CN1032451A - 蒸汽透平机排汽的水分离器 - Google Patents

Abstract

具有排汽嘴的蒸汽透平机所用的分份预分离器 包括三个圆柱形导管。第一个圆柱形导管(35)固定 在排汽嘴(31)的环状壁(33)上并在靠近环状壁(33) 那里有一个径向外伸部分(37)第二个圆柱形导管 (41)，其端部不到环状壁(33)，从而在其间形成了第 一个集水室(47)。第三个圆柱形导管(61)装在第二 个圆柱形导管(41)中并伸到透平机的排汽嘴(31)中， 在导管外壁(69)与排汽嘴(31)的壁之间形成了第二 个集水室(67)，并在第一个和第二个集水室(47，67) 之间可以直接连通。

Description

本发明是关于蒸汽透平机，比如用于原子能电站的高压蒸汽透平机，具体说是关于一种减少排汽管腐蚀的装置，如象连接在蒸汽透平排汽罩和水份分离器再热装置之间的跨接管（cross-under    piping）那样。

已经发现，原子能蒸汽透平机循环中的湿蒸汽条件会引起高压透平排汽和水份分离器再热装置之间的蒸汽循环管道和部件的严重腐蚀。

跨接管腐蚀的方式、位置和程度受管子尺寸，材质和布置形状，透平排汽条件以及工厂负荷周期的影响。不过，通常，对于一个在基本负荷情况下操作、采用炭素钢跨接管、典型的原子能高压透平排汽条件为12%水份和14公斤/厘米²的设备来说，在开始投产后的3～5年内，腐蚀的破坏程度就会达到需要用补焊的办法来恢复其最小管壁厚度。这种补焊的费用很高并且费时间，并且常常延长计划的停工时间。有时候跨接管腐蚀还会引起非计划的停工。

在任何条件下，跨接管腐蚀后的补焊都是十分费钱的事情，而整个更换被腐蚀的管子则更不经济，因为要考虑时间以及参与这项工作的后勤等因素。

管子腐蚀是由于水滴冲击管壁所致，水滴越大、冲击的速度越高则管壁金属的机械剥离越严重。

管子抗腐蚀能力是与管材的冶金性能有关，一般较大的蒸汽系统所喜欢采用的碳钢材料，在普通烧矿物燃料的蒸汽设备条件下可以具有很好的使用寿命，但是在原子能蒸汽设备中却对腐蚀敏感。使用抗腐蚀性能好的材料，如奥氏体不锈钢、因康镍合金（Inconel）或合铬镍的碳钢等材料，是昂贵的办法。

所以，使用一种能够消除、减少或控制跨接管腐蚀的装置无疑是一个经济合理的办法，这是考虑工厂停工（尤其是非计划停工）造成经济损失、补焊费用以及采用昂贵材料等方面的因素。

据信，离开高压透平叶片的蒸汽所夹带的大部分水滴的平均直径小于10微米，其余20%左右的水滴具有从100到200微米或更大些的尺寸。

如美国专利No.4，527，396中所讲的那样，由于原子能蒸汽透平排汽罩的几何形状所致，在流出的湿的蒸汽中产生了涡流。在弯管中产生了这种涡流，这就是大家所知道的二次气体形式，如上述专利在图1-5中所表示的那样，并且在有关说明书中加以说明。因此，原子能透平排汽罩由于在双相流体中引起了涡流将产生一种离心力场，使其具有离心分离器的作用，促使较重（较大）的水滴流动或漂移，通过气体相（蒸汽）并落在排汽罩的壁上。这种分离的程度取决于蒸汽流速，排汽罩几何形状（主要是弯曲半径）以及蒸汽的参数（压力、温度、性质）。考虑了所产生的离心力以及在典型的排汽条件下的阻力，已经计算出50微米或更大些的水滴对于蒸汽的相对速度将会产生抛射线，以致在最后一排叶片出口处的水份的20-30%将会落到排汽罩的内壁上。因此，考虑到上述水滴的分布情况，大多数尺寸大于50微米的水滴一定都被分离出来，并且现在都以水膜的形式出现在排汽罩的内壁上。这样，通过收集这些水膜就可以基本上消除由于水滴所引起的严重腐蚀，从而有利地改变了高压蒸汽透平排出蒸汽所产生的腐蚀程度。如果不去管它，排汽罩壁上的水膜就会在出口喷咀和排汽罩本身之间连接处再次被带入蒸汽流中，使水膜形成大的水滴。假设在稳定的状态下，水膜的再次被夹带将会产生一种最终的水滴尺寸分布和形式，而这个又在蒸汽罩以后产生特殊的腐蚀。

总之，透平排汽罩可以分离产生腐蚀的水份，使其以水膜的形式落在排汽罩内壁上。通过在高压透平排出蒸汽进入出口喷咀时将水膜再次夹带走以前把这些水膜移走，就可以使跨接管的腐蚀大大减轻，如果不是完全消除的话。利用这种概念所做的水份预分离器被称为“水膜夹带”型预分离器。

水膜夹带型预分离器的理论和原理已经得到了证实。比如在美国专利No.4，673，426中所讲的用于蒸汽透平排汽部分的预分离器已在1984年5～6月安装进行试验，该设备具有试验生产性能的措施可以利用化学追踪技术。在1984年9月～10月期间所进行的试验表明，将20%的水份分离出来的目标已经达到。不过，有充分的证据表明，这种预分离器能够分离出20%以上的水份，由于排水管和排水收集管道都与现有工厂的出水口和排水管道相连接，因此促使分离出来的水份暴涨，这就降低了预分离器的效率。此外，试验进行和取样的位置没有能够保证跟踪的完全和均匀的混合，对于排水管中分离水的暴涨也没有想办法克服。尽管在跟踪混合和集水暴涨问题都会降低计算系统的效率，这个预分离器还是分离出了整个夹带的水份的20%，达到了预期的目标。既有趣又重要的一点是试验结果表明，各个排水管的流量有明显的区别，这是一种不希望出现的现象，这是因为蒸汽-水混合物在透平排汽罩内的弯曲通道中所产生的局部涡流所致。

这种完全在透平机内的预分离器没有增加排汽压力损失，如热负荷试验所确认的那样，因此符合了设计指标。

在另外一个装置中也使用了上述这样的在透平机内的预分离器，所不同的是该预分离器是安装在透平底部的输送管道上，它已将椭圆（obround）形排汽管改为圆截面的跨接管。这样就可以使分离水“收集箱”的体积增加，超过前面所讲的系统，因此可以使用较少的排水管来将收集到的水份送至现有的收集箱中。体积较大的“收集箱”就可以保持足够的水量以便产生必要的压力水头使水进入排水管中，而不必担心预分离器外溢。这样，在该装置上，预分离器收集箱的停留时间就比前面那个装置上的停留时间长些，同时还不会因为跨接管几何尺寸减小而增加蒸汽的压降。虽然试验结果并不是最后的，同时试验过程也不很精确，公用事业公司已报告说，90%的水被去除了。这一数据可能是有些乐观，不过，很明显，基于这两个装置，可以说预分离器收集水膜的理论和实践是建立在完全可靠的原理之上的。

因此，本发明的目的就是要提供一种水份预分离器，它可以容易地安装到现有的透平机上，这些透平机原来没有装设分离器。为了达到这一目的，本发明是在蒸汽透平机的排汽部分装一个水份预分离器，它包括一个具有壁的排汽罩及一个从排汽罩壁穿过的排汽咀，该排汽咀一端是一个环状壁，上述预分离器的特征是：

有一个第一圆柱形导管固定在上述的环状壁上，其间是密封的，上述第一个圆柱形导管在靠近上述环状壁的地方有一个径向外伸的部分，并且这一圆柱形壁的直径大于上述环状壁的直径，这一圆柱形壁是由上述径向外伸部分伸出的;

在上述第一个圆柱形导管的圆柱形壁上有排水管，用来将水排出;

第二个圆柱形导管同心地安装在上述第一个圆柱形导管之中，它有一个入口端和一个出口端，入口端与上述排汽咀的环状壁之间有一间距，从而在第一个和第二个圆柱形导管之间形成了第一个集水室;

在第一个和第二个圆柱形导管之间装有定位装置，它横着装在上述第一个集水室中以保持上述两个圆柱形导管之间的同心关系;

第三个圆柱形导管，它滑动配合地装在上述第二个圆柱形导管之中，并且伸入上述的排汽咀中，在上述第三个圆柱形导管与上述排汽咀之间形成了第二个集水室，上述第二个集水室与上述第一个集水室直接连通;以及

在上述第一个和第二个圆柱形导管之间有一个底板将上述第一个集水室的下部密封起来，这样，从上述排汽罩壁上流下来的大部分水都流入上述第二个集水室中，然后直接流入上述第一个集水室中，再通过上述排水管排出去。

其好处是，第三个圆柱形导管与第二个圆柱形导管之间是滑动配合的，因而它的上端可以相对于排汽罩壁准确地定位。为了使第三个圆柱形导管的上端与排汽罩内壁之间保持所要求的更准确的间距，在这一导管的端部可以装以流向导板，这些导向板在径向外伸到内壁上，或者是将第三个圆柱形导管的上端做成喇叭口形。

通过参照附图对一个推荐实施例的说明，本发明的内容可以更加明白，这里只是举例来说明本发明。

图1所示是高压蒸汽透平机排汽部分的局部剖面图;

图2所示是高压蒸汽透平机排汽咀部分的剖面图，表示本发明的水份预分离器在排汽咀内安装的位置;

图3所示是图2中圆圈Ⅲ部分的剖面图，这一水份预分离器实施例具有一个环形件作为第一个圆柱形导管的径向外伸部分，图上示出水汽流向第一个集水室的流向。

图4所示是本发明的水份预分离器在安装到高压蒸汽透平机的排汽咀中以前的剖面图;

图5所示是本发明的水份预分离器所采用的另一种第三个圆柱形导管的透视图，在这种预分离器的上部具有偏斜装置;

图6所示是图5中的本发明的水份预分离器上所安装的第三个圆柱形导管的局部剖面图;

图7所示是图6中的那样的一对水份预分离器的局部剖面图，这一对分离器安装在高压蒸汽透平机的一对排汽咀中;

图8所示是安装在具有垂直排汽咀的高压蒸汽透平机上的本发明的水份预分离器的剖面图。

高压蒸汽透平机3的一种典型的排汽部分1示于图1中。这个排汽部分1具有一个排汽罩5，罩里面是一个排汽室7。排汽罩5具有一个壁9，在这个壁上具有一个排汽咀11，而在排汽咀上装有一个排汽管13。一般来说，蒸汽透平是以中心线15相对称的。图1中的壁9是剖开的，以表示排汽室7部分，而排汽咀11也是用剖面图来表示，这样可以更加明显地示出高压蒸汽流经排汽咀11时的典型路线。蒸汽透平3中的一部分蒸汽流用箭头5来表示。流入的大部分蒸汽是沿着罩壁9的外腔流动，如箭头S所示。由于排汽咀11的位置以及箭头S所示的蒸汽流向的缘故，流入排汽管13中的汽流将会偏斜，从而在排汽咀11的某些部位上，汽流转向的速度要比另外一些部件大一些。当一个气流改变其流动方向，拐弯、转向的时候，转弯内半径处的流动速度要比转弯外半径处高一些。这种包含两个螺旋的二次气流的大小将随流体的转弯速度而变化，这在美国专利No.4，527，396中已经讨论过。从图1中可以看到，排汽咀那里有两个区17a，17b，它和弯管的情况相同，使蒸汽流产生比排汽咀11附近其他部位更陡的转弯。在17a区域的蒸汽流要特别讲一讲，因为在一特定区域中的蒸汽流是被迫转弯的，它转弯的陡度要比17b区域大一些。其原因，尤其是对图1所示的特定例子来说，是在于从透平机3的中心线15流向排汽咀11的大部分蒸汽可以以比较直的路线流过中心线15，而经17a区域向下流动的蒸汽被迫产生比较陡的转弯或改变方向以便进入排汽咀11。因此，可以预料到，流经17a区域的蒸汽流将会产生比较大的二次气流的双螺旋。螺旋二次汽流的确切位置和方向将取决于透平机排汽咀11的形状、高压蒸汽的流速，重力和阻力的相对影响，相邻蒸汽流的影响以及其他物理参数。蒸汽从排汽咀11流出以后，在箭头E所指的总方向，经排汽管流向水份分离器再加热器（图上未示）的时候继续其螺旋二次气流。已经发现，除了上面所讲的二次气流以外，水份还会在壁9的内表面上聚集。

现在参看图2，图3和图4，用于蒸汽透平机23排汽部分21的水份预分离器19如图所示具有一个排汽罩25，罩着一个排汽室27，排汽室有一个壁29，上面有一个排汽咀31，排汽咀的一端是一个环状壁33。该水分预分离器19包括一个第一圆柱形导管35，它以密封的关系固定在排汽咀31的环状壁33上。第一个圆柱形导管35具有一个径向外伸的部分37与环状壁33相连接，另外还有一个圆柱壁部分39从那个径向外伸的部分37延伸下来。第一个圆柱形导管35的圆柱壁39具有一个直径d，它要比环状壁33的直径d′大一些。第二个圆柱形导管41同心地安装在第一个圆柱形导管35之中。第二个圆柱形导管41具有一个入口端43，它在轴向与排汽咀31的环状壁33保持一个间隙，此外，导管41还有一个出口端45，从而在第一个圆柱形导管35与第二个圆柱形导管41之间形成第一个集水室47。在第一个和第二个圆柱形导管（35和41）之间装有定位装置49，比如定位杆51以保持二者的同心关系，此外还具有排水管53，这些排水管有向上呈S形的形状以便进行水封，排水管装在第一个圆柱形导管35靠近底板57的地方，底板57将第一圆柱形导管35和第二圆柱形导管41所形成的集水室47的下部封闭起来，集在集水室47中的冷凝水可通过排水管排出。

在第二个圆柱形导管41中最好设有一个第三个圆柱形导管61靠近入口端43，这个第三个圆柱形导管的上端63伸入蒸汽透平机23排汽部分21的排汽咀31中，导管的下端65则伸到第二个圆柱形导管41的范围之中。在第三个圆柱形导管61的外表面69与排汽咀31的内表面71之间形成了第二个集水室67，而这个第二个集水室67与第一个环状集水室47直接相通。

如图3所示，当第三个圆柱形导管已经正确定位以后，即当导管的上端已经定好位置以后，就要将导管的下端65焊上，如图上73所示，以保证它固定在这个位置上。这样，如图3中箭头75所示，第三个圆柱形导管是可以滑动的，只有当它移动到所要求的准确位置以后才将其固定住。

如图所示，上述第一个圆柱形导管的径向外伸部分可以呈喇叭口状77（图2），通过一个伸长块79用焊接方法将其固定到上述排汽咀的环状壁33上，或者采取环状件83（图3），将其固定到排汽咀31的环状壁33上，此时可以通过一个法兰85用焊接方法焊到上述环状壁上，如87所示。

在第三个圆柱形导管61与第一个圆柱形导管35之间形成一个间隙89，从而使第二个集水室67和第一个集水室47可以直接相通。

在底板57上固定有一个跨接管91（图4），这里底板57用来将第一个环状集水室47的下部封闭起来。

第二个圆柱形导管41的内外直径很接近于排汽管31或移走的跨接管的尺寸，因此，只稍稍减小了蒸汽流所通过的截面。第二个圆柱形导管41的入口端43不伸到排汽咀31的环状壁33中去，也就是说，第二个圆柱形导管要比原来的跨接管或排汽管短一些。这样就在第一个、第二个和第三个圆柱形导管（35、41和61）的上部组合上形成一个开孔或间隙89，使收集到的冷凝水能够直接从排汽罩29的内壁直接流入第二个集水室67，再流入第一个集水室47中。同时，较短的第二个圆柱形导管41还为焊接提供了方便，当把这一组合体焊到透平机排汽咀的环状壁33上的时候可以接近焊接部分的背面。

第三个圆柱形导管61的外径与第二个圆柱形导管41的内径是滑动配合的，并且伸到透平机排汽咀31中一段适当的距离，从而形成一个挡墙来阻止排汽罩外壁29内表面上的水膜。第三个圆柱形导管61的尺寸使它与第二个圆柱形导管41的内径相配合，形成第二个集水室67。第二个环状集水室67用作一个通道，将透平机排汽罩内壁29上挡截下来的水膜引入第一个集水室47中去。第三个圆柱形导管61和第二个圆柱形导管41之间有足够的滑动接触面，因此可以调整第三个圆柱形导管的轴向位置，使之能够正好适于阻挡水膜，同时又能与第二个圆柱形导管41保持足够的接触长度以便进行焊接。这种调整特点可以适应各种排汽咀和透平机在尺寸上的变化。

第二个集水室67的典型宽度大约是 1/2 英寸。对于厚度为 1/2 英寸的典型的第三个圆柱形导管61来说，蒸汽通过第三个圆柱形导管61的流通截面大约要减小11%（在透平机排汽咀31的内径为36英寸的情况下）。在第三个圆柱形导管61这么短的长度上截面的这种减小实质上对于因为蒸汽流加速/减速而产生的蒸汽压力降的增加没有什么影响。蒸汽通过第三个圆柱形导管61的截面的减小约为5%。这对蒸汽压力降所产生的影响是微不足道的。

在预定的最大操作条件下，通过第二个集水室67的去抹汽凝水的典型速度是按照略大于1呎/秒计算的，这一数值大大低于使排水管中流体达到饱和（充满）地步的速度2呎/秒。此外，由阻挡水膜而得到的压力恢复是按照大于所需数值计算的，以防止冷凝水从透平机排汽内壁29经第二个集水室67流入第一个集水室47的时候出现暴涨现象。

在图5-7所示的水份预分离器的实施例中，第三个圆柱形导管61在其上端63有一个流向引导装置93，比如一个向外伸的流向引导板95，这一板是用如焊接等类方法固定的。

流向引导装置93是用在排汽咀31处，当排汽室壁29的表面形状要求第三圆柱形导管61的上端63加工成一种精确但又不规律的形状，以便在第三个圆柱形导管61与壁29之间，在排汽咀上面开口的周边都形成一个适当的间隙（大约3/4英寸）的时候就要用引导装置。采用流向引导装置93就可在所有各个部位上与透平机排汽室壁29形成一个具有一定形状的入口，在靠近排汽咀的地方水膜是在非垂直方向流动（对于排汽咀31来说）。这种流向引导装置93的功能就是捕捉壁29上的水膜，并将水膜引入第二个集水室67中去，防止水膜在流到排汽咀31的时候离开壁29。否则，水膜就会离开壁29并且再被带到蒸汽流的主流中去。

图2-7所示的水份预分离器用在蒸汽透平机上，它的排汽咀31位置与蒸汽透平中心线相交一个角度。如图6所示，第一个圆柱形导管的上部99以及第二个圆柱形导管的上部101可以与上述这些脊艿钠溆嗖糠殖室桓鼋嵌纫员阌肱牌?5中的排汽咀31相连接，而上述的其余部分大体上是垂直布置的。本发明的水份预分离器也可以用一个垂直布置的排汽咀31′，如图8所示。从图上可以看到，第三个圆柱形导管61具有一个喇叭口形的上端103，垂直向上而终止在105上的一个位置上，以便在105这一点与排汽罩25′靠近排汽咀31′的内壁109之间形成一个间隙107。

在本水份预分离器中，由于第一个集水室47是在透平机排汽部分21以外，所以在收集体积尺寸方面所受的限制很小。典型的收集体积可以按照至少停滞4秒钟来考虑，而集水室的环状流动面积大小可以按照一般只需有2-3个尺寸为4-6英寸的排水管来为这一设备进行排水来考虑。采用大约2英寸宽的第一集水室47对所有可能的用户来说都能满足上述的要求条件，第一个集水室47是在第二个圆柱形导管41外表面与第一个圆柱形导管35的内表面之间形成的，这个第一集水室的长度约为4-5呎。此外，排水管53之间的关系（方位）并不很严格，因为第一个集水室47体积加大以后就为防止预分离的溢流提供了更大的余量，这种溢流是由于第一个集水室中水位变化很大所引起的水流压力不平衡。所以，尽管在实践中希望将排水管均匀分布在预分离器的周围，不均匀配置这些排水管也是允许的。

预分离器主要是想用到现有的原子能透平机上。因此，排水管所需数目、规格和其位置就将成为影响安装费用和时间的主要因素，因为这些排水管都必须与现有车间的管线和结构连成一个系统。美国专利No.4，673，426中所讲的那种在透平机内的预分离器，由于冷凝水收集体积小，再加上排水孔距离去抹器入口很近，所以在防止蒸汽分流方面的余量不大。本发明的预分离器解决这个问题的办法是将排水孔55设在第一个集水室47的底部，并且在排水管53上备有外管水封，（排水管向上呈S形）以确保在操作中这些排水孔都是封闭的，因此蒸汽不会溢出。

安装本发明的预分离器不需要拆卸或大量加工高压透平机或排汽咀，并且具有较好的汽流路线和集水室以便收集从蒸汽分离出来的冷凝水。另外，对于通常遇到的其他应用条件，本发明的结构还可以使用较少的排水管从预分离器接至集水管的水箱上。

Claims (6)

1、一种水份预分离器，它可以容易地安装到本来没有装分离器的现有透平机上，本发明的目的就在于提供一种用于蒸汽透平机(23)排汽部分(21)的水份预分离器(19)，该分离器包括一个具有壁的排汽罩(25)和一个通过排汽罩的排汽咀(31)，该排汽咀(31)的端部是一个环状壁(33)，上述预分离器的特征是它具有：

第一个圆柱形导管(35)，它以密封的关系固定在上述环状壁(33)上，上述的第一个圆柱形导管(35)在靠近上述环状壁(33)的地方有一个径向外伸的部分(37)，圆柱形部分(39)的直径大于上述环状壁(33)的直径，该圆柱形部分是从上述径向外伸的部分(37)伸出来的；

在第一个圆柱形导管(35)的圆柱形部分(39)上有排水管(53)用来排水；

第二个圆柱形导管(41)同心地安装在上述第一个圆柱形导管(35)中，它具有一个入口端(43)和一个出口端(45)，入口端(43)与上述排汽咀(31)的环状壁(33)之间有一定间距，从而在上述的第一个和第二个圆柱形导管(35)之间形成了第一个集水室(47)；

在上述第一个和第二个圆柱形导管(35，41)之间的定位装置(49)横在上述的第一个集水室(47)中，使上述这两个圆柱形导管保持同心的关系；

第三个圆柱形导管(61)滑动地装在上述第二个圆柱形导管(41)之中，并伸入到上述的排汽咀(31)中，在上述第三个圆柱形导管(61)与上述排汽咀(31)之间形成了第二个集水室(67)，上述第二个集水室(67)与上述第一个集水室(47)直接连通；

在上述第一个和第二个圆柱形导管(35，41)之间有一个底板(57)将上述第一个集水室(47)封闭起来，这样，从上述排汽罩(25)壁(29)上流下来的大部分水都流入上述的第二个集水室(67)中，然后再直接流入上述的第一个集水室(47)中，最后通过上述排水管(53)排出。

2、按照权利要求1所述的水份预分离器，其特征在于：上述第一个圆柱形导管（35）的那个径向外伸部分（37）包括一个环状件（83），它固定在上述排汽咀（31）的环状壁（33）上。

3、按照权利要求1所述的水份预分离器，其特征在于：上述第一个圆柱形导管（35）的那个径向外伸部分（37）在靠近上述排汽咀（31）的环状壁（33）的地方，上述第一个圆柱形导管（35）具有一个喇叭形部分（77）。

4、按照权利要求1所述的水份预分离器，其特征在于：上述第三个圆柱形导管（61）的端部安装了一个流向导板（95），它伸到上述排汽咀中，这个流向导板向外伸向上述排汽咀附近的上述排汽罩的壁。

5、按照权利要求1所述的水份预分离器，其特征在于：上述第三个圆柱形导管（61）具有一个喇叭形的上端部分（103），它在上端向外伸向上述排汽咀（31）附近的上述排汽罩的壁（29）。

6、按照权利要求1所述的蒸汽透平机（23），其排汽咀（31）与上述蒸汽透平（23）中心线相交一个角度，其特征在于上述第一个和第二个圆柱形导管（35、41）具有同心的上面部分（99，101），而与上述第一个和第二个圆柱形导管（35，41）的其余部分呈一个角度，上述第一个和第二个导管的上述其余部分基本上是垂直的。

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