CN1014681B - 从蒸汽发生器通向汽轮机的蒸汽流中除去金属粒子的方法 - Google Patents

Abstract

利用磁场(112)从轴向蒸汽流流路向外偏离在由蒸汽发生器通向汽轮机(10；50)的蒸汽流中所夹带的金属粒子(114)，将它们截留和收集。而后从通向汽轮机的蒸汽流中将它们除去。

Description

本发明涉及一种固体粒子磁偏转系统，用于除去或转移在流体流路（如汽轮机中的）夹带和输运的金属氧化物粒子。

由于固体粒子腐蚀而引起的对汽轮机的损坏是一个引人注意的问题。在汽轮机设备开始起动期间，特别是从冷却的或关闭的状态开始起动期间，在提供高压蒸汽以驱动汽轮机的蒸汽发生器中的锅炉管表面上发生固体粒子的剥落也即散裂。粒子被夹带在蒸汽流中，被通过连接管道送入汽轮机，通过有关的通到高压汽轮机入口喷嘴的断流装置和控制阀。对这些部件的腐蚀损坏可能很普遍。此外，固体粒子腐蚀损坏导致效率降低，因而减少发电，增大修理和替换腐蚀部件的费用。

固体粒子的剥落、夹带和输运可能是一种连续的现象，因为系统的锅炉管和蒸汽管道在高温下运行时间很长。但是，剥落主要发生在汽轮机设备停机并冷却之后的起动期间，在此期间在锅炉管的内表面上生成金属氧化物锈皮。工业部门通常认为连接管道中累积的氧化物锈皮的量是极小的，至少跟锅炉管中的氧化物锈皮比较是如此。当锅炉点火后，氧化物和锅炉管原来物料之间热性能的差异造成氧化物从锅炉管上的分离，也即剥落。由于金属氧化物从第一（和第二）再热器管壁上散落下来，在通向中压或低压汽轮机的入口处产生类似的情况。

固体粒子腐蚀问题的规模和工业部门集中努力寻求实用的解决办法，是1985年11月13日至15日在美国田纳西州查塔努加召开的由电力研究所（EPRI）主持的座谈会的主要题目。EPRI会议的会议记录总标题为《通用汽轮机的固体粒子腐蚀：1985年专题讨论会》，内中包括的论文有Sumner，W.J.等人的《大型汽轮机的固体粒子腐蚀损坏的减小》和Miller，V.R.D.的《安大略水电站Lambton    TGS燃煤发电机组减轻固体粒子腐蚀效应的维修对策和特定的设计变化》。Sumner等人的论文以当时的最新数据为基础，报告固体粒子腐蚀损坏的估计费用大到每年1.5亿美元。

讨论会提出了各种建议，EPRI为旨在解决固体粒子腐蚀问题的各种研究项目提供了资金，这些项目有：通过化学净化、铬酸盐处理和锅炉的渗铬减少微粒;通过蒸汽/空气换气和使用惯性分离器除去微粒;通过等离子体喷涂和扩散结合的汽轮机涂层;以及汽轮机叶片和喷嘴的重新设计。也已经提出了减小固体粒子损坏的工作方案，如全弧进气（考虑到流体动力学的连续方案），这个方案被用来减小流通速度，从而减小氧化物粒子冲击的腐蚀效率。但是，这些方案还没有令人满意地解决固体粒子腐蚀问题，这一点由后继的EPRI研究项目所证实。

因此，减少固体粒子腐蚀所引起的损坏，特别是减少由于固体粒子冲击汽轮机部件而引起的损坏，是一种长期存在的要求，而这种固体粒子是在蒸汽流中夹带并通过连接管道输入汽轮机及其内部部件中的。

本发明的主要目的是提供一种为除去汽轮机的流体流路中的固体 粒子用的方法。

因此，有鉴于这一目的，本发明属于如权利要求1中所述的方法。

本发明也属于一种除去固体粒子用的系统。

下面作为例子参考附图说明本发明的最佳实施例，附图中：

图1是简化和综合的汽轮机热平衡图和使用本发明的固体粒子磁偏转系统的控制系统示意图，举例说明与连接管道有关的安装电磁体的最佳的和可供选择的位置;

图2是截取与图1的平面平行的平面的截面示意图，该平面通过外面安装了环形电磁体的连接管道的选定长度或区段的公共轴线，用于指示磁场效应和由此达到的固体金属粒子的偏转、截留和聚集;

图3是本发明第二实施例的类似图2的截面示意图，该实施例使用与连接管道的选定长度有关的静止区，蒸汽流中夹带的金属粒子被偏转和聚集到该静止区中;

图4是另一种电磁体组件的截面示意图，它被安装在蒸汽流通路中的选定位置，并根据本发明使用。

图1是简化和综合的热平衡图和根据本发明的固体粒子磁偏转系统的系统控制示意图，图中采用常规的标记法，用虚线代表蒸汽流连接管道，用实线代表多路电路的连接，它们显然也是双向的，如图中用相对方向的箭头所指示的。尽管本发明的系统适合用于任何类型的汽轮机，但图示举例说明的汽轮机10为本发明的受让人西屋电气公司制造的组合式高压（HP）-中压（IP）再热型。因此，汽轮机10包括一个主蒸汽入口喷嘴12和一个再热器入口喷嘴14，它们 分别从主蒸汽发生器通入称为“主节流蒸汽”和“再热蒸汽”的蒸汽流，以分别供给汽轮机10的高压和中压部分。虽然图中表示的是单个入口喷嘴12和14，但熟悉本技术的人将会理解，通常相对于由转子（未图示）限定的中心轴环绕汽轮机10的周缘设置了许多根此种喷嘴。功率输出传动轴15和第二传动轴17也以通常的图示标记法表示，功率输出传动轴15通常包括一个由汽轮机10的内部转子驱动旋转的轴杆（内部转子又由主节流蒸汽和再加热蒸汽驱动），第二传动轴17包括一个第二轴杆，它被接合到汽轮此10的内部转子上并由其驱动，并且连接调速器或其它类似器件，以可供选择地控制转动速度。汽轮机10还包括分别从高压和中压部分来的输出蒸汽口16和18。

蒸汽发生器20包括一个主蒸汽发生器22和一个再热器（Ⅰ）蒸汽发生器23，用于运转汽轮机10。如图1所示，贮槽25按需要将液体（如水）通过连接管26供应给主蒸汽发生器22，可以采用已知方法，或者是手动控制，或者是自动系统控制。

从主蒸汽发生器22来的主节流蒸汽通过连接管道30和节流阀（TV）32供应给蒸汽箱34，受控的主节流蒸汽从蒸汽箱34通过连接管道36供给汽轮机10的高压部分的入口喷嘴12，如图1所示。蒸汽箱34是常规的，如前所述，它包含许多个阀门，用来调节主节流蒸汽对相应的许多个入口喷嘴12的供应。还像常规的方式一样，蒸汽箱34还可以包括额外输出主节流蒸汽用的控制阀，如连接管道38所示。

已被汽轮机10提取能量的蒸汽通过出口喷嘴16回收和除去，并通过连接管道39返回到蒸汽再热器（Ⅰ）23。再热蒸汽通过连 接管道42、再热节流阀（RSV）44、中间截止阀（Ⅳ）40和连接管道48供应给再热蒸汽喷嘴14。如主节流蒸汽的情形中那样，可以理解，系统中设置了许多根连接管48和再热蒸汽入口喷嘴14，后者同样环绕汽轮机10的外部伸出。从排气出口18来的废蒸汽由回汽管道41输运到再热器（Ⅱ）24中。

可以理解，实际汽轮机系统的流路、控制和有关部件比图1的简化示意图所例示的要复杂得多，因此图1主要用来表示蒸汽的基本流路，从而可以举例说明本发明的固体粒子磁偏转系统的联用。为了进一步说明本发明的系统适用于实际上任何一种汽轮机发电系统，还标明了一个低压（LP）的第二汽轮机50，它可以属于西屋电气公司制造的一种类型，同时它可以由从蒸汽发生器20的相应再热器（Ⅱ）24来的低压蒸汽驱动。具体地说，如图1所示，连接管道52将低压蒸汽流从再热器（Ⅱ）24输送到低压汽轮机50。已被低压汽轮机50提取掉能量的蒸汽被以同样的方式回收，并通过连接管道54输送到冷凝器55，如箭头56所示，冷凝器55的输出而后可以通过其它设备返回到贮槽25，这种设备可以是常规的。

系统控制器60可以是常规类型的，控制汽轮机10和50的起动、持续运转和停止。从汽轮机10得到与内部条件（如压力、温度等）和转动速度有关的传感器输出，并分别经过线路61和62，并经过总线63供给到系统控制器60上。与汽轮机50相联的类似的传感器经过导线64和65并通过总线63将传感器输出供给到系统控制器60上。双向总线66通过相应的双向连接件67、68和69将系统控制器60分别连接到再热器（Ⅰ和Ⅱ）23和24、主蒸汽发生器22和蒸汽发生器20的贮槽25上。同样，经过这些相 同的总线连接件，系统控制器60产生的控制被提供给标记的部件，以调节它们的运行，同时也使主节流蒸汽和再热蒸汽如前所述地通过流路与主汽轮机10和任何诸如低压汽轮机50之类有关汽轮机相协调一致。系统控制器60还以常规方式通过总线70控制其它系统元件，如节流阀32、中间截止阀40、再热节流阀44、蒸汽室34等等。

如开头所述，图1所示的那种类型的汽轮机，由于蒸汽流夹带入汽轮机10内部的固体粒子的冲击而受到严重的腐蚀损坏。固体粒子的主要来源是蒸汽发生器20，特别是它的主发生器22和再热器23与24中的锅炉管的内表面的氧化，在这些表面上产生金属氧化物锈皮。此种氧化物锈皮易于剥落并因而易于从锅炉管内部分离，此时它们被夹带到蒸汽发生器来的蒸汽流中，例如通过连接管道30、42和52，并因而被送入汽轮机10和50的内部。事实上，氧化物粒子可以对节流和控制阀（如图所示的节流阀、中间截止阀和再热节流阀）及蒸汽室34造成损坏，同时途经汽轮机10和50，在汽轮机10和50中产生主要的损坏。

根据本发明，固体粒子腐蚀由于固体粒子磁偏转系统而显著减小，该系统在图1中用与管道30相联的电磁体101和102、与连接管道42相连的电磁体103以及与连接管道52相联的电磁体104举例说明。电磁体101至104中的每一个通过相应的导线101a、102a、103a、104a连接到电源总线105上，电源通过系统控制器60经过电源总线选择性地供电。

如前所述，固体粒子腐蚀主要产生于系统停止工作一段时期并被冷却后的起动时间内。当蒸汽发生器20（也称为锅炉）被点火而使 系统投入运行时，在锅炉管道内形成的氧化物锈皮和管道物料之间的热膨胀特性的差异使氧化物从管壁上分离下来，也即产生剥落。因此，根据本发明的实践，系统控制器60在起动时间优先地选择性地将电力供给电磁铁101。通常，在将系统恢复到正常持续运行所需的整个时间内都供应电力。此外，因为变化的负载条件产生进一步的此类剥落过程的可能性，系统控制器60在系统恢复到持续运行稳定水准所需的时间内可以选择性地激励电磁体101～104。

图2是通过连接管道110的选定长度的轴或区段的平面内截取的截面示意图，在连接管道110的周围环形地安装了电磁体100，管道110和电磁体100对应于任何连接管道，如30、42和52，并相应地联接电磁体101和102，103和104，如图1所示。从蒸汽发生器20来的蒸汽（蒸汽也可来自再热器24或主发生器22）如图2所示从管道110的右边进入，并夹带从锅炉管的内表面上剥落下来的金属粒子114。重要的是，曾经测定过，此种金属微粒物质大部分为金属氧化物Fe₂O₃（铁锈层）。该物质的居里温度显著地高于主节流蒸汽和再热蒸汽的温度。这很重要，因为高于居里温度时，一种否则能被磁化的物质不再呈现该性能。例如，硅钢的居里温度为750℃，锭铁的居里温度为770℃。电源对电磁体100的供给因此产生金属粒子114的磁化，从而使它们偏离蒸汽通常的轴向流路，引至一或多个预定的位置，在这些位置金属粒子被截留和聚集起来。而后如图2所示，一股基本上除去此类金属氧化物粒子的蒸汽进入汽轮机10。

在图2的特殊构型中，电磁体100的磁场112将金属粒子114引入由表面分离器120形成的环形捕集器。分离器120为圆 锥形构型，具有第一端部121，其外径大体上如管子110的内径，而其外缘固定在管子110的内边。分离器120在朝向其径向向内凸出的第二端部122的方向上直径缩小，而沿上游方向，与管子110的相对的环形内表面形成一个环形的捕集器123。出口管124穿过由分离器120形成的环形捕集器123附近的管子110的侧壁。通过打开阀门126，聚集的金属粒子可以利用“放气”从捕集器除去，在另一种情况下，可以收集到桶128中。最好是，打开阀门126，以便把聚集的金属粒子114从环形捕集器123输送入桶128中，而后关闭。随后打开阀门130，以便从贮存桶128中除去金属粒子。

参考图1，多个如图2中所示的100类型的电磁体可以与任何给定的连接管道联接，如图1中电磁体101和102与管道30联接那样。如将会理解的那样，不同粒径或不同质量的金属粒子可由给定磁体即给定磁场强度的磁场给出不同的偏转轨道。因此，各自提供不同预定强度的磁场的多个电磁体可以通过沿管道110的轴依次间隔地设置相应的电磁体来实现。通过适当选择其它相应的磁场强度，对应于不同粒径或质量的金属粒子可以通过所要的偏转轨道适当地转向相对于每个电磁场的预定位置。于是，同时参考图1和图2，可以理解，通过适当选择磁场强度，多个电磁体101和102的每一个可以具有与之联接的相应的分离器120，或者是单个分离器120可以采用许多个此种电磁体。也可以理解，如图2所示，若干个放气管子124和相应的阀门，可以围绕每个分离器120的环状捕集器123设置。

图3举例说明根据本发明的偏转系统收集偏转的金属粒子的另一 种结构构型。具体地说，电磁体140的位置环绕管道142的侧壁中开孔144邻近的连接管道142的截面，在管道142上接有贮槽146，贮槽146的底端由阀门148关闭。最好是，管道刚巧在开孔144之上沿流通方向（如箭头所示）通过直角转向，如142′所示。而后如此选择电磁体140的磁场，使得金属粒子偏离流入的蒸汽流，进入由贮槽146提供的静止区，聚集的此种金属粒子可以从那里通过阀门148的操作除去。

图4是用于本发明偏转系统的一种电磁组件的简化截面图。特别是，电磁组件150包括一段管道152，具有与它一起使用的那段连接管道160相同的内径和外径的端部，以及一个直径扩大的中心部分154，该中心部分相对于管道152的内径具有一个直径扩大的环形凹槽156。组件150对管道160的连接是由具具内部凹槽163的螺母162实现的，该内部凹槽安装在外部环形凸缘153上，并啮合其间的密封164。管道160在其连接组件150的端部上包括外部螺纹161，并由螺母162的内部螺纹165啮合。

通常为环形构型的电磁体170被承放在环形凹槽156内，而电输出导线172通过侧壁154和密封157接到电磁体170的接头173上，以供给电力。最好是，在电磁体170的内表面上固定一个密封（未图示），以便从蒸汽流中利用物理方法分离同一物质。这样一种密封可以是由一个不锈钢或其它材料的同轴圆筒形板制成，这个板伸出去并因而封闭凹槽156，并适当地固定在其相对于管子152的内侧壁的端部位置上。图4中管子152的断开的端部可以是任何一种所需的构型。例如，可以进一步提供一个类似于螺母 162的带螺纹的螺母装置，螺纹连接到连接管道160的相应长度上。另一种方式是，图4的组件150可以与一个如图3的贮槽146之类的贮槽相联接，从贮槽上再设置一个合适的连接接头。或者是，图4的组件150可以直接焊接在位置上，将两段连接管道160连接起来，以形成基本上永久性的安装。

如上所述，本发明的固体粒子磁偏转系统提供一种有效而实用的选择性可控机构，用来偏转并除去在从蒸汽发生器进入汽轮机的蒸汽流中夹带的金属粒子，并且对于显著地减轻目前汽轮机系统所面临的固体粒子腐蚀的严重问题是有效的。

Claims (4)

1、一种从蒸汽发生器(20)提供的经过供气管路通向汽轮机(10)的蒸汽流中除去金属粒子(114)的方法，金属粒子是被夹带在蒸汽流中，该方法的特征在于，在从蒸汽发生器(20)到汽轮机(10)的蒸汽流路中，在一段(110)轴向的预定的环形构型和长度中，沿该段中选定的部分产生一个与该段(110)的纵轴同轴的磁场(112)，该磁场的强度能使夹带的金属粒子(114)从预定的气流轴向向外朝轴向流路段的外周边偏转并截留和收集偏转的金属粒子，从而从送入汽轮机的蒸汽流中除去金属粒子。

2、一种如权利要求1所述的方法，其特征在于，被截留的磁性粒子（114）被定期地从环形空间（123）中除去。

3、一种如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述磁场是在蒸汽发生器关闭期之后起动期间的选定时间内建立的，而磁场的产生在蒸汽发生器和汽轮机达到稳定连续的运转后结束。

4、一种如权利要求3所述的方法，其特征在于，磁场在汽轮机和蒸汽发生器的负载条件发生变化的期间有选择地重新建立。

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