Zusatzfeuerungseinrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusatzfeue- rungseinrichtung zur Erhitzung der aus einer Turbine austretenden Gase und zum Einblasen der erhitzten Austrittgase in den Wärmeaustauscher eines Heizkes sels.
Es sind bereits Einrichtungen zur Erhitzung der aus einer Turbine austretenden Gase bekannt, die mehrere, normalerweise sechs oder sieben relativ grosse Bren ner- oder Erhitzungsköpfe aufweisen, die im von der Turbine zum Heizkessel führenden Kanal angeordnet sind. Heizungssysteme dieser Art ergeben keine opti malen Ergebnisse, da die durch den Erhitzer strömen den Turbinenaustrittsgase nicht genügend mit der im Erhitzer austretenden Flamme gemischt und dieser ausgesetzt werden.
Da die Brennköpfe relativ gross sind, werden die aus ihnen austretenden Flammen, rela tiv lang, so dass die hervorragenden Spitzen eine rela tiv geringe Temperatur aufweisen und dadurch eine unvollständige Verbrennung des Brennstoffes zur Folge haben.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Zu- satzfeuerungssystemes, das diese :Fachteile nicht auf weist.
Das erfindungsgemässe Zusatzfeuerungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Teile auf weist: einen Kanal zur Verbindung des Turbinenaus trittes mit einer Wärmeaustauschkammer des Heizkes sels, einen in der Wandung des im Kanal eingebauten Erhitzers angeordneten Rahmen mit einem Mittel durchgang zur Ergänzung des Durchflussqu,erschnittes des Kanals;
eine Mehrzahl von durch den Rahmen ge haltenen, langgestreckten und über den Mitteldurch gang voneinander distanziert angeordneten Gasleitun gen, von denen jede eine Anzahl von über ihre Länge verteilt angeordneten, gegen den Heizkessel zu gerich teten öffnungen aufweist, und wobei eine Mehrzahl von länglichen Brennköpfen, deren Anzahl der Zahl der Gasleitungen entspricht, durch die letztern gehalten werden und je zwei einander gegenüberliegenden Sei tenwandungen aufweist, die parallel zu den Gasleitun- Zen verlaufen und zur Bildung von aufeinander ausge richteten Ein- und Auslassöffnungen zusammenwirken,
wobei die entsprechenden Einlassöffnungen den Aus trittöffnungen in den zugeordneten Gasleitungen gegen überstehen, die zwei Seitenwandungen zur Bildung eines Durchflussbegrenzungshalses sich von der Ein lassöffnung weg nach innen gegeneinander zu geneigt erstrecken, dann zur Bildung von vorspringenden Kan ten nach aussen verlaufen, dann zur Bildung von ein ander gegenüberstehenden Wandungen einer Verbren nungskammer gegen den Heizkessel zu und parallel zu einander verlaufen und am Ende in Lippen enden, die zur Bildung der Auslassöffnung dienen, und dass die Brennerköpfe mindestens -10 0,o aber höchstens 75 0-o der GasturbinenaustrittsLase aufnehmen.
Eine beispielsweise -Ausführungsform eines erfin- dungsgemässen Zusatzfeuerungssystems ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Schema zur Darstellung der Anordnung des Zusatzfeuerungssystems.
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 in vergrössertem Massstab eine Ansicht des in Fig. 2 strichpunktierten umkreisten Bereiches 3.
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie -1--1 in Fig. 3. Fig.5 in vergrössertem Massstab eine unterbro chene Horizontalansicht längs der Linie 5--5 in Fig. 2, Fig.6 in vergrössertem Massstab eine unterbro chene Horizontalansicht längs der Linie 6-6 in Fig. 2, Fig. 7 in vergrössertem Massstab einen Schnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6,
und Fig. 8 in vergrössertem Massstab eine Darstellung in auseinandergezogener Anordnung, gemäss einer An sicht längs der Linie 8-8 in Fig. 2.@ Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist zu erwähnen, dass es in der Industrie üblich ist, zum Antrieb eines Gene- rators G eine Gasturbine T zu verwenden, wobei der Generator seinerseits zum Antrieb einer Arbeitslast L dient.
Die Austrittsgase der Turbine T enthalten noch eine beträchtliche Wärmemenge, die sich jedoch auf einer nicht genug hohen Temperatur befindet, um zur Erhitzung eines herkömmlichen Heizkessels B verwen det werden zu können. Der Austritt der Turbine T ist über einen Kanal D mit einem erweiterten Abschnitt zur Aufnahme eines Erhitzers H mit der Wärmeaus tauschkammer des Heizkessels B verbunden.
Wie aus Fig.2 ersichtlich, weist der Erhitzer H einen Rahmen 13 auf, welcher einen Mitteldurchgang 15 für den Durchtritt der Turbinenaustrittgase bildet. Eine Mehrzahl von horizontal sich erstreckenden Gas leitungen 17 sind im Durchgang 15 gleich weit vonein ander distanziert und mittels Ummantelungen 19 abge stützt. Jede der Leitungen 17 weist eine Anzahl von Öffnungen 23 auf, die gegen den Heizkessel B zu ge richtet sind.
Eine Mehrzahl von länglichen Brenner köpfen 27, entsprechend der Anzahl der Leitungen 17, sind parallel zu und hinter den zugeordneten Leitungen angeordnet und weisen aufeinander ausgerichtete Ein- und Auslassöffnungen in Strömungsrichtung der Turbi- nenaustrittgase gesehen und den Austritisöffnungen 23 zur Aufnahme der Strömung wie mit den Richtungs pfeilen in Fig. 4 dargestellt, gegenüberstehen.
Zwischen den öffnungen 29 und 31 ist ein Durchflussbegren- zungshals 33 vorgesehen, wobei in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar nach letzterem eine Brennkammer 37 ausgebildet ist, welche zur Bildung der Auslassöff- nung 31 an ihrem hinteren Ende offen ist.
Der Rahmen 13 weist vier mit nach aussen gerich teten Flanschen versehene Stahlträger 41 und her kömmliche Wärmeisolationsschichten 43, die zwischen den Trägern 41 und dem feuerfesten Material 47 ange ordnet sind, auf. Die Ummantelungen 19 weisen eine rohrförmige Form auf und sind an ihren Enden in auf einander ausgerichteten, horizontal sich erstreckenden Bohrungen 51 und 52 im feuerfesten Material 47 und der Wärmeisolationsschicht 43 abgestützt, wobei die Bohrungen 52 am linken Ende in fig. 2 mit Rohrstük- ken 54 versehen sind,
die die Ummantelungen 19 frei bewegbar aufnehmen und eine Axialverschiebung in folge einer axialgerichteten ,äremausdehnung zulas sen. Die Ummantelun < _,en 19 bilden Durchgänge für die Leitunzen 17 und weisen eine Anzahl von sich nach aussen erweiternden öffnunuen 57 auf. die den entspre chenden öffnungen 2-3 zum@Durchlassen des aus ihnen austretenden Gasstrahles gegenüberstehen.
Wie aus den F12.4 und 5 ersichtlich, sind die Brennerköpfe 27 in Abschnitten 58 hergestellt, wobei jeder derselben zwei einander gegenüberliegenden End- wandungen 56 zur Befestigung der Abschnitte mittels Schrauben- und Muttern-Verbindungen 61 mit den zu eeordneten Ummantelungen 19 versehen ist und die Schrauben die letzteren umspannen und mit gebogenen Bügeln 62 versehen sind.
Zwei einander gegenüberlie gende Wandttn,.gen 59 und 60 wirken zur Bildung der Ein- und Auslassöffnungen 29 bz%-. 31 zusammen, wobei sie zur Bildung des Durchflussbegrenzungshalses 3 3 vom Einlass her nach innen gegeneinander zu und dann zur Bildung von vorspringenden Kanten 63 nach aussen verlaufen.
Die Wandungen 59 und 60 erstrek- ken sich von den Kanten 63 aus in Strömungsrichtung und verlaufen zur Bildung der Kammer 37 parallel zu einander und sind an ihren hintersten Enden zur Bil duni von einander gegenüberstehenden Lippen 64 nach innen abeewickelt, wobei die Kanten der Lippen zur Bildtin@g der Atislas@öffnting 31 zusammenwirken.
Ge\;enüberden öffnttn=eii 23 sind Turbulenzstäbe 65 an den Wandungen 59- und<B>60</B> befestigt um den aus den Öffnungen 23 austretenden Gasstrom zu unterbre chen und eine Vermischung des keine Luft enthalten den Gases mit den eintretenden, Luft enthaltenden Turbinenaustrittsgasen zu bewirken. Da das den Lei tungen 17 zugeführte Gas normalerweise keine Luft enthält, ist die Einlassöffnung 29 derart bemessen, dass genügend Sauerstoff enthaltende Austrittsgase zuge führt werden, um während dem stabilen Betriebszu stand ein optimales Verhältnis von Sauerstoff zu Gas in der Kammer 37 zu bilden.
Ein spezieller Vorteil der Erhitzers H ist, dass die Gasleitungen 17 zur Reinigung aus den Ummantelun gen 19 herausgezogen werden können ohne den Be trieb des Erhitzers unterbrechen zu müssen. Zu diesem Zweck erstreckt sich jede Leitung 17 durch ein Gehäu seventil 66 und steht in Verbindung mit einer Sammel- teitung 67, die sich längs der einen Seite des Rahmens 13 erstreckt. Eine Mehrzahl von Bohrungen 69, ent sprechend der Anzahl der Leitungen 17, sind längs der Wandung der Sammelleitung 67 voneinander distan ziert angeordnet und in jede derselben ein Nippel 79 eingeschweisst. Am einen Ende jedes Nippels 79 ist ein herkömmliches Kugelventil 81 angeordnet, das am ge genüberliegenden Ende mit einem Nippel 83 versehen ist.
In jedem der Nippel 83 ist ein Verbindungsstück 85 eingeschraubt, das über einen weiteren Nippel 87 mit einem T-Stück 89 verbunden ist. Der vertikale Steg des in Figur 2 rechten Trägers 41 weist eine An zahl von horizontal verlaufenden Bohrungen 93 für den Durchtritt der Leitungen 17 auf. Wie aus Figur 6 ersichtlich, sind Flansche 97 mit dem Steg des U-Trä- gers 41 verschweisst und mit Mittelbohrungen verse hen, in welche die Nippel 99 eingeschraubt und an ihren dem Ventil gegenüberliegenden Enden mit hoh len Einstellfittings 107 versehen.
Die Fittings 107 wei sen nach aussen gerichtete, ringförmige Einstellflächen 111 innerhalb ihrem Durchtritt auf, wobei diese Flä chen an Einstellflächen 115 am inneren Ende von an den Leitungen 17 angeschweissten Anschlagringen 117 anliegen. Wie aus Figur 7 ersichtlich, weist der Ring 117 eine Längsnut 121 zur Aufnahme eines zusam menwirkenden Keiles 12-1 des Fittings 107 auf.
Mit dieser Anordnune werden die Leitungen 17 innerhalb der Ummantelung 19 in Längsrichtung und radialer Richtung derart eingestellt. dass die Bohrungen 23 auf die Öffnungen 57 ausgerichtet sind. Ringförmige Ab- schlusschrauben 129 sind auf den Leituneen 17 ver schiebbar angeordnet und zum Andrücken einer Stopf dichtung 131 gegen den Ring<B>117</B> in den Fitting 107 eingeschraubt. Die herausstehenden Enden der Leitun- een 17 sind je mit einem Gewinde versehen und über ein Verbindungsstück 135 und einen Nippel 137 mit dem T-Stück 89 verschraubt.
Das freie Ende des T-Stückes 89 ist mittels einer Abschlusschraube 141 verschlossen und das gegenüberliegende Ende der Lei tung 17 ist ebenfalls mittels einer ähnlichen Abschluss- schraube 142 verschlossen.
In der Mitte des Durchganges 15 hinter den Um mantelungen 19 und von diesen abgestützt ist ein verti kal sich erstreckender Starter 149 aneeordnet. Der Starter 149 ist gleich wie die weiter oben beschriebe nen Leitungen 17 und Brennerköpfe 27 ausgebildet, mit der Ausnahme, dass sie sich vertikal statt horizon tal erstrecken. Wie aus der Fig.8 ersichtlich, ist die Ummantelung 19 des Starters 149 mittels Klemmen 153 an jeder der horizontal sich erstreckenden Um mantelung 19 festgeklemmt.
Diese Klemmen<B>153</B> wei- sen zwei einander gegenüberstehende Bügel 157 auf, die auf ihren sich kreuzenden Rückseiten zusammenge- schweisst und zwischen sich kreuzenden Ummantelun gen 19 angeordnet sind. Eine Sattelplatte 159 ist an ihren Ecken mit vier herausragenden. Gewindebolzen 161 versehen, welche die durch die einander kreuzen den Ummantelungen 19 gebildete Kreuzungsstelle überragen. Zwei Rohrbügel 163 sind mit zwei Bohrun gen 165 zur Aufnahme der Gewindebolzen. 161 und zur Befestigung mittels der Muttern 167 ausgebildet.
Eine normale Sparflamme 171 mit einer Zündelek- trode (nicht dargestellt) ist am unteren Ende des Star ters 149 angeordnet und erhält das Gas von einer zu sätzlichen Gasleitung (nicht dargestellt).
Ein üblicher Flammenstab 175 ist über das Ge häuse der Sparflamme 171 gebogen und wirkt mit einer elektrischen Schaltung (nicht dargestellt) zusam men, um ein spulenbetätigtes Ventil (nicht dargestellt) zu öffnen, das den Zufluss von Gas zum Starter 149 steuert. Ein Flammenstab 177, ähnlich dem Stab 175, ist über das obere Ende des Starters 149 gebogen und wirkt mit einem elektrischen Schaltkreis (nicht darge stellt) zur Öffnung eines spulenbetätigten Ventils (nicht dargestellt), welches den Gaszufluss zur Sammelleitung 67 steuert. Der Zweck der Stäbe 175 und 177 wird weiter unten noch näher beschrieben.
Aus der vorangehenden Beschreibung ist es ersicht lich, dass beim Betrieb der Turbine T die in den Kanal D strömenden Austrittsgase, die eine Temperatur von beispielsweise 425 C aufweisen, beim Durchgang durch den Erhitzer H aufgeheizt werden, z. B. auf 700 C, und dass diese auf eine relativ hohe Tempera tur aufgeheizten Gase ausserordentlich wirkungsvoll in der Erhitzung des Heizkessels B sind. Da die Turbi- nenaustrittgase eine relativ hohe Geschwindigkeit auf weisen, z.
B. 1083 m pro Minute, ist es erwünscht, einen Teil davon zu verzögern und einen Niederdruck verbrennun2sbereich zu erzeugen, wo eine Verbren nung zu jeder Zeit gesichert ist, unabhängig von unre- gelmässigen Geschwindigkeitszunahmen die ein Aus blasen der Flamme bewirken können.
Wie aus den Figuren 2 und a ersichtlich, wird in Abhängigkeit von der Grösse der Einlassöffnungen 29 und der Anzahl der Brennerköpfe 27 ein beträchtlicher Teil der Turbi- nenaustrittgase die durch den Durchgang 15 strömen, durch die Einlassöffnungen 29 aufgefangen und durch die Brennerköpfe 27 geleitet.
Um eine optimale Erhit zung der Turbinenaustrittgase und eine gleichmässige Temperatur, erteilung über den Querschnitt des Kanals D kurz nach den Brennerköpfen 27 zu erzielen, wurde gefunden, dass die Gesamtfläche der Einlassöffnungen 29 zwischen 40 und 75 !o der Gesamtfläche des Durchganges 15 sein sollte.
Eine Drosselung der rasch strömenden Austrittgase im Durchflussbegrenzungshals 33 und die Expansion in der Brennkammer 37 erzeugt eine Venturiwirkung zur Erzielung eines Druckabfalles in der Brennkammer, und durch die Lippen 64 wird ebenfalls ein Druckabfall bewirkt. Der aus den öffnun- gen 23 austretende Gasstrahl trifft auf die Turbulenz- stäbe 65 auf. wodurch eine Turbulenz in der Kammer 37 und dadurch eine Mischung dus Gases mit Luft stattfindet.
Wenn die Sparflamme 171 in Betrieb ist, wird die Flammenstange <B>175</B> in der Flamme erhitzt und erzeugt einen geringen elektrischen Strom, welcher eine Öffnung des dem Starter 149 zugeordneten Ventils (nicht dargestellt) bewirkt, wonach die Flamme sich vertikal iiber die Mitten der horizontalen Brennerköpfe 27 ausbreitet. Wenn die Flamme das obere Ende des Starters 149 erreicht, wird der Flammenstab 177 in der Flamme erhitzt und erzeugt einen geringen Strom um das der Sammelleitung 67 zugeordnete Ventil (nicht dargestellt) zu öffnen, wonach die horizontal sich erstreckenden Brennerköpfe 27 gezündet werden.
Der oben erwähnte niedrige Druck des in den Kam mern 37 vollständig mit den Turbinenaustrittsgasen durcheinander gemischten Gases ergibt optimale Be dingungen für eine rasche Verbrennung, was eine rela tiv hohe Temperatur in den Brennkammern ergibt.
Solch hohe Temperaturen, verbunden mit einer genü genden Belüftung des Gases bewirken eine vollständige Verbrennung des Gases innerhalb einer kurzen Strecke nach der Hochtemperaturkammer 37 und erhöhen den Verbrennungwirkungsgrad. Wenn das erhitzte Gemisch aus den Auslassöffnungen 31 austritt, wird es unmittel bar dem umgebenden Turbinenaustrittsgas ausgesetzt, und die durch die Brennerköpfe 27 bewirkte Turbulenz ergibt eine vollständige Mischung mit den Turbinen austrittgasen und damit eine gleichmässige Tempera turverteilung über den Strömungsquerschnitt.
Bei industriellen Anwendungen ist es üblich, bei verschiedenen Verfahren bereits benützte Gase wieder zurückzugewinnen und als Brennstoff für Erhitzer wie z. B. den Erhitzer H zu verwenden. Solche Gase wei sen normalerweise einen relativ hohen Gehalt an darin suspendierten Verunreinigungen auf, und wenn es bei vergleichsweise hohen Temperaturen dem Sauerstoff ausgesetzt wird, oxydieren die Verunreinigungen sofort und haften an den umgebenden Oberflächen an. Wenn nun das Gas aus der Öffnung 23 austritt, tritt eine Oxy dation ein und Schlacke baut sich auf den die öffnun- gen umgebenden Wandungen auf und neigt dazu, die Öffnungen zu verstopfen. Daher ist es notwendig, die Leitungen periodisch zu entfernen und die Öffnungen 23 zu reinigen.
Ein grosser Vorteil der beschriebenen Anordnung ist, dass die einzelnen Leitungen 17 ent fernt werden können, ohne dass der Betrieb des Erhit- zers H unterbrochen werden muss. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass man das der betreffenden zu ent fernenden Leitung zugeordnete Gasventil 81 schliesst und die Verbindungen 85 und 135 löst. Das ringför mige Abschlusstück 129 wird dann zur Freigabe der Leitung 17 entfernt und die letztere aus der Ummante lung 19 herausgezogen. Das Ventil 66 wird darauf ge schlossen, um zu verhindern, dass Flammen und heisse Auspuffgase, die durch die Oeffnungen in der Umman telung 19 eintreten, durch das offene Ende des Fittings 107 herausgeblasen werden.
Auf diese Weise kann die Leitung 17 gereinigt und zur erneuten Installation vor bereitet werden, ohne den kontinuierlichen Betrieb des Erhitzers H zu unterbrechen.
Es ist somit ersichtlich, dass das erfindungsgemässe Zusatzfeuerungssystem billie in der Herstellung und 'dem Betrieb ist, und dass der Erhitzer H ein richtiges Brenn-Stoff-Luft-Gemisch erzeugt und eine vollstän dige Verbrennung des Brennstoffes bei relativ hohen Temperaturen ergibt. Der Erhitzer bewirkt auch eine gute Mischung der erhitzten Gase, so dass der Heiz kessel B mit gleichmässiger Wärme beaufschlagt wird.