DE102011006066B4 - Water separator and method for separating water from a wet steam flow - Google Patents
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Abstract
Wasserseparator (10; 10a) zum Abtrennen von Wasser aus einer Nassdampfströmung, umfassend – ein erstes Sieb (12-1; 12a-1) mit wenigstens einer ersten Sieböffnung (14-1; 14a-1) und ein in Strömungsrichtung dahinter angeordnetes zweites Sieb (12-2; 12a-2) mit wenigstens einer zweiten Sieböffnung (14-2; 14a-2), die mit einem Versatz zur ersten Sieböffnung (14-1; 14a-1) angeordnet ist, und – eine Wasserabfuhreinrichtung (16, 18) zum Abführen von Wasser, welches benachbart der zweiten Sieböffnung (14-2; 14a-2) auf das zweite Sieb (12-2; 12a-2) auftrifft.A water separator (10; 10a) for separating water from a wet steam flow, comprising - a first screen (12-1; 12a-1) having at least a first screen opening (14-1; 14a-1) and a second screen disposed downstream thereof (12-2; 12a-2) having at least a second screen opening (14-2; 14a-2) arranged at an offset from the first screen opening (14-1; 14a-1), and a water discharge device (16, 18) for discharging water incident on the second screen (12-2; 12a-2) adjacent the second screen opening (14-2; 14a-2).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wasserseparator und ein Verfahren zum Abtrennen von Wasser aus einer Nassdampfströmung, beispielsweise einer im Bereich einer Dampfturbinenanlage auftretenden Nassdampfströmung. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Wasserseparators bei einer Dampfturbine.The present invention relates to a water separator and a method for separating water from a wet steam flow, for example a wet steam flow occurring in the region of a steam turbine plant. Furthermore, the invention relates to the use of such a water separator in a steam turbine.
Der Einsatz eines Wasserseparators in einem Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbinenanlage ist beispielsweise aus der
Das Funktionsprinzip des bekannten Wasserseparators bedingt. spezielle Bauraumerfordernisse, etwa in Hinblick auf dessen zylindrische Formgestaltung sowie die nur in engen Grenzen variierbare Gestaltung und Anordnung von Dampfeintritts- und Dampfaustrittsöffnungen. Diese speziellen Bauraumerfordernisse können in bestimmten Anwendungsumgebungen einen Nachteil darstellen.The operating principle of the known water separator conditionally. special space requirements, for example with regard to its cylindrical shape design and the only within narrow limits variable design and arrangement of steam inlet and steam outlet openings. These particular space requirements may be a disadvantage in certain application environments.
Ähnliche Wasserseparatoren sind aus der
Bei der
Bei der
Bei der
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Art von Wasserseparator bzw. ein neuartiges Verfahren zum Abtrennen von Wasser aus einer Nassdampfströmung anzugeben.It is an object of the present invention to provide a novel type of water separator or a novel method for separating water from a wet steam flow.
Der erfindungsgemäße Wasserseparator umfasst:
- – ein erstes Sieb mit wenigstens einer ersten Sieböffnung und ein in Strömungsrichtung dahinter angeordnetes zweites Sieb mit wenigstens einer zweiten Sieböffnung, die mit einem Versatz zur ersten Sieböffnung angeordnet ist, und
- – eine Wasserabfuhreinrichtung zum Abführen von Wasser, welches benachbart der zweiten Sieböffnung auf das zweite Sieb auftrifft.
- A first sieve with at least one first sieve opening and a second sieve arranged behind it in the flow direction with at least one second sieve opening, which is arranged with an offset to the first sieve opening, and
- - A water discharge device for discharging water, which impinges on the second screen adjacent to the second screen opening.
Der Begriff ”Sieb” wird hier in einem sehr weitgehenden bzw. übertragenen Sinn verwendet. Wie nachfolgend noch erläutert, wird das Sieb nicht in herkömmlicher Weise verwendet, besitzt jedoch eine oder (wie bei herkömmlichen Sieben üblich) mehrere Öffnungen (Sieböffnungen). Eine ”Siebfläche” besteht aus einer oder mehreren Sieböffnungen und dem Bereich benachbart der Sieböffnung bzw. den Bereichen zwischen den mehreren Sieböffnungen.The term "sieve" is used here in a very broad or figurative sense. As will be explained below, the screen is not used in a conventional manner, but has one or (as is common in conventional screens) multiple openings (screen openings). A "screen surface" consists of one or more screen openings and the area adjacent the screen opening or the areas between the plurality of screen openings.
Nachfolgend werden der Wasserseparator, dessen Funktionsweise und verschiedene Ausgestaltungen zunächst für denjenigen (sehr einfachen) Fall erläutert, bei welchem der Separator nur eine ”erste Sieböffnung” (des ersten Siebes) und nur eine ”zweite Sieböffnung” (des zweiten Siebes) aufweist. Es sei jedoch bereits an dieser Stelle angemerkt, dass das erste Sieb und/oder das zweite Sieb jeweils mit einer Mehrzahl von ersten bzw. zweiten Sieböffnungen versehen sein kann. Auch wird unten noch erläutert, dass die beim erfindungsgemäßen Wasserseparator vorgesehene Siebanordnung mehr als zwei Siebe umfassen kann.Hereinafter, the water separator, its operation and various embodiments are first explained for the (very simple) case in which the separator has only a "first sieve opening" (of the first sieve) and only a "second sieve opening" (of the second sieve). However, it should already be noted at this point that the first sieve and / or the second sieve can each be provided with a plurality of first and second sieve openings. It will also be explained below that the sieve arrangement provided in the water separator according to the invention can comprise more than two sieves.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Siebanordnung aus einem ersten Sieb und einem zweiten Sieb (und gegebenenfalls noch weiteren Sieben) weicht erheblich von der herkömmlichen Funktionsweise einer Anordnung von zwei (oder mehr) hintereinander angeordneten Sieben ab:
Die herkömmliche Funktionsweise eines einzelnen Siebes besteht darin, bei der Durchströmung des Siebes diejenigen Partikel abzufangen, welche aufgrund ihrer Abmessungen nicht durch die Sieböffnungen passen. Eine solche Funktionsweise scheitert im vorliegenden Anwendungsfall (”Aussieben von Wassertröpfchen”) daran, dass erstens die in der Dampfströmung befindlichen Wassertröpfchen aufgrund ihrer Formveränderlichkeit einfach durch die Sieböffnungen ”hindurchgedrückt” würden und zweitens die Sieböffnungen sehr klein sein müssten, um eine gewisse Zurückhaltungsfunktion für die Wassertröpfchen bereitzustellen, was nachteiligerweise zu einem sehr großen Strömungswiderstand führen würde.The functioning of the sieve arrangement according to the invention comprising a first sieve and a second sieve (and optionally further sieving) differs considerably from the conventional mode of operation of an arrangement of two (or more) sieves arranged one behind the other:
The conventional operation of a single screen is to trap those particles which, due to their dimensions, do not pass through the screen openings as they pass through the screen. Such an operation fails in the present application ("sifting out of water droplets") in that first, the water droplets in the steam flow due to their shape variability would simply "squeezed" through the screen openings and, secondly, that the screen openings would have to be very small to provide some water droplet retention function, which would disadvantageously result in very high flow resistance.
Demgegenüber beruht die Funktion der erfindungsgemäßen Dampfsiebanordnung, die aus wenigstens zwei Sieben mit zueinander versetzten Sieböffnungen besteht, darauf, dass der Dampf nach Durchströmung der ersten Dampföffnung des ersten (stromaufwärtigen) Siebes einer Strömungsumlenkung unterworfen ist, um zu der in Querrichtung versetzt angeordneten zweiten Sieböffnung des zweiten (stromabwärtigen) Siebes zu gelangen. Entscheidend ist hierbei nun, dass bei diesem gekrümmten Verlauf der Dampfströmung zwischen den beiden Sieben die im Dampf enthaltenen Wassertröpfchen aufgrund ihrer Massenträgheit einen tendenziell weniger stark gekrümmten Strömungsweg durchlaufen und somit in einem Bereich des zweiten Siebes benachbart der (bzw. im Abstand zur) zweiten Sieböffnung (bzw. in einem Bereich zwischen zweiten Sieböffnungen) auftreffen. Diese Bereiche (z. B. massive Siebflächen) können jedoch mit geeigneten Ablaufkonstruktionen ausgestattet werden, um die aufgetroffenen Wassertröpfchen abzuführen und somit deren dampfströmungsgetriebene Mitnahme zu den Sieböffnungen des zweiten Siebes zu vermeiden.In contrast, the function of the vapor sieve assembly according to the invention, which consists of at least two sieves with mutually offset sieve openings, is based on the fact that the vapor is subjected to a flow deflection after flowing through the first vapor opening of the first (upstream) sieve in order to the transversely arranged second sieve opening of the second (downstream) sieve to arrive. Decisive here is that in this curved course of the vapor flow between the two sieves, the water droplets contained in the steam due to their inertia tend to flow through a less curved flow path and thus in a region of the second sieve adjacent to (or at a distance to) the second sieve opening (or in a region between second screen openings) impinge. However, these areas (eg, massive screen surfaces) may be provided with suitable drain structures to remove the impacted water droplets, thus avoiding their vapor flow driven entrainment to the screen openings of the second screen.
Selbstverständlich erfordert auch der erfindungsgemäße Wasserseparator einen gewissen Bauraum. Im Gegensatz zu den bekannten ”Abscheideflaschen” können jedoch für viele Anwendungsfälle vorteilhaftere Bauformen gewählt werden. Insbesondere kann gemäß der Erfindung vorteilhaft ein Wasserseparator so gestaltet werden, dass die Richtungen des Dampfeintrittes (an den ersten Sieböffnungen) und des Dampfaustrittes (z. B. an den zweiten Sieböffnungen) identisch sind, wobei ferner vorteilhaft eine sehr kurze Baulänge des Wasserseparators ermöglichst ist. Im einfachsten Fall wird diese Baulänge von der Summe der ”Siebdicken” des ersten und des zweiten Siebes zuzüglich des ”Siebabstandes” zwischen den beiden Sieben definiert. Falls die Siebanordnung noch ein drittes Sieb (und gegebenenfalls noch ein viertes Sieb usw.) aufweist, so erhöht sich die Baulänge des Wasserseparators entsprechend.Of course, the water separator according to the invention also requires a certain amount of space. In contrast to the known "separation bottles", however, more advantageous designs can be selected for many applications. In particular, according to the invention, a water separator can advantageously be designed such that the directions of the steam inlet (at the first screen openings) and the steam outlet (eg at the second screen openings) are identical, wherein advantageously a very short construction length of the water separator is possible , In the simplest case, this length is defined by the sum of the "screen thicknesses" of the first and second screens plus the "screen spacing" between the two screens. If the sieve arrangement also has a third sieve (and possibly also a fourth sieve, etc.), the overall length of the water separator increases accordingly.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Wasserseparators bzw. Wirkprinzips ist die ”Skalierbarkeit” der Konstruktion an eine vorgegebene Querschnittsfläche der betreffenden Nassdampfströmung. Da jedes verwendete Sieb eine oder mehrere Sieböffnungen aufweisen kann, und auch die Anordnung mehrerer Sieböffnungen an jedem Sieb weitgehend beliebig vorgesehen sein kann, lässt sich die erfindungsgemäße Konstruktion in einfacher Weise an beliebige Querschnittsflächen und Querschnittsformen der betreffenden Nassdampfströmung anpassen.A further advantage of the water separator or active principle according to the invention is the "scalability" of the construction to a predetermined cross-sectional area of the relevant wet steam flow. Since each sieve used can have one or more sieve openings and the arrangement of several sieve openings on each sieve can be largely arbitrary, the construction according to the invention can be adapted in a simple manner to any cross-sectional areas and cross-sectional shapes of the relevant wet steam flow.
In einer Ausführungsform umfasst die Wasserabfuhreinrichtung wenigstens einen im Inneren des zweiten Siebes verlaufenden Wasserablaufkanal und wenigstens eine Einmündung in diesen Wasserablaufkanal an einer Prallfläche des zweiten Siebes benachbart der zweiten Sieböffnung.In one embodiment, the water discharge device comprises at least one water drainage channel extending in the interior of the second wire and at least one opening in this water drainage channel at a baffle surface of the second wire adjacent to the second wire opening.
In einer Weiterbildung umfasst die Wasserabfuhreinrichtung ferner Mittel zum aktiven Abführen von im Wasserablaufkanal befindlichem Wasser (z. B. unter Einsatz einer ”Absaugung” mittels einer Wasserpumpe).In a further development, the water discharge device further comprises means for actively discharging water located in the water drainage channel (eg by using a "suction" by means of a water pump).
Das erste Sieb kann beispielsweise als eine Siebplatte, z. B. ebene Siebplatte, ausgebildet sein. An dem ersten Sieb sind keine Komponenten der Wasserabfuhreinrichtung erforderlich, so dass das erste Sieb vorteilhaft mit sehr geringer Dicke vorgesehen sein kann. In einer besonders einfachen Ausführung handelt es sich um eine Metallplatte (z. B. aus Stahl), die mit einer ersten Sieböffnung oder mit einer Mehrzahl von ersten Sieböffnungen versehen ist. Eine Mehrzahl von ersten Sieböffnungen ist bevorzugt in einer regelmäßigen Anordnung auf einem eindimensionalen oder zweidimensionalen Gitter (in mathematischem Sinne) vorgesehen.The first sieve can be used, for example, as a sieve plate, e.g. B. flat screen plate, be formed. At the first sieve, no components of the water discharge device are required, so that the first sieve can advantageously be provided with a very small thickness. In a particularly simple embodiment, it is a metal plate (eg of steel) which is provided with a first sieve opening or with a plurality of first sieve openings. A plurality of first screen openings is preferably provided in a regular arrangement on a one-dimensional or two-dimensional grid (in a mathematical sense).
Auch das zweite Sieb (und gegebenenfalls weitere Siebe) kann als eine Siebplatte (z. B. aus Metall, mit einer oder mehreren zweiten Sieböffnungen) ausgebildet sein. Als eine Komponente der Wasserabfuhreinrichtung kann im Inneren dieser Siebplatte wenigstens ein Wasserablaufkanal ausgebildet sein.The second sieve (and possibly further sieves) can also be designed as a sieve plate (eg made of metal, with one or more second sieve openings). As a component of the water drainage device, at least one water drainage channel can be formed inside this filter plate.
Falls das zweite Sieb mit einer Mehrzahl von zweiten Sieböffnungen versehen ist, die bevorzugt ebenfalls gemäß einer regelmäßigen Anordnung auf einem (mathematischen) Gitter angeordnet sind, so kann der genannte Wasserablaufkanal im zweiten Sieb einen Wassersammelkanal darstellen, welcher zum Zusammenführen und gemeinsamen Abführen von Wasser genutzt wird, welches über mehrere Einzweigungen in den Wasserablaufkanal gelangt, wobei diese Einzweigungen über entsprechende Einmündungen an den Bereichen zwischen den zweiten Sieböffnungen mit (aus der Nassdampfströmung abgetrennten) Wasseranteilen versorgt werden.If the second sieve is provided with a plurality of second sieve openings, which are also preferably arranged according to a regular arrangement on a (mathematical) grid, then said water drainage channel in the second sieve can constitute a water collection channel which is used for merging and jointly discharging water which passes into the water drainage channel via several branches, whereby these branches are supplied via corresponding junctions at the areas between the second screen openings with water fractions (separated from the wet steam flow).
In einer Ausführungsform umfasst der Wasserseparator ferner ein in Strömungsrichtung hinter dem zweiten Sieb angeordnetes drittes Sieb mit wenigstens einer dritten Sieböffnung, die mit einem Versatz zur zweiten Sieböffnung angeordnet ist, wobei die Wasserabfuhreinrichtung ferner zum Abführen von Wasser, welches benachbart der dritten Sieböffnung auf das dritte Sieb auftrifft, ausgebildet ist.In one embodiment, the water separator further comprises a third sieve downstream of the second sieve and having at least one third sieve opening offset from the second sieve opening, the water discharge device further discharging water adjacent the third sieve opening to the third Sieve impinges, is formed.
Wie bereits erwähnt kann der Wasserseparator auch noch mehr als drei hintereinander angeordnete Siebe umfassen. Zur Ausbildung der Wasserabfuhreinrichtung können das zweite, dritte usw. Sieb jeweils mit geeigneten Wasserablaufkanälen im Inneren dieser z. B. als ebene Siebplatten formgestalteten Sieben vorgesehen sein, über welche das aufgetroffene Wasser abgeführt werden kann. Bei dem allerersten, d. h. am weitesten stromaufwärts angeordneten Sieb ist eine derartige Ablaufkonstruktion entbehrlich. Wesentlich ist vielmehr, dass das in Strömungsrichtung zweite Sieb und gegebenenfalls noch weitere in der Dampfsiebanordnung folgende Siebe jeweils mit einer geeigneten Ablaufkonstruktion ausgestattet sind und jede Sieböffnung eines ”nachfolgenden Siebes” mit einem Versatz zu der bzw. jeder der Sieböffnungen des ”vorausgehenden Siebes” angeordnet ist. As already mentioned, the water separator can also comprise more than three sieves arranged one behind the other. To form the water removal device, the second, third, etc. sieve each with suitable water drainage channels in the interior of this z. B. can be provided as a flat screen plates form-shaped screens over which the impacted water can be dissipated. In the very first, ie the furthest upstream screen such a drain construction is unnecessary. Rather, it is essential that the second sieve in the direction of flow and, if appropriate, further sieves following in the steam sieve arrangement are each equipped with a suitable drain construction and each sieve opening of a "subsequent sieve" is arranged with an offset to the or each of the sieve openings of the "preceding sieve" is.
Hinsichtlich der Anordnung einer Mehrzahl von Sieböffnung in jeweiligen Sieben ist anzumerken, dass diese Sieböffnungsanordnungen z. B. für ein erstes Sieb und ein drittes Sieb identisch vorgesehen sein können. Ebenso können die Sieböffnungsanordnungen eines zweiten Siebes und eines vierten Siebes identisch vorgesehen sein, wobei entsprechend des erfindungsgemäßen Wirkprinzips die Sieböffnungen des zweiten Siebes mit einem Versatz bezüglich der Sieböffnungen des ersten Siebes und die Sieböffnungen des dritten Siebes mit einem Versatz bezüglich der Sieböffnungen des zweiten Siebes vorzusehen sind. Wesentlich ist, dass in jedem Zwischenraum zwischen zwei unmittelbar benachbarten Sieben ein gekrümmter Dampfströmungsverlauf erzwungen wird (um an dem betreffenden stromabwärtigen Sieb ein Auffangen und Abführen von Wassertröpfchen zu ermöglichen).With regard to the arrangement of a plurality of sieve opening in respective sieves is to be noted that these Sieböffnungsanordnungen z. B. may be provided identically for a first sieve and a third sieve. Likewise, the Sieböffnungsanordnungen a second screen and a fourth screen may be provided identically, according to the principle of the invention, the screen openings of the second screen with an offset with respect to the screen openings of the first screen and the screen openings of the third screen with an offset with respect to the screen openings of the second screen provided are. It is essential that in each space between two immediately adjacent screens, a curved flow of vapor is forced (to allow collection and removal of water droplets at the respective downstream screen).
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Wasser aus einer Nassdampfströmung umfasst die Schritte:
- – Führen der Nassdampfströmung durch ein erstes Sieb mit wenigstens einer ersten Sieböffnung und ein in Strömungsrichtung dahinter angeordnetes zweites Sieb mit wenigstens einer zweiten Sieböffnung, die mit einem Versatz zur ersten Sieböffnung angeordnet ist, und
- – Abführen von Wasser, welches benachbart der zweiten Sieböffnung auf das zweite Sieb auftrifft.
- Passing the wet steam flow through a first sieve having at least one first sieve opening and a second sieve arranged behind it in the flow direction with at least one second sieve opening which is arranged with an offset to the first sieve opening, and
- - discharging water, which impinges on the second sieve adjacent to the second sieve opening.
Gemäß einer besonders interessanten Ausgestaltung dieses Verfahrens bzw. Verwendung des erfindungsgemäßen Wasserseparators ist ein Abtrennen von Wasser aus einer Nassdampfströmung vorgesehen, die innerhalb eines Turbinengehäuses einer Dampfturbine auftritt.According to a particularly interesting embodiment of this method or use of the water separator according to the invention, a separation of water from a wet steam flow is provided, which occurs within a turbine housing of a steam turbine.
Eine Dampfturbine der hier interessierenden Art kann ein Turbinengehäuse mit einer darin drehbar um eine Turbinenachse gelagerten Turbinenwelle umfassen, wobei entlang der Turbinenwelle eine Mehrzahl von mit Wasserdampf durchströmbaren Stufengruppen vorgesehen sind, die jeweils aus einer wellenfesten Laufschaufelstruktur und einer damit zusammenwirkenden gehäusefesten Leitschaufelstruktur gebildet sind, so dass in den nacheinander von Wasserdampf durchströmten Stufengruppen jeweils eine druck- und temperaturreduzierende Expansion des Wasserdampfes erfolgt.A steam turbine of the type of interest here may include a turbine housing having a turbine shaft rotatably mounted therein about a turbine axis, along the turbine shaft having a plurality of steam-flow stage groups each formed of a shaft-fixed blade structure and a stationary stator vane structure cooperating therewith in that a pressure and temperature-reducing expansion of the water vapor takes place in each of the step groups through which water vapor flows successively.
Derartige Dampfturbinen sind aus dem Stand der Technik bekannt und können beispielsweise in Kernkraft-, Geothermie-, Solarthermie-, Biomasse- oder anderen Kraftwerken vorteilhaft zur Erzeugung von elektrischer Energie eingesetzt werden.Such steam turbines are known from the prior art and can be used for example in nuclear power, geothermal, solar thermal, biomass or other power plants advantageous for the production of electrical energy.
Lediglich beispielhaft sei auf die
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Energieumwandlung ist es bekanntlich von Vorteil, wenn in der Turbine eine sehr weitgehende Expansion des Wasserdampfes stattfindet, bei welcher eine möglichst große Temperaturdifferenz zwischen zugeführtem und abgeführtem Wasserdampf besteht. Beim Unterschreiten der Taulinie (bzw. Sattdampfkurve) kommt es zum Auskondensieren von Wasser im Dampfströmungsverlauf noch innerhalb des Turbinengehäuses. Die Folge sind Schaufelerosion (z. B. so genannte ”Tröpfchenschlagerosion”) und Erosionskorrosion insbesondere in im Strömungsverlauf weiter hinten liegenden Turbinenbereichen, z. B. in ”Niederdruckbereichen”.To achieve a high efficiency of the energy conversion, it is known to be advantageous if a very extensive expansion of the water vapor takes place in the turbine, in which there is the greatest possible temperature difference between supplied and discharged water vapor. When falling below the tau line (or saturated steam curve), condensation of water in the steam flow path still occurs within the turbine housing. The result is blade erosion (eg so-called "droplet impact erosion") and erosion corrosion, in particular in turbine regions further downstream in the course of the flow, eg, B. in "low pressure areas".
Bei der aus der
Diese nach dem Stand der Technik bekannte Lösung mit wenigstens einem außerhalb der Turbine betriebenen Dampferhitzer erfordert einen hohen anlagetechnischen Aufwand sowie einen zusätzlichen Energieeinsatz (z. B. Brennstoffenergie). This known from the prior art solution with at least one operated outside the turbine steamer requires a high investment outlay and an additional energy input (eg., Fuel energy).
Es besteht daher Bedarf dafür, bei einer Dampfturbine der oben beschriebenen Art die mit einem Auskondensieren von Wasser im Dampfströmungsverlauf verbundenen Probleme zu vermindern, um auf diese Weise insbesondere auf eine aufwendige Zwischenüberhitzung verzichten zu können.There is therefore a need for a steam turbine of the type described above to reduce the problems associated with condensing out water in the steam flow profile in order to be able to dispense in this way, in particular, with costly reheating.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher eine Ausgestaltung der Dampfturbine vorgeschlagen, bei welcher wenigstens eine der Stufengruppen zur Abgabe von Nassdampf mit einem Wasseranteil von mehr als 5% ausgelegt ist, wobei im Dampfströmungsverlauf hinter dieser Stufengruppe ein Wasserseparator der oben bereits beschriebenen Art angeordnet ist, über welchen der Wasserdampf nach Reduktion des Wasseranteils auf weniger als 3%, insbesondere weniger als 2%, an eine nachfolgende der Stufengruppen abgegeben wird.According to the present invention, therefore, an embodiment of the steam turbine is proposed in which at least one of the stage groups for discharging wet steam is designed with a water content of more than 5%, wherein in the steam flow path behind this stage group a water separator of the type already described above is arranged over in which the water vapor after reduction of the water content to less than 3%, in particular less than 2%, is delivered to a subsequent of the step groups.
Bei einer solchen Dampfturbine ist wenigstens eine der Stufengruppen zur Abgabe von Nassdampf mit einem Wasseranteil von mehr als 5%, bevorzugt im Bereich von 5 bis 15% ausgelegt. Die betreffende Stufengruppe ermöglicht damit vorteilhaft eine hohe Effizienz der Energieumwandlung. Zur Vermeidung der ansonsten zu erwartenden Probleme ist im Dampfströmungsverlauf hinter dieser Stufengruppe ein Wasserseparator angeordnet, über welchen der Wasserdampf nach Reduktion des Wasseranteils auf weniger als 3%, bevorzugt weniger als 2%, oder sogar etwa 0%, an eine nachfolgende der Stufengruppen abgegeben wird.In such a steam turbine, at least one of the stage groups is designed to dispense wet steam having a water content of more than 5%, preferably in the range of 5 to 15%. The relevant stage group thus advantageously allows a high efficiency of energy conversion. To avoid the problems otherwise to be expected, a water separator is arranged in the steam flow path behind this step group, via which the water vapor is discharged to a subsequent one of the step groups after reduction of the water content to less than 3%, preferably less than 2%, or even about 0% ,
Die erfindungsgemäße Dampfturbine kann insbesondere zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels eines davon angetriebenen elektrischen Generators verwendet werden.The steam turbine according to the invention can be used in particular for generating electrical energy by means of an electric generator driven therefrom.
Einer im Dampfströmungsverlauf ersten Stufengruppe, beispielsweise als Teil einer ”Hochdruckstufe” der Dampfturbine bzw. einer diese Turbine enthaltenden Dampfturbinenanlage, kann Frischdampf mit einem Druck von z. B. mehr als 100 bar und einer Temperatur von z. B. mehr als 400°C zugeführt werden. Am Ende der im Dampfströmungsverlauf letzten Stufengruppe kann der expandierte Dampf einen Druck von z. B. weniger als 1 bar (also Unterdruck) und eine Temperatur von z. B. weniger als 50°C aufweisen.One in the steam flow first stage group, for example, as part of a "high-pressure stage" of the steam turbine or a turbine containing this steam turbine plant, live steam with a pressure of z. B. more than 100 bar and a temperature of z. B. more than 400 ° C are supplied. At the end of the last stage group in the steam flow pattern, the expanded steam can reach a pressure of, for. B. less than 1 bar (ie vacuum) and a temperature of z. B. less than 50 ° C.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Turbine ist keine Zwischenüberhitzung im Dampfströmungsverlauf vorgesehen, um den damit verbundenen anlagentechnischen Aufwand zu vermeiden.In an advantageous embodiment of the turbine, no intermediate superheating in the steam flow path is provided in order to avoid the associated plant-related expenditure.
Die Dampfturbine kann zwei, drei, vier oder noch mehr Stufengruppen umfassen, wobei im Dampfströmungsverlauf hinter einer oder mehreren Stufengruppen jeweils (wenigstens) ein Wasserseparator mit der oben erläuterten Funktion angeordnet sein kann.The steam turbine may comprise two, three, four or even more stage groups, it being possible for at least one water separator with the function explained above to be arranged behind one or more stage groups in the steam flow profile.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wasserseparator vollständig innerhalb des Turbinengehäuses untergebracht.In a preferred embodiment, the water separator is housed completely within the turbine housing.
Der (wenigstens eine) Wasserseparator weist hierbei eine ”Dampfsiebanordnung” der oben bereits beschriebenen Art zum Abfangen von Wassertröpfchen auf. Die bevorzugt innerhalb des Turbinengehäuses untergebrachte Dampfsiebanordnung kann gegenüber dem Turbinengehäuse und/oder gegenüber der Turbinenwelle radial abgedichtet sein, um im Turbinenbetrieb eine Strömung von Nassdampf ”an der Dampfsiebanordnung vorbei” zu vermeiden.The (at least one) water separator in this case has a "steam sieve arrangement" of the type already described above for trapping water droplets. The vapor sieve assembly, preferably housed within the turbine housing, may be radially sealed from the turbine housing and / or from the turbine shaft to avoid a flow of wet steam past the vapor sifter assembly during turbine operation.
In einer anderen Ausführungsform ist der Wasserseparator teilweise außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet. Bevorzugt sind hierbei jedoch sämtliche außerhalb des Turbinengehäuses befindlichen Teile des Wasserseparators baulich mit dem Turbinengehäuse zusammengefasst, also z. B. in angeflanschten, angeschweißten oder als Gehäuseangüsse einstückig mit dem Gehäusekorpus verbundenen Rohrleitungen untergebracht bzw. von derartigen Rohrleitungen gebildet. Sämtliche Teile des Wassersepartors sind bevorzugt innerhalb eines (gedachten) zylindrischen Bauraumes untergebracht, dessen axiale Länge der axialen Ausdehnung der Turbinenwelle innerhalb des Turbinengehäuses entspricht und dessen radialer Durchmesser kleiner ist als das 4-fache, bevorzugt kleiner als das 3-fache, des maximalen Durchmessers eines Turbinengehäusekorpus (Turbinengehäuse ohne Wassersepartorkomponenten).In another embodiment, the water separator is partially disposed outside of the turbine housing. In this case, however, all parts of the water separator located outside of the turbine housing are preferably structurally combined with the turbine housing, ie, for example. B. housed in flanged, welded or integrally molded as housing casings with the housing body piping or formed from such piping. All parts of the Wassersepartors are preferably housed within a (imaginary) cylindrical space whose axial length corresponds to the axial extent of the turbine shaft within the turbine housing and whose radial diameter is smaller than 4 times, preferably smaller than 3 times, the maximum diameter a turbine housing body (turbine housing without Wassersepartorkomponenten).
Bei der teilweisen Ausführung des Wasserseparators außerhalb des Turbinengehäuses kann die Dampfsiebanordnung außerhalb des Turbinengehäuses installiert und mit wenigstens einer Dampfzuleitung und wenigstens einer Dampfrückleitung mit dem Innenraum des Turbinengehäuses verbunden sein.In the partial embodiment of the water separator outside the turbine housing the Dampfsiebanordnung can be installed outside of the turbine housing and connected to at least one steam supply line and at least one vapor return line to the interior of the turbine housing.
In jedem Fall umfasst die Dampfsiebanordnung eine Mehrzahl von (hintereinandergeschalteten) Sieben, wobei die Sieböffnung(en) jedes Siebes mit Versatz zu der (den) Sieböffnung(en) eines in der Dampfsiebanordnung stromaufwärts unmittelbar benachbarten Siebes angeordnet ist (sind).In any event, the steam sieve assembly comprises a plurality of sieves (one behind the other) with the sieve opening (s) of each sieve being offset from the sieve opening (s) of a sieve immediately upstream in the steam sieve assembly.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass aus dem Nassdampf absepariertes Wasser aus der Turbine herausführt und anderer Stelle einem Wasser-Wasserdampf-Kreislauf wieder zugeführt wird. Bei diesem Kreislauf kann in an sich bekannter Weise der im Dampfströmungsverlauf am Ende der Turbine herausgeführte Abdampf z. B. zunächst zu einem Kondensator und von dort weiter zu einem Dampferhitzer geleitet werden, um vom Dampferhitzer mit hohem Druck und hoher Temperatur bereitgestellten Frischdampf insbesondere zu Beginn des Dampfströmungsverlaufes der Turbine (an einem ”Frischdampfanschluss”) zuzuführen.According to one embodiment it is provided that water separated from the wet steam leads out of the turbine and others Place a water-steam cycle is fed back. In this cycle, in the known manner, in the steam flow path at the end of the turbine led out exhaust steam z. B. first to a condenser and from there on to a steamer to be supplied by the steamer heater with high pressure and high temperature provided live steam, especially at the beginning of the steam flow curve of the turbine (at a "live steam").
In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Wasserseparatoren der genannten Funktion vorgesehen, die jeweils zwischen zwei im Dampfströmungsverlauf der Turbine unmittelbar aufeinanderfolgenden Stufengruppen angeordnet sind.In a preferred embodiment, a plurality of water separators of the said function are provided, each of which is arranged between two steam groups in the steam flow course of the successive stages groups.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:The invention will be further described by means of embodiments with reference to the accompanying drawings. They show:
Der Begriff ”Nassdampf” bezeichnet in üblicher Weise ein Gemisch aus Wasserdampf (in gasförmiger Phase) und Wasser (in flüssiger Phase).The term "wet steam" denotes in the usual way a mixture of water vapor (in the gaseous phase) and water (in the liquid phase).
Die Durchströmung des Wasserseparators
Der Wasserseparator
Bei dieser Strömungsführung können die den Wasseranteil bildenden Wassertröpfchen der Beschleunigung bzw. Umlenkung der Dampfströmung im Zwischenraum zwischen den Sieben
Während der Dampfanteil (gestrichelte Pfeile) die Öffnungen
Die benachbart der Sieböffnung
In
Die Ausstattung der Prallfläche des zweiten Siebes
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sieböffnungen jeweils langgestreckt sind, und zwar orthogonal zur Durchströmungsrichtung und orthogonal zur ”Ablenkungsrichtungrichtung” (Die Ablenkungsrichtungrichtung verläuft z. B. in
Bei der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur Unterscheidung der Ausführungsform. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.In the following description of further embodiments, the same reference numerals are used for equivalent components, each supplemented by a small letter to distinguish the embodiment. In this case, essentially only the differences from the embodiment (s) already described are discussed and, moreover, reference is hereby explicitly made to the description of previous exemplary embodiments.
Mit dieser Anordnung wird das oben mit Bezug auf
Ein weiterer Unterschied zu der einfachen Anordnung gemäß
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sieböffnungen
Die Durchströmung des Wasserseparators
Der Einfachheit der Darstellung halber ist in
In einer bevorzugten Ausführungsform sind an den jeweiligen Prallflächen der Siebplatten
Über diese Kanäle kann eine gewisse ”Absaugung” durch eine Differenz derjenigen Drücke realisiert sein, die einerseits an den Einmündungen und andererseits an den Ausgängen der Kanäle herrschen. Die Kanäle können ausgangsseitig z. B. in einen gemeinsamen Wassersammelkanal einmünden, der wiederum mit dem Eingang einer Wasserpumpe verbunden ist, um das abgefangene Wasser ”aktiv” abzusaugen bzw. abzuleiten.Through these channels a certain "suction" can be realized by a difference of those pressures that prevail on the one hand at the junctions and on the other hand at the outputs of the channels. The channels can be on the output side z. B. in a common water collection channel, which in turn is connected to the input of a water pump to "suck off" the trapped water "active" or deduce.
Nachfolgend wird mit Bezug auf
Entlang der Turbinenwelle
An einem (nicht dargestellten) Frischdampfeinlass wird Frischdampf mit hohem Druck und hoher Temperatur in die Turbine
Jede der Stufengruppen
Üblicherweise besteht eine Laufschaufelstruktur hierbei aus einer Reihe von axial voneinander beabstandeten Laufschaufelkränzen mit radial von der Turbinenwelle
In den nacheinander von Wasserdampf durchströmten Stufengruppen
Eine Besonderheit der Dampfturbine
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dampfturbine
Jeder der Wasserseparatoren
Das von den Wasserseparatoren
Vorteilhaft ermöglicht der dargestellte Aufbau der Turbine
Es versteht sich, dass die konkrete Anzahl und Anordnung bzw. Durchströmungsreihenfolge der Stufengruppen
Bei manchen Dampfturbinenkonstruktionen sind derartige Stufen oftmals baulich voneinander separiert und über Dampfleitungen miteinander verbunden. In diesem Fall kann die beispielhaft in
Die Wasserseparatoren
Um eine Dampfströmung ”an den Wasserseparatoren vorbei” zu vermeiden, sind diese in Radialrichtung einerseits gegenüber dem Turbinengehäuse
Zusammenfassend ist mit der Dampfturbine
Für die Wasserseparatoren kann abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäß
Beispielsweise kann ein Wasserseparator über eine relativ kurze Rohrleitungsanordnung mit dem Turbinengehäuse verbunden sein (Prinzip: Rohrentnahme).For example, a water separator can be connected to the turbine housing via a relatively short pipe arrangement (principle: pipe removal).
Auch kann ein Wasserseparator über eine Leitungsverbindung an das Turbinengehäuse gekoppelt werden, die durch einen Gehäuseanguss (z. B. ”Entnahmedom”) gebildet ist.Also, a water separator may be coupled to the turbine housing via a conduit connection formed by a housing casting (eg, "bleed port").
Alternativ zur Installation des Wasserseparators innerhalb des dampfdurchströmten Innenraumes des Turbinengehäuses (vgl.
Bei Verwendung eines oder mehrerer Wasserseparatoren bei einer Dampfturbine der oben berschriebenen und beispielhaft in
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