WO2020007609A1 - Umleitdampfeinführung - Google Patents

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WO2020007609A1 PCT/EP2019/066192 EP2019066192W WO2020007609A1 WO 2020007609 A1 WO2020007609 A1 WO 2020007609A1 EP 2019066192 W EP2019066192 W EP 2019066192W WO 2020007609 A1 WO2020007609 A1 WO 2020007609A1
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condenser
holes
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Christian Musch
Andreas Auge
Simon Hecker
Stephan Minuth
Andreas PENKNER
Steffen Wendt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/04—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines with dump valves to by-pass stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F01K11/02—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the engines being turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28B—STEAM OR VAPOUR CONDENSERS
    • F28B9/00—Auxiliary systems, arrangements, or devices
    • F28B9/02—Auxiliary systems, arrangements, or devices for feeding steam or vapour to condensers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the invention relates to a bypass steam system for introducing a flow of high-energy steam into a condenser, comprising the arrangement for uniformizing the flow, an arrangement having a housing which is designed to limit the flow, the housing having holes through which the flow flows as a beam in a room outside of the housing.
  • a steam is generated in a so-called steam generator and led to a steam turbine via pipes.
  • the thermal energy of the steam is converted into mechanical rotational energy in the steam turbine.
  • the pressure and the temperature of the steam decrease.
  • the steam flows into a condenser at comparatively low temperatures and low pressure, where the steam condenses on cool condenser pipes and is converted back to water.
  • bypass operation three criteria must essentially be fulfilled so that safe operation is possible, which moreover leads to as little damage as possible.
  • the bypass steam inlet must be designed so that it does not damage the cooling pipes of the condenser by stamping impermissibly high steam speeds.
  • the following criterion must be observed: Since the steam is cooled by water injection before being introduced into the condenser and the water may be present in the form of drops or steam, it must also be ensured that droplet loading does not cause damage to the condenser or the erosion Turbine is coming.
  • a perforated basket is characterized by a housing that has individual holes through which the bypass steam flows.
  • the steam flows after the perforated basket into a free space of the condenser dome, which is often provided with stiffening elements of different geometry.
  • dumptubes represent an alternative to the perforated basket. These are also designed to conduct the bypass steam into the condenser.
  • the dumptube is characterized by a tube-like housing, which also bores gene through which the bypass steam flows into the condenser.
  • Dumptube to ensure that the steam neither flows directly towards the condenser tubes nor towards the turbine in order to prevent any damage to the condenser tube and the turbine blades.
  • Erosion poses a problem. Because of the gas jet-related jet burst, a large area with supersonic flow can occur, it is not always possible to completely rule out erosion-related damage to the condenser. Erosion occurs when water drops are accelerated to high speed and then hit installation parts. This damage can be minimized through the use of erosion-resistant materials, but this is very cost-intensive and can later lead to a renewal in the event of service.
  • the previous configurations of the perforated baskets and the dumptubes are such that there is a post-expansion in which the beams from the individual bores are combined, which can be referred to as throttle bores, and thus to a large coherent area with supersonic flow in which there is a potential risk of harm. Since a dissipation of the beam essentially only occurs at the edge of the beam, the penetration depth of the beam is also very large in this case. In the case of a perforated basket, this area can extend to the opposite condenser wall. The invention seeks to remedy this.
  • the area to which the beam energy can be dissipated is increased many times over, and the depth of penetration is thus reduced many times over.
  • the arrangement is a perforated basket in one case and a dumptube in another case.
  • the distance D between two neighboring hole centers is at least 50 mm. This is a value that has been empirically determined and is an optimal value. At this value of 50 mm, the distance between the individual holes is such that the hole pattern is such that no beam unification can occur at any operating point.
  • holes are designed as a bore deviating from a circular cross section.
  • the relationship should be maximized from hole circumference to hole cross-section so that the beam edge is also maximized.
  • the hole can be designed in a cloverleaf shape. With such a design, the ratio of hole circumference to hole cross section is maximum and leads to a further improvement.
  • Figure 1 is a perspective view of part of a
  • Figure 2 is an enlarged view of part
  • Figure 3 is a schematic representation of an alternative
  • Figure 4 is an enlarged view of an arrangement according to the invention
  • Figure 5 is a perspective view of part of the
  • Figure 6 is a perspective view of an alternative
  • Figure 7 is a cross-sectional view of part of the arrangement
  • Figure 8 is a plan view of part of the arrangement
  • FIG. 1 shows a condenser 1.
  • the condenser 1 comprises a condenser housing 2 and condenser tubes 3.
  • a cooling medium flows through the condenser tubes 3.
  • the steam supplied in the condenser housing 2 condenses into water from a low-pressure turbine part.
  • the supply of steam from the low-pressure turbine section into the condenser 1 is not shown in more detail in FIG.
  • a steam with high energy flows via a diversion steam system via a diversion line 4 through the condenser housing 2 into an arrangement 5, which in this case is a perforated basket 6.
  • an arrangement 5 which in this case is a perforated basket 6.
  • Stiffening elements 7 arranged inside the capacitor 1 .
  • the arrangement 5 comprises a housing 8 which is designed to limit the flow from the diversion device 4.
  • the housing 8 has holes 9.
  • the arrangement 5 and the Ge housing 8 are designed such that the steam from the Umleittechnisch 4 can only flow through the holes 9 in the condenser interior and an outflow of the steam between Ge housing 8 and condenser housing 2 is not possible.
  • FIG. 3 shows an alternative embodiment of the arrangement 5.
  • the arrangement 5 is designed as a dump tube 10.
  • the dumptube 10 also has a housing 8 in which holes 9 are arranged.
  • FIG. 6 shows an enlarged illustration of a part of the arrangement which can be formed as a perforated basket 6 or as a dumptube 10.
  • a part of the housing 8 can be seen in FIG. 6.
  • Several holes 9 are also shown.
  • the hole centers 13 of two adjacent holes 9 are at a distance 11 from one another. This distance 11 is such that a jet flowing through the hole 9 does not unite with one another.
  • the distance 11 should therefore be at least 50 mm.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of a hole 9a.
  • the hole 9a is designed as a cloverleaf.
  • the ratio of hole circumference and hole cross section is optimal.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a hole 9.
  • the hole 9 is designed as a Laval nozzle.
  • the flow 12 takes place from left to right.
  • FIG. 8 shows a representation of the distances 11 between two adjacent holes 9.
  • the center of the hole 13 is marked with a cross. For reasons of clarity see only four hole centers with the reference numeral 13 ver.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (5) zur Vergleichmäßigung einer Strömung mit einem Gehäuse (8), das zum Begrenzen der Strömung ausgebildet ist, wobei das Gehäuse (8) Löcher (9) aufweist, durch die die Strömung als Strahl in einen Raum außerhalb des Gehäuses (8) strömt, wobei der Abstand der Löcher (9) derart ist, dass keine Vereinigung von aus zwei benachbarten Löchern (9) herauskommenden Strahlen erfolgen kann.

Description

Beschreibung
Umleitdampfeinführung
Die Erfindung betrifft ein UmleitdampfSystem zur Einführung einer Strömung aus energiereichem Dampf in einen Kondensator, umfassend die Anordnung zur Vergleichmäßigung der Strömung, wobei eine Anordnung ein Gehäuse aufweist, das zum Begrenzen der Strömung ausgebildet ist, wobei das Gehäuse Löcher auf weist, durch die die Strömung als Strahl in einem Raum außer halb des Gehäuses strömt.
In Dampfturbinenanlagen wird ein Dampf in einem sogenannten Dampferzeuger erzeugt und über Rohrleitungen zu einer Dampf turbine geführt. Die thermische Energie des Dampfes wird in der Dampfturbine in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Der Druck und die Temperatur des Dampfes verringern sich hierbei. Nach der Durchströmung des Dampfes durch die Dampf turbine strömt der Dampf bei vergleichsweise niedrigen Tempe raturen und niedrigem Druck in einen Kondensator, wobei der Dampf dort an kühlen Kondensator-Rohrleitungen kondensiert und wieder zu Wasser umgewandelt wird.
Es sind Betriebsverfahren wie beispielsweise der Bypassbe trieb bekannt, wo der energiereiche Dampf direkt in den Kon densator geleitet wird. Das bedeutet, dass der energiereiche Dampf, der durch eine hohe Temperatur und hohen Druck charak terisiert ist, direkt in den Kondensator strömt. Daher sind besondere Vorkehrungen nötig, damit keine Schädigungen im Kondensator auftreten. Es kann Vorkommen, dass es im Konden sator aufgrund einer Nachexpansion des Dampfes, die auch mit einer Aufweitung des Strahles verbunden ist, hinter der Um leitdampfeinführung zu einem supersonischen oder je nach Ge fälle zu einem lokal hypersonischen Strömungsfeld führt. Die Geschwindigkeit des Dampfes hängt von den Drücken im Konden sator und in der Umleitdampfeinführung ab. Je höher das
Druckverhältnis zwischen dem Kondensator und dem Druck in der Umleitdampfeinführung ist, desto höher ist die maximale Strö mungsgeschwindigkeit .
Im Bypassbetrieb müssen drei Kriterien im Wesentlichen er füllt sein, damit ein sicherer Betrieb möglich ist, der dar über hinaus möglichst zu wenigen Schäden führt. Dies wäre zum einen das Kriterium, dass der Dampf dem Kondensator zugeführt wird, ohne den Rotor der Dampfturbine aktiv mit Dampf zu beströmen oder anzutreiben. Zum anderen muss die Umleitdampf einführung so gestaltet werden, dass sie die Kühlrohre des Kondensators nicht durch Aufprägung unzulässig hoher Dampfge schwindigkeiten schädigt. Schließlich ist folgendes Kriterium zu beachten: Da der Dampf vor der Einleitung in den Kondensa tor durch Wassereinspritzung gekühlt wird und das Wasser in Form von Tropfen oder Dampfnässe vorhanden sein kann, muss zudem sichergestellt werden, dass es durch Tropfenbeladung nicht zu Erosionsschäden im Kondensator oder der Turbine kommt .
Die vorgenannten Kriterien führen somit auf ein Design der Dampfeinführung, die einen Umleitdampf bei gegebenem Konden satordruck mit möglichst niedriger Strömungsgeschwindigkeit bei kontrollierter Strömungsführung dem Kondensator zuführt und die Integrität von Turbine und Kondensator nicht negativ beeinflusst .
Daher ist es bekannt, den Umleitdampf durch einen Lochkorb strömend dem Kondensator zuzuführen. Ein Lochkorb ist charak terisiert durch ein Gehäuse, das einzelne Bohrungen aufweist, durch die der Umleitdampf strömt. Der Dampf strömt nach dem Lochkorb dabei in einen freien Raum des Kondensatordoms ein, der häufig mit Versteifungselementen unterschiedlicher Geo metrie versehen ist.
Eine Alternative zu dem Lochkorb stellen sogenannte „Dumptu- bes" dar. Auch diese sind dazu ausgebildet, den Umleitdampf in den Kondensator zu leiten. Das Dumptube ist durch eine rohrähnliches Gehäuse charakterisiert, das ebenfalls Bohrun- gen aufweist, durch die der Umleitdampf in den Kondensator strömt .
Es ist allerdings bei beiden Anordnungen (Lochkorb und
Dumptube) sicherzustellen, dass der Dampf weder direkt in Richtung Kondensatorrohre noch in Richtung Turbine strömt, um etwaige Schäden an der Kondensatorberohrung und der Turbinen beschaufelung zu verhindern.
Ein Problem stellt die Erosion dar. Da es aufgrund des gasdy namisch bedingten Strahlaufplatzens zu einem großen Bereich mit Überschallströmung kommen kann, ist es nicht immer mög lich, erosionsbedingte Schädigungen am Kondensator komplett auszuschließen. Erosion entsteht, indem Wassertropfen auf ho he Geschwindigkeit beschleunigt werden und dann auf Einbau teile auftreffen. Diese Schädigungen können zwar durch den Einsatz von erosionsresistenten Werkstoffen minimiert werden, was allerdings sehr kostenintensiv ist und im Servicefall später zu einer Erneuerung dessen führen kann.
Die bisherigen Konfigurationen der Lochkörbe und der Dumptu- bes sind derart, dass es zu einer Nachexpansion kommt, in der es zu einer Vereinigung der Strahlen aus den einzelnen Boh rungen, die als Drosselbohrungen bezeichnet werden können und somit zu einem großen zusammenhängenden Bereich mit Über schallströmung in dem potentiell die Gefahr von Schädigung existiert. Da eine Dissipation des Strahls im Wesentlichen nur am Strahlrand passiert, ist in diesem Fall auch die Ein dringtiefe des Strahls sehr groß. Im Fall eines Lochkorbs kann dieser Bereich bis zur gegenüberliegenden Kondensator wand reichen. Die Erfindung möchte hier Abhilfe schaffen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein UmleitdampfSystem mit einer Anordnung anzugeben, bei der die Gefahr von Erosion minimiert ist . Dies erfolgt durch eine optimale Anordnung der Bohrungen, mit der es möglich ist, die Vereinigung der einzelnen Strahlen zu vermeiden .
Dadurch wird der Bereich, an den die Strahlenergie dissipiert werden kann, um ein Vielfaches vergrößert und somit wird die Eindringtiefe um ein Vielfaches verringert.
Gelöst wird die Aufgabe daher durch ein UmleitdampfSystem zur Einführung einer Strömung aus energiereichem Dampf in einen Kondensator, umfassend eine Anordnung zur Vergleichmäßigung einer Strömung, wobei die Anordnung ein Gehäuse aufweist, das zum Begrenzen der Strömung ausgebildet ist, wobei das Gehäuse Löcher aufweist, durch die die Strömung als Strahl in einen Raum außerhalb des Gehäuses strömt, wobei der Abstand D der Löcher derart ist, dass in einem Abstand A vom Gehäuse keine Vereinigung von aus zwei benachbarten Löchern herauskommenden Strahlen erfolgt, wobei D = A ist, wobei der Abstand D zweier benachbarter Löchermittelpunkte mindestens D = 50mm beträgt.
Die Anordnung ist in einem Fall ein Lochkorb und in einem an deren Fall ein Dumptube. Der Abstand D zweier benachbarter Löchermittelpunkte beträgt mindestens 50 mm. Dies ist ein Wert, der empirisch ermittelt wurde und einen optimalen Wert darstellt. Bei diesem Wert von 50 mm ist der Abstand zwischen den einzelnen Bohrungen derart, dass das Bohrungsmuster der art ist, dass es in keinem Betriebspunkt zu einer Strahlver einigung kommen kann.
Dadurch ist die Gefahr einer Erosion minimiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen an gegeben .
So ist eine erste vorteilhafte Weiterbildung dadurch gegeben, dass die Löcher als eine von einem Kreisquerschnitt abwei chende Bohrung ausgebildet sind. Dabei sollte das Verhältnis von Lochumfang zu Lochquerschnitt maximiert werden, damit auch der Strahlrand maximal wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Loch kleeblatt förmig ausgebildet sein. Bei einer solchen Gestaltung ist das Verhältnis von Lochumfang zu Lochquerschnitt maximal und führt zu einer weiteren Verbesserung.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird erfin dungsgemäß vorgeschlagen, die Löcher in Form einer Lavaldüse auszubilden. Dadurch wird der Effekt erzielt, dass die Expan sion in den Überschall nicht unkontrolliert bzw. ungeführt nach der Bohrung passiert. Bei einer Lavaldüse findet eine kontrollierte Expansion auf den Kondensatordruck statt.
Dadurch kann das Aufplatzen des Strahls vermieden werden und der maximale Durchmesser des Strahls kann dadurch verkleinert werden. Dadurch kann der mindestens vorzuhaltende Abstand zwischen den Bohrungen verringert werden und somit auch der gesamte Platzbedarf verkleinert werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert werden.
Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind da bei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese sollen die Ausführungsbei spiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr sind die Zeich nungen, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der in den Zeichnungen unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwie- sen . Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines
Kondensators
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils aus
Figur 1
Figur 3 eine schematische Darstellung einer alternativen
Ausführungsform der Anordnung
Figur 4 eine vergrößerte Darstellung einer erfindungsgemä ßen Anordnung
Figur 5 eine perspektivische Darstellung eines Teils der
Anordnung
Figur 6 eine perspektivische Darstellung einer alternativen
Ausführungsform eines Teils der Anordnung
Figur 7 eine Querschnittansicht eines Teils der Anordnung
Figur 8 eine Draufsicht auf einen Teil der Anordnung
Die Figur 1 zeigt einen Kondensator 1. Der Kondensator 1 um fasst ein Kondensatorgehäuse 2 und Kondensatorrohre 3. Durch die Kondensatorrohre 3 strömt ein Kühlmedium. An der Oberflä che der Kondensatorrohre 3 kondensiert der im Kondensatorge häuse 2 zugeführte Dampf aus einer Niederdruckteilturbine zu Wasser. Die Zuführung des Dampfes aus der Niederdruck- Teilturbine in den Kondensator 1 ist in der Figur 1 nicht nä her dargestellt.
In einem Bypass-Betrieb strömt über ein UmleitdampfSystem ein Dampf mit hoher Energie über eine Umleitleitung 4 durch das Kondensatorgehäuse 2 in eine Anordnung 5, die in diesem Fall ein Lochkorb 6 ist. Innerhalb des Kondensators 1 sind Ver- Steifungselemente 7 angeordnet. Die Anordnung 5 umfasst ein Gehäuse 8, das zum Begrenzen der Strömung aus der Umleitlei tung 4 ausgebildet ist.
Das Gehäuse 8 weist Löcher 9 auf. Die Anordnung 5 und das Ge häuse 8 sind derart ausgebildet, dass der Dampf aus der Um leitleitung 4 nur durch die Löcher 9 in den Kondensatorinnen- raum strömen kann und ein Ausströmen des Dampfes zwischen Ge häuse 8 und Kondensatorgehäuse 2 nicht möglich ist.
Die Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform der Anord nung 5. In der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ist die Anordnung 5 als ein Dumptube 10 ausgebildet. Der Dumptube 10 weist ebenfalls ein Gehäuse 8 auf, in dem Löcher 9 ange ordnet sind.
Die Figur 6 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Anordnung, die als Lochkorb 6 oder als Dumptube 10 ausge bildet sein kann. Zu sehen ist in der Figur 6 ein Teil des Gehäuses 8. Des Weiteren sind mehrere Löcher 9 dargestellt. Die Lochmittelpunkte 13 zweier benachbarter Löcher 9 weisen einen Abstand 11 zueinander auf. Dieser Abstand 11 ist der art, dass ein durch das Loch 9 durchströmender Strahl sich nicht gegenseitig vereinigt. Der Abstand 11 sollte daher min destens 50 mm betragen.
Die Figur 5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Lochs 9a. Das Loch 9a ist als Kleeblatt ausgeführt. Das Ver hältnis von Lochumfang und Lochquerschnitt ist dabei optimal.
Die Figur 7 zeigt eine Ausführungsform eines Lochs 9. Das Loch 9 ist hierbei als Lavaldüse ausgeführt. Die Strömung 12 erfolgt von links nach rechts.
Die Figur 8 zeigt eine Darstellung der Abstände 11 zweier be nachbarter Löcher 9. Der Lochmittelpunkt 13 ist mit einem Kreuz gekennzeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich vier Lochmittelpunkte mit dem Bezugszeichen 13 ver sehen .
5

Claims

Patentansprüche
1. UmleitdampfSystem zur Einführung einer Strömung aus energiereichem Dampf in einen Kondensator, umfassend eine Anordnung (5) zur Vergleichmäßigung der Strömung,
wobei die Anordnung (5) ein Gehäuse (8) aufweist,
das zum Begrenzen der Strömung ausgebildet ist,
wobei das Gehäuse (8) Löcher (9) aufweist durch die die Strömung als Strahl in einen Raum außerhalb des Gehäuses (8) strömt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand D der Löcher (9) derart ist, dass in einem Ab stand A vom Gehäuse (8) keine Vereinigung von aus zwei be nachbarten Löchern (9) herauskommenden Strahlen erfolgt, wobei D=A ist,
wobei der Abstand D zweier benachbarter Löchermittelpunkte mindestens D = 50 mm beträgt.
2. Anordnung (5) nach Anspruch 1,
wobei die Anordnung (5) ein Lochkorb (6) ist.
3. Anordnung (5) nach Anspruch 1,
wobei die Anordnung (5) ein Dumptube (10) ist.
4. Anordnung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Löcher (9) als eine von einem Kreisquerschnitt abweichende Bohrung ausgebildet ist.
5. Anordnung (5) nach Anspruch 4,
wobei das Verhältnis von Lochumfang zu Lochquerschnitt ma ximiert ist.
6. Anordnung (5) nach Anspruch 4,
wobei das Loch (9) Kleeblatt-förmig ausgebildet ist.
7. Anordnung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Löcher (9) in Form einer Lavaldüse ausgebildet sind .
8. Kondensator mit einer Anordnung (5) gemäß einem der An sprüche 1 bis 7.
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