CN1041637A - 改进的预分离器疏水输送系统 - Google Patents

Abstract

禁止汽轮机系统中预分离器疏水液体扩容的装置，它包括一台抽出器型式的泵(102)，用于泵送从收集罐(14)和水分分离器疏水罐(20)之间的排汽分离出的液体。抽出器(102)实现泵送及冷却液体的双重功能，以提供在液温及扩容点之间较大的差值。该装置包括防止收集罐溢流和排空的控制装置。

Description

本发明涉及到汽轮机，特别涉及到改进将预分离器冷凝水从疏水收集罐输送到水份分离器再热器疏水罐的效率的装置。

为了除去经过排汽系统的汽流中挟带的液体，预分离器的效用是众所周知的。在核电站中，如果不装设预分离器，用称为下连通管的一些排汽管，将高压汽轮机的出口与一个或多个水份分离器或者水份分离器再热器连接，这些排汽管将受到严重的浸蚀损坏。在几个出版物中，已经充分地解释了这种浸蚀。尤其是授予Silvestri并转让给西屋公司的美国4527396号专利，公开了一种水份预分离器，用来从汽轮机排汽管路内流动湿蒸汽的气流中除去造成浸蚀的液体。那个发明是一个较大的方案的一部分，用于除去在整个汽轮机排汽系统内流动的排汽中携带的液体，以减少在汽轮机中排汽管路的浸蚀，如Silvestri和Draper并转让给美国西屋电气公司的美国第4622819号专利所述。一种瑞士的水份预分离器设计也揭示了由于离开高压汽轮机的蒸汽的水含量造成腐蚀的问题，并在Von    Boekn，Hutton和Patrick，ASME1984年合办的发电联席会议第84-JPGC-PWR-30“水份分离器和通过安装水份预分离器循环效率的改善”文中已作叙述。

从排汽系统分离出来水份，一般首先被输送到一个收集罐，然后被输送到一个水份分离器再热器收集罐。将水份预分离器加入到现有汽轮机系统的一个主要问题是避免在水份分离器再热器中分离器级的疏水系统中的扰动。已经发现，通常其位置接近于汽轮机排汽口的水份预分离器的工作压力比来自水份分离器再热器的疏水管路的压力高。其压差约为汽轮机排汽压力的2-3%。也有证据说明，在预分离器水收集段内，预分离器内壁和排汽喉部之间，或和下连通管壁之间，蒸汽速度恢复为压力。这种现象能够使压差增加到汽轮机排汽压力的4%。

给定在预分离器疏水和水份分离器再热器（MSR）疏水之间的压差为2-4%，预分离器疏水收集罐至水份分离器再热器疏水罐的直接连接会导致扩容，并会削弱MSR的排水能力，也就是，随着排放液体体积增加，汽袋可以阻塞疏水管道，并因此减少排汽流量。依照汽袋形成和消失，排出液体的膨胀和收缩在系统的硬件上形成气蚀和严重的机械应力。当在预分离器系统的疏水中发生扩容时，可以由MSR疏水罐的液位波动幅值的强大检测到。

解决扩容问题一个方法是省去来自预分离器的疏水管路的保温材料，以降低水温，并有希望降低在MSR疏水罐处的压差。然而此方法在总体上并不是有效的，这是因为尽管减少或限制了保温，已观察到增大了的MSR疏水罐液面的波动幅度接近于高位汽轮机系统跳闸整定值。还有，此方法经济上是不利的，即对设备热效率起了消极作用并增大了电厂冷却和通风系统中的负荷。

在一些汽轮机系统中，把液体从预分离器疏水收集罐输送到MSR疏水罐是不可行的，在这种系统中MSR疏水罐可以设置在预分离器收集罐上方。预分离器疏水通常饱含蒸汽。如果水向上流动，2-4%的压差会导致扩容。再者，MSR可能具有罐位控制系统，诸如在疏水管路中的一个阀门;将预分离器疏出的液体输送进MSR出口疏水管将使阀门变得无效。在这种结构中，另一方法是将液体从预分离器罐输送到带有水位控制的并与加热器相连的一个加热器，这需要在该加热器壁上开一个孔并焊接一个接管座。然而，压力容器法规和NRC规则极可能要求进行焊缝X射线检验和加热器水压试验。这些工艺过程花费很大且往往是不可行的。

因而本发明的主要目的是提供一种用于将液体从预分离器疏水输送到MSR而没有扩容的危险的有效和经济的方法及装置。并且这种方法和装置适用于涉及水份预分离器疏水的改造安装的改造应用中。

以此为目的，本发明为在汽轮机系统中采用一种水份预分离器疏水系统来防止汽轮机排汽和至少一个水份分离器疏水罐之间的排汽管路浸蚀。上述疏水系统包括通向一个收集罐的疏水管路，收集罐用于收集从汽轮机排汽室引出的蒸汽中由预分离器除去的疏放液体，收集罐为水份分离器疏水罐的上游，上述系统包括一个用于预分离器疏水液体引出收集罐的防止扩容的装置，其特征为在收集罐和水份分离器疏水罐之间设有抽出器，用于从收集罐抽吸液体;一个与上述抽出器相连的运动流体源，上述运动流体比收集罐中液体的温度低，而比收集罐中液体的压力高;第一管路设施用于把液体从收集罐输送到上述抽出器;第二管路设施用于把从上述抽出器排出的液体输送到水份分离器疏水罐;和包括用于将上述运动流体控制进入上述抽出器的控制设备。

该抽出器根据文杜里原理工作，起着一种泵的作用，以提高液体的压力和进一步冷却液体。运动液体使取自一台或多台汽轮机给水加热器排出的凝结水加压;加压后的加热器凝结水通常比收集罐的水冷。抽出器将凝结水与收集罐的水混合，从而产生比收集罐的水温度低5-10℃的抽出器排出水。在出现扩容的危险以前较冷的抽出器排出水现在可以承受非常大的压力降，为汽轮机排汽压力的13-20%。

用于预分离器疏水的收集罐设有一个伸出罐内壁的排出管路，以维持最低水位，这样又使分离器疏水入口浸于水下。这种结构防止蒸汽往下流进预分离器疏水管路。为了提供防止收集罐和排放管之间的管路中扩容的额外的裕度，该系统还将小量的加热器凝结水喷洒进收集罐中，以稍微冷却疏水。

本发明的好处包括：与传统的疏水系统的出力损失相比，设备综合热效率提高;传统系统没有抽出器且在排放管上为了使来自预分离器的疏水冷却，将保温材料除去。另一个好处是减小了收集器疏水罐下游的预分离器管路系统的尺寸。没有抽出器的传统系统需要疏水管路的直径为12-16英寸，以防止扩容。反之用了抽出器，疏水管路直径可以减小到6英寸，使购置和安装预分离器系统的费用明显地节省。

本发明从以下仅作为举例示出的一个较佳实施例的叙述，将变得更为容易明白，在附图中：

图1是一种汽轮机中至水份分离器再热器疏水罐的传统预分离器疏水输送系统的一张简单示意图;

图2是一个可以和本发明一起用的一种形式的抽出器的横断面图，示出运动和抽吸流体的方向、进入、混合、压缩和排出;

图3是改进后的预分离器疏水输送系统的一张简示图，包括有本发明的叙述内容;

图4是两种抽出器的特性数据在工作范围内比较NPSH-5效率因数的关系曲线图;和

图5是与本发明一起用的收集罐和疏水管路结构、抽出器的进口的平面图。

图1简单地示出核汽轮机系统中的水份预分离器疏水系统10的一种典型装置。由饱含水份的排汽中分离出的液体从汽轮机排汽喷口12排出并送进一个收集罐14。一般，一台高压汽轮机至少会具有二个排汽喷管或喷口12，每个喷管或喷口将具有多个预分离出口喷管12的液体，通过一个或多个疏水管路13排进收集罐14。收集罐14设有一个孔口16，通过该孔口瞬时间形成的蒸汽，经过排放口管路15和排汽管路17，被传送到第二处给水加热器18。图例的系统包括多个成对的水份分离器再热器（MSR）19。经过各种蒸汽管路和连通管21，接收来自喷管12的排汽。

预分离器液体从收集罐14输送进水份分离器再热器疏水罐20，进入罐的液流受一个逆止阀22控制。

本发明抽出器部分102的简示图表示在图2中，抽出器依熟知的文杜里效应、伯努利定律的推论工作。抽出器102具有一个设有喷管110的喷管端部104;运动的流体用箭头V₁表示，通过喷管110朝着扩压器116喷进抽出器102。该运动流体是从一个或多个加热器排出的高压凝结水（未示出）。预分离器收集罐疏水或进水，用箭头VS表示，由运动液体通过在本体112中的喷管端104的入口114，吸入到抽出器102中。运动流体和抽吸液体与扩压器116中卷段118中发生动量交换，其中，本体112渐渐缩小成一个窄的喉部120。汇合的流体通过该吸入断面118的流动用箭头Vn表示。在喉部断面120中，用箭头Vt表示的汇合的液流已达到公共的速度，即运动流体已经减慢了，而吸入流体已加速。抽出器102最后的断面124到出口126具有一个比喉部120大的倒锥形。在这最后的断面124中，混合后的液体的速度相应地减小。出口126排出混合后的液体用箭头V₂表示，在低于吸入液体Vs的温度，高于Vs的压下进入管路140′。在抽出器发生抽吸流体和运动流体之间的动量转换，且在运动流体V₁和抽吸流体Vs之间实现热量和压力交换，从而大大地减少抽出器102出口扩容的危险。

图3是一个体现发明叙述内容的水预分离器疏水系统的流程图。除了抽出器系统的介绍以外，全部与图1中的相同。抽出器102出现在收集罐14′和逆止阀22′之间的线路中。运动流体V₁来自高压水源，如图中所示的一台泵100;不过，如下面要讨论的，在一个汽轮机系统中，可以得到足够压力和温度的其他流体源。

抽出器102入口，运动流体V₁的流动用两个阀门进行控制，控制阀门132紧跟在截止阀130之后。阀门130和132根据收集罐14′（见图5中水位控制器或传感器150）中的水位进行控制。一个控制器134操作阀门130和132，以保持罐14′中所要求的水位。选择好水位防止罐溢流，以使水不返回进排汽系统，且防止水位变得太低以致蒸汽引入分离器系统。最好，V₁从与别的加热器疏水串联的一台加热器主凝结水排出管分接，或从一台加热器排出并泵送致另一台加热器（替代泵100）疏水前面引来。在两种情况下，加热器出口具有的水压升头将超过预分离器收集罐液体的压头。加热器排水在任何情况下都需要正常的泵送到它的下一目标，第二处加热器。分流一些加热器排水用作抽出器的运动流体，造成非常小的相应的功率损失，损失的功率比由整个电厂的其他部件上减小的需求量补偿的功率要多，这在下文公开的内容中，将变得更为明了。

图4画出两种型式抽出器在不同的净正吸水头（NPSH）水平和效率因数时的特性。抽出器的性能数据取自于Karassik，Kru-tzch，Fraser和Messina泵手册（MCGraw-Hill，1976）。按照其中发表的数据，一磅的运动流体可以泵即3.5至6磅抽吸流体，这取决于抽出器处的相应的压力。从这些数据计算出，运动流体、来自一个或多个汽轮机加热器的加压凝结水V₁与预分离器疏水收集罐液体Vs相混合，使抽出器的水V₂比收集罐液体温度低5-10℃。出口126处的V₂排水在扩容前，可以经受13-21%压力降。

图5示出设有向上伸到罐14′中的排放管140的收集罐14′，以保持水位142在足够的高度，允许通过孔口13′，将疏水管13入口浸没。本发明的这种特点将防止不希望的蒸汽向下流到疏水管13。在罐14′顶部处示出一个小出口管144，出口管连通到下流跨接管（未示出）。传感器150传感水位142，并通过用于控制流进抽出器102的运动流体V₁流动的控制器134起动控制阀门132。

本发明的另一个特点包括将少量的加热器排出冷凝结水喷入收集罐14′，以稍微预冷疏水管路13，从而为收集罐14′和抽出器102之间的排出管140中防止扩容提供额外的裕度。这种喷雾作用可以从运动流体源，即泵100，通过将控制阀146连接到罐14′获得。喷头148可以定位在罐14′中，并由水管路149连到阀146。由本发明产生的计算机压差，正扣在本文中指出的，是以通过使用这种喷雾使预分离器疏水收集罐14′容积的饱和压力下降0.35Kg/cm²为基础的。

如前所述，将本发明并入一个现有的核动力的汽轮发电机系统，将会造成发电机系统的小的功率输出损失。损失的大小随加热器疏水结构、运动流体源的压力、来自抽出器收集罐水压力的排出压力和MSR疏水罐静压力不同而变化。在将28kg/cm²的运动流体用于一个将所有加热器疏水串联的循环中的一个加热器凝结水的系统中，从1154745千瓦总出力中计算得出力损失在117千瓦和200千瓦之间。对于一个不同的循环结构，其中加热器泵送一个或多个其他加热器的排出水前面，其损失为29和34千瓦之间。这些损失对于一个没有抽出器，依靠省略去疏水管路中的保温，以冷却预分离器疏水管路的传统疏水系统情况，损失出力106千瓦相比，是可以忽略的。就传统系统的出力损失计算，对因设备通风和由于疏水管路无保温造成散热引起的冷却所增加的负载，该计算尚为乐观，且不考虑效率损失和与水份分离器再热器系统中扩容有关的其他问题的费用，而传统疏水系统是不能有效地防止扩容的。

前面的计算假定抽出器的机械效率为25-30%，新研究的抽出器表明机械效率近似为40%。因此，在本发明中由于采用改进的抽出器，可以使功率损失更小，以及由于减少了需要的运动流体量，使系统特性范围增大。

本发明的另一个好处是对现有设备通风和冷却系统具有很小的影响（如果有的话）。相反，正如前面所介绍的，用传统的没有抽出器的疏水系统的预分离器对邻近预分离器的地区的通风系统提出了额外要求。而在一些现有的设备的通风系统并不具有增加热负荷的能力。

本发明再有的重要好处是减小了收集罐14′的出口预分离器疏水管142下游的尺寸。为了防止扩容，不设抽出器102，则要求其直径为30-40Cm;设抽出器102，则管142的直径可以减小到15cm。这使得整个预分离器系统，在设备和安装方面的费用大大节省。

最后，发明的主题使预分离器除去水份的效率能在宽广范围中有效。例如，典型的现在用来作为疏水管路的30-40cm的疏水管，预分离器效率接近除去汽轮机总的排汽水份的35%。即使水份除去达到更高水平，抽出器系统也更容易被采用，以适应传统疏水系统中这种改进。

在附图中示出的示意图是典型的情况，并不排除在预分离器疏水系统中采用一个抽出器的另一种结构的可能性。有一些需要抽出器直接连接到预分离器疏水管路的情况，例如，转叶弯头-预分离器联合体可安装在地平面，它到收集罐的预分离器疏水管路是上行的。在这种结构中，扩容是不可能避免的。排放问题使在设备运行和性能方面产生一种有害的作用。根据本发明，通过在收集罐的疏水管路上游装设抽出器，可以消除这种型式的排放问题。

Claims (5)

1、一个汽轮机系统，为了防止排汽管(13、140)浸蚀，在汽轮机排汽口(12)和至少一个水份分离器疏水罐(20)之间采用一个水份预分离器疏水系统(10)，上述疏水系统(10)包括通到收集罐(14)的疏水管路(13)，收集罐(14)用于从汽轮机排汽口(12)的蒸汽中收集被除掉的预分离器疏水液体；收集罐(14)是在水份分离器疏水罐(20)的上游；上述系统包括离开收集罐(14)的预分离器疏水液体的防扩容装置，其特征为：

设置在收集罐(14)和水份分离器疏水罐(20)之间的抽出器(102)，用于抽吸来自收集罐(14)的液体；

连接到上述抽出器(102)的运动流体源(100)，上述运动流体比收集罐(14)中的液体温度低、压力高；

第一管道装置(13、140)，用于将液体从收集罐(14)输送到上述抽出器(102)；

第二管道装置(140′)，用于将液体从上述抽出器(102)输送到水份分离器疏水罐(20)；和

控制装置(130，132，150)，用于控制进入上述抽出器(102)的上述运动流体的流动。

2、根据权利要求1的一个系统，其特征在于上述控制装置包括：

连接在上述运动流体源（100）和上述抽出器（102）之间的流体控制阀（132）;

在收集罐（14）内的传感器装置（150），用于检测收集罐（14）内的液体的液位;和

与上述传感器装置（150）连接并对其响应的装置，用于对上述流体控制阀（132）进行控制。

3、根据权利要求2的一个系统，其特征在于上述控制装置进一步包括一个与上述流体控制阀（132）串联布置的截流阀（130）。

4、根据权利要求1或2的一个系统，其特征在于进一步包括喷雾装置（148），用于向收集罐（14）喷入的冷却液体，对进入上述罐（14）的上述预分离器疏水液体进行预冷却。

5、根据权利要求4的一个系统，其特征在于上述第一管道装置（140）向上伸进收集罐（14）内，以使经过上述第一管道装置（140）离开收集罐（14）的液体从超过任何开口的标高引出，通过这些开口疏水管路（13）进入收集罐（14），这样就将预分离器疏出液体通过收集罐（14）的入口浸没，避免蒸汽返回进疏水管路（13）。

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