод 14 стекает в водосборный бак 15. При этом относительно режима полной нагрузки прямоточного парогенератора расход М [кг/с] через сепаратор 1 в расчете на внутренний диаметр DI сепарационного пространства 10 установлен согласно соотношению М≥630·DI².

С выполненным конструктивно таким образом сепаратором 1 и его расположением внутри устройства 11 разделения воды и пара прямоточного парогенератора могут быть реализованы давления пара или свежего пара в интервале от 250 до 300 бар при одновременно малой потере давления и высоком расходе среды, а также особенно эффективном сепарировании. В целом в тепловой электростанции, эксплуатируемой с таким устройством 11 разделения воды и пара, достигается особенно высокий коэффициент полезного действия.

Изобретение относится к энергетике и может быть применено в прямоточных парогенераторах, содержащих устройство для разделения воды и пара. Чтобы достигнуть возможно малой потери давления при одновременно высоком расходе среды и эффективного сепарационного действия посредством сепаратора (1) для разделения воды (W) и пара (D), который содержит на стороне пара выпускную трубу (2) и на стороне воды выпускную трубу (3), а также сепарационное пространство (10) между множеством впускных труб (5) и расположенным перед выпускной трубой (3) на стороне воды средством, препятствующим вихреобразованию (9), длина (А) сепарационного пространства (10) должна составлять, по меньшей мере, пятикратную величину его внутреннего диаметра (DI), а соотношение (К) общего поперечного сечения потока (F) впускных труб (5) к внутреннему диаметру (DI) в квадрате сепарационного пространства (10) должно составлять величину 0,2-0,3. Внутри устройства (11) разделения воды и пара сепаратор (1) соединен с водосборным баком (15) так, что его верхний конец (ОК) расположен ниже половины длины (L) сепаратора (1), считая от его нижнего конца (UE) на стороне воды. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сепаратор для разделения воды и пара с одной выпускной трубой (2) на стороне пара и с одной выпускной трубой (3) на стороне воды, а также с сепарационным пространством (10) между множеством впускных труб (5) и расположенным перед выпускной трубой (3) на стороне воды средством, препятствующим вихреобразованию (9), отличающийся тем, что длина (А) сепарационного пространства (10) составляет, по меньшей мере, пятикратную величину его внутреннего диаметра (DI), а соотношение К общего поперечного сечения потока (F[м²]) впускных труб (5) к внутреннему диаметру (DI) в квадрате сепарационного пространства (10) составляет величину 0,2 - 0,3.2. Сепаратор по п.1, отличающийся тем, что выпускная труба (2) на стороне пара имеет внутренний диаметр (DA), который составляет 40 - 60% внутреннего диаметра (DI) сепарационного пространства (10).3. Устройство разделения воды и пара, содержащее, по меньшей мере, один сепаратор и соединенный с ним по стороне воды водосборный бак (15), верхний конец (ОК) которого лежит ниже половины длины (L) сепаратора (1) - считая от его нижнего конца (UE) на стороне воды.4. Способ эксплуатации устройства разделения воды и пара с, по меньшей мере, одним сепаратором (1) для прямоточного парогенератора, при котором расход М [кг/с] сепаратора (1) при полной нагрузке прямоточного парогенератора с внутренним диаметром (DI[м]) сепарационного пространства (10) определяется зависимостью М ≥ 630 · DI².