(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸（Ｍ）を中心として回転対称に構成されて中空空間（３）を取り囲むハウジング（２）と、ハウジング内面（１１）に対して接線方向に向く流体流の流入のために設計された、流体流のための少なくとも１つの供給配管（６）と、流体流の分離された気体成分のための少なくとも１つの排出配管（２４）とを有する、多相流体流を相分離するためのサイクロン分離器（１）において、前記中空空間（３）は前記中心軸（Ｍ）を起点として半径方向で見て円形の断面をもつ流出空間（１６）と、次に掲げる順番でこれに後続するそれぞれ円形の断面をもつ加熱空間（１４）と、中間空間（１５）と、乾燥空間（１３）と、流入空間（１２）とを有しており、前記流入空間（１２）は外方に向かって前記ハウジング（２）により区切られており、前記加熱空間（１４）は気体成分の加熱のために設計された加熱部材を含んでおり、前記乾燥空間（１３）には少なくとも１つの微細分離器（２８）とこれに付属する少なくとも１つの凝縮物捕集槽（３２）とが配置されており、少なくとも１つの前記凝縮物捕集槽（３２）は前記中間空間（１５）に配置された少なくとも１つの凝縮物排出管（３４）と接続されており、該凝縮物排出管によって、動作状態で少なくとも１つの前記微細分離器（２８）に形成される凝縮物が前記中空空間（３）から排出されるサイクロン分離器。
【請求項２】
前記中心軸（Ｍ）に対して垂直に位置する少なくとも１つの平面（Ｅ）に、１つの凝縮物捕集槽リングを少なくとも近似的に共同で形成する、前記乾燥空間（１３）に配置された複数の凝縮物捕集槽（３２）が設けられており、各々の前記凝縮物捕集槽（３２）はそれぞれ前記中間空間（１５）に配置された付属の前記凝縮物排出管（３４）と接続されている、請求項１に記載のサイクロン分離器。
【請求項３】
第１の凝縮物捕集槽リングを備える第１の平面（Ｅ）と、第２の凝縮物捕集槽リングを備える少なくとも１つの第２の平面（Ｅ）とが設けられており、前記第１の凝縮物捕集槽リングには第１の群の凝縮物排出管（３４）が付属しており、前記第２の凝縮物捕集槽リングには第２の群の凝縮物排出管（３４）が付属している、請求項２に記載のサイクロン分離器。
【請求項４】
前記第１の群の凝縮物排出管（３４）と前記第２の群の凝縮物排出管（３４）が両方とも延びている前記中間空間（１５）の縦方向区域において、これらの凝縮物排出管は前記サイクロン分離器（１）の円周方向で見て交互に配置されている、請求項３に記載のサイクロン分離器。
【請求項５】
それぞれの前記凝縮物排出管（３４）は前記中心軸（Ｍ）と平行に向いている、請求項１から４のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項６】
前記中心軸（Ｍ）に対して垂直方向に位置する切断平面を通るすべての凝縮物排出管（３４）の通過点は実質的に１つの円上に位置している、請求項１から５のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項７】
それぞれの前記凝縮物捕集槽（３２）は引込配管（４１）によってそれぞれの前記凝縮物排出管（３４）と接続されている、請求項１から６のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項８】
２つの排出配管（２４）を有しており、両方の前記排出配管（２４）は前記中心軸（Ｍ）の方向で見て反対向きの前記ハウジング（２）の端部で前記流出空間（１６）と流動側で接続されている、請求項１から７のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項９】
前記ハウジング（２）は中空円筒状に構成されている、請求項１から８のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１０】
前記中心軸（Ｍ）の垂直方向の向きを有している、請求項１から９のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１１】
１つまたは各々の前記供給配管（６）は前記中空空間（３）に流入する流体流の速度ベクトルが前記ハウジング（２）の前記中心軸（Ｍ）の方向の成分を有するように設計されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１２】
前記ハウジング（２）の円周にわたって均等に配分されて配置された４つの供給配管（６）を有している、請求項１から１１のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１３】
前記加熱部材は管状に構成されており、流体の加熱媒体により貫流されるように設計されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１４】
高圧タービン（７０）と、低圧タービン（７４）と、請求項１から１３のいずれか１項に記載のサイクロン分離器（１）とを備える蒸気タービン設備（６２）において、少なくとも１つの前記供給配管（６）が前記高圧タービン（７０）の蒸気出口と接続されており、少なくとも１つの前記排出配管（２４）が前記低圧タービン（７４）の蒸気入口と接続されている蒸気タービン設備。
【請求項１５】
高圧タービン（７０）と低圧タービン（７４）とを備える蒸気タービン設備（６２）を作動させる方法において、前記高圧タービン（７０）の蒸気出口から流れ出る蒸気が、中心軸（Ｍ）を中心として回転対称のハウジング（２）で取り囲まれた中空空間（３）へと案内され、それによって蒸気が回転し、その気体成分が液体成分から分離されて前記ハウジング（２）の内部領域に集められ、気体の成分は内部領域へ移行するときに微細分離器（２８）を通るように案内され、その液体成分がさらに低減され、次いで環状に配分された凝縮物排出管（３４）の構造を通るように案内され、引き続いて加熱部材によって加熱され、次いで前記低圧タービン（７４）の蒸気入口に供給される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中心軸を中心として実質的に回転対称に構成されて中空空間を取り囲むハウジングと、ハウジング内面に対して実質的に接線方向に向く流体流の流入のために設計された、流体流のための少なくとも１つの供給配管と、流体流の分離された気体成分のための少なくとも１つの排出配管とを有する、多相流体流を相分離するためのサイクロン分離器に関する。さらに本発明は、高圧タービンおよび低圧タービンと、このような種類のサイクロン分離器とを有する蒸気タービン設備に関する。さらに本発明は、このような種類の蒸気タービン設備を作動させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所では、特にエネルギー生成ないしエネルギー変換のために蒸気が用いられる発電所では、通常、さまざまなに異なる蒸気圧で作動するさまざまなタービンが利用される。このとき発電所で生成される生蒸気は、たとえば高圧タービンへと送られ、そこで仕事をし、それに伴い減圧される。そして低い蒸気圧用として設計された低圧タービンへ蒸気が送られる前に、通常、その水成分が低減される。これに加えて、低圧タービンへ送られる前に蒸気の過熱が行われるのが通常である。このような方策により、一方では低圧タービンの効率が向上し、また、他方ではタービンの耐用寿命が長くなる。たとえば液滴に起因するコンポーネントの浸食ないし腐食によって生じる可能性がある損傷が、低減または回避されるからである。
【０００３】
高圧タービンから出ていく減圧された蒸気をそのように前処理するために、通常、構造的に相並んでの設置または相前後しての設置で互いに組み合わされていてよい、流動方向で直列につながれた水分離器と中間過熱器が用いられる（複合型の水分離器／中間過熱器）。このとき通常、水分離器／中間過熱器の第１のコンポーネントで蒸気の水分割合が低減されてから、実質的に気体状の成分が第２のコンポーネントに導入され、そこで過熱される。このように過熱された蒸気が低圧タービンへと送られ、そこで減圧され、それによって仕事を行う。
【０００４】
水成分を分離するために、さまざまな装置を使用することができる。これには、たとえば蒸気流が沿って案内される薄板が含まれる。さらに水成分を分離するために、いわゆるサイクロン分離器またはサイクロンも使用することができ、その実質的に回転対称のハウジングに、蒸気流がハウジング内面に対して接線方向に導入される。それにより、重たい水成分は遠心力により外方に向かって追いやられ、実質的に気体状の軽い成分は、サイクロンの中で生成される流動状況に基づき、ハウジングで取り囲まれた中空空間の内部に流れ込み、そこに溜まる。いずれのケースでも、蒸気の気体成分は流動方向で後置された、設計的／空間的に別個の複合型の水分離器／中間過熱器の第２のコンポーネントへと案内され、そこで過熱される。このことは通常、蒸気が熱伝達によって相応に加熱ないし過熱される加熱管に、蒸気が流れ込むことによって実現される。
【０００５】
水成分の分離と蒸気の加熱とが同じハウジングの中で行われる複合型の水分離器／中間過熱器の一体化された設計態様は、特許文献１に記載されている。
【０００６】
水の分離ないし蒸気の中間過熱を満足のいくように行えるようにするには、それぞれのコンポーネントが相応に大きな容積で寸法決めされていなくてはならず、相応の材料コストと空間的な設計スペースがそこから直接的に生じる。その一方で、発電所の設計にあたっては、できる限り少ない材料消費量と所要スペースが追求に値する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】出願人AREVA NP GmbH社のドイツ特許出願第DE 10 2009 015 260.1号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって本発明の課題は、たとえば蒸気のような流体流の気体成分を加熱するのに適しており、材料と所要スペースに関わる要求事項が低い、多相流体流を相分離する装置を提供することにある。さらに、加熱段階へ入るときに、加熱されるべき蒸気の均等でできる限り均一な流動分布が意図される。さらに、このような種類のサイクロン分離器を格別に好ましく使用することができる、高圧タービンと低圧タービンとを備える蒸気タービン設備を提供することが意図される。さらに、このような蒸気タービン設備を作動させる方法を提供することが意図される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
多相流体流を相分離するためのサイクロン分離器に関して、この課題は本発明によると、中空空間が、中心軸を起点として半径方向で見て実質的に円形の断面をもつ流出空間と、次に掲げる順番でこれに後続するそれぞれ実質的に円形の断面をもつ加熱空間と、中間空間と、乾燥空間と、流入空間とを有しており、流入空間は外方に向かってハウジングにより区切られており、加熱空間は気体成分の加熱のために設計された加熱部材を含んでおり、乾燥空間には少なくとも１つの微細分離器とこれに付属する少なくとも１つの凝縮物捕集槽とが配置されており、少なくとも１つの凝縮物捕集槽は中間空間に配置された少なくとも１つの凝縮物排出管と接続されており、該凝縮物排出管によって、動作状態で少なくとも１つの微細分離器内において形成される凝縮物が中空空間から排出されることによって解決される。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態は、従属請求項の対象物となっている。
【００１１】
本発明の出発点をなす考察は、従来式の水分離器／中間過熱器の比較的大きい所要スペースは、特に、最初に高圧タービンから出てくる蒸気からの水の分離と、これに続く分離された気体成分の過熱とが、流動側の直列回路のような形式で相前後して配置された、空間的に互いに分断された２つの空間領域または装置コンポーネントで時間的に連続して行われることに原因があるというものである。そのために、比較的大きい取付スペースをシステム上必要とする、水分離器／中間過熱器の構造上の設計に関して特別な要求事項が課される。
【００１２】
しかし今回認識されたように、これら２つの空間領域は必ずしも設計的に相前後して別々の空間に配置されなければならないわけではない。つまり適当な流動状況を前提条件としたうえで、これらの空間領域を単一のハウジングの中で互いに入れ子式に配置することもでき、このとき液体の分離、および流体の所与の体積要素についての気体の流体成分の過熱は、時間的に見て実質的に同時に、ないしはすぐに連続して行われる。
【００１３】
このような好適な流動状況は、サイクロン型式の水分離器によってもたらされる。サイクロンのハウジング内面への接線方向での流入により、流れに対して作用する遠心力によって、たとえば水などの重い成分の分離が、ハウジングで取り囲まれた中空空間の外側領域でハウジング内面に行われる。このとき当初の流体流の軽い気体成分、たとえば水蒸気は、中空空間の内部へと流れる。そして中空空間の内部領域または中心領域に、特に加熱空間に、気体成分の加熱ないし過熱をするための加熱部材を配置して、内部領域への軽い相の移行が引き続き可能になるようにしておけば、気体成分が内部領域への移行中に直接加熱ないし過熱される。それにより、水分離のために設計された外側の空間領域の内部に、過熱された蒸気を実質的に含む内側の空間領域が生じる。そして過熱された気体成分を内側の空間領域から導出して、必要に応じて引き続き利用することができる。このように機能的に相違する２つの空間領域の入れ子構造により、複合型の水分離器／中間過熱器を明らかにコンパクトな設計形態で具体化することができる。これに加えて、両方のプロセスについて単一のハウジングしか必要ないので、材料コストを削減することができる。
【００１４】
特に、微細分離器と加熱部材の間での凝縮物排出管の同心的な配置によって、加熱空間へ流れ込むときに良好に調整された圧力損失が得られ、このような圧力損失は、ハウジングに沿った蒸気の均等な分布につながり、そのようにして、加熱部材へ流れ込むときの最適化された流動分布を保証する。したがって、流動を誘導するための穴あき板や、これに類似する装置を省略することができる。
【００１５】
このような種類の設計は水蒸気の処理だけに限定されるものではなく、多成分の流体流から１つまたは複数の相を重い粒子ないし成分から分離し、当初の流体流の１つまたは複数の軽い成分を加熱しようとする場合には、常に適用することができる。
【００１６】
中心軸に対して垂直に位置する少なくとも１つの平面に、１つの凝縮物捕集槽リングを少なくとも近似的に共同で形成する、乾燥空間に配置された複数の凝縮物捕集槽が設けられているのが好ましく、各々の凝縮物捕集槽は、それぞれ中間空間に配置された付属の凝縮物排出管と接続されている。
【００１７】
このとき各々の凝縮物捕集槽は、１つまたは複数の微細分離器ないし乾燥器に付属していてよい。その別案として、各々の平面に、またはこれらの平面のいくつかに、ちょうど１つの環状の凝縮物捕集槽を使用することも考えられる。
【００１８】
環状に配分された凝縮物捕集槽およびこれに付属する凝縮物排出管の好ましい個数、ならびにその寸法決め（たとえば長さや直径）は、たとえばハウジングの寸法決め、サイクロン分離器の作動状態のときに凝縮物排出管を通って運ばれる凝縮物の処理量、ならびに、凝縮物排出管の構造を流体流が貫流するときに行われるべき所望の圧力損失など、複数の要因に依存して決めることができる。
【００１９】
１つの好ましい実施形態では、第１の凝縮物捕集槽リングを備える第１の平面と、第２の凝縮物捕集槽リングを備える少なくとも１つの第２の平面とが設けられており、第１の凝縮物捕集槽リングには第１の群の凝縮物排出管が付属しており、第２の凝縮物捕集槽リングには第２の群の凝縮物排出管が付属している。
【００２０】
このようにして、乾燥器の中でハウジングの中心軸に沿ってさまざまな個所に目に見えるように形成される凝縮物が、凝縮物の流動方向でそれぞれ次の凝縮物捕集槽に流れ出ることができる。ハウジングの中心軸に沿って見たとき、第１および第２の平面の凝縮物捕集槽はそれぞれ対をなして相上下して配置されていてよい。ハウジングの長さや、サイクロンの作動状態のときの凝縮物の処理量に応じて、３つまたはそれ以上の平面が設けられていてもよい。
【００２１】
凝縮物排出管は、高い処理量を保証するために、それぞれ１つの凝縮物捕集槽とのみ接続されているのが好ましい。別案の実施形態では、少なくともいくつかの凝縮物排出管は、１つを超える凝縮物捕集槽と接続される。
【００２２】
第１の群の凝縮物排出管と第２の群の凝縮物排出管が両方とも延びている中間空間の縦方向区域において、これらの凝縮物排出管はサイクロン分離器の円周方向で見て交互に配置されているのが好ましい。このような中間空間の縦方向区域は中間区域の長さ全体に延びているのが好ましく、すべての凝縮物排出管がハウジングの長さ全体にわたって案内される。このようにして、たとえば加熱されるべき蒸気のような流体流の気体相にとっての流入状況が、中心軸に沿って見たときに、どの個所でも同じになる。このとき、特定の縦方向区域のいくつかの凝縮物排出管は、流動案内の役目だけを果たすのに対して、他の縦方向区域では、微細分離器で形成される凝縮物のための排出部として追加的に機能する。
【００２３】
このような種類の配置は２つを超える平面にも一般化することができ、その場合、円周方向でたとえば各群に属する凝縮物排出管の周期的な配置を行うことができる。
【００２４】
凝縮物排出管は中心軸と平行に向いているのが好ましく、それにより、蒸気が流れ込むときに、実質的にハウジングの中心軸に対して垂直方向に速度減少が生じる。
【００２５】
中心軸に対して垂直方向に位置する横断面を通るすべての凝縮物排出管の通過点が実質的に１つの円上に位置していると、半径方向で均等な流れ込みが実現される。その場合、これらの管はすべて半径方向でハウジング内面および中心軸から等しい距離を有しており、その結果、望ましくない圧力の不均一性がハウジングの円周方向に沿って生じることがない。
【００２６】
それぞれの凝縮物捕集槽は、引込配管によってそれぞれの凝縮物排出管と接続されているのが好ましい。引込配管は、中間片のような形式で、流動側で凝縮物捕集槽をそれぞれの凝縮物排出管と接続し、動作状態のときに凝縮物は相応の凝縮物捕集槽から引込配管を通って凝縮物排出管の中に流れることができる。引込配管は、たとえば溶接結合によって、凝縮物捕集槽および／または凝縮物排出管と接続されていてよい。引込配管は、凝縮物捕集槽または凝縮物排出管の一体化された構成要素として構成されていてもよい。
【００２７】
好ましい実施形態では、加熱空間は、流体流の気体成分が貫流するための加熱部材を備えるように設計されている。このとき加熱空間は中空空間を、ハウジング内面と加熱空間との間に位置する各領域すなわち中間空間、乾燥空間、および流入空間と、加熱空間の内部に位置する流出空間とに分割する。両方の空間領域の明確な分割は、連続する両方のプロセスの分離を最適化された形で可能にする。加熱のためのエネルギーを節減するために、流入空間に流れ込んでくる流体流の部分が、できる限り少ない割合の重い成分を有していると特に好ましい。蒸気タービン設備で適用する場合、それによってタービンの効率と耐用寿命ないし保守整備インターバルを向上させることができる。
【００２８】
加熱ないし過熱された蒸気をできる限り直接的な経路で低圧タービンへ流入させるために、サイクロン分離器がちょうど２つの排出配管を有していると好ましく、両方の排出配管は、中心軸の方向で見て反対向きのハウジングの端部で、流出空間と流動側で接続されている。
【００２９】
多成分の流体流の組成に応じて、回転対称のハウジングのそれぞれ異なる実施形態が好ましい。たとえばハウジングは１つの方向に向かって、特に排出配管（流動出口）に向かう方向に向かって、その断面積に関して先細になっていてよい。水蒸気流／水流からの水の分離は、実質的に中空円筒状に構成されたハウジングの中で実施されるのが好ましい。
【００３０】
多相流体流の重い成分を分離するための重力を最適化された形で活用するために、ハウジングの中心軸は実質的に垂直方向の向きを有しているのが好ましい。そうすれば流体流の重い成分がハウジング内面に沿って下方に向かって動き（流れ）、そこで収集ないし排出することができる。一般に、サイクロン分離器の垂直方向の設置が好ましい。その場合、重力が渦流に不均衡を引き起こさないからである。
【００３１】
高圧タービンと低圧タービンとを有する蒸気タービン設備で本装置を使用するために、高圧タービンから取り出された蒸気が低圧タービンへ過熱状態で供給されることが意図される。そのために加熱部材はその加熱出力に関して、特に水蒸気である流体流の気体成分を過熱させるように設計されていることが意図される。
【００３２】
多相流体流が複数の供給配管を通って供給されると、できる限り効率的な本装置の利用が実現される。供給配管が、少なくともそのハウジング接続部の領域で、ハウジングの中心軸に対して実質的に垂直方向の平面に位置しているとき、供給配管は、中空空間に流入する流体流の速度ベクトルが、当該平面から外に出るように向く成分を有するように設計されているのが好ましい。ここでは、流体流の個々の構成要素を通じて平均した平均の速度ベクトルが含意されている。それにより、異なる供給配管を通って流入する流体流が互いに衝突するのを防止することができ、流体流は中心軸の方向の主方向を維持する。このとき流体流は、中心軸に対して垂直方向の平面に対して１０°から３０°の角度で、特に約１５°で、流入するのが好ましい。すなわち、壁部の幾何学形状の結果として生じる渦流に、主として中心軸の方向の速度成分が重ね合わされ、それによって、全体としてつる巻線状の流れが形成される。分離装置が垂直方向に設置されているとき、中心軸の方向を向く速度成分は主として下方を向いている。
【００３３】
流体流の流入のために、ハウジングの円周にわたって均等かつ対称に配分されて配置された４つの供給配管が使用されるのが好ましい。このようにして、ハウジングを適切に寸法決めすれば、個々の流れがぶつかってその際に乱れることなく、流入する流体流を等しい大きさのハウジング内面の４つの流域に分割できるという利点がある。
【００３４】
本装置のハウジングの中で形成される流動状況は、流体流の気体成分が、ハウジングで取り囲まれた中空空間の内部へと流れるように作用する。そこで気体成分は加熱部材に流れ込み、その際に加熱ないし過熱される。加熱部材が流れ込みをうける方向は、任意選択で、流入空間に配置された案内板ないし案内羽根によって最適化することができる。たとえばこのようにして、加熱管が実質的に前面から流れ込みをうけるようにすることができ、ないしは、接線方向成分を減らすことができる。その一方で、このような案内部材は流入空間を狭めるので、案内部材を使用するかどうか、およびどのような寸法で使用するか、用途に応じて決めるのがよい。
【００３５】
サイクロン分離器は、１段階の過熱にも多段階の過熱（中間過熱）にも適している。２段階ないし多段階の過熱のために、たとえば加熱空間には、中心軸に対して垂直方向で見て２つないしそれ以上の群の加熱部材が相前後して配置されていてよい。このとき個々の群に付属する加熱部材は、それぞれ異なる加熱出力ないし加熱温度のために設計されていてよい。
【００３６】
本装置の好ましい実施形態では、加熱部材は管状に構成されている。気体成分を加熱ないし過熱するために、加熱部材を流体の加熱媒体によって、特に水蒸気によって、貫流させることができる。多段階の加熱のために、たとえばそれぞれ異なる群の加熱部材で、異なる圧力および／または異なる温度の蒸気を使用することができる。
【００３７】
できる限り効率的な気体成分の加熱のために、ハウジングの中心軸と平行に向く直線状の管が加熱部材として利用される。そのために加熱空間には、用途に応じて別様に構成されていてよい複数の管が配置されていてよい。たとえば平滑管やリブ付き管、あるいはこれらの型式の管の好都合な組み合わせを採用することができる。個々の管は、流体流から分離された気体相が、外側に位置する流入空間から内側に位置する流出空間へと、できる限りスムーズな移行を残された中間空間を通じて行えるように、互いに間隔をおいているのが好都合である。その一方で、求められる加熱作用を実現するために、ある程度の管の「密度」も当然ながら必要である。
【００３８】
加熱管は管の束をなすようにまとめられているのが好ましい。このとき、管が程度の差こそあれ均等に配分された状態で加熱空間に配置される、いわゆる環状束を適用することができる。その別案または組み合わせとして、いわゆる個別束を適用することができる。このとき、それぞれ互いに隣接する複数の加熱部材が１つの束にまとめられる。個別束は予備組み付けされていてよく、全体として取り扱うことができる。必要な場合に個別管として容易に組み付け、取り外し、ないしは取り換えることができる。
【００３９】
蒸気タービン設備に関して、上に挙げた課題は本発明によると、上に説明した分離装置の１つの供給配管またはすべての供給配管が高圧タービンの蒸気出口と接続されており、１つの排出配管またはすべての排出配管が低圧タービンの蒸気入口と接続されていることによって解決される。このようにして、蒸気は高圧タービンから分離装置へ導入され、そこで、一方では水成分が蒸気から分離され、他方では気体成分が過熱される。次いで、過熱された蒸気が低圧タービンへ導入され、そこで以後のエネルギー取得のために利用される。
【００４０】
方法に関して、上に挙げた課題は本発明によると、高圧タービンの蒸気出口から流れ出る蒸気が、中心軸を中心として実質的に回転対称のハウジングで取り囲まれた中空空間へと案内され、それによって蒸気が回転し、その気体成分が液体成分から分離されてハウジングの内部領域に集められ、実質的に気体の成分は内部領域へ移行するときに微細分離器を通るように案内され、その液体成分がさらに低減され、次いで環状に配分された凝縮物排出管の構造を通るように案内され、引き続いて加熱部材によって加熱され、次いで低圧タービンの蒸気入口に供給されることによって解決される。
【００４１】
本方法の好ましい態様では、少なくともいくつかの加熱部材は管状に構成されており、すなわち加熱管を形成する。蒸気生成器により生成される生蒸気は、少なくともいくつかの加熱管の中へ案内され、それにより、分離装置に導入された流体流の加熱管の外面と接触する気体成分が加熱ないし過熱される。その別案または組み合わせとして、抽気蒸気を高圧タービンから取り出すことができ、次いで、これが少なくともいくつかの加熱装置へ案内される。このようにして、流体流の気体成分の特に２段または多段の過熱を実現することができる。
【００４２】
本発明により得られる利点は、特に、サイクロン分離器の内部での加熱部材の巧みな配置によって、多相流体流の重い成分ないし液体相の分離を、同時に流体流の気体成分を加熱ないし過熱しながら、明らかに省スペースに、かつ材料と設計コストを引き下げる仕方で、具体化することができるという点にある。それにより本装置は、特に、狭いスペースに建設しなくてはならない設備での採用に適している。流体流の重い成分もしくは相の一次分離のために、サイクロン原理が利用される。微細分離器を組み込むことは、重い成分のいっそうの低減を可能にする。微細分離器と加熱部材の間の環状スペースに凝縮物排出管を配置することで、的確な圧力損失により、最適化された流動分布が実現される。このことは、いっそうの材料削減につながる。凝縮物排出管の二重機能に基づき、穴付き板やこれに類似するコンポーネントを（ほぼ）省略できるからである。
【００４３】
このような種類の分離装置が高圧タービンと低圧タービンの間に介在している蒸気タービン設備は、特別にコンパクトかつ材料保全的な設計形態で具体化することができる。このとき本装置は、基本的に、垂直方向に設置されたハウジングの中で、高圧タービンのすぐ下に取り付けることができ、それにより、ガスは高圧タービンの蒸気出口からハウジングの上側端部のところで本装置に流入することができる。そして、ハウジングの下側端部および／または上側端部にある排出配管により、過熱した蒸気を低圧タービンへと供給することができる。
【００４４】
次に、本発明のさまざまな実施例について図面を参照しながら説明する。そこには著しく模式化された図面で次のものが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】中心軸を中心として実質的に回転対称に構成されたハウジングを備える、多相流体流を相分離するためのサイクロン分離器の考えられる２つの異なる実施形態を示す、互いに接する２つの異なる半円形の部分断面図であり、それぞれの切断平面は中心軸に対して垂直に選択されている。
【図２】さまざまな空間領域が模式的に示された、図１のサイクロン分離器の中心軸に対して垂直方向の切断平面である。
【図３】サイクロン分離器を示す縦断面図であり、中心軸の左右の両方の半分はそれぞれ異なる好ましい実施形態に対応している。
【図４】引込配管を介して凝縮物排出管と接続された凝縮物排出槽を含む、鎖線の円で図示する図３の詳細部の詳細図である。
【図５】図１から図３のサイクロン分離器の複数の凝縮物排出管と１つの凝縮物捕集槽であり、ここでは中心軸の方向の視線方向による横断面で示されている。
【図６】高圧タービンと、低圧タービンと、蒸気生成器と、図１から図５の実施形態に基づく中間過熱器が組み込まれた、多相流体流を相分離するためのサイクロン分離器とを有する蒸気タービン設備の模式化したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
同じ部分にはどの図面でも同じ符号が付されている。
【００４７】
多相流体流を相分離するための図１に示すサイクロン分離器１は、中心軸Ｍを中心として実質的に回転対称かつ中空円筒状に構成されたハウジング２を含んでおり、ハウジングは中空空間３を取り囲むとともに、４つの供給配管６が穿設されている。ここで図１の左半分と右半分はサイクロン分離器の考えられる構成にそれぞれ対応しており、実際にはそれぞれ両方の半分が、ここに示す２つの態様のいずれかで具体化される。実質的に垂直方向を向く中心軸Ｍを備えるハウジング２は、好ましい実施形態では約６メートルの直径を有している。
【００４８】
多相流体流（図示せず）は、ハウジング内面１１に対して実質的に接線方向の流入方向１０で、ハウジング２により取り囲まれた中空空間３に流入する。この流体流は、たとえば蒸気タービン設備に設置された高圧タービンの蒸気出口から供給配管６を通って、サイクロン分離器１のハウジング２へ案内される蒸気であってよい。ハウジング２は鋼材ないし特殊鋼で製作されているのが好ましいが、利用分野に応じて、これ以外の材料が好ましい場合もある。
【００４９】
このとき流体流が回転し、流体流に作用する遠心力が、このケースでは水である流体流の重い成分を外方に向かってハウジング内面１１へ引き寄せる。流体流の気体成分は、中空空間３の中で形成される流動状況に基づき、流入空間１２から乾燥空間１３と中間空間１５を通って加熱空間１４に入る。断面が環状の加熱空間１４は、ハウジング２の内部にある円筒状の流出空間１６を空間的に取り囲んでいる。
【００５０】
流出空間１６、加熱空間１４、中間空間１５、乾燥空間１３、および流入空間１２の（中心軸Ｍから半径方向外側に向かっての）空間的な配置が、図２に模式的に図示されている。流出空間１６は円筒状に成形されているのに対し、ハウジング２内のさらに外側に位置する各空間は、それぞれ円環状の断面をもついわばシェルを形成する。その断面で見たときの仮想的な内側および外側の区切りは、共通の中心点が中心軸Ｍに位置する同心円を形成する。
【００５１】
図１に示すサイクロン分離器１の実施形態の加熱空間１４には、加熱出力に関して流体流の気体成分を過熱するために設計された加熱部材が配置されている。全体としていわば環状束を形成する、個々の加熱管１８を使用することができる。環状束で用いられる管の長さが約１１．５ｍでハウジング直径が６ｍの場合、束の外径が約３．６ｍ、リブ付き管の心材直径がそれぞれ約２２．４ｍｍ、管の総数が約７９００本であれば、約２２，０００ｍ2の加熱面積を提供することができる。その別案または加熱管１８との組み合わせとして、個別束２０を使用することができる。加熱管１８ないし個別束２０は流動方向２２で、流体流の気体成分の流れ込みをうける。気体成分は加熱空間１４で過熱され、引き続いて流出空間１６へとさらに流れる。そこから排出配管２４（図１には図示せず）を通って、低圧タービンへとさらに案内される。
【００５２】
流体流によって加熱部材が直接の流れ込みをうける場合、これまでの経験に基づき、最大で約８０％の水の分離効率を実現することができる。このことは、加熱管１８ないし個別束２０に流れ込む蒸気が、まだ約２．６％の水成分を有することを意味している。
【００５３】
水成分をいっそう引き下げるために、乾燥空間１３には微細分離器２８が取り付けられている。たとえば微細分離器２８としては、さまざまに異なる構成の薄板を利用することができる。波形の薄板のパッケージからなる、いわゆる積層液滴分離器を使用することもできる。通常、このような分離部材はフレームに取り付けられており、ないしは定着されている。微細分離器２８には凝縮物捕集槽３２（図１には図示せず）が付属しており、動作状態のときに微細分離器２８で形成される凝縮物がその中に流出する。凝縮物捕集槽３２は、乾燥空間１３に配置されているのが好ましい。凝縮物捕集槽は、それぞれの微細分離器２８から出る凝縮物が付属の凝縮物捕集槽３２で捕集されるように、それぞれの微細分離器２８に取り付けられている（たとえば溶接されている）。凝縮物捕集槽３２は、流動側で、中間空間１５に配置された凝縮物排出管３４と接続されており、この凝縮物排出管によって凝縮物が中空空間３から排出される。凝縮物排出管３４は、中心軸Ｍと平行に実質的に直線状に延びるとともに、ハウジング２の長さ全体にわたって延びている。凝縮物排出管はハウジング２の２つの端部に、それぞれプレート９０によって定着されている。ハウジングの下側に配置されたプレート９０と、ハウジング内面１１との間には、間隙９４ないし環状隙間が設けられており、ハウジング内面１１に溜まった水を、これを通して下方へ流出させることができる。
【００５４】
凝縮物排出管３４は二重の機能を果たす。一方ではこれにより、微細分離器２８で形成される凝縮物が下方に向かって中空空間３から運び出される。他方では、微細分離器２８と加熱管１８との間におけるその空間的配置が、流入空間１２から流出空間１６へと移行して流れる流体流の好ましい圧力損失を生じさせ、それにより、加熱空間１４における垂直方向の流動分布が改善される。特に、中空空間３の下側領域での動圧が回避され、ないしは大幅に低減される。さらに凝縮物排出管３４の配置によって、加熱管１８への流れ込み方向にも影響を及ぼすことができる。それにより生成される乱流によって、束の第１の管列への流体流の熱移行が改善される。
【００５５】
微細分離器２８を援用すれば、水分割合を＜０．５％から１％までに引き下げることができる。ただし、乾燥空間１３への微細分離器２８の取付は圧力損失を伴い、また、微細分離器２８のない実施形態に比べて流入空間１２が狭くなる。本実施例では、微細分離器２８は乾燥空間１３で、中心軸Ｍを中心とする直径約４ｍの外側円の上に配置されており、約７０ｍ2の流れ込み面積を提供する。加熱部材への流れ込みを改善するために、ないしは流れ込み速度の接線方向成分を低減し、ないしは全面的に排除するために、案内板、穴付き板、ないし案内羽根が流入空間１２に配置されていてよく、あるいは、さらに内側に位置する空間に配置されていてよい。ただし、このような方向転換装置により、流入空間１２がそのサイズに関して減少する。案内板、穴付き板、および案内羽根は、サイクロン分離器１でそれぞれ単独で、またはさまざまに異なる相互の組み合わせとして、適用することができる。
【００５６】
加熱部材としては、特に熱交換器で用いられるような管束を利用することができる。できる限り広い加熱面積を提供するために、リブ付き管ないしスリット入りのリブ付き管を使用することができる。また、場合によりこれらとの組み合わせで、平滑管を使用することもできる。このとき管は、たとえば生蒸気により約７０バールで貫流され、および／または（多段式の加熱の場合には）高圧タービンの抽気蒸気により約３０バールで貫流される。加熱管１８は、加熱されるべき流体流にできる限り少ない流動抵抗しか与えないために、円形の断面形状を外面に有しているのが好ましい。
【００５７】
図１に示すサイクロン分離器１が、図３では左側と右側の縦断面図として、それぞれ考えられる実施形態で示されている。いずれの実施形態でも、サイクロン分離器１のハウジング２は実質的に垂直方向に設置されている。ハウジング２は実質的に中空円筒状に構成されており、中心軸Ｍを中心として回転対称である。ハウジング２の円周にわたって均等に配分され、特に１４００ｍｍの直径を有する、それぞれ４つの供給配管６が設けられている。高圧タービンから出てくる蒸気は、（重力の作用を超えて）下方に向かう速度成分をもって約１５°の勾配で中空空間３に流入し、それにより、希望される実質的に螺旋状またはつる巻線状の流動案内がサポートされる。蒸気は供給配管６を通ってハウジング２の中へ案内され、ハウジング内面１１へ接線方向で流れ込む。このとき蒸気の水成分が、ハウジング内面１１で析出される。サイクロン分離器１で形成される流動状況に基づき、および場合により案内板、案内羽根、ないし穴付き板を利用して、主として蒸気の気体成分が乾燥空間１３へと流れ、さらに中間空間１５、加熱空間１４、および引き続いて流出空間１６へと流れる。
【００５８】
ハウジング２の上側端部と下側端部には、排出空間１６と流動側でそれぞれ接続された、直径約１８００ｍｍの排出配管２４がそれぞれ設けられている。このようにして蒸気は加熱された後に、上方に向かっても下方に向かってもハウジング２から外へ流れ出し、引き続いて、排出配管２４により低圧タービン（図示せず）まで案内される。サイクロン分離器１は、流出空間１６と流動側で上方に接続された排出配管２４を、低圧タービンの取込口と実質的に直接接続することができるように、低圧タービンに対して空間的に配置されるのが好都合である。流出空間１６の下側端部に連通する排出配管２４は、低圧タービンの取込口に向かって上方へ方向転換される。
【００５９】
左側の図面部分に示すサイクロン分離器１の実施形態は、蒸気の２段階の加熱ないし過熱のために設計されている。環状スペースとして構成された加熱空間１４には、加熱管１８が環状束の形態で組み付けられている。蒸気（流動方向２２で図示）はまず微細分離器２８を通り、次いで、蒸気にいわば抵抗を与え、そのようにして圧力損失を生じさせる凝縮物排出管３４の構造を通る。このようにして、蒸気が垂直方向で不均等に分散し、そのために状況によっては加熱管１８をその長さ全体にわたって加熱に利用できなくなるのを防ぐことができる。
【００６０】
そして蒸気は加熱空間１４の中で中心軸Ｍを中心として同心的に位置する第１の段階３６ないし第１の群の加熱管１８を通って流れる。引き続いて蒸気は、流出空間１６にまで至る経路で、第１の段階３６の内部で同心的に配置された第２の段階３７ないし第２の群の加熱管１８を通って流れる。外側に位置する第１の段階３６は、抽気蒸気引込配管４０により、高圧タービンから約３０バールで抽気蒸気の供給をうける。内側に位置する加熱管１８の第２の段階３７は、生蒸気引込配管３８により、蒸気生成器６６（図示せず）から約７０バールで生蒸気の供給をうける。それぞれ異なる蒸気が供給される各群の加熱管１８のそれぞれの取込集合部の間には、それぞれの蒸気を分断するために分断板８２が設けられていてよい。このことは、吐出集合部についても同様に当てはまる。２つの管束を入れ子式に配置する代わりに、分断された管底面を備える１つの管束を使用することもできる。
【００６１】
このように２段階で加熱された蒸気が流出空間１６へと流れ、そこからさらに排出配管２４を通って低圧タービンへと流れる。こうして気体成分は、流出空間１６の内部に入っていく経路で連続的に加熱される。このような形式の２段階の加熱は、追加の蒸気引込配管と管群とを用いた多段階の加熱へと、自明な仕方で一般化することができる。
【００６２】
図３の右側の図面部分には、１段階の加熱が行われる実施形態が示されている。加熱管１８はすべて生蒸気引込配管３８を介して、生蒸気の供給をうける。
【００６３】
微細分離器２８は凝縮物捕集槽３２と接続されており、そこから凝縮物は凝縮物排出管３４を介して、凝縮物放出配管４６によりハウジング２から外へ案内される。
【００６４】
ハウジング内面１１に沿って下方へ流れる凝縮物は、本例では水は、凝縮物排出部４３の中に入り、凝縮物放出配管４６を通ってハウジング２から出ていく。さらに第２の凝縮物排出部４２が、ハウジング２のさらに低い底面領域に設けられており、これを介して、下側の部分空間に溜まった凝縮物を凝縮物放出配管４６から排出することができる。
【００６５】
図３に示すサイクロン分離器１の実施形態は、環状束ないし個別束２０を備える図１に示す実施形態と組み合わせることができる。
【００６６】
図３に鎖線の円３９で図示する詳細部が、図４に拡大して示されている。乾燥器ないし微細分離器２８は凝縮物捕集槽３２と接続されており、サイクロン分離器１の動作状態のときに乾燥器ないし微細分離器２８で形成される凝縮物がその中に入る。凝縮物は１つまたは複数の引込配管４１を通って、それぞれ引込配管４１と接続された凝縮物排出管３４により下方へと流れる。凝縮物捕集槽３２は、必要に応じて異なる構成となっていてよい。各々の微細分離器２８に、凝縮物捕集槽３２が付属しているのが好ましい。すべての微細分離器２８から凝縮物が流れ入ることができる、単一の環状の凝縮物捕集槽３２を使用することも可能である。
【００６７】
凝縮物捕集槽３２は、さまざまに異なる高さでハウジング２に取り付けられるのが好ましい。図３では、ハウジング２の凝縮物捕集槽３２は２つの異なる平面内に組み付けられている。図５は、上側のレベルの凝縮物捕集槽３２を、図３に示すサイクロン分離器１の平面図で示している。図５では、流動側でこれと接続された２つの引込配管４１と、これと接続された凝縮物排出管３４とが示されている。さらに別の２組の引込配管４１および凝縮物排出管３４を見ることができ、これらの各組は、図示された凝縮物捕集槽３２と流動側で接続されているのではなく、むしろ、さらに下側に位置する、本例では上側の凝縮物捕集槽３２で隠された凝縮物捕集槽と接続されている。異なる高さで相上下して位置する２つの凝縮物捕集槽３２に付属する凝縮物排出管３４は、それが組み付けられた円周に沿って交互に取り付けられている。円の湾曲はあくまでも模式化されており、図５から正しい縮尺で見てとることはできない。
【００６８】
各々の凝縮物排出管３４がちょうど１つの凝縮物捕集槽３２と接続されるこのような設計態様は、動作状態のときに凝縮物の高い処理量が保証されるという利点がある。あるいはその別案として、複数の凝縮物捕集槽３２が同じ凝縮物排出管３４と流動側で接続されていてもよい。
【００６９】
蒸気タービン設備６２の好ましい実施形態が図６に示されている。この蒸気タービン設備は、蒸気生成器６６と、高圧タービン７０と、低圧タービン７４とを含んでいる。サイクロン分離器１は、高圧タービン７０と低圧タービン７４の間で流動側に介在している。蒸気生成器６６で生成された生蒸気は、仕事を行うために高圧タービン７０へ送られる。蒸気は仕事を行って高圧タービン７０で減圧され、それによって水分割合が高くなる。低圧タービン７４で蒸気をできる限り効率的にエネルギー生成に利用できるようにするには、適当な仕方で前処理をしなくてはならない。そのために水分割合が低減されてから、引き続いて過熱状態へと移行させられる。この理由により、高圧タービン７０の蒸気出口から出ていく蒸気は、分配器を介して、供給配管６によりサイクロン分離器１のハウジング２の中へ案内される。そこで蒸気はハウジング内面１１に対して接線方向で流入し、それによって回転する。蒸気の気体成分はハウジング内面へと流れ入り、そこで加熱部材によって、特に加熱管によって、過熱状態にされる。そこから過熱した蒸気は排出配管２４を通って低圧タービン７４の蒸気入口に送られる。そこで、このようにして前処理された蒸気を、再びエネルギー取得のために利用することができる。サイクロン分離器１の加熱管（ここには図示せず）は、本実施例では、加熱引込配管７８によって蒸気生成器６６から生蒸気を供給される。その別案または代替として、高圧タービン７０からこの目的のために抽気蒸気を取り出すことができる。
【００７０】
サイクロン分離器１は、当然ながら、蒸気タービン設備での適用に限定されるものではない。サイクロン分離器は基本的に、多相流体流から重い成分または相が分離され、気体成分が加熱ないし過熱されることが意図されるところでは常に適用することができる。流体流の重い成分は、上に説明したとおり水であってよい。あるいは、重い成分が固体粒子からなっている用途も考えられる。これは、たとえばすすや汚れ粒子であってよい。
【符号の説明】
【００７１】
１  サイクロン分離器
２  ハウジング
３  中空空間
６  供給配管
１０  流入方向
１１  ハウジング内面
１２  流入空間
１３  乾燥空間
１４  加熱空間
１５  中間空間
１６  流出空間
１８  加熱管
２０  個別束
２２  流動方向
２４  排出配管
２８  微細分離器
３２  凝縮物捕集槽
３４  凝縮物排出管
３６  第１の段階
３７  第２の段階
３８  生蒸気引込配管
３９  鎖線の円
４０  抽気蒸気引込配管
４１  引込配管
４２，４３  凝縮物流出部
４６  凝縮物放出配管
６２  蒸気タービン設備
６６  蒸気生成器
７０  高圧タービン
７４  低圧タービン
７８  加熱引込配管
８２  分断板
９０  プレート
９４  間隙
Ｍ  中心軸
Ｅ  平面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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