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Die Erfindung bezieht sich auf einen Zyklonabscheider zur Phasenseparation eines Mehrphasenfluidstroms mit einem im Wesentlichen um eine Mittelachse rotationssymmetrisch ausgestalteten, einen Hohlraum umschließenden Gehäuse, mit wenigstens einer Zufuhrleitung für den Fluidstrom, die für eine im Wesentlichen tangential zur Gehäuseinnenseite gerichtete Einströmung des Fluidstroms ausgelegt ist, und mit wenigstens einer Abfuhrleitung für den separierten gasförmigen Anteil des Fluidstroms. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Dampfturbinenanlage mit einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine und mit einem derartigen Zyklonabscheider. Sie bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Dampfturbinenanlage.
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Die
DE 11 96 219 A zeigt einen Zyklonabscheider zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms mit einem um eine Mittelachse rotationssymmetrisch ausgestalteten, einen Hohlraum
1,
2 umschließenden Gehäuse
1b,
2b, mit Zuführleitungen
1a,
2c für den Fluidstrom, die für eine tangential zur Gehäuseinnenseite gerichtete Einströmung des Fluidstroms ausgelegt ist, und mit Abfuhrleitungen
1g,
2g für den separierten gasförmigen Anteil des Fluidstroms, wobei der Hohlraum
1,
2 von der Mittelachse ausgehend in radialer Richtung gesehen einen Abströmraum
3 mit kreisförmigem Querschnitt und daran anschließend einen Heizraum
3a und einen Einströmraum mit jeweils kreisförmigen Querschnitt aufweist, wobei der Einströmraum nach außen durch das Gehäuse
1b,
2b begrenzt ist, wobei der Heizraum
3a Heizelemente
3b,
3c enthält (
1).
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In Kraftwerken, insbesondere Kernkraftwerken, in denen zur Energieerzeugung bzw. Energieumwandlung Dampf verwendet wird, werden gewöhnlich unterschiedliche Turbinen eingesetzt, die mit unterschiedlichem Dampfdruck arbeiten.
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Der in einem Kraftwerk erzeugte Frischdampf wird dabei beispielsweise in eine Hochdruckturbine geleitet, leistet dort Arbeit und wird somit entspannt. Bevor der Dampf nun in eine Niederdruckturbine, die für geringeren Dampfdruck ausgelegt ist, eingeleitet wird, wird gewöhnlich sein Wasseranteil reduziert. Darüber hinaus ist gewöhnlich eine Überhitzung des Dampfes vor seiner Einleitung in die Niederdruckturbine vorgesehen. Durch diese Maßnahmen wird einerseits der Wirkungsgrad der Niederdruckturbine gesteigert, andererseits wird die Lebensdauer der Turbine erhöht, da Schäden, die beispielsweise durch tropfenbedingte Erosion bzw. Korrosion der Bauteile entstehen können, reduziert bzw. vermieden werden.
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Um den aus der Hochdruckturbine austretenden, entspannten Dampf derartig aufzubereiten, werden gewöhnlich strömungsmäßig in Reihe geschaltete Wasserabscheider und Zwischenüberhitzer verwendet, die baulich in der Art einer Neben- oder Hintereinanderaufstellung miteinander kombiniert sein können (kombinierter Wasserabscheider/Zwischenüberhitzer, kurz WaZü). Dabei wird gewöhnlich in einer ersten Komponente des Wasserabscheiders/Zwischenüberhitzers der Wasseranteil des Dampfes reduziert, bevor der nun im Wesentlichen gasförmige Anteil in eine zweite Komponente geführt wird, in der er überhitzt wird. Der somit überhitzte Dampf wird nun in die Niederdruckturbine eingeleitet, wo er entspannt wird und dadurch Arbeit verrichtet.
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Zur Abscheidung des Wasseranteils können verschiedene Vorrichtungen verwendet werden. Dazu gehören beispielsweise Bleche, an denen der Dampfstrom entlang geleitet wird. Zur Abscheidung des Wasseranteils kann ferner auch ein sogenannter Zyklonabscheider oder Zyklon verwendet werden, in dessen im Wesentlichen rotationssymmetrisches Gehäuse der Dampfstrom tangential zur Gehäuseinnenseite eingeführt wird. Dadurch wird der schwerere Wasseranteil durch die Zentrifugalkraft nach außen gedrängt, und der leichtere, im Wesentlichen gasförmige Anteil strömt aufgrund der sich im Zyklon ausbildenden Strömungsverhältnisse in das Innere des vom Gehäuse umgebenen Hohlraumes und sammelt sich dort. In beiden Fällen wird der gasförmige Anteil des Dampfes nun in eine strömungsmäßig nachgeschaltete und baulich/räumlich separierte zweite Komponente des WaZü geleitet, in der er überhitzt wird. Dies wird gewöhnlich dadurch erreicht, dass von dem Dampf Heizrohre angeströmt werden, die den Dampf durch Wärmeübertragung entsprechend erhitzen bzw. überhitzen.
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Eine integrierte Konstruktionsvariante eines WaZü, bei der die Abscheidung des Wasseranteils und die Erhitzung des Dampfes in dem gleichen Gehäuse stattfinden, ist in der Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen
DE 10 2009 015 260.1 der Anmelderin AREVA NP GmbH beschrieben.
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Damit die Abscheidung von Wasser bzw. die Zwischenüberhitzung des Dampfes zufriedenstellend erfolgen können, müssen die jeweiligen Komponenten entsprechend großvolumig dimensioniert werden, woraus sich unmittelbar ein entsprechender Materialaufwand und räumlicher Platzbedarf ergibt. Andererseits sind bei der Konstruktion von Kraftwerken möglichst geringer Materialbedarf und Raumbedarf erstrebenswert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms bereitzustellen, die sich zur Erhitzung des gasförmigen Anteils des Fluidstroms, z. B. Dampfes, eignet, und geringe Anforderungen an Material und Platzbedarf stellt. Zudem soll eine gleichmäßige und möglichst homogene Strömungsverteilung des zu erhitzenden Dampfes beim Eintritt in die Erhitzungsphase gewährleistet sein. Weiterhin soll eine Dampfturbinenanlage mit einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine, in der ein derartiger Zyklonabscheider besonders vorteilhaft verwendet werden kann, angegeben werden. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Dampfturbinenanlage angegeben werden.
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Bezüglich des Zyklonabscheiders zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem der Hohlraum von der Mittelachse ausgehend in radialer Richtung gesehen einen Abströmraum mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt und daran in der genannten Reihenfolge anschließend einen Heizraum, einen Zwischenraum, einen Trocknerraum und einen Einströmraum mit jeweils im Wesentlichen kreisringförmigem Querschnitt aufweist, wobei der Einströmraum nach außen durch das Gehäuse begrenzt ist, wobei der Heizraum zur Erhitzung des gasförmigen Anteils ausgelegte Heizelemente enthält, wobei im Trocknerraum wenigstens ein Feinabscheider und wenigstens eine zugeordnete Kondensat-Fangwanne angeordnet sind, und wobei die wenigstens eine Kondensat-Fangwanne mit wenigstens einem im Zwischenraum angeordneten Kondensat-Ablaufrohr verbunden ist, durch welches das sich im Betriebszustand in dem wenigstens einen Feinabscheider bildende Kondensat aus dem Hohlraum abgeführt wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der vergleichsweise große Raumbedarf herkömmlicher Wasserabscheider/Zwischenüberhitzer unter anderem darauf beruht, dass die Abscheidung von Wasser aus dem ursprünglich aus der Hochdruckturbine austretenden Dampf und die anschließende Überhitzung des separierten gasförmigen Anteils zeitlich nacheinander in zwei räumlich voneinander getrennten Raumbereichen oder Gerätekomponenten erfolgen, die in der Art einer strömungsseitigen Reihenschaltung hintereinander angeordnet sind. Dadurch werden spezifische Anforderungen an die bauliche Konstruktion der Wasserabscheider/Zwischenüberhitzer gestellt, die systembedingt einen relativ großen Einbauraum benötigen.
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Wie aber nun erkannt wurde, müssen diese zwei Raumbereiche nicht notwendigerweise baulich hintereinander in getrennten Räumen angeordnet sein. Geeignete Strömungsverhältnisse vorausgesetzt, lassen sich diese Raumbereiche nämlich auch in einem einzigen Gehäuse ineinander geschachtelt anordnen, wobei die Flüssigkeitsabscheidung und die Überhitzung des gasförmigen Fluidanteils für ein gegebenes Volumenelement des Fluids zeitlich gesehen im Wesentlichen simultan bzw. kurz nacheinander erfolgen.
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Derartige geeignete Strömungsverhältnisse werden von einem Wasserabscheider in Zyklonbauweise geliefert. Durch das tangentiale Anströmen der Gehäuseinnenseite des Zyklons erfolgt durch die auf den Strom wirkende Zentrifugalkraft das Abscheiden der schweren Komponente, beispielsweise Wasser, im Außenbereich des vom Gehäuse umgebenen Hohlraums an der Gehäuseinnenseite. Der leichtere, gasförmige Anteil des ursprünglichen Fluidstroms, beispielsweise Wasserdampf, strömt dabei in das Innere des Hohlraums. Werden nun in einem inneren oder mittleren Bereich des Hohlraums, insbesondere in einem Heizraum, Heizelemente zur Erhitzung bzw. Überhitzung des gasförmigen Anteils derart angeordnet, dass der Übertritt der leichteren Phase in den Innenbereich weiterhin ermöglicht ist, so werden die gasförmigen Anteile direkt während ihres Übertritts in den Innenbereich erhitzt bzw. überhitzt. Dadurch entsteht im Inneren des zur Wasserabscheidung ausgelegten äußeren Raumbereiches ein innerer Raumbereich, der im Wesentlichen den überhitzten Dampf enthält. Der überhitzte, gasförmige Anteil kann dann aus dem inneren Raumbereich herausgeführt und bedarfsmäßig weiter verwendet werden. Durch diese Ineinanderschachtelung der zwei funktionell unterschiedlichen Raumbereiche kann ein kombinierter Wasserabscheider/Zwischenüberhitzer in ausgesprochen kompakter Bauweise realisiert werden. Zusätzlich dazu können Materialkosten eingespart werden, da für die beiden Prozesse nur ein einziges Gehäuse notwendig ist.
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Insbesondere durch eine konzentrische Anordnung der Kondensat-Ablaufrohre zwischen den Feinabscheidern und den Heizelementen wird beim Anströmen des Heizraumes ein wohldosierter Druckverlust erzielt, der zu einer gleichmäßigen Verteilung des Dampfes entlang des Gehäuses führt und somit eine optimierte Strömungsverteilung bei der Anströmung der Heizelemente gewährleistet. Somit kann auf Lochbleche oder ähnliche Vorrichtungen zur Strömungslenkung verzichtet werden.
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Eine derartige Konstruktion ist nicht auf die Behandlung von Wasserdampf beschränkt. Sie kann immer dann eingesetzt werden, wenn aus einem mehrkomponentigen Fluidstrom eine oder mehrere Phasen von schweren Teilchen bzw. Bestandteilen absepariert werden sollen, und der oder die leichten Anteile des ursprünglichen Fluidstroms erhitzt werden sollen.
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Vorteilhafterweise ist in wenigstens einer senkrecht zur Mittelachse liegenden Ebene eine Mehrzahl von im Trocknerraum angeordneten Kondensat-Fangwangen vorgesehen, die zusammen wenigstens annähernd einen Kondensat-Fangwannen-Ring bilden, wobei jede der Kondensat-Fangwannen mit einem zugehörigen, jeweils im Zwischenraum angeordneten Kondensat-Ablaufrohr verbunden ist.
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Hierbei kann jede Kondensat-Fangwanne einem oder mehreren der Feinabscheider bzw. Trockner zugeordnet sein. Es ist auch alternativ dazu auch denkbar, in jeder Ebene oder in einigen der Ebenen genau eine ringförmige Kondensat-Fangwanne zu verwenden.
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Die bevorzugte Anzahl der ringförmig verteilten Kondensat-Fangwannen und der zugehörigen Kondensat-Ablaufrohre sowie ihre Dimensionierung (beispielsweise Länge oder Durchmesser) kann von mehreren Faktoren abhängen, wie der Dimensionierung des Gehäuses, dem im Betriebszustand des Zyklonabscheiders durch die Kondensat-Ablaufrohre laufenden Durchsatz an Kondensat, sowie von dem gewünschten Druckverlust, der bei der Durchströmung des Fluidstroms durch die Anordnung der Kondensat-Ablaufrohre erfolgen soll.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine erste Ebene mit einem ersten Kondensat-Fangwannen-Ring und zumindest eine zweite Ebene mit einem zweiten Kondensat-Fangwannen-Ring vorgesehen, wobei dem ersten Kondensat-Fangwannen-Ring eine erste Gruppe von Kondensat-Ablaufrohren und dem zweiten Kondensat-Fangwannen-Ring eine zweite Gruppe von Kondensat-Ablaufrohren zugeordnet ist.
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Auf diese Weise kann Kondensat, das sich in den Trocknern an verschiedenen Stellen entlang der Mittelachse des Gehäuses gesehen bildet, in die jeweils in Flussrichtung des Kondensats nächste Kondensat-Fangwanne abfließen. Entlang der Mittelachse des Gehäuses gesehen können die Kondensat-Fangwannen der ersten und zweiten Ebene jeweils paarweise übereinander angeordnet sind. Je nach Länge des Gehäuses und Kondensat-Durchsatz im Betriebszustand des Zyklons können auch drei oder mehr Ebenen vorgesehen sein.
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Die Kondensat-Ablaufrohre sind vorzugsweise jeweils nur mit einer Kondensat-Fangwanne verbunden, um einen hohen Durchsatz zu gewährleisten. In alternativer Ausgestaltung sind zumindest einige der Kondensat-Ablaufrohre mit mehr als einer Kondensat-Fangwanne verbunden.
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Vorteilhafterweise sind in einem Längsabschnitt des Zwischenraumes, in dem sowohl Kondensat-Ablaufrohre der ersten Gruppe als auch Kondensat-Ablaufrohre der zweiten Gruppe verlaufen, diese in Umfangsrichtung des Zyklonabscheiders gesehen alternierend angeordnet. Dieser Längsabschnitt des Zwischenraums erstreckt sich vorzugsweise auf die gesamte Länge des Zwischenraums, wobei alle Kondensat-Ablaufrohre über die volle Länge des Gehäuses geführt werden. Auf diese Weise sind die Einströmungsverhältnisse für die gasförmige Phase des Fluidstroms, beispielsweise den zu erhitzenden Dampf, entlang der Mittelachse gesehen überall gleich. Dabei können einige der Kondensat-Ablaufrohre in gewissen Längsabschnitten ausschliesslich der Strömungsführung dienen, während sie in anderen Längsabschnitten zusätzlich als Ablauf für das sich in den Feinabscheidern gebildete Kondensat fungieren.
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Diese Art der Anordnung kann auch auf mehr als zwei Ebenen verallgemeinert werden, wobei dann in Umfangrichtung beispielsweise eine zyklische Anordnung der zu den jeweiligen Gruppen gehörigen Kondensat-Ablaufrohre erfolgen kann.
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Die Kondensat-Ablaufrohre sind vorteilhafterweise parallel zur Mittelachse ausgerichtet, wodurch der Dampf bei ihrer Anströmung im Wesentlichen eine Geschwindigkeitsverminderung senkrecht zur Mittelachse des Gehäuses erfährt.
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In radialer Richtung wird eine gleichförmige Anströmung erreicht, wenn die Durchstoßpunkte aller Kondensat-Ablaufrohre durch eine senkrecht zur Mittelachse liegende Querschnittsebene im Wesentlichen auf einem Kreis liegen. Die Rohre haben dann alle in radialer Richtung den gleichen Abstand von der Gehäuseinnenseite und von der Mittelachse, so dass keine unerwünschten Druckinhomogenitäten entlang der Umfangsrichtung des Gehäuses entstehen.
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Die jeweilige Kondensat-Fangwanne ist vorteilhafterweise durch eine Zuleitung mit dem jeweiligen Kondensat-Ablaufrohr verbunden. Die Zuleitung verbindet in der Art eines Zwischenstücks strömungsseitig die Kondensat-Fangwanne mit dem jeweiligen Kondensat-Ablaufrohr, wobei im Betriebszustand das Kondensat aus der entsprechenden Kondensat-Fangwanne durch die Zuleitung in das Kondensat-Ablaufrohr fließen kann. Die Zuleitung kann beispielsweise über eine Schweißverbindung mit der Kondensat-Fangwanne und/oder dem Kondensat-Ablaufrohr verbunden sein. Sie kann auch als ein integraler Bestandteil der Kondensat-Fangwanne oder des Kondensat-Ablaufrohrs ausgebildet sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Heizraum mit den Heizelementen für eine Durchströmung des gasförmigen Anteils des Fluidstroms ausgelegt. Dabei separiert er den Hohlraum in die zwischen Gehäuseinnenseite und Heizraum liegenden Bereiche Zwischenraum, Trocknerraum und Einströmraum und einen innerhalb des Heizraums liegenden Abströmraum. Eine klare Trennung der beiden Raumgebiete erlaubt in optimierter Weise eine Separation der beiden aufeinanderfolgenden Prozesse. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn der in den Einströmraum strömende Anteil des Fluidstroms einen möglichst geringen Anteil der schweren Komponente hat, um Energie für seine Erhitzung zu sparen. Bei einem Einsatz in einer Dampfturbinenanlage können dadurch Wirkungsgrad und Lebenszeit bzw. Wartungsintervalle der Turbine erhöht werden.
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Für die Einströmung des erhitzten bzw. überhitzten Dampfes in eine Niederdruckturbine auf möglichst direktem Weg ist es vorteilhaft, wenn der Zyklonabscheider genau zwei Abfuhrleitungen aufweist, wobei die beiden Abfuhrleitungen an den in Richtung der Mittelachse gesehenen entgegengesetzten Enden des Gehäuses mit dem Abströmraum strömungsseitig verbunden sind.
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Je nach Zusammensetzung des mehrkomponentigen Fluidstromes sind unterschiedliche Ausgestaltungen des rotationssymmetrischen Gehäuses vorteilhaft. Beispielsweise kann sich das Gehäuse zu einer Richtung hin, insbesondere in Richtung zur Abfuhrleitung (Strömungsauslass) hin in seinem Querschnitt verjüngen. Eine Abscheidung von Wasser aus einem Wasserdampf-/Wasser-Strom wird vorzugsweise in einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestalteten Gehäuse durchgeführt.
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Um die Schwerkraft zur Abscheidung der schweren Komponente des Mehrphasen-Fluidstroms in optimierter Weise zu nutzen, hat die Mittelachse des Gehäuses vorzugsweise eine im Wesentlichen vertikale Ausrichtung. Die schwere Komponente des Fluidstromes bewegt sich (fließt) dann an der Gehäuseinnenseite nach unten und kann dort gesammelt bzw. abgeführt werden. Generell ist eine Vertikalaufstellung des Zyklonabscheiders vorteilhaft, da in diesem Fall die Schwerkraft keine Unwucht in der Wirbelströmung hervorruft.
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Für die Verwendung der Vorrichtung in einer Dampfturbinenanlage mit einer Hochdruckturbine und einer Niederdruckturbine sollte der der Hochdruckturbine entnommene Dampf der Niederdruckturbine im überhitzten Zustand zugeführt werden. Dazu sollten die Heizelemente hinsichtlich ihrer Heizleistung zur Überhitzung des gasförmigen Anteils des Fluidstromes, insbesondere Wasserdampfes, ausgelegt sein.
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Eine möglichst effektive Nutzung der Vorrichtung wird erreicht, wenn der Mehrphasen-Fluidstrom durch mehrere Zufuhrleitungen zugeführt wird. Liegen die Zufuhrleitungen – jedenfalls im Bereich ihres Gehäuseanschlusses – in einer zur Mittelachse des Gehäuses im Wesentlichen senkrechten Ebene, sind sie vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass der Geschwindigkeitsvektor des in den Hohlraum einströmenden Fluidstroms eine Komponente hat, die aus dieser Ebene heraus weist. Hierbei ist ein gemittelter Geschwindigkeitsvektor gemeint, der über die einzelnen Bestandteile des Fluidstroms gemittelt ist. Dadurch kann verhindert werden, dass die durch die verschiedenen Zufuhrleitungen einströmenden Fluidströme miteinander kollidieren, und die Fluidströme erhalten eine Vorzugsrichtung in Richtung der Mittelachse. Vorteilhafterweise strömt dabei der Fluidstrom in einem Winkel zwischen 10° und 30°, insbesondere von etwa 15°, zu einer senkrecht zur Mittelachse stehenden Ebene ein. Das heißt, der sich infolge der Wandgeometrie einstellenden Wirbelströmung wird vorzugsweise eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Mittelachse überlagert, so dass sich insgesamt eine helixartige Strömung ausbildet. Bei einer Vertikalaufstellung der Separationsvorrichtung weist die in Richtung der Mittelachse gerichtete Geschwindigkeitskomponente vorteilhafterweise nach unten.
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Vorzugsweise werden für die Einströmung des Fluidstroms vier Zufuhrleitungen verwendet, die gleichmäßig und symmetrisch über den Umfang des Gehäuses verteilt angeordnet sind. Bei geeigneter Dimensionierung des Gehäuses kann auf diese Weise der einströmende Fluidstrom vorteilhaft auf vier gleich große Bereiche der Gehäuseinnenseite aufgeteilt werden, ohne dass die einzelnen Ströme aufeinandertreffen und sich dabei stören.
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Die sich im Gehäuse der Vorrichtung ausbildenden Strömungsverhältnisse sorgen dafür, dass der gasförmige Anteil des Fluidstroms in das Innere des vom Gehäuse umgebenen Hohlraums strömt. Dort strömt er die Heizelemente an und wird dabei erhitzt bzw. überhitzt. Die Richtung, mit der die Heizelemente angeströmt werden, kann optional durch im Einströmraum angeordnete Leitbleche bzw. Leitschaufeln optimiert werden. Zum Beispiel kann auf diese Weise erreicht werden, dass die Heizrohre im Wesentlichen frontal angeströmt werden, bzw. die tangentiale Komponente kann reduziert werden. Da andererseits diese Leitelemente den Einströmraum verkleinern, sollte je nach Anwendung entschieden werden, ob und mit welchen Abmessungen sie verwendet werden.
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Der Zyklonabscheider eignet sich sowohl zur einstufigen als auch zur mehrstufigen (Zwischen-)Überhitzung. Zur zwei- bzw. mehrstufigen Überhitzung können beispielsweise im Heizraum senkrecht zur Mittelachse gesehen zwei bzw. mehrere Gruppen von Heizelementen hintereinander angeordnet sein. Die den einzelnen Gruppen zugehörigen Heizelemente können dabei für jeweils unterschiedliche Heizleistungen bzw. Heiztemperaturen ausgelegt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die Heizelemente rohrförmig ausgestaltet. Zur Erhitzung bzw. Überhitzung des gasförmigen Anteils können die Heizelemente von einem fluiden Heizmedium, insbesondere Wasserdampf, durchströmt werden. Für eine mehrstufige Erhitzung kann dazu beispielsweise in unterschiedlichen Gruppen von Heizelementen Dampf mit unterschiedlichem Druck und/oder unterschiedlicher Temperatur verwendet werden.
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Für eine möglichst effektive Erhitzung des gasförmigen Anteils werden als Heizelemente geradlinige Rohre verwendet, die parallel zur Mittelachse des Gebäudes ausgerichtet sind. Hierzu kann im Heizraum eine Mehrzahl von Rohren angeordnet sein, die je nach Anwendung unterschiedlich ausgestaltet sein können. Beispielsweise können Glattrohre oder Rippenrohre, oder günstige Kombinationen dieser Rohrtypen, verwendet werden. Zweckmäßigerweise sind die einzelnen Rohre derart voneinander beabstandet, dass durch die verbleibenden Zwischenräume ein möglichst ungehinderter Übertritt der aus der Fluidströmung separierten gasförmigen Phase vom außen liegenden Einströmraum in den innen liegenden Abströmraum erfolgen kann. Andererseits ist natürlich eine gewisse „Dichte” von Rohren erforderlich, um die angestrebte Heizwirkung zu realisieren.
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Die Heizrohre sind vorteilhafterweise zu Rohrbündeln zusammengefasst. Dabei können sogenannte Ringbündel eingesetzt werden, bei denen die Rohre mehr oder weniger gleichmäßig verteilt im Heizraum angeordnet sind. Alternativ oder in Kombination dazu können sogenannte Einzelbündel Verwendung finden. Dabei sind jeweils mehrere zueinander benachbarte Heizelemente zu einem Bündel zusammengefasst. Die Einzelbündel können vormontiert sein und lassen sich als Ganzes handhaben. Im Bedarfsfall lassen sie sich leichter montieren, demontieren bzw. austauschen als Einzelrohre.
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Bezüglich der Dampfturbinenanlage wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem die Zufuhrleitung oder alle Zufuhrleitungen der oben beschriebenen Separationsvorrichtung mit dem Dampfauslass der Hochdruckturbine verbunden sind, und die Abfuhrleitung oder alle Abfuhrleitungen mit dem Dampfeinlass der Niederdruckturbine verbunden sind. Somit wird der Dampf aus der Hochdruckturbine in die Separationsvorrichtung eingeleitet, in der einerseits der Wasseranteil aus dem Dampf abgeschieden wird und anderseits der gasförmige Anteil überhitzt wird. Der überhitzte Dampf wird anschließend in die Niederdruckturbine eingeleitet, wo er zur weiteren Energiegewinnung verwendet wird.
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Bezüglich des Verfahrens wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem der dem Dampfauslass der Hochdruckturbine entströmende Dampf in einen Hohlraum geleitet wird, der von einem im Wesentlichen um eine Mittelachse rotationssymmetrischen Gehäuse umschlossen ist, wodurch der Dampf in Rotation versetzt wird und sein gasförmiger Anteil vom flüssigen Anteil separiert und in einem inneren Bereich des Gehäuses gesammelt wird, und wobei der im Wesentlichen gasförmige Anteil bei seinem Übertritt in den inneren Bereich durch Feinabscheider geleitet wird, wobei sein flüssiger Anteil noch weiter reduziert wird, und dann durch eine ringförmig verteilte Anordnung von Kondensat-Ablaufrohren geführt, anschließend durch Heizelemente erhitzt wird und dann dem Dampfeinlass der Niederdruckturbine zugeführt wird.
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In einer bevorzugten Version des Verfahrens sind zumindest einige der Heizelemente rohrförmig ausgestaltet, bilden also Heizrohre. Der von einem Dampferzeuger erzeugte Frischdampf wird in zumindest einige der Heizrohre geleitet, wodurch der mit den Außenseiten der Heizrohre im Kontakt tretende gasförmige Anteil des in die Separationsvorrichtung eingeleiteten Fluidstroms erhitzt bzw. überhitzt wird. Alternativ oder in Kombination dazu kann der Hochdruckturbine Anzapfdampf entnommen werden, der dann in zumindest einige der Heizelemente geleitet wird. Auf diese Weise kann insbesondere eine zwei- oder mehrstufige Überhitzung des gasförmigen Anteils des Fluidstroms erreicht werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine geschickte Anordnung von Heizelementen innerhalb eines Zyklonabscheiders eine Abscheidung einer schweren Komponente bzw. einer flüssigen Phase eines Mehrphasen-Fluidstroms bei gleichzeitiger Erhitzung bzw. Überhitzung des gasförmigen Anteils des Fluidstroms in ausgesprochen raumsparender und Material und Baukosten schonender Weise realisiert werden kann. Dadurch ist die Vorrichtung insbesondere für den Einsatz in Anlagen geeignet, die auf engem Raum gebaut werden müssen. Zur primären Abscheidung der schweren Komponente oder Phase des Fluidstroms wird dabei das Zyklonprinzip genutzt. Der Einbau von Feinabscheidern erlaubt eine weitere Reduzierung der schweren Komponente. Durch die Anordnung der Kondensat-Ablaufrohre in einem Ringraum zwischen, den Feinabscheidern und den Heizelementen wird durch einen gezielten Druckverlust eine optimierte Strömungsverteilung erreicht. Dies führt zu einer weiteren Materialersparnis, da aufgrund der Doppelfunktion der Kondensat-Ablaufrohre auf Lochblenden oder ähnliche Komponenten (weitestgehend) verzichtet werden kann.
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Eine Dampfturbinenanlage, bei der eine derartige Separationsvorrichtung zwischen eine Hochdruckturbine und Niederdruckturbine geschaltet ist, kann in besonders kompakter und materialschonender Bauweise realisiert werden. Dabei kann die Vorrichtung im Wesentlichen in einem vertikal aufgestellten Gehäuse direkt unter der Hochdruckturbine angebracht werden, so dass das Gas aus dem Dampfauslass der Hochdruckturbine am oberen Ende des Gehäuses in die Vorrichtung einströmen kann. Durch Abfuhrleitungen am unteren und/oder oberen Ende des Gehäuses kann dann der überhitzte Dampf der Niederdruckturbine zugeführt werden.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
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1 zwei verschiedene, aneinandergesetzte halbkreisförmige Teilquerschnitte von zwei verschiedenen möglichen Ausgestaltungen eines Zyklonabscheiders zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms mit einem im Wesentlichen um eine Mittelachse rotationssymmetrisch ausgestalteten Gehäuse, wobei die jeweilige Querschnittsebene senkrecht zur Mittelachse gewählt ist,
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2 eine Querschnittsebene senkrecht zur Mittelachse des Zyklonabscheiders nach 1, in der schematisch die verschiedenen Raumbereiche gekennzeichnet sind,
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3 einen Längsschnitt eines Zyklonabscheiders, wobei beide Hälften links und rechts der Mittelachse zu unterschiedlichen bevorzugten Ausführungsformen korrespondieren,
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4 eine detaillierte Abbildung des mit einem gestrichelten Kreis markierten Details aus 3 mit einer Kondensat-Ablaufwanne, die über eine Zuleitung mit einem Kondensat-Ablaufrohr verbunden ist,
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5 eine Mehrzahl von Kondensat-Ablaufrohren und eine Kondensat-Fangwanne des Zyklonabscheiders gemäß 1 bis 3, hier im Querschnitt mit Blickrichtung in Richtung der Mittelachse dargestellt, und
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6 ein schematisiertes Blockschaltbild einer Dampfturbinenanlage mit einer Hochdruckturbine, einer Niederdruckturbine, einem Dampferzeuger sowie mit einem Zyklonabscheider zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms mit integriertem Zwischenüberhitzer gemäß einer Ausführungsform nach 1 bis 5.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 gezeigte Zyklonabscheider 1 zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms umfasst ein im Wesentlichen um eine Mittelachse M rotationssymmetrisch und hohlzylindrisch ausgestaltetes Gehäuse 2, das einen Hohlraum 3 umschließt und in das vier Zufuhrleitungen 6 eingelassen sind. Dabei entsprechen jeweils die linke und die rechte Hälfte der 1 einer möglichen Ausgestaltung des Zyklonabscheiders, wobei in Wirklichkeit jeweils beide Hälften in einer der hier gezeigten zwei Weisen realisiert sind. Das Gehäuse 2 mit einer im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Mittelachse M hat in einer bevorzugten Ausgestaltung einen Durchmesser von ca. 6 Metern.
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Der Mehrphasen-Fluidstrom (nicht eingezeichnet) strömt dabei in Einströmrichtung 10 im Wesentlichen tangential zur Gehäuseinnenseite 11 in den vom Gehäuse 2 umgegeben Hohlraum 3 ein. Bei dem Fluidstrom kann es sich beispielsweise um Dampf handeln, der aus dem Dampfauslass einer in einer Dampfturbinenanlage installierten Hochdruckturbine durch die Zufuhrleitungen 6 in das Gehäuse 2 des Zyklonabscheiders 1 geleitet wird. Das Gehäuse 2 ist vorzugsweise aus Stahl bzw. Edelstahl angefertigt, wobei je nach Einsatzgebiet auch andere Materialien vorteilhaft sein können.
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Der Fluidstrom wird dabei in Rotation versetzt, wobei die auf den Fluidstrom wirkende Zentrifugalkraft die schwere Komponente des Fluidstroms, in diesem Fall Wasser, nach außen an die Gehäuseinnenseite 11 zieht. Der gasförmige Anteil des Fluidstroms bewegt sich aufgrund der sich im Hohlraum 3 ausbildenden Strömungsverhältnisse von einem Einströmraum 12 durch einen Trocknerraum 13 und einen Zwischenraum 15 in einen Heizraum 14. Der im Querschnitt ringförmige Heizraum 14 schließt einen im Inneren des Gehäuses 2 liegenden zylindrischen Abströmraum 16 räumlich ein.
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Die räumliche Anordnung (von der Mittelachse M radial nach außen gehend) des Abströmraums 16, des Heizraums 14, des Zwischenraums 15, des Trocknerraums 13 und des Einströmraums 12 ist in 2 schematisch verdeutlicht. Während der Abströmraum 16 zylindrisch geformt ist, bilden die weiter außen im Gehäuse 2 liegenden Räume gewissermaßen Schalen mit jeweils kreisringförmigem Querschnitt. Ihre gedachten inneren und äußeren querschnittsmäßigen Umgrenzungen bilden konzentrische Kreise, deren gemeinsamer Mittelpunkt auf der Mittelachse M liegt.
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In dem Heizraum 14 der in 1 gezeigten Ausführungsform des Zyklonabscheiders 1 sind Heizelemente, die hinsichtlich ihrer Heizleistung zur Überhitzung des gasförmigen Anteils des Fluidstroms ausgelegt sind, angeordnet. Dabei können einzelne Heizrohre 18 Verwendung finden, die in ihrer Gesamtheit gewissermaßen Ringbündel bilden. Bei einer Länge der im Ringbündel verwendeten Rohre von ca. 11,5 m und einem Gehäusedurchmesser von 6 m stehen bei einem Außendurchmesser des Bündels von ca. 3,6 m und einem Rippenrohrkerndurchmesser von jeweils ca. 22,4 mm bei einer Gesamtanzahl von ca. 7900 Rohren ca. 22.000 m2 Heizfläche zur Verfügung. Alternativ dazu oder in Kombination mit den Heizrohren 18 können Einzelbündel 20 eingesetzt werden. Die Heizrohre 18 bzw. Einzelbündel 20 werden in Strömungsrichtung 22 von dem gasförmigen Anteil des Fluidstroms angeströmt. Der gasförmige Anteil wird im Heizraum 14 überhitzt, worauf er in den Abströmraum 16 weiterströmt. Von dort wird er durch Abfuhrleitungen 24 (in 1 nicht eingezeichnet) in die Niederdruckturbine weitergeleitet.
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Bei einer direkten Anströmung der Heizelemente durch den Fluidstrom kann aufgrund früherer Erfahrungen ein Abscheidewirkungsgrad des Wassers von bis zu ca. 80% erreicht werden. Dies bedeutet, dass der die Heizrohre 18 bzw. Einzelbündel 20 anströmende Dampf noch ca. 2,6% Wasseranteil hat.
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Um den Wasseranteil noch weiter zu reduzieren, sind im Trocknerraum 13 Feinabscheider 28 angebracht. Als Feinabscheider 28 können beispielsweise unterschiedlich ausgestaltete Bleche Verwendung finden. Es können auch so genannte Lamellentropfenabscheider verwendet werden, die aus Paketen von gewellten Blechen bestehen. Gewöhnlich sind diese Abscheideelemente in einem Rahmen befestigt bzw. verankert. Den Feinabscheidern 28 sind Kondensat-Fangwannen 32 (in 1 nicht eingezeichnet) zugeordnet, in die das sich im Betriebszustand in den Feinabscheidern 28 bildende Kondensat abfließt. Die Kondensat-Fangwannen 32 sind bevorzugt im Trocknerraum 13 angeordnet. Sie sind an dem jeweiligen Feinabscheider 28 derart befestigt (beispielsweise verschweißt), dass das Kondensat aus dem jeweiligen Feinabscheider 28 in der zugeordneten Kondensat-Fangwanne 32 aufgefangen wird. Die Kondensat-Fangwannen 32 sind strömungsseitig mit im Zwischenraum 15 angeordneten Kondensat-Ablaufrohren 34 verbunden, durch die das Kondensat aus dem Hohlraum 3 abgeführt wird. Die Kondensat-Ablaufrohre 34 verlaufen im Wesentlichen geradlinig parallel zur Mittelachse M und erstrecken sich über die gesamte Länge des Gehäuses 2. Sie sind an den zwei Enden des Gehäuses 2 jeweils mit Hilfe von einer Platte 90 verankert. Zwischen der unten am Gehäuse angeordneten Platte 90 und der Gehäuseinnenseite 11 ist ein Spalt 94 bzw. Ringspalt vorgesehen, durch den das sich an der Gehäuseinnenseite 11 sammelnde Wasser nach unten abfließen kann.
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Die Kondensat-Ablaufrohre 34 erfüllen eine Doppelfunktion. Einerseits wird durch sie das sich in den Feinabscheidern 28 bildende Kondensat nach unten aus dem Hohlraum 3 geleitet. Andererseits führt ihre räumliche Anordnung zwischen den Feinabscheidern 28 und den Heizrohren 18 zu einem vorteilhaften Druckverlust des vom Einströmraum 12 zum Abströmraum 16 überströmenden Fluidstroms, wodurch sich die vertikale Strömungsverteilung im Heizraum 14 verbessert. Insbesondere wird ein Staudruck im unteren Bereich des Hohlraums 3 vermieden bzw. stark reduziert. Desweiteren kann durch die Anordnung der Kondensat-Ablaufrohre 34 auch die Anströmungsrichtung der Heizrohre 18 beeinflusst werden. Durch die hierdurch erzeugten Turbulenzen wird der Wärmeübergang des Fluidstroms auf die ersten Rohrreihen des Bündels verbessert.
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Unter Zuhilfenahme der Feinabscheider 28 kann der Wasseranteil auf < 0,5% bis 1% reduziert werden. Allerdings geht mit dem Einbringen der Feinabscheider 28 in den Trocknerraum 13 ein Druckverlust einher und der Einströmraum 12 wird gegenüber einer Ausführung ohne Feinabscheider 28 verkleinert. Im Ausführungsbeispiel sind die Feinabscheider 28 im Trocknerraum 13 auf einem um die Mittelachse M gelegenen Außenkreis mit ca. 4 m Durchmesser angeordnet und stellen eine Anströmungsfläche von ca. 70 m2 bereit.
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Um die Anströmung der Heizelemente zu verbessern bzw. um die tangentiale Komponente der Anströmungsgeschwindigkeit zu reduzieren bzw. komplett auszuschließen, können Leitbleche, Lochbleche bzw. Leitschaufeln im Einströmraum 12 oder auch in den weiter innen liegenden Räumen angeordnet sein. Durch diese Umlenkvorrichtungen wird allerdings der Einströmraum 12 in seiner Größe reduziert. Leitbleche, Lochbleche und Leitschaufeln können im Zyklonabscheider 1 jeweils alleine oder in unterschiedlichen Kombinationen miteinander verwendet werden.
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Als Heizelemente können Rohrbündel Verwendung finden, wie sie u. a. in Wärmetauschern verwendet werden. Um eine möglichst große Heizoberfläche zur Verfügung zu stellen, können dabei Rippenrohre bzw. geschlitzte Rippenrohre eingesetzt werden. Es können auch – gegebenenfalls in Kombination mit diesen – Glattrohre Verwendung finden. Die Rohre werden dabei beispielsweise von Frischdampf bei ca. 70 bar und/oder – bei mehrstufiger Erhitzung – von Anzapfdampf der Hochdruckturbine bei ca. 30 bar durchströmt. Die Heizrohre 18 weisen vorzugsweise an der Außenseite ein rundes Querschnittsprofil auf, um dem zu erhitzenden Fluidstrom möglichst wenig Strömungswiderstand entgegenzusetzen.
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Der Zyklonabscheider 1 aus 1 ist in 3 in einem links- und rechtsseitigen Längsschnitt in jeweils einer möglichen Ausführungsform dargestellt. In beiden Ausführungsformen ist das Gehäuse 2 des Zyklonabscheiders 1 im Wesentlichen senkrecht aufgestellt. Das Gehäuse 2 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet und rotationssymmetrisch um die Mittelachse M. Es sind jeweils vier Zufuhrleitungen 6 vorgesehen, die gleichmäßig über den Umfang des Gehäuses 2 verteilt sind und vorzugsweise einen Durchmesser von 1400 mm haben. Der aus der Hochdruckturbine austretende Dampf strömt mit einer – über die Schwerkraftwirkung hinaus gehenden – nach unten gerichteten Geschwindigkeitskomponente mit einem Gefälle von ca. 15° in den Hohlraum 3 ein, wodurch die gewünschte, im Wesentliche spiral- oder helixartige Strömungsführung unterstützt wird. Er wird durch die Zufuhrleitungen 6 in das Gehäuse 2 geleitet und strömt die Gehäuseinnenseite 11 in tangentialer Richtung an. Hierbei wird der Wasseranteil des Dampfes an der Gehäuseinnenseite 11 abgeschieden. Aufgrund der sich im Zyklonabscheider 1 ausbildenden Strömungsverhältnisse und gegebenenfalls mit Hilfe von Leitblechen, Leitschaufeln bzw. Lochblechen strömt der überwiegend gasförmige Anteil des Dampfes in den Trocknerraum 13, weiter in den Zwischenraum 15, den Heizraum 14 und anschließend in den Abströmraum 16.
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Am oberen und am unteren Ende des Gehäuses 2 ist jeweils eine Abfuhrleitung 24 von ca. 1800 mm Durchmesser vorgesehen, die jeweils mit dem Abströmraum 16 strömungsseitig verbunden ist. Der Dampf kann so nach seiner Erhitzung sowohl nach oben als auch nach unten aus dem Gehäuse 2 ausströmen und wird anschließend durch die Abfuhrleitungen 24 zur Niederdruckturbine (nicht eingezeichnet) geleitet. Der Zyklonabscheider 1 ist zweckmäßigerweise derart räumlich in Bezug auf die Niederdruckturbine angeordnet, dass die oben mit dem Abströmraum 16 strömungsseitig verbundene Abfuhrleitung 24 im Wesentlichen direkt mit der Eingangsöffnung der Niederdruckturbine verbunden werden kann. Die am unteren Ende des Abströmraums 16 ausmündende Abfuhrleitung 24 wird nach oben zur Eingangsöffnung der Niederdruckturbine umgeleitet.
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Die im linksseitigen Bildausschnitt dargestellte Ausführungsform des Zyklonabscheiders 1 ist für eine zweistufige Erhitzung bzw. Überhitzung des Dampfes ausgelegt. In dem als Ringraum ausgestalteten Heizraum 14 sind Heizrohre 18 in Form eines Ringbündels montiert. Der Dampf strömt (angezeigt durch die Strömungsrichtung 22) zuerst durch die Feinabscheider 28 und anschließend durch die Anordnung der Kondensat-Ablaufrohre 34, welche dem Dampf gewissermaßen einen Widerstand entgegensetzen und so zu einem Druckverlust führen. Somit kann verhindert werden, dass sich der Dampf in vertikaler Richtung ungleichmäßig verteilt, wodurch die Heizrohre 18 unter Umständen nicht in ihrer vollen Länge zur Erhitzung genutzt werden könnten.
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Der Dampf strömt dann durch eine im Heizraum 14 konzentrisch um die Mittelachse M liegende erste Stufe 36 bzw. erste Gruppe von Heizrohren 18. Anschließend strömt er auf seinem Weg zum Abströmraum 16 durch eine zweite Stufe 37 bzw. zweite Gruppe von Heizrohren 18, die konzentrisch innerhalb der ersten Stufe 36 angeordnet ist. Die außen liegende erste Stufe 36 wird durch eine Anzapfdampfzuleitung 40 mit Anzapfdampf bei ca. 30 bar aus der Hochdruckturbine versorgt. Die innen liegende zweite Stufe 37 von Heizrohren 18 wird durch eine Frischdampfzuleitung 38 mit Frischdampf aus einem Dampferzeuger 66 (nicht eingezeichnet) bei ca. 70 bar versorgt. Zwischen den Eintrittssammlern für die mit unterschiedlichem Dampf versorgten Gruppen von Heizrohren 18 können zur Trennung der jeweiligen Dämpfe Trennbleche 82 vorgesehen sein. Dies gilt ebenso für die Austrittssammler. Anstatt zwei Rohrbündel ineinander anzuordnen, kann auch ein Ringbündel mit getrenntem Rohrboden verwendet werden.
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Der somit in zwei Stufen erhitze Dampf strömt in den Abströmraum 16 und von dort weiter durch die Abfuhrleitungen 24 zur Niederdruckturbine. Der gasförmige Anteil wird so auf seinem Weg ins Innere des Abströmraums 16 sukzessive erhitzt. Diese Art der zweistufigen Erhitzung kann auf eine mehrstufige Erhitzung mit Hilfe von zusätzlichen Dampfzuleitungen und Rohrgruppen in offensichtlicher Weise verallgemeinert werden.
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Im rechtsseitigen Bildausschnitt der 3 ist eine Ausführungsform mit einstufiger Erhitzung dargestellt. Die Heizrohre 18 werden alle über die Frischdampfzuleitung 38 mit Frischdampf versorgt.
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Die Feinabscheider 28 sind mit Kondensat-Fangwannen 32 verbunden, aus denen über Kondensat-Ablaufrohre 34 das Kondensat durch Kondensatableitungen 46 aus dem Gehäuse 2 geleitet wird.
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Das an der Gehäuseinnenseite 11 herunter fließende Kondensat, hier Wasser, läuft in den Kondensatablauf 43 und verlässt das Gehäuse 2 durch eine Kondensatableitung 46. Darüber hinaus ist ein zweiter Kondensatablauf 42 im vertieften Bodenbereich des Gehäuses 2 vorgesehen, über den das in unteren Teilraum sich sammelnde Kondensat durch eine Kondensatableitung 46 ablaufen kann.
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Die in 3 dargestellten Ausführungsformen des Zyklonabscheiders 1 können mit den in 1 dargestellten Ausgestaltungen mit Ringbündeln bzw. Einzelbündeln 20 kombiniert werden.
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Das in 3 durch einen gestrichelten Kreis 39 gekennzeichnete Detail ist in 4 vergrößert dargestellt. Der Trockner bzw. Feinabscheider 28 ist mit einer Kondensat-Fangwanne 32 verbunden, in die das sich im Betriebszustand des Zyklonabscheiders 1 in dem Trockner bzw. Feinabscheider 28 bildende Kondensat läuft. Es läuft durch eine oder mehrere Zuleitungen 41 durch jeweils mit der Zuleitung 41 verbundene Kondensat-Ablaufrohre 34 nach unten. Die Kondensat-Fangwannen 32 können je nach Bedarf unterschiedlich ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist jedem Feinabscheider 28 eine Kondensat-Fangwanne 32 zugeordnet. Es ist auch möglich, eine einzige ringförmige Kondensat-Fangwanne 32 einzusetzen, in die das Kondensat aus allen Feinabscheidern 28 abfließen kann.
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Vorzugsweise sind Kondensat-Fangwannen 32 in verschiedener Höhe im Gehäuse 2 angebracht. In 3 sind die Kondensat-Fangwannen 32 im Gehäuse 2 in zwei verschiedenen Ebenen montiert. 5 zeigt eine Kondensat-Fangwanne 32 der oberen Ebene in Draufsicht des in 3 dargestellten Zyklonabscheiders 1. In der 5 sind zwei mit ihr strömungsseitig verbundene Zuleitungen 41 und damit verbundene Kondensat-Ablaufrohre 34 dargestellt. Es sind zudem zwei weitere Paare von Zuleitungen 41 und Kondensat-Ablaufrohren 34 erkennbar, wobei diese Paare nicht strömungsseitig mit der abgebildeten Kondensat-Fangwanne 32 verbunden sind. Sie sind vielmehr mit der weiter unten liegenden, hier von der oberen Kondensat-Fangwanne 32 verdeckten Kondensat-Fangwanne verbunden. Die zu den zwei in unterschiedlichen Höhen übereinander liegenden Kondensat-Fangwannen 32 gehörenden Kondensat-Ablaufrohre 34 sind alternierend entlang des Kreisumfangs, in dem sie montiert sind, angebracht. Die Kreiskrümmung ist in der ganz und gar schematischen und nicht maßstabsgerechten 5 nicht erkennbar.
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Diese Konstruktionsvariante, bei der jedes Kondensat-Ablaufrohr 34 mit genau einer Kondensat-Fangwanne 32 verbunden ist, hat den Vorteil, dass ein hoher Durchsatz von Kondensat im Betriebszustand gewährleistet wird. Alternativ dazu können aber auch mehrere Kondensat-Fangwannen 32 mit dem gleichen Kondensat-Ablaufrohr 34 strömungsseitig verbunden sein.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Dampfturbinenanlage 62 ist in 6 gezeigt. Sie umfasst einen Dampferzeuger 66, eine Hochdruckturbine 70, sowie eine Niederdruckturbine 74. Der Zyklonabscheider 1 ist strömungsseitig zwischen die Hochdruckturbine 70 und die Niederdruckturbine 74 geschaltet. Der im Dampferzeuger 66 erzeugte Frischdampf wird zur Verrichtung von Arbeit in die Hochdruckturbine 70 geleitet. Unter Verrichtung von Arbeit entspannt sich der Dampf in der Hochdruckturbine 70, wodurch sich sein Wasseranteil erhöht. Damit der Dampf in der Niederdruckturbine 74 möglichst effizient zur Energieerzeugung verwendet werden kann, muss er in geeigneter Weise aufbereitet werden. Dazu muss sein Wasseranteil reduziert werden, bevor er anschließend in einen überhitzten Zustand überführt wird. Aus diesem Grunde wird der aus dem Dampfauslass der Hochdruckturbine 70 austretende Dampf über einen Verteiler durch Zufuhrleitungen 6 in das Gehäuse 2 des Zyklonabscheiders 1 geleitet. Dort strömt der Dampf tangential zur Gehäuseinnenseite 11 ein und wird dadurch in Rotation versetzt. Der gasförmige Anteil des Dampfes strömt in das Gehäuseinnere, wo er durch Heizelemente, insbesondere Heizrohre, in einen überhitzten Zustand versetzt wird. Von dort wird der überhitzte Dampf durch Abfuhrleitungen 24 in den Dampfeinlass der Niederdruckturbine 74 geleitet. Dort kann der auf diese Weise aufbereitete Dampf weiter zur Energiegewinnung verwendet werden. Die Heizrohre (hier nicht eingezeichnet) des Zyklonabscheiders 1 werden in diesem Ausführungsbeispiel durch die Heizzuleitung 78 mit Frischdampf aus dem Dampferzeuger 66 versorgt. Alternativ oder zusätzlich könnte der Hochdruckturbine 70 zu diesem Zweck Anzapfdampf entnommen werden.
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Der Zyklonabscheider 1 ist selbstverständlich nicht auf den Einsatz in Dampfturbinenanlagen beschränkt. Er kann im Wesentlichen immer dort eingesetzt werden, wo aus einem Mehrphasen-Fluidstrom die schwerere Komponente oder Phase abgeschieden werden soll und der gasförmige Anteil erhitzt bzw. überhitzt werden soll. Die schwere Komponente des Fluidstroms kann dabei wie oben erläutert Wasser sein. Es sind aber auch Anwendungen denkbar, in denen die schwere Komponente aus festen Teilchen besteht. Dabei könnte es sich beispielsweise um Ruß oder Schmutzpartikel handeln.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zyklonabscheider
- 2
- Gehäuse
- 3
- Hohlraum
- 6
- Zufuhrleitung
- 10
- Einströmrichtung
- 11
- Gehäuseinnenseite
- 12
- Einströmraum
- 13
- Trocknerraum
- 14
- Heizraum
- 15
- Zwischenraum
- 16
- Abströmraum
- 18
- Heizrohr
- 20
- Einzelbündel
- 22
- Strömungsrichtung
- 24
- Abfuhrleitung
- 28
- Feinabscheider
- 32
- Kondensat-Fangwanne
- 34
- Kondensat-Ablaufrohr
- 36
- erste Stufe
- 37
- zweite Stufe
- 38
- Frischdampfzuleitung
- 39
- gestrichelter Kreis
- 40
- Anzapfdampfzuleitung
- 41
- Zuleitung
- 42, 43
- Kondensatablauf
- 46
- Kondensatableitung
- 62
- Dampfturbinenanlage
- 66
- Dampferzeuger
- 70
- Hochdruckturbine
- 74
- Niederdruckturbine
- 78
- Heizzuleitung
- 82
- Trennblech
- 90
- Platte
- 94
- Spalt
- M
- Mittelachse
- E
- Ebene
