DE102021200336A1

DE102021200336A1 - Partikelabscheider für einen Fluidstrom und Verfahren

Info

Publication number: DE102021200336A1
Application number: DE102021200336.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ulma
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2022-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelabscheider (1), der in einem gekrümmten Rohr (2) eines Dampfleitungssystem einer Dampfturbine ausgebildet ist und das Rohr (2) im gekrümmten Bereich eine Öffnung (27) aufweist, so dass Partikel (30) durch diese Öffnung (27) sich geradlinig fort bewegen können und nicht dem gekrümmten Verlauf (33) des Rohrbogens (2) folgen und in einem Sammelbehälter (22) landen können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Partikelabscheider für einen Fluidstrom, insbesondere für einen Dampfstrom innerhalb von Rohren oder innerhalb einer Anlage einer Dampfturbine und ein Verfahren.
Es muss sichergestellt werden, dass Partikel nicht mit einströmendem Dampf in eine Dampfturbine gelangen. Dazu wird Dampf vor dem Eintritt in die Dampfturbine oder vor einem Schnellschlussventil durch ein Dampfsieb geleitet. Dieses Dampfsieb kann z.B. aus einem gelochten Blech oder einem auf einen Korb gewickeltem Draht bestehen. Insbesondere Partikel können jedoch zu Schäden an den Dampfsieben führen. Teile des Dampfsiebs und die Partikel gelangen dann in die Turbine und beschädigen eine Beschaufelung, Welle und/oder Wellendichtung. Für eine Reparatur wäre dann häufig das Öffnen der Dampfturbine erforderlich. Dadurch werden hohe Kosten und lange Stillstandzeiten verursacht.
Üblicherweise sind Dampfsiebe in der Zuleitung zu Hochdruck-(HD) und Mitteldruck- (MD) Teilturbinen in den Turbinenventilgehäusen angeordnet oder in das Schnellschlussventil integriert. Dies erfordert aber ein deutlich größeres Ventilgehäuse oder einen aufwändig hergestellten Korb mit Drahtwicklung sowie die entsprechenden Aufnahmen im Gehäuse.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Partikelabscheider gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 6.
In den jeweiligen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigt

1 schematisch die Ausgangssituation und die notwendige Veränderung für die erfindungsgemäße Ausführung gemäß 2,
2 einen erfindungsgemäßen Partikelabscheider.

Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Ein Partikelabscheider 1 (2) ist für einen Dampfstrom 7 vorgesehen, der mit einer bestimmten Geschwindigkeit in einem Rohr 2' (1), 2 (2) strömt. Günstig ist die Anordnung des Partikelabscheiders 1 (2) vor dem Eintritt des Dampfstroms 7 in ein Turbinenventil einer Dampfturbine insbesondere an einer Stelle, an der bereits ein Rohr 2' als Rohrbogen (1) angeordnet ist, der einen gekrümmten Verlauf 33 (= ebenso Strömungsrichtung des Dampfstroms 7) aufweist.
Ausgehend von dem Rohr 2' (1, hier als Rohrbogen) wird ein Fortsatz 19 (gestrichelt angedeutet in 1) angebracht. Dieser daraus gebildete Partikelabscheider 1 (2) erlaubt es, dass Partikel 30 aus dem Dampfstrom 7 abgeschieden werden.
Die Strömungsgeschwindigkeiten betragen in der Regel 50m/s bis 70m/s, so dass sich Partikel 30 aufgrund ihrer Massenträgheit mehr oder weniger geradeaus weiterbewegen können, während der Dampf im Dampfstrom 7 entlang des gekrümmten Verlaufs 33 des Rohrs 2', 2 (2) weiterhin umgelenkt wird. Da sich im Dampfstrom 7 aufgrund der Temperatur ausschließlich schwere Partikel 30 befinden, ist ein hoher Wirkungsgrad möglich.
Der Dampfstrom 7 wird durch den Partikelabscheider 1 kaum negativ beeinflusst, da sich in dem Fortsatz 19 (2) ein Dampfpolster ausbildet, sodass der das Rohr 2 (hier ein Rohrbogen) durchströmende Dampfstrom 7 geeignet umgelenkt werden kann.
Form und Ausführung des Partikelabscheiders 1 können z.B. in einer CFD-Analyse hinsichtlich Druckverlust und Wirkungsweise optimiert werden.
Das Rohr 2 als Rohrbogen ist vorzugsweise 90° oder mehr in der Umlenkung gekrümmt.
Rohre 2 in Form von Rohrbögen sind in den Dampfzuleitungen zu einer Dampfturbine bauseitig zwingend erforderlich. Durch die Weiterleitung in den Partikelabscheider 1 (2) werden damit keine zusätzlichen Strömungsverluste produziert, vielmehr nur die Verluste, die durch die nicht rohrförmige Umlenkung entstehen.
Der Partikelabscheider 1 kann z.B. als ein bogenförmiges Rohr 2 unmittelbar vor dem Turbinenventil angeordnet sein.
Das Dampfsieb ist ein Bauteil mit großem Schadenspotential in einer Dampfturbine. Es besteht ein Risiko für die Dampfturbine, dass ein Schaden auftritt. Insbesondere schwere Partikel 30 können zu Dampfsiebschäden führen.
Die Erfindung benötigt kein Dampfsieb. Das Abscheiden der Partikel 30 erfolgt durch Massenträgheit.
Die Vorteile sind:

1. Die bisher verwendeten Siebe verursachen hohe Kosten durch das Sieb selbst und das entsprechende Gehäuse. Durch die Bauweise des Partikelscheiders 1 können Kosten signifikant reduziert werden. Ein Siebkörper, ein Siebträger und die Aufnahme im Gehäuse ist für den Partikelabscheider nicht erforderlich. Der Partikelabscheider kann einen vorhandenen Rohrbogen ersetzen.
2. Die Betriebssicherheit kann deutlich erhöht werden und damit die Verfügbarkeit der Turbine. Folgeschäden durch beschädigte Dampfsiebe sind nicht mehr möglich.
3. Über eine Öffnung im Bereich eines Sammelbehälters können Partikel entfernt werden. Im Weiteren kann anhand der abgeschiedenen Fremdkörper und Partikel der Zustand der strömungsaufwärts angeordneten Komponenten beurteilt werden, außerdem eignet sich die Öffnung ggf. für eine Endoskopie.

Der Partikelabscheider 1 kann in einem vorhandenen bogenförmigen Rohr 2' (1) oder Dampfleitungssystem einer Dampfturbine integriert werden, wobei dieser Teil des Dampfleitungssystem nur eine gewisse Krümmung aufweisen muss.
Der Dampfstrom 7, der entlang des gekrümmten Verlaufs 33 verläuft, strömt durch ein Rohr 2' (1), welches im Längsquerschnitt einen inneren Abschnitt 4 aufweist, der hier insbesondere einen geradlinigen Verlauf bis zur Höhe 5 (Schnittpunkt 36) aufweist, dann gekrümmt ist und wieder geradlinig verläuft. Im inneren oder äußeren Abschnitt wird das Rohr 2' durch erste, mittlere und dritte Rohrbereiche 9, 10, 11 gebildet.
Der erste Rohrbereich 9 ist ebenso wie der innere Abschnitt 4 bis zur Höhe 5 vorzugsweise gradlinig.
Der mittlere Rohrbereich 10 weist eine Krümmung auf.
Dann folgt ein dritter Rohrbereich 11, der wieder mehr oder weniger geradlinig verläuft.
Der Partikelabscheider 1 (2) schließt sich an eine zu bildende Öffnung 27 an. Quasi wird das Rohr 2' in dem mittleren Rohrbereich 10 teilweise geöffnet, auf den die sich gradlinig bewegenden Partikel 30 treffen würden, um die Öffnung 27 zu erzeugen.
Der mittlere Rohrbereich 10 wird vorzugsweise definiert durch die Schnittpunkte 36, 39 in 1. Im weiteren Strömungsverlauf entlang der Krümmung 33 folgt der ausgebildete dritte Rohrbereich 11, der ebenfalls wie der innere Abschnitt 4 weniger gekrümmt oder geradlinig verläuft, weil dadurch eine Öffnung 27 gebildet wird.
An die Öffnung 27 für die Partikel 30 schließt sich ein Boden 13 und im Querschnitt gesehen oben ein weiteres Teilstück 16 an, das den dritten Rohrbereich 11 mit einem Fortsatz 19 (zumindest gebildet von Boden 13 und Teilstück 16) verbindet (2).
Das Teilstück 16 verläuft vorzugsweise in einem spitzen Winkel zum Boden 13, so dass sich der Querschnitt eines dadurch gebildeten Fortsatzes 19 verjüngt. Das Teilstück 16 kann auch eine andere Form oder Verlauf aufweisen.
Partikel 30, die verschieden groß sein können, verlaufen nicht entlang der gekrümmten Richtung 33 des inneren Abschnitts 4 oder des dritten Rohrbereichs 11, sondern bewegen sich aufgrund der Trägheit in Richtung der Linien 31, 32 durch die Öffnung 27 fort und bewegen sich durch die Öffnung 27. Diese treffen dann dort auf das Teilstück 16 oder eines Rohrfortsatzes 21 auf und werden im Auffangbehälter 22 gesammelt.
Der Rohrfortsatz 21 ist am Ende vorzugsweise nach unten in Richtung der Schwerkraft gekrümmt. Partikel 30 sammeln sich via einem Fortsatz 19 vorzugsweise in einem Sammelbehälter 22, der eine Art Fallrohr mit Boden darstellt (2).
Der Fortsatz 19 (2) stellt ein Rohrteil dar, das sich an die Öffnung 27 anschließt. Das Rohrteil ist hier vorzugsweise am Anfang der Öffnung 27 insbesondere verjüngend bis zum Rohrfortsatz 21, kann aber auch ganz oder teilweise vorzugsweise konstant im Querschnitt ausgebildet sein.
Der Boden 13 des Fortsatzes 19 ist quasi eine Verlängerung, insbesondere eine geradlinige Verlängerung, des Rohres 2 beginnend am Punkt 36 (1), an dem der gekrümmte Verlauf 33 beginnt. Der Boden 13 kann auch gekrümmt ausgebildet sein. Ebenso kann der Bogen 13 nach oben (in Richtung BZ 4,11) ansteigen oder nach unten abfallen.
Das Teilstück 16 beginnt vorzugsweise zumindest auf der Höhe 42 oder darüber in Richtung 7 gesehen, insbesondere auf der Höhe 42, einer gedachten geradlinigen Verlängerung des geraden Rohrabschnitts 5 (1).
Sowie weist der Partikelabscheider 1 einen Boden 13 auf, der insbesondere keine Krümmung aufweist.
Form und Abmessungen eines Sammelbehälters 22 kann abweichend gestaltet werden.
Der Sammelbehälter 22 kann auch eine Öffnung zur Inspektion und Reinigung aufweisen.

Claims

Partikelabscheider (1), der in einem gekrümmten Rohr (2) eines Dampfleitungssystems einer Dampfturbine ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (2) im gekrümmten Bereich eine Öffnung (27) aufweist, so dass Partikel (30) durch diese Öffnung (27) sich geradlinig fort bewegen können und nicht dem gekrümmten Verlauf (33) des Rohrs (2) folgen und in einem Sammelbehälter (22) landen können.
Partikelabscheider nach Anspruch 1, bei dem die Öffnung (27) definiert wird durch einen Boden (13) und einem weiteren Teilstück (16), die zusammen einen Fortsatz (19) bilden.
Partikelabscheider nach Anspruch 2, bei dem der Boden (13) eine Verlängerung, insbesondere geradlinige Verlängerung, eines ersten inneren Rohrbereichs (5) des ursprünglichen Rohrs (2') darstellt.
Partikelabscheider nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Teilstück (16) in einem spitzen Winkel zum Boden (13) verläuft, so dass sich der Querschnitt eines dadurch gebildeten Fortsatzes (19) verjüngt.
Partikelabscheider nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem sich an die Öffnung (27) ein Rohrteil als Fortsatz (19) anschließt, in das die Partikel (30) geradlinig einströmen können.
Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbine, die einen Partikelabscheider (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5 aufweist.
Partikelabscheider nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder einem Verfahren nach Anspruch 6, wobei Partikel (30) in einem Partikelsammelgefäß (22) gesammelt werden und entleert können oder werden.