(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気側流出管（２）と、水側流出管（３）と、多数の水・蒸気混合物の入口管（５）と水側流出管（３）に設けられた旋回破砕器（９）との間の分離室（１０）と、を備えた水と蒸気とを分離するための分離器において、分離室（１０）の長さ（Ａ）がその内径ＤＩの少なくとも５倍であり、入口管（５）の総横断面積Ｆ（ｍ2）と分離室（１０）の内径ＤＩ（ｍ）の二乗との比が０．２〜０．３であることを特徴とする分離器。
【請求項２】
蒸気側流出管（２）の内径ＤＡが、分離室（１０）の内径ＤＩの４０〜６０％に相当することを特徴とする請求項１記載の分離器。
【請求項３】
分離器の水側に集水タンク（１５）が接続され、この集水タンク（１５）の上端（ＯＫ）が、分離器の水側下端から計算して、分離器の長さ（Ｌ）の半分より下側に位置することを特徴とする請求項１又は２記載の分離器を備えた気水分離装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の分離器を備え、貫流ボイラの全負荷運転中に前記分離器を通る流量Ｍ（Ｋｇ／ｓ）が、分離室（１０）の内径ＤＩ（ｍ）と、Ｍ≧６３０×ＤＩ2の関係をもつことを特徴とする貫流ボイラにおける気水分離装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、蒸気側流出管と、水側流出管と、多数の水・蒸気混合物の入口管と水側流出管に設けられた旋回破砕器との間の分離室と、を備え、水と蒸気とを分離するための分離器に関する。また本発明は、集水タンクに接続された、少なくとも１つの分離器を備えた、特に貫流ボイラに対する気水分離装置に関する。
【０００２】
ドイツ特許出願公告第１０８１４７４号明細書により、直径と高さの比が約１：６以上である遠心力式気水分離器が知られている。更に文献「Technische Ueberwachung」９（１９６８年）、第２号、第４６〜５０頁に記載のユルゲン  フォルラス氏著の論文“沸騰水・過熱沸騰水形形原子炉における蒸気分離”において、分離器の蒸気側流出管の内径を分離器の内径の５２％に選定することが知られている。更に特開平１−３１２３０４号公報において、水側が分離器に接続された集水タンクが、分離器の垂直高さで決定される垂直高さに配置されている気水分離装置が知られている。
【０００３】
ドイツ特許出願公開第４２４２１４４号明細書で公知の分離器は、通常、ボイラ、特に貫流ボイラの蒸発系統に採用されている。ボイラの出力に応じ、気水分離装置の内部の、大抵は並列配置された多数の分離器が、共通の集水タンクに接続されている。特にそのような貫流ボイラの始動運転時、一般に蒸発系統には多量の水が生ずる。各分離器は水と蒸気とを分離するために使われ、その水が蒸発器回路に戻され、蒸気はできるだけ水滴を除いて過熱器に導かれる。
【０００４】
貫流ボイラは、自然循環ボイラと異なり圧力の制限がなく、従って主蒸気圧を水の臨界圧（ｐkrit＝２２．１ＭＰａ）よりかなり高くできるので、最新の蒸気原動所は２５〜３０ＭＰａの大きな蒸気圧で運転できる。熱効率を高め、従って二酸化炭素の発生量を少なくするため、高い主蒸気圧が必要となる。その場合、かかる高い蒸気圧は大きな壁厚を必要とし、この壁厚は温度の変動を著しく減少するので、圧力を案内する構造部品の設計について大きな問題が生ずる。
【０００５】
貫流ボイラのうち特に分離器は、圧力変動運転中に負荷が変動した際、負荷に伴って蒸気圧が線形に変化し、これによって各分離器における沸騰温度も変化するので、かなり大きな温度変化に曝される。これにより、始動中および負荷変動中、許容温度変化速度は大きく制限される。これは始動時間を不所望に長くし、それに応じて大きな始動損失を生じ、かつ負荷変動速度を小さくし、その結果、少なくとも高い蒸気圧での運転中、貫流ボイラの特に高い柔軟性を制限する。
【０００６】
本発明の課題は、圧力損失が小さく、分離率が高く、壁厚ができるだけ薄く、特に熱弾性を有する気水分離装置用の分離器を提供することにある。更に、この種の多数の分離器を有する貫流ボイラ用の気水分離装置の適当な運転方法を提供することにある。
【０００７】
分離器に関する本発明の課題は、請求項１に記載の手段により解決される。そのために、その分離室の長さは、内径の少なくとも５倍とされる。分離室の長さは、分離器の入口管によって決定される入口平面とその下側に位置する旋回破砕器の上縁との距離によって規定される。入口管の総横断面積と、分離室の内径の二乗との比は０．２〜０．３である。
【０００８】
本発明は、旋回破砕器付き分離器、特にサイクロン式分離器の場合、意外なことに、分離室内における圧力損失が比較的大きく、蒸気側流出管によりひき起こされる圧力損失がむしろ低いという認識から出発している。この挙動は文献に記載されておらず、これに反して、旋回破砕器なしのサイクロン式分離器の場合、蒸気側流出管に流入する際および流出管自体内において大きな圧力損失が生じ、分離室内における圧力損失がほんの僅かであることを計算で確認した。
【０００９】
本発明はこの認識から出発し、分離器を適切な構造に形成することにより、分離器の種々の部分における圧力損失分を、圧力損失の合計が、大きな媒体流量および効果的な分離作用において、最小になるように互いに調和できるという考えから出発している。その圧力損失は、流入圧力損失分と、分離器に流入する水・蒸気混合物の下降流および上昇流における摩擦損失分と、下降流から上昇流への転向圧力損失分と、蒸気側流出管への流入圧力損失分とから成る。
【００１０】
分離器の運転中、この分離器に流入する媒体の質量流量密度Ｍがたとえ高くとも（Ｍ＞８００ｋｇ／ｍ2ｓ）、良好な分離作用が、同時に特に低い圧力損失の下で得られる。その質量流量密度は、分離器、従ってその分離室の内径（ｍ）で決定される横断面積（ｍ2）による流量（ｋｇ／ｓ）の商として規定される。
【００１１】
入口管の横断面積又は流れ横断面積の合計によって決定される総横断面積Ｆ（ｍ2）が、分離器ないしその分離室の内径ＤＩ（ｍ）に関し、式Ｆ＝Ｋ・ＤＩ2で設定され、その場合Ｋ＝０．２〜０．３、好適にはＫ＝０．２１〜０．２６であることにより、非常に高い分離率において、非常に低い圧力損失が得られる。蒸気側流出管の内径ＤＡ（ｍ）は、好適には分離器の内径の４０〜６０％である。
【００１２】
このような分離器が気水分離装置の内部に複数配置されることに関係して、例えば３つあるいは４つの分離器の水側が共通の集水タンクに接続される場合、集水タンクの上端が分離器の軸方向距離の半分を越えていないことによって、８００ｋｇ／ｍ2ｓより高い媒体質量流量密度の場合でも、高い分離率が、この特に低い圧力損失の下で得られる。分離器の水側下端に関して、集水タンクの上端ないし上縁は、分離器の長さの半分より下側に位置させねばならない。
【００１３】
方法に関する本発明の課題は、請求項４の特徴事項によって解決される。貫流ボイラの全負荷運転中に分離器を通る流量を分離室の内径の二乗の６３０倍より大きく設定するとき、少なくとも１つの分離器を備えた貫流ボイラにおいて特に良好な結果が得られる。
【００１４】
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。各図において、同一部分には同一符号が付されている。
【００１５】
図１は、分離器あるいはサイクロン式分離器１を縦断面図（図１ａ）で示し、その横断面を図１ｂに示す。分離器１は、上側の蒸気側流出管２と下側の水側流出管３とを備える。蒸気側流出管２の下側においてその流入口４の近くに位置する流入平面ないし入口平面Ｅに、水Ｗと蒸気Ｄに分離すべき水・蒸気混合物ＷＤの複数の入口管５が、分離器１の円周に分布して配置されている。それらの入口管５は、一方では水平線Ｈに対し角度αを成して傾斜され、他方では接線方向に延びて配置されている。入口管５の入口平面Ｅの下側では、分離器１の外側壁８に支持ブラケット７が設けられている。支持ブラケット７は分離器１を設置位置に保持する。
【００１６】
このように入口管５を配置することで、分離器１に流入する水・蒸気混合物ＷＤは、一方では下向きに分離器１の底部位６に向けて導かれ、他方では旋回を与えられる。水Ｗと蒸気Ｄとの分離は遠心力によって行われ、その場合、蒸気Ｄは中央を上向きに、水Ｗは下向きに排出される。流出管３を通って流出する水Ｗの旋回を防止するために、分離器１の底部位６に旋回破砕器９が設けられている。この旋回破砕器９は蒸気Ｄが流出管３に一緒に運ばれることを防止し、既に分離された水Ｗが分離器１に逆送されることを防止し、即ち分離室１０への水Ｗの逆流を防止する。
【００１７】
分離器１の壁８の厚さｄをできるだけ薄くし、同時に高い分離率を得るため、入口平面Ｅと旋回破砕器９の上縁Ｂとの間に規定された分離器１の分離室１０の長さＡは、分離器１の内径ＤＩの少なくとも５倍とする。更に、入口管５の総横断面積Ｆと分離器１、従って分離室１０の内径ＤＩの二乗との比率Ｋは、０．２〜０．３、好適には０．２１〜０．２６である。総横断面積Ｆは、各入口管５の横断面積ｆ1〜ｆnの合計で決定される（この実施例ではｎ＝４である）。更に好ましくは、蒸気側流出管２は、分離室１０の内径ＤＩの４０〜６０％に相当する内径ＤＡを有している。従って、入口管５の総横断面積Ｆ（ｍ2）および分離器１ないし分離室１０の内径ＤＩ（ｍ）並びに蒸気側流出管２の内径ＤＡ（ｍ）について、好適には次の寸法関係が適用される。
Ｆ＝Ｋ・ＤＩ2（ここでＫ＝０．２１〜０．２６）
ＤＡ＝（０．５±０．１）・ＤＩそして
Ａ≧５・ＤＩ
【００１８】
図２は貫流ボイラの気水分離装置１１を示し、そのうちの蒸発器１２および過熱器１３だけを概略的に示す。この気水分離装置１１は、図１における１つあるいは複数の分離器１を有する。その各分離器１は、水側がその流出管３に接続された接続管１４を介して集水タンク１５に接続されている。分離器１からの接続管１４の集水タンク１５への挿入は、静かな水面が保証されるように、集水タンク１５の水位の下側で行うのが目的に適っている。
【００１９】
気水分離装置１１の下側において、好適には各分離器１および集水タンク１５は、集水タンク１５の上端あるいは上縁ＯＫが最大で分離器１の長さＬの半分に達するように相互に配置されている。その分離器１の長さＬは、分離器１の上端ＯＥと下端ＵＥとの間の距離である。その半分の長さ（１／２Ｌ）はその下端ＵＥに関連して、そこから測定される。
【００２０】
貫流ボイラの気水分離装置１１の運転中、蒸発器１２で発生した水・蒸気混合物ＷＤは、入口管５を介して分離器１に流入し、そこで少なくともほぼ接線方向への流入に伴い旋回する。これによって条件づけられる遠心力によって、水Ｗおよび蒸気Ｄが互いに分離される。分離済み蒸気Ｄは、蒸気側流出管２およびこれに接続された蒸気管１６を介して貫流ボイラの過熱器１３に流入し、分離済みの水Ｗは、旋回破砕器９および接続管１４を介して集水タンク１５に流出する。貫流ボイラの全負荷運転に伴い分離器１を通る流量Ｍ（ｋｇ／ｓ）は、分離室１０の内径ＤＩに関し、式Ｍ≧６３０・ＤＩ2に応じて設定される。
【００２１】
分離器１を構造的に上記のように構成し、貫流ボイラの気水分離装置１１に上記のとおり配置することによって、僅かな圧力損失、大きな媒体質量流量および特に効果的な分離作用において、２５〜３０ＭＰａの蒸気圧あるいは主蒸気圧が実現できる。全体として、そのような気水分離装置１１で運転される蒸気原動所において、特に高い効率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に基づく分離器の断面図、図１ａはその縦断面図、図１ｂは横断面図。
【図２】  図１における分離器の水側に集水タンクが接続されている気水分離装置の概略系統図。
【符号の説明】
１    分離器
２    蒸気側流出管
３    水側流出管
５    水・蒸気混合物の入口管
９    旋回破砕器
１０    分離室
１１    気水分離装置
１５    集水タンク
【図１Ａ】
0004805454.tif 000002
【図１Ｂ】
0004805454.tif 000003
【図２】
0004805454.tif 000004