WO1997035147A1 - Wasserabscheidesystem - Google Patents

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Wolfgang Vollmer
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00—Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/26—Steam-separating arrangements

Definitions

  • the invention relates to a water separation system for separating water from a water / water / steam mixture with at least one inlet pipe arranged on the circumference of a container and with an outlet pipe for steam provided above the inlet pipe.
  • Such, e.g. Water separation system with a water separator known from German published patent application DE 42 42144 AI is usually used in the evaporation system of a once-through or forced-flow steam generator. It serves to separate water from a water / water / steam mixture at the end of a heating surface of the steam generator, referred to as an evaporator. This is to prevent water from entering subsequent superheater heating surfaces.
  • a disturbance of the medium-side loading of the heating surface inlets leads to different mass flows in the heating surfaces as a result of heating. The resulting different cooling can lead to undue excess temperatures and thus damage to the pipes of the heating surfaces.
  • the water / water / steam mixture which often flows tangentially into the water separator via the inclined inlet pipes is separated in a container as a result of a combination of the effects of gravity and flying force.
  • the water is separated on the container walls and flows downwards, while the steam is first led downwards due to the inclination of the inlet pipes and is drawn off in the upper region of the container following a flow reversal in the separator.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a water separation system with a particularly high separation quality.
  • the invention is based on the consideration of relieving the fluid flow of an existing water separator by pre-separating a partial steam flow.
  • the or each inlet tube is arranged on the circumference of the container at an incline and / or tangentially.
  • the separating device comprises a pipe bend and a partial steam flow line.
  • this separator arranged upstream of the container of the water separator system and arranged parallel to it, steam is drawn off before the actual water separator using the pressure difference across the container of the water separator system, and this steam can be mixed with the steam flowing out of the water separator.
  • the upstream separation device can be flowed in from above or from below.
  • the pipe bend of the separating device can therefore be curved upwards or downwards.
  • a drainage of the upstream separation device to the container of the water separator should be provided.
  • a drainage line can be connected to the partial steam flow line and / or a drainage vessel can be connected to the partial steam flow line.
  • the end of the partial steam flow line facing the pipe bend is expediently branched, while in the case of a downward curved pipe bend the end of the steam flow line facing this is preferably designed to be siphon-like.
  • the steam lines from the tank of the water separator and the upstream separation device can be brought together directly behind the water separator or in a higher-level collection system.
  • the outlet pipe and the partial steam flow line are then connected to one another or to the common collection system.
  • Partial steam flow the pressure loss in the water separation system is reduced. As a result of the resulting reduced steam flow to the actual separator, the steam speed in the separator is reduced, so that entrainment of water drops in the separated steam flow is avoided.
  • the design of the separating device in the form of a pipe bend with a connected partial steam flow line also enables particularly small dimensions and small wall thicknesses of the actual separator. This in turn leads to a particularly low total pressure loss in the water separation system and, due to the small wall thicknesses, to particularly favorable behavior in the event of temperature changes.
  • FIG. 1 shows a water separation system with an inlet pipe bend curved upwards
  • FIG. 2 shows a water separation system according to FIG. 1 with a downward-curved and an upwardly curved inlet pipe bend
  • FIG. 3 shows a detail of a section along the line III-III in FIG. 2 with a siphon-shaped pipe bend.
  • the water separating system 1 comprises a closed container 2 with an inclined inlet pipe 4 and an axially arranged outlet pipe 6 as well as an axial water drain 8.
  • a closed container 2 with an inclined inlet pipe 4 and an axially arranged outlet pipe 6 as well as an axial water drain 8.
  • the axial outlet pipe 6 instead of the axial outlet pipe 6, several, e.g. be drawn or inclined, exhaust pipes.
  • the inlet pipe 4 merges on the inflow side into an upwardly curved pipe bend 10 which, together with a steam partial flow line 12 connected in the bend area, connects a pipe upstream of the tank 2 and arranged parallel to it Separating device 14 forms.
  • the partial steam flow line 12 is connected to the outlet pipe 6, which opens into a steam collecting system 16.
  • a water / water / steam mixture G flows over the pipe bend 10 of the inlet pipe 4 into the container 2.
  • the flow towards the pipe bend 10 takes place from above.
  • a partial steam flow D is drawn off in front of the container 2 via the pipe bend 10 and the partial steam flow line 12 and fed to the steam system 16 behind the container 2.
  • the partial steam flow D is set according to the pressure conditions in the water separation system 1, i.e. in container 2 and in parallel or steam partial flow line 12.
  • the steam is first led downward due to the inclination of the inlet pipes 4 and, after a flow reversal in the container 2, is drawn off axially at the top.
  • the flow pattern is shown by curve 20.
  • the fluidic cross section narrows Q, so that the flow velocity increases and the pressure loss increases.
  • the separation quality would now become worse since droplets are entrained at high speeds.
  • the parallel flow of the partial steam flow D in front of the container 2 avoids this, since the quantity of steam supplied to the container 2 and thus the steam speed is now comparatively low.
  • FIG. 2 shows the container 2 with two inlet pipes 4. While the pipe bend 10 shown on the right side of the figure is curved upwards, the pipe bend 10 'shown on the left side of the figure is curved downwards.
  • a dewatering vessel 22 is connected to the branch steam line 12 that branches at the end facing the pipe bend 10 and is connected to the lower region of the container 2 via a dewatering line 23.
  • the downward-curved pipe bend 10 ' is drained via a siphon 24, which is part of the partial steam flow line 12'.
  • the siphon 24 is also connected to the lower region of the container 2 via a drainage line 25.
  • the siphon-like design of the end of the steam partial flow line 12 'facing the pipe bend 10' is shown in FIG.
  • the partial steam flow lines 12, 12 ' are connected to the outlet pipe 6. As shown in dashed lines on the left side of FIG. 2, the partial steam flow line 12 'can also be connected directly to the steam collecting system 16. In order to influence the pressure loss in the steam partial flow line 12 ′, a throttle or a valve 26 is connected to it.
  • inlet pipes 4 distributed around the circumference of the container 2 can be provided with any combination of upward and downward curved pipe bends 10, 10 ', the number of inlet pipes 4 should be limited to a few, since with an increasing number of inlet pipes 4 the Outflow conditions of the beam represented by curve 20 is disturbed.
  • a particularly high separation quality is achieved due to favorable flow conditions in the container 2.
  • particularly small dimensions of the water separation system 1 can be selected, so that particularly favorable conditions with regard to temperature changes are given.
  • the pressure loss in the water separation system 1 is particularly low, in particular when operating at full load.

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Abstract

Ein Wasserabscheidesystem (1) dient zum Abscheiden von Wasser aus einem Wasser/Wasser-Dampf-Gemisch (G) und umfaßt mindestens ein am Umfang eines Behälters (2) angeordnetes Eintrittsrohr (4) sowie ein oberhalb des Eintrittsrohres (4) vorgesehenes Austrittsrohr (6) für Dampf (D'). Zur Erzielung einer möglichst hohen Abscheidegüte ist erfindungsgemäß dem Behälter (2) eintrittsseitig eine Abtrennvorrichtung (14), vorzugsweise in Form eines Rohrbogens (10, 10'), für einen Dampfteilstrom (D, D') parallel geschaltet.

Description

Beschreibung
Wasserabscheidesystem
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wasserabscheidesystem zum Abscheiden von Wasser aus einem Wasser/Wasser-Dampf-Gemisch mit mindestens einem am Umfang eines Behälters angeordneten Eintrittsrohr und mit einem oberhalb des Eintrittsrohrs vor¬ gesehenen Austrittsrohr für Dampf.
Ein derartiges, z.B. aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 42144 AI bekanntes Wasserabscheidesystem mit einem Wasser¬ abscheider wird üblicherweise im Verdampfungssystem eines Durchlauf- oder Zwangdurchlaufdampferzeugers eingesetzt. Er dient zur Abscheidung von Wasser aus einem Wasser/Wasser- Dampf-Gemisch am Ende einer als Verdampfer bezeichneten Heiz¬ fläche des Dampferzeugers. Dadurch soll vermieden werden, daß Wasser in nachfolgende Überhitzer-Heizflächen gelangt. Eine solche Störung der mediumsseitigen Beaufschlagung der Heiz- flächeneintritte führt infolge einer Beheizung zu unter¬ schiedlichen Massenströmen in den Heizflächen. Die dadurch bedingte unterschiedliche Kühlung kann zu unzlässigen Über¬ temperaturen und damit zu Schäden an den Rohren der Heizflä¬ chen führen.
Das über üblicherweise geneigte Eintrittsrohre häufig tangen¬ tial in den Wasserabscheider einströmende Wasser/Wasser- Dampf-Gemisch wird in einem Behälter infolge einer Kombina¬ tion aus Schwerkraft- und Fliegkraftwirkung getrennt. Dabei wird das Wasser an den Behälterwänden abgeschieden und fließt nach unten, während der Dampf aufgrund der Neigung der Ein¬ trittsrohre zunächst nach unten geführt und im Anschluß an eine Strömungsumkehr im Abscheider im oberen Bereich des Be¬ hälters abgezogen wird.
Mit zunehmendem Dampfgehalt und zunehmender Dampferzeugerlast verengt sich allerdings der durch das Verhältnis aus Abwärts- Strömung und Aufwärtsströmung definierte strömungstechnische Querschnitt, so daß die Geschwindigkeiten der Gemischanteile zunehmen und der Druckverlust ansteigt. Da infolge der ver¬ gleichsweise hohen Geschwindigkeit des Wasser/Wasser-Dampf- Gemisches vom Dampf wässrige Tröpfchen mitgerissen werden, nimmt die Abscheidegüte zunehmend ab. Mit zunehmender Anzahl an Eintrittsrohren werden zudem die Auslaufverhältnisse des Gemisch-Strahles zunehmend gestört.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,ein Wasserab¬ scheidesystem mit einer besonders hohen Abscheidegüte anzuge¬ ben.
Diese Aufgabe wird bei einem Wasserabscheidesystem der ein- gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Behälter eintrittsseitig eine Abtrennvorrichtung für einen Dampfteilstrom parallel geschaltet ist.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, einen beste- henden Wasserabscheider strömungstechnisch durch eine Vorab¬ scheidung eines Dampfteilstroms zu entlasten.
Um innerhalb des Behälters eine Fliegkraftabscheidung auf¬ recht zu erhalten, ist das oder jedes Eintrittsrohr am Umfang des Behälters unter einem Neigungswinkel schräg verlaufend und/oder tangential angeordnet.
In zweckmäßiger Ausgestaltung umfaßt die Abtrennvorrichtung einen Rohrbogen und eine Dampfteilstromleitung. Mittels die- ser dem Behälter des Wasserabscheidesystems vorgeschalteten und parallel zu diesem angeordneten Abscheidevorrichtung wird unter Nutzung der Druckdifferenz über dem Behälter des Was¬ serabscheidesystems bereits vor dem eigentlichen Wasserab- scheider Dampf abgezogen, der dem aus dem Wasserabscheider abströmenden Dampf zugemischt werden kann. Dabei wird die
Fliegkraftwirkung im Rohrbogen genutzt, wobei im Bereich ei- ner sich im Rohrbogen bildenden Wasser-Dampf-Schichtung eine Teilmenge des Dampfes abgezogen wird.
Die Anströmung der vorgeschalteten Abtrennvorrichtung kann von oben oder von unten erfolgen. Daher kann der Rohrbogen der Abtrennvorrichtung nach oben oder nach unten gekrümmt sein. Insbesondere im Fall einer Anströmung von unten sollte eine Entwässerung der vorgeschalteten Abtrennvorrichtung zum Behälter des Wasserabscheiders vorgesehen sein. Dazu kann an die Dampfteilstromleitung eine Entwässerungsleitung ange¬ schlossen und/oder in die Dampfteilstromleitung ein Entwäs¬ serungsgefäß geschaltet sein.
Bei einem nach oben gekrümmten Rohrbogen der vorgeschalteten Abtrennvorrichtung ist das dem Rohrbogen zugewandte Ende der Dampfteilstromleitung zweckmäßigerweise verzweigt, während bei einem nach unten gekrümmten Rohrbogen das diesem zuge¬ wandte Ende der DampfStromleitung vorzugsweise syphonartig ausgebildet ist.
Die Zusammenführung der Dampfleitungen vom Behälter des Was- serabscheiders und der diesem vorgeschalteten Abtrennvor¬ richtung kann direkt hinter dem Wasserabscheider oder in ei¬ nem übergeordneten Sammelsystem erfolgen. Das Austrittsrohr und die Dampfteilstromleitung sind dann miteinander bzw. mit dem gemeinsamen Sammelsystem verbunden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson¬ dere darin, daß aufgrund eines auf der Zuströmseite des Ab- scheiders abgetrennten und parallel zu diesem geführten
Dampfteilstroms sich der Druckverlust im Wasserabscheidesy- stem verringert. Infolge des dadurch bedingten verringerten Dampfstroms zum eigentlichen Abscheider verringert sich die Dampfgeschwindigkeit im Abscheider, so daß ein Mitreißen von Wassertropfen im abgeschiedenen Dampfström vermieden ist. Die Ausbildung der Abtrennvorrichtung in Form eines Rohrbo- gens mit angeschlossener Dampfteilstromleitung ermöglicht darüber hinaus besonders geringe Abmessungen und kleine Wand¬ stärken des eigentlichen Abscheiders. Dies wiederum führt zu einem besonders geringen Gesamtdruckverlust des Wasserab¬ scheidesystems und aufgrund der geringen Wandstärken zu einem besonders günstigen Verhalten bei Temperaturänderungen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich- nung näher erläutert. Darin zeigen:
Figur 1 ein Wasserabscheidesystem mit einem nach oben ge¬ krümmten Eintritts-Rohrbogen,
Figur 2 ein Wasserabscheidesystem gemäß Figur 1 mit einem nach unten gekrümmten und einem nach oben ge¬ krümmten Eintritts-Rohrbogen, und
Figuren 3 im Ausschnitt einen Schnitt entlang der Linie III-III in Figur 2 mit einem syphonartig ausge¬ bildeten Rohrbogen.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Wasserabscheidesystem 1 gemäß Figur 1 umfaßt einen ge¬ schlossenen Behälter 2 mit einem schräg verlaufend angeordne¬ ten Eintrittsrohr 4 und einem axial verlaufend angeordneten Austrittsrohr 6 sowie einem ebenfalls axialen Wasserablauf 8. Anstelle des axialen Austrittsrohrs 6 können auch mehrere, z.B. schräg oder radial verlaufende, Abzugsrohre vorgesehen sein.
Das Eintrittsrohr 4 geht zuströmseitig in einen nach oben ge- krümmten Rohrbogen 10 über, der zusammen mit einer im Bogen- bereich angeschlossen Dampfteilstromleitung 12 eine dem Be¬ hälter 2 vorgeschaltete und zu diesem parallel angeordnete Abtrennvorrichtung 14 bildet. Die Dampfteilstromleitung 12 ist an das Austrittsrohr 6 angeschlossen, das in ein Dampf¬ sammeisystem 16 mündet.
Beim Betrieb des Wasserabscheidesystems 1 strömt ein Was¬ ser/Wasser-Dampf-Gemisch G über den Rohrbogen 10 des Ein¬ trittsrohrs 4 in den Behälter 2. Die Anströmung des Rohrbo- gens 10 erfolgt dabei von oben. Mittels der Abtrennvorrich¬ tung 14 wird ein Dampfteilstrom D vor dem Behälter 2 über den Rohrbogen 10 und die Dampfteilstromleitung 12 abgezogen und hinter dem Behälter 2 dem Dampfsystem 16 zugeführt. Hierbei wird die Fliegkraftwirkung im Rohrbogen 10 genutzt, wobei im Bereich einer sich im Rohrbogen 10 bildenden Wasser-Dampf- Schichtung pro Zeiteinheit eine Dampfteilmenge abgetrennt wird. Dabei stellt sich der Dampfteilstrom D entsprechend den Druckverhältnissen im Wasserabscheidesystem 1, d.h. im Behäl¬ ter 2 und in der Parallel- oder Dampfteilstromleitung 12, ein.
Das verbleibende Wasser/Wasser-Dampf-Gemisch G' strömt über das Eintrittsrohr 4 in den Behälter 2 ein. Infolge des Ein¬ laufstrahl-Aufpralls an Wänden 18 des Behälters 2 bildet sich ein Schwall S, der mit den Geschwindigkeitsverhältnissen im Gleichgewicht steht. Würden die Belastungen durch einen hohen Dampfanteil ansteigen, so würde der im Behälter 2 abgeschie¬ dene Dampfström D" Wassertropfen mitreißen. Dies wird durch die vorgeschaltete Abtrennvorrichtung 14 vermieden.
Die Abscheidung des Wassers aus dem Wasser/Wasser-Dampf-Ge- misch G' erfolgt an den Wänden 18 des Behälters 2, wenn das Wasser/Wasser-Dampf-Gemisch G' über das vorzugsweise geneigt und tangential angeordnete Eintrittsrohr 4 einströmt. Der Dampf wird aufgrund der Neigung der Eintrittsrohre 4 zunächst nach unten geführt und nach einer Strömungsumkehr im Behälter 2 axial oben abgezogen. Der Strömungsverlauf ist durch die Kurve 20 dargestellt. Mit zunehmendem Dampfgehalt und zuneh¬ mender Last verengt sich der strömungstechnische Querschnitt Q, so daß die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt und der Druck¬ verlust steigt. Die Abscheidegüte würde nun schlechter wer¬ den, da bei hohen Geschwindigkeiten Tröpfchen mitgerissen werden. Durch die Parallelführung des Dampfteilstroms D vor dem Behälter 2 wird dieses vermieden, da die zum Behälter 2 geführte Dampfmenge und somit auch die Dampfgeschwindigkeit nun vergleichsweise gering ist.
In Figur 2 ist der Behälter 2 mit zwei Eintrittsrohren 4 dar- gestellt. Während der auf der rechten Figurenseite darge¬ stellte Rohrbogen 10 nach oben gekrümmt iεt, ist der auf der linken Figurenseite dargestellte Rohrbogen 10' nach unten ge¬ krümmt. In die am dem Rohrbogen 10 zugewandten Ende ver¬ zweigte Dampfteilstromleitung 12 ist ein Entwässerungsgefäß 22 geschaltet, das über eine Entwässerungsleitung 23 mit dem unteren Bereich des Behälters 2 verbunden ist. Die Entwässe¬ rung des nach unten gekrümmten Rohrbogens 10' erfolgt über einen Syphon 24, der Teil der Dampfteilstromleitung 12' ist. Der Syphon 24 ist über eine Entwässerungsleitung 25 ebenfalls an den unteren Bereich des Behälters 2 angeschlossen. Die syphonartige Ausgestaltung des dem Rohrbogen 10 ' zugewandten Endes der Dampfteilstromleitung 12 ' ist in Figur 3 dargestellt .
Die Dampfteilstromleitungen 12, 12' sind an das Austrittsrohr 6 angeschlossen. Wie auf der linken Seite der Figur 2 gestri¬ chelt dargestellt, kann die Dampfteilstromleitung 12' auch direkt an das Dampfsamme1system 16 angeschlossen sein. Um den Druckverlust in der Dampfteilstromleitung 12' zu beeinflus- sen, ist in diese eine Drossel oder ein Ventil 26 geschaltet.
Obwohl mehrere am Umfang des Behälters 2 verteilt angeordnete Eintrittsrohre 4 mit beliebigen Kombinationen von nach oben und nach unten gekrümmten Rohrbögen 10, 10' vorgesehen sein können, sollte die Anzahl der Eintrittsrohre 4 auf wenige be¬ grenzt sein, da mit zunehmender Zahl an Eintrittsrohren 4 die Auslaufverhältnisse des durch die Kurve 20 repräsentierten Strahls gestört wird.
Durch die Abzweigung eines Dampfteilstroms D, D' vor dem ei- gentlichen Abscheider mittels der Abtrennvorrichtung 14 wird aufgrund günstiger Strömungsverhältnisse im Behälter 2 eine besonders hohe Abscheidegüte erzielt. Weiter können besonders geringe Abmessungen des Wasserabscheidesystems 1 gewählt wer¬ den, so daß besonders günstige Verhältnisse im Hinblick auf Temperaturänderungen gegeben sind. Ferner ist der Druckver¬ lust im Wasserabscheidessystem 1, insbesondere bei Vollastbe¬ trieb, besonders gering.

Claims

Patentansprüche
1. Wasserabscheidesystem zum Abscheiden von Wasser aus einem Wasser/Wasser-Dampf-Gemisch (G) mit mindestens einem am Umfang eines Behältes (2) angeordneten Eintrittsrohr (4) und mit einem oberhalb des Eintrittsrohrs (4) vorgesehenen Austrittsrohr (6) für Dampf (D'), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Behälter (2) eintrittsseitig eine Abtrennvorrichtung (14) für einen Dampfteilstrom (D, D') parallel geschaltet ist.
2. Wasserabscheidesystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das oder jedes Eintrittsrohr (4) schräg verlaufend angeordnet ist.
3. Wasserabscheidesystem nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abtrennvorrichtung (14) einen Rohrbogen (10, 10') und eine Dampfteilstromleitung (12, 12') umfaßt.
4. Wasserabscheidesystem nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Rohrbogen (10 , 10') nach oben oder nach unten gekrümmt ist.
5. Wasserabscheidesystem nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an die Dampfteilεtromleitung (12, 12') eine Entwässerungsleitung (23, 25) angeschlossen ist.
6. Wasserabscheidesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß in die Dampfteilstromleitung (12) ein Entwässerungsgefäß (22) geschaltet ist.
7. Wasserabscheidesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das dem Rohrbogen (10) zugewandte Ende der Dampfteilstromleitung (12 verzweigt ist.
8. Wasserabscheidesystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das dem Rohrbogen (10') zugewandte Ende der Dampfteilstromleitung (12') syphonartig ausgebildet ist.
9. Wasserabscheidesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Austrittsrohr (6) und die Abtrennvorrichtung (14) mit einem gemeinsamen Dampfsamme1system (16) verbunden sind.
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