扩大水位范围的蒸汽/水圆锥形旋风分离器

摘要

一种扩大了水位范围的蒸汽/水圆锥形旋风分离器，用于在供给到锅炉汽包的蒸汽/水混合物中从水中分离出蒸汽，其具有壳体，该壳体包括圆锥形部分连同上部和下部的圆柱形部分和圆锥形叶片板。敞开的底部延伸套筒部分，用于从蒸汽/水圆锥形旋风分离器的壳体排出水，其连接到下部圆柱形水出口部分，使得圆锥形叶片板位于在上部圆锥形部分和下部圆柱形部分的敞开的底部延伸套筒部分之间的中间位置。因此在保持蒸汽/水旋风分离器足够的性能特性时，提供了扩大了水位范围的容积。

说明书

技术领域

概括来讲，本发明涉及一种用于从例如在锅炉汽包中的蒸汽/水的混合物中分离出蒸汽的旋风分离器。

背景技术

蒸汽/水混合物通常由用于诸如纸浆造纸行业的生产过程和发电站发电工业的锅炉产生。分离出来的蒸汽可以用于工序加热或这些工业应用中熟知的其它用途，或者也可以用作在发电中使用的汽轮发电机的驱动力。关于设置应用于工业或发电站的汽包的蒸汽/水旋风分离器的附加信息，读者可以参考蒸汽/它的产生和使用(Steam/its generation and use)41^st版，编者Kitto和Stultz，Copyright^2005，巴布考克及威尔科斯公司(The Babcock&Wilcox Company)。

目前已经开发出多种用于把蒸汽从蒸汽/水混合物中分离出来的装置。下面的论述仅仅是为了说明这些发展趋势。

授予Fletcher的美国专利No.2271634公开了一种圆柱形旋风分离器，其具有圆形旋涡室、切线进口、位于圆形旋涡室顶部的中心蒸汽出口和位于旋涡室底部的水出口。为了防止水从蒸汽出口流出，设置了用于增加蒸汽和水混合物引入流的向下分量的装置。该装置是一个具有向下和向后倾斜边缘的扇形体板，能促使引入的蒸汽和水的混合物朝着分离器出水口向下转向。

授予Kooistra的美国专利No.2293740公开了一种类似设计的旋风分离器，其不使用扇形体板而在旋涡室底部采用一个底罩，该底罩将蒸汽限制在旋涡室的上部，并防止蒸汽从旋涡室排进汽包时向下进入已经分离出的水中。

授予Fletcher的美国专利No.2298285公开了另一种圆柱形旋风分离器的变形，其在旋风分离器蒸汽出口的顶部使用凸缘或罩以及扇形体板。该凸缘用于提高水的分离以及减少分离器中的压降。

授予Rowand等的美国专利No.2321628公开了一种类似本申请的旋风分离器。该引用文件中的环形旋涡室其上部是圆锥体的锥台，而下部排水处基本呈圆柱形。此外，还采用切线进口用于把蒸汽水的混合物输送进入旋风分离器，该切线进口的垂直距离基本等于旋涡室的锥形部分高度。该锥形构造用于把进入的蒸汽水的混合物引入到稍微向下的方向，以防止转向的水向上扩散并提高蒸汽的分离效果。

授予Fletcher的美国专利No.2346672公开了一种基本上呈圆柱形的旋风分离器，其不采用切线进口，而是采用一个大的蒸汽/水进口，该进口占据了旋风分离器圆周的大部分。如该引用文件所指出的，该进口可以扩大到旋风分离器圆周的大约1/3，以提供足够的流通容积。其一个目的在于制造一种分离器或增密炉，其可以在低压降下有效工作，从而在小压头的地方也可以有利地使用。

授予Fletcher的美国专利No.2395855公开了一种基本上呈圆柱形的旋风分离器，其具有切线进口，并且蒸汽出口中心与旋涡室中心偏心安装，以提高蒸汽和水的分离效果。该设计如同前面所述的专利，也使用了扇形体板。

授予Fletcher的美国专利No.2402154和上述的美国专利No.2395855是同一个申请的两个分案。其中专利2395855描述了流体分离器本身的特殊类型；而专利2402154则描述了该装置在蒸汽发生器中的一种结合。

授予Brister的美国专利No.2434637、授予Letvin的美国专利No.2434663和授予Stillman的美国专利No.2434677都描述了在旋风分离器顶部的带孔锥体的多个方面，用来提高蒸汽从水分离的效果。

授予Rowand的美国专利No.2532332描述了分离器的一种特殊构造，其目前一般考虑作为次级净气器。

授予Coulter的美国专利No.2732028也描述了一种非常类似于现在使用的旋风分离器装置。该旋风分离器具有上述的锥台形的上部和大致圆柱形的下部，并且锥台形部分的侧面具有切线蒸汽水进口。该引用文件总的重点在于描述了为汽包内元件的修理可达性而简化结构的方法。其是通过将汽包内的蒸汽空间分成多个分离室而达到的，一个或更多分离室通向进入到必需的汽包安全阀的汽包的水空间，而一个或更多的其它室通向汽包的蒸汽和水分离器的饱和蒸汽出口。隔板用于完成空间的分隔，并且在正常运行期间它们能有效地维持汽包部件的分离，但是在安全阀开通时，它们很容易被损坏。

授予Coulter的美国专利No.2891632描述了一种旋风汽水分离器，其非常类似于前面所提及的Fletcher的专利(美国专利No.2346672)，所不同的是，蒸汽水进口不是仅仅位于沿着分离器圆周的大致1/3，该旋风分离器的整个圆周都设置有一排叶片，该叶片将进入的蒸汽水的混合物″切″成薄片，以提高蒸汽从水中分离的效果。

授予Albrecht的美国专利No.5033915描述了一种非常类似于现在所公开的旋风汽水分离器。该旋风分离器是标准圆锥形旋风分离器的一种改进类型，其为分离器的相等数量或相等蒸汽容积提供了比标准圆锥形旋风更低的压降。该分离器的主要改进在于旋风分离器的切线进口被延长了3英寸。这个长度上的增加使旋风进口流通面积增加了28％。

在1980年代的后期和1990年代的早期，巴布考克及威尔科斯公司(B&W)进行了若干蒸汽/水圆锥形旋风分离器的试验，其目的是为了找到改善标准圆锥形旋风分离器性能的方法，尤其是寻求一种在不会不利地增加通过旋风分离器的压降的情况下提高分离器的分离容积的方法。图1示出了标准的圆锥形旋风分离器10。作为这些试验的一部分，对延长旋风分离器长度的效果进行了研究。已经所知的是，分离性能和通过分离器的压降受圆锥形叶片底板的设计和所处位置的影响，其中圆锥形叶片底板一般位于分离器的下面圆锥形部分的内部。

参考图1，圆锥形蒸汽/水圆锥形分离器或分离器10可以安装在汽包(参见下面的图10)内，其具有壳体，该壳体具有上部圆锥形部分12和下部圆柱形部分14，具有轴向长度的蒸汽/水进口16提供了一个把蒸汽/水混合物沿切线引导进入分离器10的上部圆锥形部分的装置。通过沿着分离器10内部的高速旋转混合物，蒸汽/水混合物分离成蒸汽和水。大部分的水被传送到旋涡流的外面，在中心部分剩下集中的蒸汽。蒸汽通过上部圆柱形出口17排出。如果需要，通过出口17排出的分离的蒸汽还可以用传统的净气器及其它设备(参见下面的图10)进行处理，以除去可能还含有的水滴。从混合物中去除的水可以通过下面的圆柱形部分14和位于分离器10底部的环形的圆锥形叶片板18从分离器10中排出。分离器10总的轴向长度为约20″。

上面对蒸汽/水圆锥形旋风分离器运作的基本描述通常适用于其它的与此次公开等同的蒸汽/水圆锥形旋风分离器。

作为试验的一部分，已发现旋风分离器10的长度可以再增加6至8英寸，而圆锥形叶片板18仍留在旋风分离器10的底部。这是通过使得圆柱形部分14′增长6至8英寸而实现的，这样的分离器20如图2所示。如此，分离器20总的轴向长度为大约28英寸。对于具有较长圆柱形部分14′的扩大了长度的分离器20，令人惊讶的试验结果是，分离器20的性能和压降等方面保持着或相当于标准的圆锥形旋风分离器10，参见图3、4和5。

Albrecht的蒸汽/水圆锥形旋风分离器如图6所示。分离器30和分离器10、20之间的一个差别是：分离器30的标记为16′的蒸汽/水进口部分地延伸到下面的圆柱形部分14，其在圆柱形部分内的总长度也比图1所示的分离器长大约3″。参见图7，当扩大了长度的下部圆柱形部分14′应用于那种类型的旋风分离器设计时，也能观测到上一段中描述的那些类似的性能和压降结果。图7所示的分离器的总长度为大约28英寸。

如上所述，试验的主要目的已在1980年代的后期和1990年代的早期完成，即得到一种低压降的旋风分离器。然而，还需要获得对延长分离器长度的效果以及圆锥形叶片板18所处位置的重要性的理解。由于当时市场需要汽包内的更大的水容量，因此延长旋风分离器是一种很有价值的技术，用于增加汽包内的水总量同时又不增加汽包的直径。试验所研究的问题是，当旋风分离器被延长时，圆锥形叶片板18所处位置的重要性。通过增加旋风分离器的总长度，圆锥形叶片板18的位置在分离器的设计中被考虑作为一个非常重要的元素，其能强烈地影响分离器的性能和分离效率。这是过去旋风分离器研究所得出的结论，是在1980年代以前完成的(其中一些追溯到1930年代，并且这些知识通过技术讨论而非文件结果传递下来)。因此如果圆锥形叶片板的位置与图1所示分离器不同，则分离器的性能是有疑问的。由于试验显示基本上没有差别，图2和图7的旋风分离器发展作为B&W汽包的一个锅炉部件。然而，将圆锥形叶片板放置在分离器延长超过6英寸的旋风分离器上的性能结果是不确定的。以本发明人的认识，没有一种B&W蒸汽/水圆锥形旋风分离器在圆锥形旋风分离器的底部上仅利用开口附加长度的圆锥形延伸。所有扩大长度的旋风分离器都把圆锥形叶片板安装在分离器的底部。

发明内容

基于试验结果，已经确定的是，蒸汽/水圆锥形分离器的性能和效率由底部圆锥形叶片板的所处位置确定，并且应考虑不超过6英寸的分离器的延长。

因此，本发明的一个方面是描述一种改进的扩大长度的蒸汽/水圆锥形旋风分离器，其可用于需要比汽包内部的正常使用范围的水位更大的场合。根据本发明的分离器可以装进内部直径大于66英寸的汽包内。根据本发明的新的分离器是由当前的11英寸ID圆锥形旋风分离器发展而来，该当前的11英寸ID圆锥形旋风分离器是由巴布考克&威尔科斯公司设计和制造，可以具有现有的进口或低压降的进口设计。根据本发明的新的扩大范围的圆锥形旋风分离器的优点在于：可以达到大的持水容积而并不牺牲分离器设计的性能方面。本发明的扩大了长度的蒸汽/水圆锥形旋风分离器可用于多种装置的汽包中，例如(在此仅是举例而并非限制)，工业或实用的蒸汽发生器、用于纸浆造纸工业的锅炉、余热回收蒸汽发生器(HRSGs)、辐射合成气冷却机锅炉的设计或其它在汽包内或其它用来从水中分离蒸汽的容器内需要一个扩大的水位工作范围的任何种类的锅炉设计。扩大的长度由汽包内部的运行水位的范围所决定。

根据本发明的扩大了长度的蒸汽/水圆锥形旋风分离器并不要求圆锥形叶片板位于分离器的底部。

本发明的另一个方面描述了一种汽包，其使用多个根据本发明的改进的扩大了长度的蒸汽/水圆锥形旋风分离器。

本发明的再另一个方面描述了一种扩大了长度的蒸汽/水圆锥形旋风分离器，其在圆锥形叶片板下设置有圆柱形延伸部，而圆锥形叶片板结合有孔以保持圆锥形叶片板的压降特性。这些孔可以沿着延伸部的长度设置在一个或更多隔开的高度或间隔上。

表征本发明的多种新颖的特征将随着附加的权利要求中的特征而指出，并构成本公开的一个部分。为了更加透彻地理解本发明，参照附图图解了其操作优点和由其使用带来的具体收益，以及本发明优选实施例的描述性要素。

附图说明

图中：

图1是已知圆锥形旋风分离器的透视图，其具有位于下部圆柱形水出口的底部的圆锥形叶片板；

图2是类似于图1中的另一种已知圆锥形旋风分离器的透视图，其具有位于下部圆柱形出水口的底部的圆锥形叶片板，但是在上部圆锥形部分和圆锥形叶片板之间具有一个更长的圆柱形部分；

图3为图1的圆锥形旋风分离器和图2的圆锥形旋风分离器的夹带水分与蒸汽流量的关系的图表；

图4为图1的圆锥形旋风分离器和图2的圆锥形旋风分离器的圆锥旋风压降与蒸汽流量的关系的图表；

图5为图1的圆锥形旋风分离器和图2的圆锥形旋风分离器的夹带水分与水位的关系的图表；

图6是另一种已知的圆锥形旋风分离器的透视图，其中蒸汽/水进口部分地延伸进入圆柱形部分，并且具有位于下部圆柱形水出口的底部的圆锥形叶片板；

图7是另一种已知圆锥形旋风分离器的透视图，其中的蒸汽/水进口部分地延伸进入圆柱形部分，并且具有位于下部圆柱形出水口的底部的圆锥形叶片板，但是在上部圆锥形部分和圆锥形叶片板之间具有一个更长的圆柱形部分；

图8是根据本发明的扩大水位范围的圆锥形旋风分离器的第一实施例的透视图，其具有仅延伸进入圆锥形部分的蒸汽/水进口、圆锥形叶片板以及位于圆锥形叶片板下的延伸套筒部分，借此圆锥形叶片板位于上部圆锥形部分和下部圆柱形水出口底部之间的中间位置；

图9是根据本发明的扩大水位范围的圆锥形旋风分离器的第二实施例的透视图，其具有部分地延伸进入圆柱形部分的蒸汽/水进口、圆锥形叶片板以及位于圆锥形叶片板下的延伸套筒部分，借此圆锥形叶片板位于上部圆锥形部分和下部圆柱形水出口的底部之间的中间位置；以及

图10是传统汽包的剖视图，其中使用了三排旋风分离器，对此可以应用根据本发明的改进的蒸汽/水圆锥形旋风分离器。

具体实施方式

总地参照附图，所有附图中中涉及相同的附图标记指代同一个或类似功能的元件，特别地参照图8，其显示了总的以附图标记50表示的扩大水位范围的蒸汽/水圆锥形旋风分离器的第一实施例。本发明结合利用了一个敞开的底部圆柱形延伸套筒部分19，其附连在例如如图2和7所示的那些具有下部圆柱形部分14′的、当前的扩大了长度的旋风分离器上。在此设计中，圆锥形叶片板19被保留在为当前的扩大了长度的旋风分离器(图2和图7)而设立的正常位置上。通过圆锥形叶片板18相对于延伸套筒部分19的如此定位，圆锥形叶片板位于上部圆锥形部分12和下部圆柱形部分14′的底部之间的中间位置，其中下部圆柱形部分14′的底部现在是延伸套筒19的敞开的底部部分。敞开的底部延伸套筒19允许新的分离器的长度增加同时保持分离器设计20、40的性能。延伸套筒19增加了分离器50的总长度，使得汽包的运行水位范围可以延伸至最高和最低变化，其为汽包尺寸的函数。因此，对于HRSG、辐射合成气冷却机或任何其它锅炉的应用，汽包的持水容积可以最大化。

新的扩大了长度的旋风分离器显示在图8中(延长6英寸)和图9中，即分离器60，(延长6英寸)。这些新的蒸汽/水圆锥形旋风分离器50、60分别把圆锥形叶片板18保持在如上述的分离器20、40的相同位置，并具有大约34英寸的总长度。通过将圆锥形叶片板18定位在这些位置，圆锥形叶片板18提供给分离器50、60的压降特性有助于穿过汽包的更大的水位范围保持分离器50、60的性能和分离效率。在圆锥形叶片板18下的圆柱形延伸套筒19可以结合一些小孔或开口70(大致如图8和9所示)，以使得圆锥形叶片板18的压降特性可保持用于很大直径的汽包(大于70英寸ID)，其中水位静水压头并不影响穿过圆锥形叶片板18的压降特性。优选地，，围绕旋风分离器延伸套筒19的上部但低于圆锥形叶片板18的位置，均匀分布最少4个约1/4″至不大于约1/2″的孔70。如果使用长的(例如大于1英尺)圆柱形旋风分离器延伸套筒19，这些孔70可以沿着圆柱形旋风分离器延伸套筒19的长度方向以平均间隔隔开，但是分开不超过6″。

孔70与圆锥形旋风分离器延伸部分19的结合有助于减小穿过旋风分离器圆锥形叶片板18的压降。当旋风分离器50、60经历在汽包内的很高或者很低水位时，这些孔70有助于减小圆锥形旋风分离器叶片板18上的流体静压头。这个特征使得圆锥形旋风分离器50、60以与没有延伸部分19的旋风分离器类似的性能而运行。

图10显示了传统汽包的剖视图，来自上述的Steam 41^st的参考正文，其中使用了三排旋风分离器，对此可以应用根据本发明的改进的蒸汽/水圆锥形旋风分离器。本领域技术人员将可理解的是，汽包的内径将要增加到足以容纳本发明的蒸汽/水圆锥形旋风分离器50、60的扩大了的长度。

本发明具有若干优点，其中包括，它的可以使用于长度更短的汽包，以满足需要比正常水保持时间更长的应用。在特殊应用中，为特殊的过渡或负荷限制，使用者需要汽包包含一设定量的水。该设定量的水用于在当供水系统未能提供充足的水时(例如炭黑厂、负荷偏移等等)的过渡或特殊运行事件期间保护锅炉的管过热。在对用于大量的水总量的汽包定尺寸时，大直径但长度短的汽包比长度更长但直径更小的汽包更加经济；因此，该新构思的优点对于保持汽包性能同时增加了汽包的水位范围和水位总量是重要的。

根据本发明改进的蒸汽/水圆锥形旋风分离器保持了通用的旋风分离器设计的性能和压降特性，同时增加了汽包的水位范围和持水容积。为特殊锅炉设计的以符合持水容积的唯一替换装置将可使用正常尺寸的汽包，即大大长于利用扩大了范围的圆锥形旋风分离器设计的汽包。

根据本发明，因此以出乎意外的方式用相对简单的改进达到了基本改进的结果。

已经对本发明的具体实施例进行了显示和详细描述，用以说明本申请的发明原则，很清楚的是，本发明可以在不背离这样原则的情况下具体化。例如，本发明可以用于新的汽包构造或用于修理、置换和改进或翻新现有的汽包，设置有足够的汽包内径即可。此外，本发明的某些特征可以在不使用其它相应特征的情况下而有利地采用。因此，本发明的所有这些变化和修改对本领域的技术人员来说是显而易见的，本发明的意图包括在附加的权利要求中，所有这些修改和等同物被下列权利要求所覆盖。