專利名稱：改善汽輪機水分前置分離器的水膜捕集的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用以控制式消除核電高壓汽輪機排汽管壁的損蝕的水份前置分離器的水膜捕集，而這種損蝕與侵蝕-腐蝕現(xiàn)象有關。
已經注意到，與核電汽輪機循環(huán)有關的濕蒸汽狀態(tài)引起高壓汽輪機排汽和水份分離器再熱器之間的循環(huán)、蒸汽管和部件明顯的侵蝕/腐蝕。連通管侵蝕/腐蝕的型式、位置和范圍是管道尺寸、材料和設計形狀、汽輪機排汽工況和電廠負荷曲線的函數(shù)。然而，按照一般慣例，帶基本負荷的電廠采用碳鋼連通管，在典型的核電高壓汽輪機排汽工況，即濕度12%和絕對汽壓200磅/吋2的情況下，將在初次啟動后的3至5年內遭受侵蝕/腐蝕損壞，其程度為需要焊接修理，以恢復最小壁厚。這樣的焊接修理是昂貴的、費時的，並且經常導致計劃停機時間延長和計劃外臨時停機。
焊接修理連通管的侵蝕/腐蝕是昂貴的，但是部分或全部更換被侵蝕管道的辦法甚至更昂貴，因為更換管道時包括需要給予一定的時間和后勤工作。
已經發(fā)現(xiàn)，核電廠中的大部分管道壁侵蝕是金屬侵蝕的結果稱為“流動助腐蝕”(FAC)。FAC型侵蝕可在管道系統(tǒng)中高純度水膜附著和流過的表面的任何地方發(fā)生。在通常與核電站高壓汽輪機排汽管有關的溫度范圍(250°F到350°F)內，這些高純度水膜能夠以這樣的方式溶解正常的四氧化三鐵保護層，結果四氧化三鐵保護層下的鋼將不斷氧化。FAC型腐蝕在管道系統(tǒng)中形成扇形和凹槽的地方本身就是證明，它表示由于四氧化三鐵的溶解發(fā)生了質量轉移。
有關FAC型侵蝕/腐蝕所必要的水膜，在高壓核電汽輪機排汽管道的情況下，是由高壓汽輪機產生的。依靠幾何形狀，核電高壓汽輪機排汽缸在排出的濕蒸汽中產生渦旋。這樣的渦旋在彎曲的管道中觀察到已經很久了，它們被稱為第二流動型態(tài)。彎曲管道中的兩相流已在美國專利4，803，845中加以描述，並示于

圖1和2?；旧?，核電汽輪機排汽缸造成渦旋並產生離心力場，使它起離心分離器的作用，這依靠迫使較重的或較大的水滴移動或漂移通過氣(汽)相並沉積在排汽缸壁上。分離的程度取決于蒸汽的流量或速度、排汽缸的幾何形狀(主要是曲率半徑)，和蒸汽狀態(tài)，例如壓力、溫度和質量?？紤]到典型排汽工況下產生的離心力和施拉阻力，50μm或相對蒸汽來說較大水滴的相對速度將導致水彈射出去，結果高壓汽輪機出口存在的總水份的20%到30%能夠作為水膜出現(xiàn)在排汽缸壁上。這種高純度水膜顯然造成排汽和抽汽管道下游中觀察到的FAC。因此，一個長期存在的問題是，在水膜流入出口導流部分前除去它，以便減少或消除連通管的FAC。
由于水份分離器已經作為段間的部件裝在高壓汽輪機排汽口和低壓汽輪機入口之間，在蒸汽進入現(xiàn)有的分離器之前蒸汽中的除水裝置稱為水份前置分離器或簡稱前置分離器。具體地說，前置分離器在水膜進入排汽管之前徹底切斷水膜，故叫做“汽輪機內水膜捕集”型前置分離器。
汽輪機內水膜捕集前置分離器的一種型式示于圖3。該前置分離器將排汽導流嘴和排汽缸內表面區(qū)域中的水膜從汽輪機排汽缸壁上撇去，並且將水收集在除水器殼體和排汽導流嘴之間的一個小環(huán)形腔室中。這個腔室起到集水空腔的作用，但是幾乎沒有貯水的容積，因此需要穿過汽輪機導流嘴缸壁鉆一些(一般為4個)大的疏水通孔(相對集水腔容積來說較大)。
圖4中所示的管道內前置分離器在美國的4，803，841號專利中有詳細的描述。其中所述的前置分離器提供了一種位于汽輪機外部具有凝結水收集區(qū)的結構，它正好作為連通管的外套管。集水腔的尺寸和形狀根據(jù)需要來改變，而在集水腔的圓周周圍有多個疏水管(無需均勻分布)以很好地適合改進的情況，因此最大限度地減小重新配置現(xiàn)有管道的需要和避免費用昂貴的修改或影響現(xiàn)有的結構。基本上，該前置分離器包括一個環(huán)繞現(xiàn)有連通管形成的前置分離器殼體，以便構成一個環(huán)形集水腔。導流器板用來引導水膜流(如方向箭頭所示)進入環(huán)形集水腔。這種前置分離器在前述美國專利中較詳細地作了描述。上伸圓筒的幾何形狀一般要修改，以便在排汽缸內直徑壁面和上伸圓筒導流刃邊之間形成受控的入口間隙。這樣，上伸圓筒就起到管道內水膜捕集型前置分離器的除水器作用。
功能合適的捕集前置分離器，不考慮具體應用時其基本要求是受控(窄的)開口或間隙，它是由上伸圓筒的導流刃邊和高壓汽輪機排汽缸在汽輪機排汽缸渦殼和排汽導流嘴開口之間的貫穿區(qū)域形成的。正是這種設計要求最難實現(xiàn)而且一直是降低水膜捕集效率的一個原因。例如，在圖4中所示的形狀中，根據(jù)以前的經驗已經估計到，一臺具體的高壓汽輪機排汽中總水份的20%到35%會附在或非?？拷牌诇u殼壁，並且能被除水器捕獲。然而一旦投入運行，前置分離器的效果表明，收集的水份占總數(shù)的百分比低于期望值。已經發(fā)現(xiàn)，這個問題的一個原因是高壓汽輪機出口導流嘴和前置分離器上伸圓筒(這里確定了水膜進入的位置)的圓周周圍的排汽速度很不均勻。這個發(fā)現(xiàn)是用一臺比例為1/6的模型氣-水設備通過一系列精細的儀器測試得出的。這些比例模型試驗是精心設計的，以便再現(xiàn)高壓汽輪機排汽室的速度，液體和氣體之間的分相特性(在排汽缸壁上產生水膜)以及前置分離器和汽輪機排汽中的水力學。如在水力學領域內所知，這種不均勻的進入速度將在入口間隙周圍建立不均勻的壓力場或壓力梯度。這樣的壓力梯度那時或者局部阻礙水膜進入環(huán)形間隙，並且/或者引起要捕集起來從環(huán)形空間排出的水膜回到主流中去，從而旁路掉前置分離器集水腔。雖然用增加通過入口間隙的壓降來減小前置分離器的入口間隙在水膜捕集方面取得了某些小的改善，但是這樣的一種方法實際上是不實用的，並且對于完全彌補在比例模型流動試驗中觀察到的大壓力梯度是不夠見效的。
克服這種發(fā)生在入口間隙周圍的壓力梯度或壓力復原所引起的水膜損失，是要形成一種運動著的流體，即采用運載氣體或蒸汽來攜帶捕集到的木膜。這樣的概念已經被用于汽輪機的排水區(qū)，並且已經構成美國4，624，111號專利中討論的一種前置分離器的基礎。這種運動流體的方法實際上提供了一個泄氣機構，用來消去壓力增高，壓力增高的條件是攜帶水份的，或在這種情況下，沿汽輪機排汽缸壁牽引水膜的運載氣體的速度被阻止到接近停滯(零速)狀態(tài)。可是，在過去的實踐中，標準的泄氣設計已包括大的外部管道系統(tǒng)。大量必需的運動流體(蒸汽)本身也必須與所攜帶的水膜分離，這是因為經濟的原因，並且運動流體必須返回到系統(tǒng)中去。這要求昂貴的或復雜的特制部件，當用于把前置分離器裝入到現(xiàn)有核電汽輪機系統(tǒng)時尤其是這樣。
本發(fā)明的主要目的是要提供一種這樣的裝置和方法，亦即用運動流體來提高水膜捕集前置分離器中水膜捕集的效果，而無需大的昂貴的外部管道和處理運動蒸汽的分相設備。
考慮到這個目的，本發(fā)明歸結于用于具有一個排汽部分和一個排汽導流嘴的汽輪機的一種水份前置分離器，該前置分離器包括同心的內圓筒和外圓筒，一個底板將內外圓筒的下端互相連接起來，從而在內圓筒和外圓筒之間形成一個環(huán)形集水腔，外圓筒中靠近底板處設置了一個疏水，用來疏去環(huán)形集水腔中收集的水份，其特點在于上述圓筒的延伸部分連接到並使內圓筒延伸到汽輪機排汽部分的排汽導流嘴中，在上圓筒延伸部分和排汽導流嘴之間形成一個入口縫隙，上述內外圓筒和底板構成前置分離器殼體，一端與連通管連接，另一端與導流嘴連接，以便蒸汽流過內圓筒，而泄氣裝置用來使蒸汽從集氣腔返回到內圓筒中去，從而使入口縫隙圓周附近的壓力均衡並且提高水份捕集的效果。
僅通過舉例的方式，從附圖的圖5到圖9所示的較佳實施例的以下描述，本發(fā)明將變得更顯而易見，其中圖1是通過管道彎曲部分的螺旋型流線的所截取的局部側視圖;
圖2是沿圖1線Ⅱ-Ⅱ截取的剖面圖;
圖3示出具有設置在汽輪機汽缸的排汽導流嘴部分的除水器殼體的已知的前置分離器的剖視圖;
圖4示出了已知的前置分離器被斷開的局部的側視圖;
圖5是本發(fā)明的一個實施例的前置分離器剖視圖;
圖6是圖5的前置分離器的簡略的橫剖面圖并示出了泄氣孔的中心線;
圖7是圖5的前置分離器的剖面圖并示出了集水腔相對側面上設置的導葉;
圖8是圖5的前置分離器的放大的剖視圖;
圖9是內圓筒一部分的側視圖并示出了一個泄氣孔和擋水板。
參見圖4，用于汽輪機排汽部分21的管道內前置分離器一般由號碼20表示，它包括一個前置分離器殼體22和一個上伸圓筒24。前置分離器殼體22是由兩個同心的圓筒構成的，外圓筒26與高壓汽輪機排汽導流嘴34連接，以形成壓力邊界。內圓筒28取代一段去掉的連通管29。內外圓筒26和28在它們的下端與一塊底板31相連，以形成環(huán)形集水腔30，收集從蒸汽中分離出來的水份。疏水32，無需圍繞前置分離器殼體外圓周均勻布置，它提供了用以疏去從環(huán)形集水腔30收集的水份的裝置。
上伸圓筒24，具有與前置分離器殼體內圓筒28的內徑非常精密配合的外徑，可以滑裝進去，並從而與前置分離器殼體內圓筒28相連，結果上伸圓筒24上端的導流刃邊就在汽輪機排汽缸導流嘴34的內表面和上伸圓筒24的外表面之間形成一個窄縫隙25。這個縫隙或開口，雖然圍繞汽輪機排汽缸排汽導流嘴區(qū)域的周圍在尺寸上可以改變，但卻形成了通常狹窄的環(huán)形通道，以便從汽輪機缸壁捕集到的水膜往下通到前置分離器殼體的環(huán)形集水腔中去。
雖然這個環(huán)形通道足夠大，易于通過在汽輪機排汽缸周圍流動的薄水膜，但是高速運載蒸汽也進入該縫隙並在收縮的流動通道中被阻止到接近停滯狀態(tài)。因為環(huán)形縫隙流通橫斷面和進汽速度在環(huán)形縫隙圓周的周圍是不均勻的，蒸汽的動量轉變?yōu)閴毫υ诃h(huán)形開口圓周的周圍是不同的。這就導致環(huán)形縫隙圓周周圍的壓力梯度，它局部地阻止大部分水進入縫隙和/或使水膜改道，不能繼續(xù)其旋流往下進入環(huán)形縫隙去往前置分離器殼體，這是由于迫使它沿著通常平行于環(huán)形開口朝向低壓區(qū)的通道，在這里流向和加速度使它被迫從縫隙中出來並返回到汽流的主體中去。環(huán)形縫隙周圍的這種圓周壓力梯度的全部作用是會造成短的回路，其中水膜首先被迫環(huán)繞而不是下落至前置分離器上伸圓筒24，而然后回流進入連通管，從而降低了前置分離器的除水效果。
根據(jù)以上討論的水力學原理，前置分離器殼體22中的環(huán)形集水腔30對內圓筒28的圓形斷面中流動的主蒸汽來說是正壓的。這個正壓力是上伸圓筒24周圍的入口縫隙25中壓力升高的直接結果。
眾所周知，通過把前置分離器環(huán)形集水腔與低壓源相連接來進行泄氣或泄壓，以便抵消或消除這種不希望有的壓力梯度。例如，一種方法就是集水容積泄氣至整個前置分離器本身以外的低壓(意為低壓在整個排汽系統(tǒng)管道的外邊)。
本發(fā)明提供了另一種方法來釋放環(huán)形集水腔的這種升壓，即用布置和尺寸都適當?shù)拇┻^前置分離器殼體內圓筒壁的泄氣孔來進行必要的降壓泄氣，因此直接把前置分離器殼體環(huán)形集水腔30與汽輪機排出的汽流連通，該汽流在圖4中用方向箭頭“B”指出。這種泄氣布置允許運載氣體(蒸汽)，即與水膜一起進入前置分離器的蒸汽，向下流入到前置分離器環(huán)形集水腔中去，以便充分地減小上伸圓筒-汽輪機汽缸間的入口縫隙25周圍的壓力梯度。這允許汽輪機汽缸壁上的水膜流過入口縫隙25，並且進而流入前置分離器環(huán)形集水腔30。這就造成運動流體(蒸汽)的內部泄氣。
圖5和圖6示出了本發(fā)明第一個較佳實施例。前置分離器20有一個前置分離器殼體22，它是由具有內外表面的外圓筒26和具有內外表面的內圓筒28構成的。環(huán)形集水腔30是在兩個圓筒26，28和底板31之間形成的，並在外圓筒26的下部靠近底板處設有疏水32。前置分離器20有與圖4中所示的同樣的基本結構，包括使用間隔撐桿36來使兩個圓筒保持互相隔開的關系。
本發(fā)明在于有多個內泄氣孔的構造，這些孔開在內圓筒28靠近其上端處。泄氣孔特地規(guī)定尺寸和間隔布置，直接把該分離器殼體環(huán)形集水腔30與汽輪機排出的汽流相連。這樣，這種泄氣布置允許運載氣體，即與水膜一起進入前置分離器的氣體，向下流入到前置分離器環(huán)形集水腔30中去，從而充分地減小上伸圓筒-汽輪機汽缸間入口縫隙周圍的壓力梯度(它通至集水腔的頂部)，並且允許汽輪機汽缸壁上的水膜流過入口縫隙和進而流入到前置分離器環(huán)形集水腔中去。
可以采用其它尺寸和形狀的孔，即仍然可以運用運動流體內泄氣的概念，這里運動流體通過動能轉變成壓力能，產生足夠的壓頭來直接將運動流體返回到源蒸汽中去，而不是用管道送到前置分離器和連通管外部的低壓區(qū)。運載氣體，亦即蒸汽，在圖5中用旋流方向箭頭A示出，它在其上端進入該腔室，而通過泄氣孔38排出。由于泄氣孔38，捕集的水膜將基本上留在環(huán)形集水腔的外側壁上，保持一個大的比例，當水膜逼近前置分離器入口縫隙時，旋流的型線就呈現(xiàn)在汽輪機排汽缸中(如圖1每一條)。
為了保證環(huán)形前置分離器集水腔30對前置分離器殼體內圓筒28中流過的橫向蒸汽來說是正壓的，泄氣孔尺寸是這樣確定的，即各個泄氣孔開口橫截面積的總和不大于前置分離器殼體內圓筒外直徑和外圓筒內直徑之間的距離乘以泄氣孔直徑所確定的平面面積。
一般地說，孔的位置靠近內圓筒的上端，如圖5所示。雖然一些水滴子很可能會通過這些孔，但是它們將被破成較小的水滴子在排汽汽流中可以被攜帶，從而這種水份對FAC的幫助就被消除。孔的位置越往內圓筒的下面布置，在排汽汽流中就很可能會有越多的水滴子被攜帶。這樣，與捕集水份的目的一致，孔最好應限定在該圓筒的上部。
為了進一步增加水膜在環(huán)形集水腔30外壁上的滯留，在內圓筒的外側表面上可以幅向配置多個導葉40。另一些導葉42可以配置在外圓筒26的內側表面上。在一個實施例中，導葉40和42是同時使用的。導葉40和42起導板或類似翅片的作用，幅向向內凸出伸入集水腔30內，並且通常垂直于它們各自安裝的表面。當汽流開始往下進入前置分離器環(huán)形腔室30時，導葉有助于維持、產生和增強兩相流的旋流型態(tài)。導葉一般按螺旋線型布置並起到旋流型態(tài)增強器的作用。圖5中示出的葉片是間斷的節(jié)段，同時它們也可以做成連續(xù)的構件，類似一條螺旋線。葉片的尺寸、形狀、間距(兩個相鄰葉片之間的節(jié)距)和位置可以改變，以滿足具體設計或特性的要求。此外，除螺旋線以外的型式也可以使用，例如人字型，只要它們能夠增強或產生旋流型態(tài)。旋流型態(tài)形成附加的離心力，減小了附著于前置分離器環(huán)形集水腔內側表面的水滴數(shù)量，而內泄氣孔就布置在內側表面上。
圖6是沿圖5的線V1-V1獲得的一張橫剖面圖。圖6示出了內圓筒28中所開的內泄氣孔頂部那排的典型的中心線位置B(表示中心線時，孔本身已省去)。往下第二排的孔較少，兩排分別設置在一條線的兩側，這條線把前置分離器殼體分成兩段圓筒，一個與另一個成一定角度。中心線B示出了這些孔典型的間隔角度，它在圖6中是間隔22 1/2 度。
圖7分別示出了內圓筒28外表面和外圓筒26內表面上設置的分段導葉40和42。導葉應從前置分離器的頂部向下延伸，但是要求別伸到泄氣孔上面。
參見圖8和圖9，泄氣孔38最好設有擋板44，它實際上形狀是半圓形的。擋板44局部環(huán)繞每一個泄氣孔的開口，以便減少重新捕集進入泄氣孔的水份。在采用半圓形擋板時，該擋板蓋住孔的上部，因為誘導的流體運動是向下的。擋板44既可以是孔周圍角狀空間內直徑上伸出的缺口或半圓凸臺，也可以是與泄氣孔絲扣連接成焊接的插入管。
前置分離器環(huán)形集水腔30的內泄氣孔提供了有效的手段來獲得運動流體，亦即蒸汽來增強核電汽輪機排汽缸導流嘴壁上的水膜的捕集。這樣，泄氣實際上降低了(如果不是消除的話)前置分離器除水器入口縫隙周圍的壓力分配，從而促進了汽輪機汽缸壁上水膜的捕集。泄氣孔建立了環(huán)形集水腔和連通管之間直接的運動蒸汽的聯(lián)系通道，並從而免去了昂貴的外部管道。泄出的氣流在內部直接返回到它原先離開的氣流中去。
前置分離器環(huán)形集水腔一側或兩側內壁上的導葉增強了集水腔壁上水膜的滯留，並且減少了通過泄氣孔的水份的重新捕集。
上述結構通過環(huán)形集水腔的泄氣來建立連通管內部和集水腔內部的聯(lián)系，提高了水膜捕集前置分離器的除水效率。因此，在入口縫隙(在汽輪機排汽缸壁和前置分離器除水器之間)中和周圍的潮濕蒸汽流中大的壓力和速度偏差顯著減小。除水效果進一步增強是因為在集水腔中裝設了旋流誘導葉片。還有一個方面的方法是在泄氣孔處設置擋板，以防止已收集的水份的重新捕集。
權利要求
1.用于具有排汽部分(21)和排汽導流嘴的蒸汽輪機的一臺水份置分離器(20)，前置分離器(20)包括同心的內圓筒和外圓筒(26，28)，一個將內外圓筒(26，28)的下端相連的底板(31)，以便在內圓筒(28)和外圓筒(26)之間形成一個環(huán)形集水腔(30)，還有設置在外圓筒(26)中靠近底板(31)的一個疏水(32)，以便疏去環(huán)形集水腔(30)中收集的水份，其特點在于一個上圓筒的延伸部分(24)與內圓筒(28)連接並使內圓筒(28)伸入到汽輪機排汽部分(21)的排汽導流嘴(34)中去，一個入口縫隙(25)在上圓筒延伸部分(24)和排汽導流嘴(34)之間形成，上述內外圓筒(28，26)和底板(31)組成前置分離器殼體(22)，在一端與連通管(29)連接而在另一端與導流嘴(34)連接，以便蒸汽通過內圓筒(28)，還有泄氣裝置用來將蒸汽從集水腔(30)返回到內圓筒(28)中去，從而使入口縫隙(25)圓周周圍的壓力均衡，並增強水份捕集的效果。
2.如權利1中所述的水份前置分離器(20)，其特點在于泄氣裝置包括內圓筒(28)中所開的多個泄氣孔(38)。
3.如權利1中所述的水份前置分離器(20)，其特點在于導葉裝置至少設置在前置分離器(22)的上端部分，以便沿旋流方向將汽流引入到集水腔(30)中去。
4.如權利3中所述的水份前置分離器(20)，其特點在于導葉裝置包括至少在外圓筒(26)上部的外圓筒(26)內表面上形成的第一螺旋凸臺，和至少在內圓筒(28)上部的內圓筒(28)外表面上形成的第二螺旋凸臺。
5.如權利2中所述的水份前置分離器(20)，其特點在于泄氣孔(38)開在靠近內圓筒(28)的排汽導流嘴(34)端，以及擋板(44)的延伸至少部分地圍繞每一個泄氣孔(38)。
6.如權利5中所述的水份前置分離器(20)，其特點在于每一個擋板(44)是一個至少在每一個孔(38)的上圓周附近形成的拱形墻。
全文摘要
汽輪機的水分前置分離器包括一個內圓筒，一個外圓筒和一個將內外圓筒的下端相連的底板。內外圓筒和底板之間形成的環(huán)形集水腔開有泄氣孔，以除去凝結水。導葉設置在內圓筒或外圓筒上，或者同時設在內外圓筒上，以便增強集水腔內水分的旋流，增強分離。
文檔編號F01D25/00GK1046367SQ90102028
公開日1990年10月24日 申請日期1990年4月11日 優(yōu)先權日1989年4月11日
發(fā)明者霍默·加伊·哈羅夫, 哈里·F·馬丁, 唐納德·K·惠勒 申請人:西屋電氣公司