EP2491304B1 - Zyklonabscheider zur phasenseparation eines mehrphasen-fluidstroms, dampfturbinenanlage mit einem zyklonabscheider und zugehöriges betriebsverfahren - Google Patents

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EP2491304B1
EP2491304B1 EP20100776937 EP10776937A EP2491304B1 EP 2491304 B1 EP2491304 B1 EP 2491304B1 EP 20100776937 EP20100776937 EP 20100776937 EP 10776937 A EP10776937 A EP 10776937A EP 2491304 B1 EP2491304 B1 EP 2491304B1
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EP
European Patent Office
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condensate
cyclone separator
housing
steam
pressure turbine
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EP20100776937
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Barnaby Bruce
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Areva GmbH
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Areva GmbH
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Publication date
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    • B04C3/04—Multiple arrangement thereof
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    • F22B37/32—Steam-separating arrangements using centrifugal force
    • F22B37/327—Steam-separating arrangements using centrifugal force specially adapted for steam generators of nuclear power plants

Definitions

  • the invention relates to a cyclone separator for phase separation of a multiphase fluid flow having a substantially rotationally symmetrical about a central axis designed, enclosing a cavity housing, with at least one supply line for the fluid flow, which is designed for a substantially tangential to the housing interior inflow of the fluid stream, and with at least one discharge line for the separated gaseous portion of the fluid stream.
  • the invention further relates to a steam turbine plant with a high-pressure turbine and a low-pressure turbine and with such a cyclone separator. It also relates to a method for operating such a steam turbine plant.
  • water separators connected in series and reheaters are usually used which can be structurally combined in the manner of a secondary or a series installation (combined water separator / reheater, WaZü for short).
  • the water content of the steam is usually reduced in a first component of the water separator / reheater before the now substantially gaseous portion is passed into a second component in which it is superheated.
  • the thus superheated steam is now introduced into the low-pressure turbine, where it is relaxed and thereby performs work.
  • Various devices can be used to separate the water content. These include, for example, sheets on which the steam flow is passed along.
  • a so-called cyclone separator or cyclone in the essentially rotationally symmetrical housing of which the vapor stream is introduced tangentially to the inner side of the housing.
  • the lighter, substantially gaseous portion flows due to the forming in the cyclone flow conditions in the interior of the housing surrounded cavity and collects there.
  • the gaseous portion of the vapor is now passed into a downstream and structurally / spatially separated second component of the WaZü, in which it is superheated. This is usually achieved by the heating of the steam pipes, which heat the steam by heat transfer accordingly or overheat.
  • US 4263025 discloses a cyclone separator of the prior art.
  • a uniform and homogeneous flow distribution of the steam to be heated when entering the heating phase should be ensured.
  • a method for operating such a steam turbine plant is to be specified.
  • the cavity starting from the center axis in the radial direction having a discharge space with a substantially circular cross-section and then in the order mentioned a heating space, a space, a dryer space and a Inlet space, each having a substantially circular cross-section, wherein the inflow space is bounded to the outside by the housing, wherein the heating chamber for heating the gaseous portion comprises designed heating elements, wherein at least one fine separator and at least one associated condensate catcher are arranged in the dryer space, and wherein the at least one condensate catch pan is connected to at least one condensate drain pipe arranged in the intermediate space through which the condensate forming in the operating state in the at least one fine separator emerges from the condensate drain pipe Cavity is dissipated.
  • the invention is based on the consideration that the comparatively large space requirement of conventional water separators / reheaters inter alia It is based on the fact that the separation of water from the steam originally leaving the high-pressure turbine and the subsequent overheating of the separated gaseous fraction take place one after the other in two spatially separated spatial regions or device components which are arranged one behind the other in the manner of a flow-side series connection. As a result, specific requirements are placed on the structural design of the water separator / reheater, the system requires a relatively large installation space.
  • these two spatial areas do not necessarily have to be arranged structurally in succession in separate rooms. Assuming suitable flow conditions, these spatial regions can also be arranged nested in one single housing, wherein the liquid separation and the superheating of the gaseous fluid fraction for a given volume element of the fluid take place substantially simultaneously or shortly one after the other.
  • Such suitable flow conditions are provided by a cyclone-type water separator. Due to the tangential influx of the inside of the housing of the cyclone takes place by acting on the current centrifugal force, the deposition of the heavy component, such as water, in the outer region of the housing surrounded by the cavity on the inside of the housing.
  • the lighter, gaseous fraction of the original fluid stream for example water vapor, flows into the interior of the cavity. If heating elements for heating or overheating of the gaseous fraction are now arranged in an inner or middle region of the cavity, in particular in a heating chamber, so that the passage of the lighter phase into the inner region is still possible, the gaseous fractions become directly during their passage heated or overheated in the interior.
  • Such a construction is not limited to the treatment of water vapor. It can always be used when one or more phases of heavy particles or constituents are to be separated off from a multicomponent fluid flow, and the light fraction or portions of the original fluid stream are to be heated.
  • a plurality of arranged in the dryer space condensate trap walls are provided, which together form at least approximately a condensate catcher ring, each of the condensate catch pans with an associated, each arranged in the intermediate space condensate drain pipe connected is.
  • each condensate catch basin can be assigned to one or more of the fine separators or dryers. It is also alternatively conceivable to use exactly one annular condensate catch basin in each level or in some of the levels.
  • the preferred number of annularly distributed condensate catch pans and the associated condensate drain pipes and their dimensions may depend on several factors, such as the dimensioning of the housing, the throughput of condensate in the operating state of the cyclone through the condensate drain pipes , as well as the desired Pressure loss that should occur during the flow through the fluid flow through the arrangement of the condensate drain pipes.
  • a first level is provided with a first condensate catcher ring and at least a second level with a second condensate catcher ring, the first condensate catcher ring having a first group of condensate drainpipes and the second condensate Cradle ring is associated with a second group of condensate drainpipes.
  • condensate which forms in the dryers at different locations along the central axis of the housing, flow into the next in the flow direction of the condensate next condensate catcher.
  • the condensate catch pans of the first and second levels can each be arranged in pairs one above the other. Depending on the length of the housing and condensate throughput in the operating state of the cyclone, three or more levels may be provided.
  • the condensate drain pipes are preferably each connected only to a condensate catch pan to ensure a high throughput. In an alternative embodiment, at least some of the condensate drain pipes are connected to more than one condensate catch basin.
  • a longitudinal section of the intermediate space in which both condensate drainage pipes of the first group and condensate drainage pipes of the second group run, these are arranged alternately as viewed in the circumferential direction of the cyclone separator.
  • This longitudinal section of the intermediate space preferably extends over the entire length of the intermediate space, with all condensate drainage pipes being guided over the full length of the housing.
  • the inflow conditions for the gaseous phase of the fluid flow for example the steam to be heated, are the same everywhere along the central axis.
  • some of the condensate drain pipes in certain longitudinal sections serve exclusively the flow guide, while in other longitudinal sections additionally act as a drain for the condensate formed in the fine separators.
  • This type of arrangement can also be generalized to more than two levels, in which case in the circumferential direction, for example, a cyclic arrangement of belonging to the respective groups condensate drain pipes can be done.
  • the condensate drain pipes are advantageously aligned parallel to the central axis, whereby the steam in its flow substantially undergoes a reduction in velocity perpendicular to the central axis of the housing.
  • the respective condensate catch basin is advantageously connected by a supply line with the respective condensate drain pipe.
  • the supply line connects in the manner of an intermediate piece on the flow side, the condensate catch pan with the respective condensate drain pipe, in the operating state, the condensate from the corresponding condensate catcher can flow through the supply line in the condensate drain pipe.
  • the supply line can be connected, for example via a welded connection with the condensate catch basin and / or the condensate drain pipe. It may also be formed as an integral part of the condensate catch basin or the condensate drain pipe.
  • the heating chamber is designed with the heating elements for a flow through the gaseous portion of the fluid stream.
  • it separates the cavity into the areas lying between the inside of the housing and the heating chamber intermediate space, dryer space and inflow space and lying within the boiler room outflow space.
  • a clear separation of the two spatial areas allows optimized separation of the two successive processes. It is particularly advantageous if the portion of the fluid flow flowing into the inflow space has the smallest possible proportion of the heavy component in order to save energy for its heating.
  • the cyclone has exactly two discharge lines, wherein the two discharge lines are connected to the outflow in the direction of the central axis opposite ends of the housing with the outflow.
  • the housing can taper toward one direction, in particular in the direction of the discharge line (flow outlet), in its cross section.
  • a separation of water from a steam / water stream is preferably carried out in a substantially hollow cylindrical housing.
  • the central axis of the housing preferably has a substantially vertical orientation.
  • the heavy component of the fluid flow then moves (flows) down the inside of the housing and can be collected or removed there.
  • a vertical installation of the cyclone separator is advantageous since in this case the force of gravity does not cause any imbalance in the turbulent flow.
  • the steam taken from the high-pressure turbine should be supplied to the low-pressure turbine in the overheated state.
  • the heating elements should be designed with regard to their heating power to overheat the gaseous portion of the fluid stream, in particular water vapor.
  • the most effective use of the device is achieved when the multiphase fluid flow is supplied through multiple supply lines.
  • the supply lines - at least in the region of its housing connection - in a to the center axis of the Housing substantially vertical plane they are advantageously designed such that the velocity vector of the fluid stream flowing into the cavity has a component which points out of this plane.
  • an averaged velocity vector is meant, which is averaged over the individual components of the fluid flow.
  • the fluid flow flows at an angle between 10 ° and 30 °, in particular of about 15 °, to a plane perpendicular to the central axis. That is, the vortex flow which arises as a result of the wall geometry is preferably superimposed on a velocity component in the direction of the central axis, so that overall a helical flow is formed.
  • the velocity component directed in the direction of the center axis advantageously points downwards.
  • the inflowing fluid flow can advantageously be divided in this way into four equal areas of the inside of the housing, without the individual streams meeting and interfering with each other.
  • the flow conditions forming in the housing of the device ensure that the gaseous portion of the fluid flow flows into the interior of the cavity surrounded by the housing. There it flows to the heating elements and is heated or overheated.
  • the direction in which the heating elements are flown can optionally be optimized by guide plates or guide vanes arranged in the inflow space. For example, can be achieved in this way that the heating pipes are flowed substantially frontal, or the tangential component can be reduced.
  • these vanes reduce the inflow space, it should be decided, depending on the application, whether and with what dimensions they are used.
  • the cyclone separator is suitable for both single-stage and multi-stage (intermediate) overheating.
  • two or more groups of heating elements can be arranged one behind the other in the heating chamber perpendicular to the central axis.
  • the heating elements belonging to the individual groups can be designed for different heating outputs or heating temperatures.
  • the heating elements are designed tubular.
  • the heating elements can be flowed through by a fluid heating medium, in particular water vapor.
  • a multi-stage heating can be used, for example, in different groups of heating elements steam with different pressure and / or different temperature.
  • rectilinear pipes are used as heating elements, which are aligned parallel to the central axis of the building.
  • a plurality of tubes can be arranged in the boiler room, which can be designed differently depending on the application.
  • smooth tubes or finned tubes, or favorable combinations of these tube types can be used.
  • the individual tubes are spaced apart from each other such that the unhindered passage of the gaseous phase separated from the fluid flow from the outer inflow space into the inner outflow space can take place through the remaining interspaces.
  • a certain "density" of pipes is required to achieve the desired heating effect.
  • the heating tubes are advantageously combined into tube bundles.
  • so-called ring bundles can be used, in which the tubes are arranged more or less evenly distributed in the boiler room.
  • so-called single bundles can be used.
  • a plurality of mutually adjacent heating elements are combined to form a bundle.
  • the individual bundles can be pre-assembled and can be handled as a whole. in the If necessary, they are easier to assemble, disassemble or exchange than single tubes.
  • the above-mentioned object is achieved according to the invention by connecting the supply line or all supply lines of the above-described separation device to the steam outlet of the high-pressure turbine, and the discharge line or all discharge lines are connected to the steam inlet of the low-pressure turbine.
  • the steam from the high-pressure turbine is introduced into the separation device, in which on the one hand, the water content is separated from the steam and on the other hand, the gaseous portion is overheated.
  • the superheated steam is then introduced into the low-pressure turbine, where it is used for further energy production.
  • the above-mentioned object is achieved according to the invention by passing the vapor emerging from the steam outlet of the high-pressure turbine into a cavity which is surrounded by a housing substantially rotationally symmetrical about a central axis, whereby the steam is set in rotation and its gaseous portion of separated liquid portion and is collected in an inner region of the housing, and wherein the substantially gaseous portion is passed in its passage into the inner region through a fine separator, wherein its liquid portion is further reduced, and then by a ring-shaped arrangement of condensate Exhaust pipes, then heated by heating elements and then fed to the steam inlet of the low-pressure turbine.
  • At least some of the heating elements are tubular, thus forming heating pipes.
  • the live steam generated by a steam generator is directed into at least some of the heating tubes, whereby the gaseous portion of the fluid flow introduced into the separation device is heated or superheated in contact with the outer sides of the heating tubes.
  • the high-pressure turbine bleed steam can be removed, which is then passed into at least some of the heating elements. In this way In particular, a two- or multi-stage overheating of the gaseous portion of the fluid stream can be achieved.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that by a clever arrangement of heating elements within a cyclone separator, a separation of a heavy component or a liquid phase of a multi-phase fluid flow with simultaneous heating or overheating of the gaseous portion of the fluid flow in extremely space-saving and material and construction costs can be realized gentle way.
  • the device is particularly suitable for use in systems that must be built in a small space.
  • the installation of fine separators allows a further reduction of the heavy component.
  • the arrangement of the condensate drain pipes in an annular space between the fine separators and the heating elements is achieved by a targeted pressure loss optimized flow distribution. This leads to a further saving of material, since due to the dual function of the condensate drain pipes on pinhole or similar components (as far as possible) can be dispensed with.
  • a steam turbine plant in which such a separation device is connected between a high-pressure turbine and low-pressure turbine, can be realized in a particularly compact and material-saving design.
  • the device can be mounted substantially in a vertically positioned housing directly under the high-pressure turbine, so that the gas from the steam outlet of the high-pressure turbine at the upper end of the housing can flow into the device. Through discharge lines at the bottom and / or top of the housing then the superheated steam of the low-pressure turbine can be supplied.
  • the in Fig. 1 shown cyclone separator 1 for phase separation of a multi-phase fluid flow comprises a substantially around a central axis M rotationally symmetrical and hollow cylindrical designed housing 2, which encloses a cavity 3 and in the four supply lines 6 are embedded.
  • the left and right correspond respectively the right half of the Fig. 1 a possible embodiment of the cyclone, wherein in reality both halves are realized in one of the two ways shown here.
  • the housing 2 with a substantially vertically aligned central axis M in a preferred embodiment has a diameter of about 6 meters.
  • the multiphase fluid flow (not shown) flows in the inflow direction 10 substantially tangentially to the housing inner side 11 in the cavity 3 surrounded by the housing 2.
  • the fluid flow may be, for example, steam which is conducted from the steam outlet of a high-pressure turbine installed in a steam turbine plant through the supply lines 6 into the housing 2 of the cyclone separator 1.
  • the housing 2 is preferably made of steel or stainless steel, and depending on the field of application, other materials may be advantageous.
  • the fluid flow is thereby set in rotation, wherein the force acting on the fluid flow centrifugal force pulls the heavy component of the fluid flow, in this case water, to the outside of the housing inner side 11.
  • the gaseous portion of the fluid flow moves due to the forming in the cavity 3 flow conditions of an inflow 12 through a dryer room 13 and a gap 15 in a heating chamber 14.
  • the annular cross-shaped heating chamber 14 includes a lying inside the housing 2 cylindrical outflow space 16 spatially one.
  • FIG Fig. 2 The spatial arrangement (going radially outward from the central axis M) of the outflow space 16, the heating space 14, the intermediate space 15, the dryer space 13 and the inflow space 12 is in FIG Fig. 2 illustrated schematically. While the outflow chamber 16 is cylindrically shaped, the spaces lying farther out in the housing 2 to a certain extent form shells, each with an annular cross-section. Their imaginary inner and outer cross-sectional boundaries form concentric circles whose common center lies on the central axis M.
  • heating elements which in terms of their heating power to overheat the gaseous Portion of the fluid flow are arranged.
  • individual heating pipes 18 can be used, which in a sense form ring bundles in their entirety.
  • a length of the tubes used in the ring bundle of about 11.5 m and a housing diameter of 6 m are at an outer diameter of the bundle of about 3.6 m and a finned tube core diameter of about 22.4 mm with a total number of approx 7900 pipes approx 22,000 m 2 heating surface available.
  • individual bundles 20 can be used.
  • the heating tubes 18 or individual bundles 20 are flown in the flow direction 22 of the gaseous portion of the fluid stream.
  • the gaseous fraction is overheated in the heating chamber 14, whereupon it continues to flow into the outflow chamber 16. From there it is through discharge lines 24 (in Fig. 1 not shown) in the low-pressure turbine forwarded.
  • fine separator 28 are mounted in the dryer room.
  • a fine separator 28 for example, differently configured sheets can be used. It is also possible to use what are known as lamella droppers, which consist of packets of corrugated metal sheets. Usually these separation elements are fastened or anchored in a frame.
  • the fine separators 28 are condensate collecting trays 32 (in Fig. 1 not shown), into which the condensate which forms in the fine separator 28 during operation is drained off.
  • the condensate catch trays 32 are preferably arranged in the dryer room 13.
  • the condensate catch trays 32 are connected on the flow side with condensate drain pipes 34 arranged in the intermediate space 15, by means of which the condensate is discharged from the cavity 3.
  • the condensate drain pipes 34 extend substantially in a straight line parallel to the central axis M and extend over the entire length of the housing 2. They are anchored at the two ends of the housing 2 in each case with the aid of a plate 90. Between the bottom of the housing arranged plate 90 and the housing inner side 11, a gap 94 or annular gap is provided, through which the water collecting on the inside of the housing 11 can flow down.
  • the condensate drain pipes 34 perform a dual function. On the one hand, the condensate forming in the fine separators 28 is directed downwards out of the cavity 3 through it. On the other hand, their spatial arrangement between the fine separators 28 and the heating tubes 18 leads to an advantageous pressure loss of the fluid flow flowing from the inflow space 12 to the outflow space 16, whereby the vertical flow distribution in the heating space 14 improves. In particular, a back pressure in the lower region of the cavity 3 is avoided or greatly reduced. Furthermore, by the arrangement of the condensate drain pipes 34 and the direction of flow of the heating pipes 18 can be influenced. The turbulence generated thereby improves the heat transfer of the fluid flow to the first rows of tubes of the bundle.
  • the water content can be reduced to ⁇ 0.5% to 1%.
  • the fine separator 28 are arranged in the dryer room 13 on a lying around the central axis M outer circle with about 4m diameter and provide a flow area of about 70 m 2 ready.
  • baffles, perforated plates or vanes may be arranged in the inflow 12 or in the more interior spaces. By this deflection, however, the inflow space 12 is reduced in size. Baffles, perforated plates and vanes can be used in Zyklonabscheider 1 each alone or in different combinations with each other.
  • heating elements tube bundles can be used as they u.a. used in heat exchangers. In order to provide the largest possible heating surface, it is possible to use finned tubes or slotted finned tubes. It can also be used - optionally in combination with these - smooth tubes.
  • the tubes are flowed through, for example, by live steam at about 70 bar and / or - in multi-stage heating - by tapping the high-pressure turbine at about 30 bar.
  • the heating tubes 18 preferably have on the outside of a round cross-sectional profile in order to oppose the flow of fluid to be heated as little as possible flow resistance.
  • the cyclone 1 from Fig. 1 is in Fig. 3 in a left and right-hand longitudinal section each shown in a possible embodiment.
  • the housing 2 of the cyclone separator 1 is set up substantially vertically.
  • the housing 2 is designed substantially hollow cylindrical and rotationally symmetrical about the central axis M.
  • There are four supply lines 6 are provided in each case, which are distributed uniformly over the circumference of the housing 2 and preferably have a diameter of 1400 mm.
  • the steam emerging from the high-pressure turbine flows into the cavity 3 with a downwardly directed velocity component going beyond the force of gravity, with a gradient of about 15 °, thereby assisting the desired, essentially helical or helical flow guidance.
  • a discharge line 24 of approximately 1800 mm diameter is provided, which is in each case connected to the outflow chamber 16 on the flow side.
  • the steam can thus flow out of the housing 2 after its heating, both upwards and downwards, and subsequently passed through the discharge lines 24 to the low-pressure turbine (not shown).
  • the cyclone separator 1 is expediently arranged spatially in relation to the low-pressure turbine in such a way that the discharge line 24 connected at the top to the discharge space 16 on the discharge side can be connected essentially directly to the inlet opening of the low-pressure turbine.
  • the discharge line 24, which opens out at the lower end of the outflow chamber 16, is diverted upward to the inlet opening of the low-pressure turbine.
  • the embodiment of the cyclone separator 1 shown in the left-hand side section is designed for a two-stage heating or overheating of the steam.
  • heating tubes 18 are mounted in the form of a ring bundle.
  • the steam flows (indicated by the flow direction 22) first through the fine separator 28 and then through the arrangement of the condensate drain pipes 34, which, so to speak, oppose a resistance to the steam and thus lead to a pressure loss.
  • the heating tubes 18 may not be used in their full length for heating.
  • the steam then flows through a in the heating chamber 14 concentrically about the central axis M lying first stage 36 and first group of heating tubes 18. Subsequently, it flows on its way to the discharge chamber 16 through a second stage 37 and second group of heating tubes 18, concentric is disposed within the first stage 36.
  • the outer first stage 36 is supplied by a bleed steam feed line 40 with bleed steam at about 30 bar from the high pressure turbine.
  • the inner second stage 37 of heating tubes 18 is supplied by a live steam supply line 38 with live steam from a steam generator 66 (not shown) at about 70 bar.
  • separating plates 82 may be provided for the separation of the respective vapors. This also applies to the exit collector. Instead of arranging two tube bundles into one another, it is also possible to use a ring bundle with a separate tubesheet.
  • the thus heated in two stages of steam flows into the discharge chamber 16 and from there through the discharge lines 24 to the low-pressure turbine.
  • the gaseous fraction is thus heated successively on its way into the interior of the discharge space 16.
  • This type of two-stage heating can be generalized to multi-stage heating with the aid of additional steam feeds and tube groups in an obvious manner.
  • FIG. 3 In the right-hand side of the picture Fig. 3 an embodiment is shown with one-stage heating.
  • the heating pipes 18 are all supplied via the live steam supply line 38 with live steam.
  • the fine separator 28 are connected to condensate collecting trays 32, from which condensate drain pipes 34, the condensate is passed through condensate drains 46 from the housing 2.
  • condensate drain 43 The flowing down on the inside of the housing 11 condensate, here water, runs in the condensate drain 43 and leaves the housing 2 through a condensate drainage 46.
  • a second condensate drain 42 is provided in the recessed bottom region of the housing 2, through which the lower partial space is collected Condensate can drain through a condensate drain 46.
  • Fig. 3 illustrated embodiments of the cyclone 1 can with the in Fig. 1 Embodiments shown combined with ring bundles or individual bundles 20.
  • the drier or fine separator 28 is connected to a condensate collecting trough 32 into which the condensate forming in the operating state of the cyclone separator 1 in the drier or fine separator 28 runs. It runs through one or more supply lines 41 through each connected to the supply line 41 condensate drain pipes 34 down.
  • the condensate catch pans 32 can be configured differently depending on requirements.
  • each fine separator 28 is assigned a condensate catch basin 32. It is also possible a single one use annular condensate catcher 32 into which the condensate from all fine separators 28 can flow.
  • condensate traps 32 are mounted at different heights in the housing 2.
  • the condensate traps 32 are mounted in the housing 2 at two different levels.
  • Fig. 5 shows a condensate catch basin 32 of the upper level in plan view of the in Fig. 3 shown cyclone separator 1.
  • two supply lines 41 connected thereto on the flow side and condensate drain pipes 34 connected thereto are shown.
  • two further pairs of supply lines 41 and condensate drain pipes 34 can be seen, these pairs not being connected on the flow side to the condensate catch basin 32 shown. Rather, they are connected to the condensate catching basin which lies below, here concealed by the upper condensate catching basin 32.
  • the condensate drain pipes 34 which belong to the two condensate catching basins 32 lying at different heights are mounted alternately along the circumference in which they are mounted. The circular curvature is in the most schematic and not to scale Fig. 5 not visible.
  • each condensate discharge pipe 34 is connected to exactly one condensate catch basin 32, has the advantage that a high throughput of condensate in the operating state is ensured.
  • a plurality of condensate catch pans 32 may be connected to the same condensate discharge pipe 34 on the flow side.
  • FIG. 6 An advantageous embodiment of a steam turbine plant 62 is in Fig. 6 shown. It comprises a steam generator 66, a high-pressure turbine 70, and a low-pressure turbine 74.
  • the cyclone separator 1 is connected on the flow side between the high-pressure turbine 70 and the low-pressure turbine 74.
  • the live steam generated in the steam generator 66 is directed to perform work in the high pressure turbine 70. By doing work, the steam in the high pressure turbine 70 relaxes, increasing its water content. So that the steam in the low-pressure turbine 74 can be used as efficiently as possible for energy production, it must be prepared in a suitable manner. This must be its water content be reduced before it is then transferred to a superheated state.
  • the steam exiting from the steam outlet of the high-pressure turbine 70 is conducted via a distributor through supply lines 6 into the housing 2 of the cyclone separator 1.
  • the steam flows tangentially to the housing inner side 11 and is thereby set in rotation.
  • the gaseous portion of the steam flows into the housing interior, where it is put into a superheated state by heating elements, in particular heating pipes.
  • the superheated steam is passed through discharge lines 24 into the steam inlet of the low pressure turbine 74.
  • the heating tubes (not shown here) of the cyclone separator 1 are supplied in this embodiment by the heating supply line 78 with live steam from the steam generator 66.
  • the high pressure turbine 70 could be removed for this purpose bleed steam.
  • the cyclone separator 1 is not limited to use in steam turbine plants. It can essentially always be used where the heavier component or phase is to be separated from a multiphase fluid flow and the gaseous fraction is to be heated or superheated.
  • the heavy component of the fluid stream can be water as explained above. However, applications are also conceivable in which the heavy component consists of solid particles. This could be, for example, soot or dirt particles.

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Description

  • 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.
  • In Kraftwerken, insbesondere Kernkraftwerken, in denen zur Energieerzeugung bzw. Energieumwandlung Dampf verwendet wird, werden gewöhnlich unterschiedliche Turbinen eingesetzt, die mit unterschiedlichem Dampfdruck arbeiten. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • US 4263025 offenbart einen Zyklonabscheider nach dem Stand der Technik.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 Gehäuseinnen-seite und von der Mittelachse, so dass keine unerwünschten Druckinhomogeni-täten entlang der Umfangsrichtung des Gehäuses entstehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung erläutert. Darin zeigen in stark schematisierter Darstellung:
    • Fig. 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,
    Fig. 2
    eine Querschnittsebene senkrecht zur Mittelachse des Zyklonabscheiders nach Fig. 1, in der schematisch die verschiedenen Raumbereiche gekennzeichnet sind,
    Fig. 3
    einen Längsschnitt eines Zyklonabscheiders, wobei beide Hälften links und rechts der Mittelachse zu unterschiedlichen bevorzugten Ausführungsformen korrespondieren,
    Fig. 4
    eine detaillierte Abbildung des mit einem gestrichelten Kreis markierten Details aus Fig. 3 mit einer Kondensat-Ablaufwanne, die über eine Zuleitung mit einem Kondensat-Ablaufrohr verbunden ist,
    Fig. 5
    eine Mehrzahl von Kondensat-Ablaufrohren und eine Kondensat-Fangwanne des Zyklonabscheiders gemäß Fig. 1 bis Fig. 3, hier im Querschnitt mit Blickrichtung in Richtung der Mittelachse dargestellt, und
    Fig. 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 Fig. 1 bis Fig. 5.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Der in Fig. 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 Fig. 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.
  • 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.
  • 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 Querschintt ringförmige Heizraum 14 schließt einen im Inneren des Gehäuses 2 liegenden zylindrischen Abströmraum 16 räumlich ein.
  • 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 Fig. 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.
  • In dem Heizraum 14 der in Fig. 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 Fig. 1 nicht eingezeichnet) in die Niederdruckturbine weitergeleitet.
  • 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.
  • 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 Fig. 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.
  • 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.
  • 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. 4m Durchmesser angeordnet und stellen eine Anströmungsfläche von ca. 70 m2 bereit.
  • 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.
  • 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.
  • Der Zyklonabscheider 1 aus Fig. 1 ist in Fig. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im rechtsseitigen Bildausschnitt der Fig. 3 ist eine Ausführungsform mit einstufiger Erhitzung dargestellt. Die Heizrohre 18 werden alle über die Frischdampfzuleitung 38 mit Frischdampf versorgt.
  • 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.
  • 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.
  • Die in Fig. 3 dargestellten Ausführungsformen des Zyklonabscheiders 1 können mit den in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltungen mit Ringbündeln bzw. Einzelbündeln 20 kombiniert werden.
  • Das in Fig. 3 durch einen gestrichelten Kreis 39 gekennzeichnete Detail ist in Fig. 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.
  • Vorzugsweise sind Kondensat-Fangwannen 32 in verschiedener Höhe im Gehäuse 2 angebracht. In Fig. 3 sind die Kondensat-Fangwannen 32 im Gehäuse 2 in zwei verschiedenen Ebenen montiert. Fig. 5 zeigt eine Kondensat-Fangwanne 32 der oberen Ebene in Draufsicht des in Fig. 3 dargestellten Zyklonabscheiders 1. In der Fig. 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 Fig. 5 nicht erkennbar.
  • 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.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Dampfturbinenanlage 62 ist in Fig. 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.
  • 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.
    • Bezugszeichenliste
    • 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

Claims (15)

  1. Zyklonabscheider (1) zur Phasenseparation eines Mehrphasen-Fluidstroms mit einem im Wesentlichen um eine Mittelachse (M) rotationssymmetrisch ausgestalteten, einen Hohlraum (3) umschließenden Gehäuse (2), mit wenigstens einer Zufuhrleitung (6) für den Fluidstrom, die für eine im Wesentlichen tangential zur Gehäuseinnenseite (11) gerichtete Einströmung des Fluidstroms ausgelegt ist, und mit wenigstens einer Abfuhrleitung (24) für den separierten gasförmigen Anteil des Fluidstroms, wobei der Hohlraum (3) von der Mittelachse (M) ausgehend in radialer Richtung gesehen einen Abströmraum (16) mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt und daran in der genannten Reihenfolge anschließend einen Heizraum (14), einen Zwischenraum (15), einen Trocknerraum (13) und einen Einströmraum (12) mit jeweils im Wesentlichen kreisringförmigem Querschnitt aufweist, wobei der Einströmraum (12) nach außen durch das Gehäuse (2) begrenzt ist, wobei der Heizraum (14) zur Erhitzung des gasförmigen Anteils ausgelegte Heizelemente enthält, wobei im Trocknerraum (13) wenigstens ein Feinabscheider (28) und wenigstens eine zugeordnete Kondensat-Fangwanne (32) angeordnet sind, und wobei die wenigstens eine Kondensat-Fangwanne (32) mit wenigstens einem im Zwischenraum (15) angeordneten Kondensat-Ablaufrohr (34) verbunden ist, durch welches das sich im Betriebszustand in dem wenigstens einen Feinabscheider (28) bildende Kondensat aus dem Hohlraum (3) abgeführt wird.
  2. Zyklonabscheider (1) nach Anspruch 1, wobei in wenigstens einer senkrecht zur Mittelachse (M) liegenden Ebene (E) eine Mehrzahl von im Trocknerraum (13) angeordneten Kondensat-Fangwangen (32) vorgesehen ist, die zusammen wenigstens annähernd einen Kondensat-Fangwannen-Ring bilden, wobei jede der Kondensat-Fangwannen (32) mit einem zugehörigen, jeweils im Zwischenraum (15) angeordneten Kondensat-Ablaufrohr (34) verbunden ist.
  3. Zyklonabscheider (1) nach Anspruch 2, wobei eine erste Ebene (E) mit einem ersten Kondensat-Fangwannen-Ring und zumindest eine zweite Ebene (E) mit einem zweiten Kondensat-Fangwannen-Ring vorgesehen ist, wobei dem ersten Kondensat-Fangwannen-Ring eine erste Gruppe von Kondensat-Ablaufrohren (34) und dem zweiten Kondensat-Fangwannen-Ring eine zweite Gruppe von Kondensat-Ablaufrohren (34) zugeordnet ist.
  4. Zyklonabscheider (1) nach Anspruch 3, wobei in einem Längsabschnitt des Zwischenraumes (15), in dem sowohl Kondensat-Ablaufrohre (34) der ersten Gruppe als auch Kondensat-Ablaufrohre (34) der zweiten Gruppe verlaufen, diese in Umfangsrichtung des Zyklonabscheiders (1) gesehen alternierend angeordnet sind.
  5. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das jeweilige Kondensat-Ablaufrohr (34) parallel zur Mittelachse (M) ausgerichtet ist.
  6. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Durchstoßpunkte aller Kondensat-Ablaufrohre (34) durch eine senkrecht zur Mittelachse (M) liegende Querschnittsebene im Wesentlichen auf einem Kreis liegen.
  7. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die jeweilige Kondensat-Fangwanne (32) durch eine Zuleitung (41) mit dem jeweiligen Kondensat-Ablaufrohr (34) verbunden ist.
  8. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit genau zwei Abfuhrleitungen (24), wobei die beiden Abfuhrleitungen (24) an den in Richtung der Mittelachse (M) gesehenen entgegengesetzten Enden des Gehäuses (2) mit dem Abströmraum (16) strömungsseitig verbunden sind.
  9. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gehäuse (2) im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet ist.
  10. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit im Wesentlichen vertikaler Ausrichtung der Mittelachse (M).
  11. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die oder jede Zufuhrleitung (6) derart ausgelegt ist, dass der Geschwindigkeitsvektor des in den Hohlraum (3) einströmenden Fluidstromes eine Komponente in Richtung der Mittelachse (M) des Gehäuses (2) aufweist.
  12. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit vier Zufuhrleitungen (6), die gleichmäßig über den Umfang des Gehäuses (2) verteilt angeordnet sind.
  13. Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Heizelemente rohrförmig ausgestaltet sind und dazu ausgelegt sind, von einem fluiden Heizmedium, insbesondere Wasserdampf, durchströmt zu werden.
  14. Dampfturbinenanlage (62) mit einer Hochdruckturbine (70) und einer Niederdruckturbine (74) und einem Zyklonabscheider (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die wenigstens eine Zufuhrleitung (6) mit dem Dampfauslass der Hochdruckturbine (70) verbunden ist, und wobei die wenigstens eine Abfuhrleitung (24) mit dem Dampfeinlass der Niederdruckturbine (74) verbunden ist.
  15. Verfahren zum Betreiben einer Dampfturbinenanlage (62) mit einer Hochdruckturbine (70) und einer Niederdruckturbine (74), wobei der dem Dampfauslass der Hochdruckturbine (70) entströmende Dampf in einen Hohlraum (3) eines Zyklonabscheiders geleitet wird, der von einem im Wesentlichen um eine Mittelachse (M) rotationssymmetrischen Gehäuse (2) umschlossen ist, wodurch der Dampf in Rotation versetzt wird und sein gasförmiger Anteil vom flüssigen Anteil separiert und in einem inneren Bereich des Gehäuses (2) gesammelt wird, und wobei der im Wesentlichen gasförmige Anteil bei seinem Übertritt in den inneren Bereich durch Feinabscheider (28) geleitet wird, wobei sein flüssiger Anteil noch weiter reduziert wird, und dann durch eine ringförmig verteilte Anordnung von Kondensat-Ablaufrohren (34) geführt, anschließend durch Heizelemente erhitzt wird und dann dem Dampfeinlass der Niederdruckturbine (74) zugeführt wird.
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