CN107376519A - 适用于低压汽水分离的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于低压汽水分离的系统及方法，包括：由上而下依次设置于壳体内部的缓冲腔、分离腔和疏水腔，其中：分离器腔内依次设有丝网分离系统和流量均布筒，壳体侧面设有蒸汽出口；流量均布筒的筒壁部分内设有用于汽液分离均流的非均一式折流板，筒腔部分内水平设有用于分离及导流稳压的均一式折流板。本发明采用多级分步的核心理念来实现低温低压蒸汽的优化分离，通过系统集成的方法结合先进的汽液分离技术，以较低的代价实现高效的汽液分离，并满足进入汽轮机蒸汽的湿度要求。

Description

适用于低压汽水分离的系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种工业富余低压蒸汽领域的技术，具体是一种应用于低压蒸汽进汽轮机前的汽水分离过程的系统及方法。

背景技术

在一些工业领域中存在较多的低温低压余热蒸汽资源，但由于其能量品位较低，可用性不高，导致大量排空而造成浪费。随着国家节能减排政策的推行和企业节能意识的提高，一种采用低温低压余热蒸汽进行发电的工艺方法正稳步推广，利用膨胀机将热能转化为电能，在此过程中，可以结合有机朗肯循环，或者是直接采用低压蒸汽朗肯循环，由于有机朗肯循环存在二次换热及有机工质泄露等问题，直接采用该蒸汽推动膨胀机发电具有更高的能量利用效率和可靠性。考虑到低温低压蒸汽品位较低，汽液分离过程不宜有太大压降损失，且蒸汽做功时基本属于靠近末级部分的叶片，液滴对叶片的侵蚀作用明显，提高汽液分离效率对于保证透平式膨胀机的安全十分关键，因此，需要优先考虑低阻力及高效特性的分离方式，但又必须考虑到传统公路运输及安装尺寸的限制，也有必要对其结构进行紧凑式设计。

发明内容

本发明针对现有技术中分离效率有限、应用的蒸汽参数较高、分离器阻力较大，且并没有针对低压高流量的蒸汽分离器等缺陷，提出一种适用于低压汽水分离的系统及方法，采用初级均流技术即通过入口汽流均布装置中的圆筒形流量均布结构、筒壁及底部设有大量直径约5～10mm的圆孔以匹配较高速度要求的分离器，采用二次均流技术，即通过由不同带勾型式及折板间距组成的流量均布筒结构来匹配较低流速要求的分离器，实现流量均布与速度的匹配；最终实现低温低压蒸汽的优化分离，通过系统集成的方法结合先进的汽液分离技术，以较低的代价实现高效的汽液分离，并满足进入汽轮机蒸汽的湿度要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种适用于低压汽水分离的系统，包括：由上而下依次设置于壳体内部的缓冲腔、分离腔和疏水腔，其中：分离器腔内依次设有丝网分离系统和流量均布筒，壳体侧面设有蒸汽出口。

所述的缓冲腔、分离腔和疏水腔之间均设有隔板，且缓冲腔出口接分离腔中流量均布筒入口，分离腔中疏水管接疏水腔入口。

为了确保出口流量的一致性，所述的流量均布筒采用偏心布筒方式，其中轴与壳体内部中轴之间偏离的距离需视分离腔及流量大小而定，通常在0.2～0.5m，且偏离方向为远离侧方出口一侧，通过偏心和预留面积的组合设计方式，可有效控制靠近出口处短路引起的流量分配不均问题。

所述的预留面积是指：丝网分离系统中正对蒸汽出口处的丝网模块靠近出口侧上设有一块钢板覆盖以增加阻力，钢板与丝网表面间距以0.01m左右为宜。

所述的缓冲腔内优选设有入口汽流均布装置，该入口汽流均布装置由网式流量均布罩组成，其结构为圆筒形，筒壁及底部设有若干直径约5～10mm的圆孔，其中圆筒底面开5mm圆孔，圆筒侧面开10mm圆孔，孔间距均以1.5倍孔径为宜，呈正三角形布置形式。

所述的流量均布筒的筒壁部分内设有用于汽液分离均流的非均一式折流板，筒腔部分内水平设有用于分离及导流稳压的均一式折流板，其中：非均一式折流板采用变间距的无勾折流板、单勾折流板以及双勾折流板；均一式折流板采用无勾折流板。

所述的筒壁部分的厚度，即非均一式折流板的宽度为130～250mm，折流板设计为由上到下的流通阻力逐步增加的形式且依次设置若干层无勾折流板、双勾折流板以及单勾折流板，其中逐层增加的阻力用以匹配筒内沿流量均布筒轴向的压力梯度变化，最终实现均布筒出口侧蒸汽流量的均布。

所述的折流板布置方式均为径向流动方式，折流次数以3～5次为主，具体视流速大小及流量而定。

所述的单勾折流板，优选其勾子方向朝流量均布筒的圆心方向。

所述的均一式折流板，优选通过沿流量均布筒的轴向截面设置八组支撑块实现无勾折流板与来流方向垂直布置，并且将流量均布筒内沿流动方向分隔为多个有效空间，在对主蒸汽流的径向分流效果的同时实现了各空间的逐级稳压均布作用。

所述的非均一式折流板优选通过圆钢串联起折流板，并将折板间相对位置固定，最后与丝网框架焊接固定。

所述的变间距的是指：由于折流板流量均布筒的筒腔部分的顶部和底部的总压差主要为入口蒸汽的动压，因此在折流板流通通道的阻力设计时，需将阻力设计为位于底部的单钩折流板比位于顶部的无勾折流板的流通阻力大一个入口蒸汽的动压值，即0.5ρv²，其中ρ为入口蒸汽的密度，v为入口蒸汽的平均流速，然后由下到上依据线性插值求出其它折流板通道的流通阻力，具体为：

无勾折流板阻力降ΔP₁＝0.7753V²+7.03V-8.81；

双勾折流板阻力降ΔP₂＝2.724V²+19.8V-24.29；

单勾折流板阻力降ΔP₃＝15.2V²-11.99V+30.1；

其中阻力降单位为Pa，V为进入折流板内的流速，单位为m/s；折流板阻力计算的标准间距，即流量均布筒最上方两无勾折流板的初始计算间距优选为18.8mm，可通过调整相邻折流板的间距得到相应的流速值，即在各流通通道内流量相当条件下满足：V＝Q/(d×S)，其中Q为各流通通道内的平均流量，单位为m³/s；d为相邻两折流板平行间距，单位为m；S为折流板流通面积宽度，单位为m。

所述的丝网分离系统包括：若干个以抽屉方式活动设置于框架内的模块化丝网单元、集液槽及疏水管，其中：集液槽设置于框架各丝网模块上底部，其左右两侧与丝网支撑框架焊接固定，主要由前后左右四边都带挡水折边钢板焊接组成，底板靠近筒壁外侧设有一下水孔，疏水管设置于各集液槽下部并与下水孔相连，另一端穿过疏水腔隔板，伸入到疏水腔内形成自流式疏水，疏水管管径依蒸汽含水率可选DN15～25大小，材质以不锈钢为佳。

所述的模块化丝网单元以同轴方式设置于折流板流量均布筒外，每个模块化丝网单元由两种网格孔径不一的若干层单片丝网层叠组成；层叠方式为5～8层细网丝再加上1～2层粗网丝组成一个层片单元，多组层片单元叠加组成最终一定厚度的丝网模块，其丝网网丝直径大小、丝网间距、丝网目数的选择依实际应用对象有所变化，但最通用的优选参数为丝网间距0.8～1mm，优选丝网目数则细丝采用0.12mm的80目，粗丝采用0.23mm的32目。相比常规单一粗细及无规则间距丝网，经过该优选方案后，同等条件下其汽液分离效率更高，阻力更小，这对于本对象为低压余热蒸汽的汽液分离，具有重要的实用价值。

所述的疏水腔底部设有疏水出口。

所述的蒸汽出口外部设有人孔门。

本发明涉及上述系统的低压汽水分离方法，包括以下步骤：

步骤1，将进口变径产生的流量偏离进行均布，实现后续均布调节的基础；

步骤2，采用不同带勾型式及折板间距组成的流量均布筒实现二次均流，不仅可分离较大颗粒的液滴，同时也能充分实现流量均布，减少额外的阻力损失，为后续二次优化分离打好基础；

步骤3，通过丝网对更细小颗粒液滴进行优化分离，由于速度均布良好，因此在变负荷时，通过丝网的各处分离速度更为均衡，同等提高或降低，因此具有更强的变负荷适应性，同时流速均在有效分离速度范围内，也具有更高的分离效率。

所述的流量均布筒设计方法是依据圆筒轴向沿汽流流动方向静压逐步升高的分布特性来进行设计计算，即折流板式流量均布筒通过提高高压端对应的流通通道阻力，降低低压端对应的流通通道阻力，以实现高压高阻、低压低阻的效果，采用该方法，不仅实现了轴向流量的均布，同时也提高了汽水分离效率。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过流量均布筒实现了流量均布，各处丝网均具有合理的流速，提高了汽液分离效率，整体脱除效率更高；使汽液分离器总分离负荷得到了提高，且在变负荷条件下的适应性得到了增强；采用低阻力的折流板分离及低阻高效的丝网布置形式，有利于汽液分离器系统阻力的进一步下降；模块化设计及应用独立疏水方式，大大减缓了丝网分离系统下端的二次携带及泛液问题，显著提高了下端丝网的汽液分离效率，促进了汽液分离器整体分离效率的提升；偏心及预留面积的组合设置使流量出流均匀性得到了提高。

附图说明

图1为本发明主剖面示意图；

图2为本发明外观结构图；

图中：A为主视图；B为俯视图；

图3为图2A的A-A剖面示意图；

图4为流量均布筒中三种折流板形式示意图；

图中：A为无勾折流板；B为单勾折流板；C为双勾折流板；

图5为折流式流量均布筒布置图；

图6为丝网分离系统中丝网组成结构示意图；

图7为实施例效果示意图；

图8为丝网对液滴质量分离效率模拟结果示意图；

图中：蒸汽进口1、入口汽流均布装置11、缓冲汽室12、汽室隔板13、网式流量均布罩14、流量均布筒2、折流板分离器3、丝网分离系统4、预留分离面积41、独立疏水装置42、蒸汽出口5、疏水腔6、疏水腔隔板61、疏水腔底座62、疏水出口63、汽液分离器壳体7、人孔门8。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中包括：蒸汽进口1、入口汽流均布装置11、缓冲汽室12、汽室隔板13、流量均布筒2、折流板分离器3、丝网分离系统4、预留分离面积41、独立疏水装置42、蒸汽出口5、疏水腔6、疏水腔隔板61、疏水腔底座62、疏水出口63、汽液分离器壳体7、人孔门8。

本装置具体工作过程如下：

含一定湿度的蒸汽流体以较高流速经由蒸汽进口1进入该汽水分离装置，然后进入入口汽流均布装置11进行初步均流，经均流装置11出口后进入缓冲汽室12，经初步缓冲后由缓冲汽室12出口进入流量均布筒2入口，带液滴汽流在垂直于来流方向的折流板分离器3的隔离及导流均布作用，将均布筒2的内部分隔为多个稳压空间，再配合流量均布筒2侧面不同疏密折流板及带单、双捕水勾的流量均布作用下分散到筒外，不仅可以脱除绝大部分汽流中的大颗粒液滴，同时可促进汽流均布，阻力小且可控，形成的疏水穿过由底部疏水腔隔板61进入疏水腔6，均布后的蒸汽流通过低阻高效的丝网分离系统4进行分离，形成的疏水通过独立疏水装置42进入疏水腔6，预留分离面积41的阻隔作用并配合均布筒2的偏心设计，可使分离后出流的蒸汽流具有较好的均布特性，最后，汽体经汽液分离后通过蒸汽出口5流出。

在分离的各流程中，该系统有效地结合多级分步的分离方式，并采用流量均布及降阻增效的方法，最终实现了低阻高效的汽液分离，完全满足了后续汽轮机对蒸汽干度的要求。

当流速范围在6～10m/s时，折流板分离器具有较高的分离效率，而丝网分离系统需要将流速进一步降至3～5m/s，才有最高的分离效率。另一方面，折流板相对中大型液滴的分离效果显著，而丝网分离系统则更适用于分离小液滴(<10μm)的情况，采用多级分步分离工艺有效将二者结合在一起，可以起到优势互补，实现分离效率的最大化。

如图6所示，所述的丝网分离系统4，采用一种全新的丝网布置方式，包括丝网网丝直径大小、丝网间距、丝网目数的选择均有特别设计，以期实现既能高效脱除，同时尽量降低该过程的流通阻力，这一点对于本对象为低压余热蒸汽的汽液分离，具有重要的实用价值。

本发明所采用的丝网分离系统4为模块化形式设计，以简化维护和更换，并有预留分离面积41以备变负荷要求进行调整。

所述的丝网分离系统安装结构方式为抽屉式，通过丝网分离系统4模块嵌套方式并采用插销固定于框架内，考虑到运行中可能存在的振动，增加预压紧的紧固件结构，独立疏水装置42与带折边的各小框架底面相连，以保证疏水不会泄露及溢出，并以分离模块各自独立管道方式自流进入疏水腔6，不会使分离器顶部疏水对分离器中下部丝网的分离产生影响，而这种影响在现有的丝网分离系统中普遍存在，也是引起汽液分离效率下降的一个重要原因。

为了实现各处丝网流速均满足其分离限速3～5m/s的要求，除了前述的多级折流板片隔离外，丝网与来流蒸汽间设置一流量均布筒，该均布筒主要以板间距更小、带单勾或双勾的波纹板实现，根据来流速度的大小，合理设置板间距及单、双勾形式，由上到下间距变小，捕水勾从无到有，由低到高。因此，通过阻力的增加，并配合前级折流板的导流作用，不仅实现筒外流量沿轴向的均布，折流板还具有>10μm液滴优化分离的另一层功效，采用流量均布筒是保证丝网前入流速度在其限速范围内的一个关键技术。

同时，由于丝网垂直布置，在上层丝网液滴分离后顺流而下进而影响到底层丝网液膜增厚，易引起泛液和二次携带，本发明将丝网模块化，并针对各模块采用独立疏水管疏水，这样就大大减缓了丝网分离系统下端的二次携带及泛液问题，显著提高了底层丝网的分离效率，而且也简化了丝网在更换和清洗时的维护难度。

如图7所示，本装置在在流量65t/h，压力0.2MPa(a)饱和蒸汽其原含水率约3％时，数值模拟结果表明，分离后汽水质量分离效率达到99.6％，根据双R分布特性可知，8μm及以上粒径的液滴完全分离，只有少量3μm以下液体残留，此时已不对汽轮机安全性能造成影响。

如图8所示，为不同折流板形式的试验数据，由图可见在相同速度及参数条件下，单勾折流板具有最高的阻力特性，无勾折流板则具有最小的阻力特性，双沟折流板介于二者之间。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种适用于低压汽水分离的系统，其特征在于，包括：由上而下依次设置于壳体内部的缓冲腔、分离腔和疏水腔，其中：分离器腔内依次设有丝网分离系统和流量均布筒，壳体侧面设有蒸汽出口；

所述的流量均布筒的筒壁部分内设有用于汽液分离均流的非均一式折流板，筒腔部分内水平设有用于分离及导流稳压的均一式折流板。

2.根据权利要求1所述的适用于低压汽水分离的系统，其特征是，所述的流量均布筒采用偏心布筒方式和预留面积的组合设计方式，控制靠近出口处短路引起的流量分配不均问题。

3.根据权利要求1所述的适用于低压汽水分离的系统，其特征是，所述的缓冲腔内设有入口汽流均布装置，该入口汽流均布装置由网式流量均布罩组成。

4.根据权利要求3所述的适用于低压汽水分离的系统，其特征是，所述的预留面积是指：丝网分离系统中正对蒸汽出口处的丝网模块靠近出口侧上设有一块钢板覆盖以增加阻力。

5.根据权利要求1所述的适用于低压汽水分离的系统，其特征是，所述的非均一式折流板采用变间距的无勾折流板、单勾折流板以及双勾折流板；均一式折流板采用无勾折流板。

6.根据权利要求5所述的适用于低压汽水分离的系统，其特征是，所述的单勾折流板，优选其勾子方向朝流量均布筒的圆心方向；

所述的均一式折流板，优选通过沿流量均布筒的轴向截面设置八组支撑块实现无勾折流板与来流方向垂直布置，并且将流量均布筒内沿流动方向分隔为多个有效空间；

所述的非均一式折流板优选通过圆钢串联起折流板，并将折板间相对位置固定，最后与丝网框架焊接固定。

7.根据权利要求5所述的适用于低压汽水分离的系统，其特征是，所述的变间距的是指：由于折流板流量均布筒的筒腔部分的顶部和底部的总压差主要为入口蒸汽的动压，因此在折流板流通通道的阻力设计时，需将阻力设计为位于底部的单钩折流板比位于顶部的无勾折流板的流通阻力大一个入口蒸汽的动压值，即0.5ρv²，其中ρ为入口蒸汽的密度，v为入口蒸汽的流速，然后由下到上依次等比例差值求出其它折流板通道的流通阻力，具体为：

无勾折流板阻力降ΔP₁＝0.7753V²+7.03V-8.81；

双勾折流板阻力降ΔP₂＝2.724V²+19.8V-24.29；

单勾折流板阻力降ΔP₃＝15.2V²-11.99V+30.1；

其中阻力降单位为Pa，V为进入折流板内的流速，单位为m/s；在各流通通道内流量相当条件下满足：V＝Q/(d×S)，其中Q为各流通通道内的平均流量，单位为m³/s；d为相邻两折流板平行间距，单位为m；S为折流板流通面积宽度，单位为m。

8.根据权利要求1所述的适用于低压汽水分离的系统，其特征是，所述的丝网分离系统包括：若干个以抽屉方式活动设置于框架内的模块化丝网单元、集液槽及疏水管，其中：集液槽设置于框架各丝网模块上底部，其左右两侧与丝网支撑框架焊接固定，疏水管设置于各集液槽下部并与下水孔相连，另一端穿过疏水腔隔板，伸入到疏水腔内形成自流式疏水。

9.根据权利要求8所述的适用于低压汽水分离的系统，其特征是，所述的模块化丝网单元以同轴方式设置于折流板流量均布筒外，每个模块化丝网单元由两种网格孔径不一的若干层单片丝网层叠组成。

10.一种根据上述任一权利要求所述系统的低压汽水分离方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将进口变径产生的流量偏离进行均布；

步骤2，采用不同带勾型式及折板间距组成的流量均布筒实现二次均流；

步骤3，通过丝网对更细小颗粒液滴进行优化分离，即将进出丝网分离器速度控制为分布均匀、大小匹配、流通阻力更小的适应丝网高效低阻分离的操作速度区间。