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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Gasturbine mit Brayton-Kreisprozess.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbine,
die mit Prozessgasen arbeitet.
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HINTRGRUND DER ERFINDUNG
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Gasturbinen
sind in kommerziellen Betrieben zur Energieerzeugung weit verbreitet. 1 veranschaulicht
eine typische Gasturbine 10, wie sie in der Technik bekannt
ist. Wie in 1 veranschaulicht, enthält die Gasturbine 10 allgemein
einen Verdichter 12 am vorderen Ende, eine oder mehrere
Brennkammern 14 ungefähr
in der Mitte und eine Turbine 16 am hinteren Ende. Der
Verdichter 12 und die Turbine 16 teilen sich gewöhnlich einen
gemeinsamen Rotor 18.
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Der
Verdichter 12 enthält
mehrere Stufen von Verdichterschaufeln 20, die an dem Rotor 18 angebracht
sind. Umgebungsluft, etwa ein Arbeitsfluid, tritt in einen Einlass 22 des
Verdichters 12 ein, und die Rotation der Verdichterschaufeln 20 komprimiert das
Arbeitsfluid in zunehmendem Maße.
Ein Teil des komprimierten Arbeitsfluids wird dem Verdichter 12 durch
Entnahmeanschlüsse 23 entnommen,
um anderweitig verwendet zu werden, während der Rest des Arbeitsfluids
aus dem Verdichter 12 austritt und zu der Brennkammer 14 strömt.
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Das
Arbeitsfluid vermischt sich in der Brennkammer 14 mit einem
Brennstoff, und das Gemisch entzündet
sich, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur,
einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Verbrennungsgase
verlassen die Brennkammern 14 und strömen zu der Turbine 16,
worin sie expandieren, um Arbeit zu verrichten.
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Die
Verdichtung der Umgebungsluft in dem Verdichter 12 ruft
eine Axialkraft auf den Rotor 18 in einer Vorwärtsrichtung,
zu dem Verdichtereinlass 22 hin hervor. Die Expansion der
Verbrennungsgase in der Turbine 16 ruft eine Axialkraft
auf den Rotor 18 in einer Rückwärtsrichtung, zu dem Turbinenauslass 24 hin
hervor. Ein Drucklager 26 an der Vorderseite der Gasturbine 10 hält den Rotor 18 in
Stellung und verhindert eine Axialbewegung des Rotors 18.
Um den auf den Rotor 18 einwirkenden Nettoaxialdruck und somit
die Größe und zugehörige Kosten
des Drucklagers 26 zu reduzieren, ist die Gasturbine 10 gewöhnlich derart
gestaltet, dass die durch den Verdichter 12 und die Turbine 16 erzeugten
Axialkräfte
ungefähr gleich,
jedoch zueinander entgegengerichtet sind.
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Verschiedene
kommerzielle Verfahren erzeugen Prozessabgase. Zum Beispiel erzeugen
chemische Verfahren in Ölfeldern
beträchtliche
Mengen an Drucksauerstoff, Kohlendioxid oder Stickstoff als Prozessabgase.
Die Prozessabgase werden zur Speicherung und/oder endgültigen Entsorgung
weitergeleitet.
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Die
mit der Sammlung, Speicherung und Entsorgung der Prozessgase verbundenen
Kosten können
beträchtlich
sein, so dass verschiedene Versuche unternommen worden sind, um
ein Gasturbinensystem mit Prozessgasen zu betreiben. Jedoch haben
Prozessgase im Vergleich zur Umgebungsluft, für die die Gasturbine ausgelegt
ist, andere Molekulargewichte, eine andere Kompressibilität, Entflammbarkeit
und andere physikalische Eigenschaften. Folglich besteht der Bedarf
nach einer Gasturbine, die mit durch kommerziellen Betrieb erzeugten
Prozessgasen arbeiten kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aspekte
und Vorteile der Erfindung sind nachstehend in der folgenden Beschreibung
dargelegt oder können
aus der Beschreibung deutlich werden, oder sie können durch Umsetzung der Erfindung in
Praxis erfahren werden.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Gasturbine, die einen Verdichter
mit mehreren Druckplatten, wenigstens eine Brennkammer stromabwärts von
dem Verdichter und eine Turbine enthält, die stromabwärts von
der wenigstens einen Brennkammer und mit dem Verdichter axial ausgerichtet
angeordnet ist. Die Brennkammer erzeugt Verbrennungsgase, die zu
der Turbine strömen.
Ein erster Verteiler ist mit der Brennkammer verbunden, und der
erste Verteiler enthält
ein erstes Prozessgas zur Verbrennung in der Brennkammer. Ein zweiter Verteiler
ist stromaufwärts
von der Turbine angeschlossen, und der zweite Verteiler enthält ein zweites
Prozessgas. Ein Teil des zweiten Prozessgases strömt zu den
Druckplatten.
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In
einer modifizierten Ausführungsform
enthält
eine Gasturbine einen Verdichter mit mehreren Druckplatten, wenigstens
eine Brennkammer stromabwärts
von dem Verdichter und eine Turbine, die stromabwärts von
der Brennkammer und mit dem Verdichter axial ausgerichtet angeordnet
ist. Die Brennkammer erzeugt Verbrennungsgase, die zu der Turbine
strömen.
Ein erster Verteiler ist an die Gasturbine stromaufwärts von
der Turbine angeschlossen, und der erste Verteiler enthält ein erstes
Prozessgas zur Verbrennung in der Brennkammer. Ein zweiter Verteiler
ist stromaufwärts
von der Turbine angeschlossen, und der zweite Verteiler enthält ein zweites
Prozessgas. Ein Teil des zweiten Prozessgases strömt zu den
Druckplatten.
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Die
vorliegende Erfindung enthält
ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine, die einen Verdichter,
mehrere Brennkammern und eine Turbine aufweist. Das Verfahren enthält ein Entfernen
von Verdichterlaufschaufeln von dem Verdichter und Einbauen mehrerer
Druckplatten in dem Verdichter. Das Verfahren enthält ferner
ein Zuführen
eines ersten Prozessgases zu der Gasturbine stromaufwärts von der
Turbine und Verbrennen des ersten Prozessgases in wenigstens einer
von den Brennkammern. Außerdem
enthält
das Verfahren ein Zuführen
eines zweiten Prozessgases zu der Gasturbine stromaufwärts von
der Turbine und Leiten wenigstens eines Teils des Prozessgases zu
den Druckplatten.
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Fachleute
auf dem Gebiet werden bei der Durchsicht der Beschreibung die Merkmale
und Aspekte derartiger Ausführungsformen
und anderer besser verstehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
vollständige
und eine Umsetzung ermöglichende
Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich der
besten Ausführungsart
für einen
Fachmann auf dem Gebiet, ist in der restlichen Beschreibung genauer
dargelegt, die eine Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen enthält, worin
zeigen:
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1 eine
ebene Darstellung einer typischen Gasturbine, wie sie in der Technik
bekannt ist;
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2 eine
vereinfachte Darstellung einer herkömmlichen Rohrleitungsanordnung
zur Speicherung und Übertragung
von Prozessabgasen; und
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3 eine
ebene Ansicht einer Gasturbine gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER
ERFINDUNG
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Es
wird nun im Einzelnen auf die vorliegenden Ausführungsformen der Erfindung
Bezug genommen, von der ein oder mehrere Beispiele in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung verwendet Bezeichnungen mit
Nummern und Buchstaben, um auf Merkmale in den Zeichnungen zu verweisen.
Gleiche oder ähnliche
Bezeichnungen in den Zeichnungen und der Beschreibung werden verwendet,
um auf gleiche oder ähnliche
Teile der Erfindung Bezug zu nehmen.
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Jedes
Bespiel ist zur Erläuterung
der Erfindung und nicht zur Beschränkung der Erfindung angegeben.
In der Tat wurde es für
Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, das Modifikationen
und Veränderungen
an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne
dass von deren Rahmen oder Umfang ausgewichen wird. Zum Beispiel
können
Merkmale, die als ein Teil einer einzelnen Ausführungsform veranschaulicht
oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform verwendet werden,
um eine noch weitere Ausführungsform
zu ergeben. Somit soll die vorliegende Erfindung all derartige Modifikationen
und Veränderungen,
wie sie unter den Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente
fallen, mit umfassen.
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2 liefert
ein vereinfachtes Diagramm eines typischen Rohrleitungs- und Speichersystems 28 für durch
ein kommerzielles System erzeugte Prozessabgase. Wie in 2 veranschaulicht,
können die
Prozessabgase zu einem oder mehreren Behältern 30 übermittelt
werden, um anschließend
genutzt oder weitergeleitet zu werden. Die Behälter 30 können jedes
beliebige Gefäß oder Behältnis zur
Aufnahme der Prozessabgase, wie beispielsweise Fässer, Blasenspeicher, Kessel,
Bottiche, Tanks, Becken, Reservoirs oder andere Strukturen sein,
wie sie für
einen Fachmann auf dem Gebiet zum Halten eines Fluids bekannt sind.
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Es
sind verschiede Mittel in der Technik bekannt, um Prozessabgase
zu und von den Behältern 30 zu übertragen.
Zum Beispiel kann, wie in 2 veranschaulicht,
eine herkömmliche
Leitungs- und Ventilanordnung 32 eine Fluidverbindung zwischen dem
kommerziellen Prozess, den Behältern 30 und dem
endgültigen
Entsorgungsprozess für
die Prozessgase schaffen. Es können
eine oder mehrere Förderpumpen 34,
Druckluft oder sogar Schwerkraft dazu verwendet werden, die Prozessabgase
zwischen Orten zu übertragen.
Alternativ können
die Prozessabgase gesammelt und an einem einzigen Ort in Behältern gespeichert
werden, und die Behälter
können
auf dem Strassen-, Schienen-, Luft- oder Wasserweg zu einem anderen
Ort zur fortgesetzten Speicherung oder endgültigen Entsorgung versandt werden.
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3 liefert
eine ebene Ansicht einer Gasturbine 10 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 veranschaulicht,
enthält
die Gasturbine 40 im Wesentlichen einen Verdichter 42 vorne,
eine oder mehrere Brennkammern 44 ungefähr in der Mitte und eine Turbine 46 hinten. Ein
Rotor 48 verbindet den Verdichter 42 und die Turbine 46 miteinander
und richtet diese axial zueinander aus. Ein Druck- beziehungsweise
Axiallager 50 an der Vorderseite der Gasturbine 40 hält den Rotor 48 in
Stellung und verhindert eine Axialbewegung des Rotors 48.
Obwohl 3 dass Drucklager 50 auf der Vorderseite
der Gasturbine 40 veranschaulicht, kann das Drucklager 50 an
einer beliebigen Position entlang des Rotors 48 angeordnet
sein.
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Der
Verdichter 42 ist gegenüber
dem herkömmlichen
Verdichter nach dem Stand der Technik, wie er vorstehend im Zusammenhang
mit 1 beschrieben ist, modifiziert worden. Insbesondere
sind die in dem typischen Verdichter vorhandenen Verdichterlaufschaufeln
entfernt und durch eine oder mehrere Druckplatten 52 ersetzt
worden. Die Druckplatten 52 sind derart definiert, dass
sie eine beliebige Oberfläche
enthalten, die die Strömung
von Gasen oder Fluiden an den Druckplatten 52 vorbei in
jeder Richtung im Wesentlichen verhindert oder beschränkt. Die
Druckplatten 52 können
gemeinsam mit dem Rotor 48 umlaufen, oder sie können in
Bezug auf den Rotor 48 stationär sein.
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Die
Brennkammern 44 sind um die Gasturbine 40 herum
zwischen dem Verdichter 42 und der Turbine 46 angeordnet.
Ein Gehäuse 54 umgibt
die Brennkammern 44 und schafft eine abgedichtete Ummantelung
rings um die Brennkammern 44. Die Brennkammern 44 erzeugen
Verbrennungsgase, die zu der Turbine 46 strömen.
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Die
Turbine 46 ist mit dem Verdichter 42 axial ausgerichtet.
Die Verbrennungsgase von den Brennkammern 44 expandieren
in der Turbine 46, um Arbeit zu erzeugen. Eine Expansion
der Verbrennungsgase in der Turbine 46 ruft eine Axialkraft
hervor, die auf den Rotor 48 in einer Rückwärtsrichtung, zu dem Turbinenauslass 56 hin
wirkt.
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Ein
erster Verteiler 58, der ein erstes Prozessgas enthält, ist
an der Gasturbine 40 an einer beliebigen Stelle stromaufwärts von
der Turbine 46 angeschlossen. Wie in 3 veranschaulicht,
können Zweigleitungen 60 eine
Fluidverbindung für
die Strömung
des ersten Prozessgases von dem ersten Verteiler 58 unmittelbar
zu den Brennkammern 44 schaffen. Das erste Prozessgas kann
Sauerstoff oder jedes beliebige sonstige sauerstoffhaltige Prozessgas zur
Verbrennung in den Brennkammern 44 sein.
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Ein
zweiter Verteiler 62, der ein zweites Prozessgas enthält, umgibt
in ähnlicher
Weise die Gasturbine 40 stromaufwärts von der Turbine 46.
Zweigleitungen 64 stellen eine Fluidverbindung für die Strömung des
zweiten Prozessgases von dem zweiten Verteiler 64 zu der
Gasturbine 40 her. Das zweite Prozessgas kann Kohlendioxid,
Stickstoff oder ein beliebiges sonstiges Verdünnungsmittel zur Vermischung
mit dem ersten Prozessgas sein.
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Das
zweite Prozessgas strömt
um die Brennkammern 44 herum und von der Turbine 46 weg.
Ein Teil des zweiten Prozessgases strömt zu den Druckplatten 52 in
dem Verdichter 42. Der Druck des zweiten Prozessgases,
der gegen die Druckplatten 52 einwirkt, erzeugt eine Axialkraft,
die auf den Rotor 48 in einer Vorwärtsrichtung, zu dem Verdichtereinlass 66 hin
wirkt. Die auf den Rotor 48 in dem Verdichter 42 wirkende
Axialkraft ist somit in die entgegengesetzte Richtung als die Axialkraft,
die auf den Rotor 48 in der Turbine 46 wirkt,
gerichtet, wodurch der auf den Rotor 48 wirkende Nettoaxialdruck
und somit die Größe und zugehörige Kosten
des Drucklagers 50 reduziert werden. Die Temperatur des
zweiten Prozessgases kann die Druckplatten 52 und den Rotor 48 erwärmen. Infolgedessen
kann ein drittes Prozessgas zu dem Verdichter 42 zugeführt werden,
um die Druckplatten 54 und den Rotor 48 zu kühlen. Das dritte
Prozessgas kann zu dem Verdichter 42 über Entnahmeanschlüsse 68 zugeführt werden,
die bereits an dem Verdichter 42 vorhanden sind. Das dritte Prozessgas
kann jedes beliebige zur Verfügung
stehende Gas sein, das eine geeignete Temperatur zum Kühlen der
Druckplatten 52 und des Rotors 48 aufweist. Das
dritte Prozessgas kann sogar das gleiche wie das zweite Prozessgas
sein, außer
dass es eine geringere Temperatur als das zweite Prozessgas aufweist.
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Der
Rest des zweiten Prozessgases vermischt sich mit dem ersten Prozessgas
in den Brennkammern 44. Das Gemisch aus dem ersten und
dem zweiten Prozessgas wird gezündet,
um die Verbrennungsgase zu erzeugen, die eine hohe Temperatur, einen
hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Verbrennungsgase
verlassen die Brennkammern 44 und strömen zu der Turbine 46. Wie
vorstehend beschrieben, erzeugt die Expansion der Verbrennungsgase
in der Turbine 46 Arbeit und eine Axialkraft, die auf den
Rotor 48 in der Richtung nach hinten, zu dem Turbinenauslass 56 hin
wirkt.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
ferner ein Verfahren zum Betreiben einer existierenden Gasturbine 40 zur
Nutzung von Prozessgasen, wie in 3 veranschaulicht,
schaffen. Wie in 3 veranschaulicht, enthält die Gasturbine 40 im
Wesentlichen einen Verdichter 42, eine oder mehrere Brennkammern 44 und
eine Turbine 46, wie dies in der Technik bekannt ist.
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Der
Verdichter 42 wird modifiziert, indem die Verdichterschaufel
herausgenommen und anstelle der Verdichterschaufeln in dem Verdichter 42 eine oder
mehrere Druckplatten 52 eingesetzt werden.
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Ein
erster Verteiler 58 liefert ein erstes Prozessgas zu der
Gasturbine 40 stromaufwärts
von der Turbine 56, und die Brennkammern 44 zünden das erste
Prozessgas. Ein zweiter Verteiler 62 liefert ein zweites
Prozessgas zu der Gasturbine 40 stromaufwärts von
der Turbine 60. Wenigstens ein Teil des zweiten Prozessgases
strömt
zu den Druckplatten 52. Die Prozessgase können ein
beliebiges Prozessabgas sein, das, wie vorstehend beschrieben, von
einem anderen kommerziellen System erzeugt wird.
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Der
Verdichter 42 kann ferner modifiziert werden, indem ein
drittes Prozessgas zu einer oder mehreren der Druckplatten 52 zur
Kühlung
zugeführt wird.
Das dritte Prozessgas kann ein beliebiges verfügbares Gas sein, das eine geeignete
Temperatur aufweist, um die Druckplatten 52 und den Rotor 48 zu kühlen. Das
dritte Prozessgas kann sogar das gleiche Gas wie das zweite Prozessgas
sein, außer
dass es im Vergleich zu dem zweiten Prozessgas eine geringere Temperatur
aufweist.
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Es
sollte für
Fachleute auf dem Gebiet verständlich
sein, dass an den Ausführungsformen
der Erfindung, wie sie hierin erläutert sind, Modifikationen
und Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne von dem Rahmen und Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen angegeben
ist, und ihren Äquivalenten
abzuweichen.
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Eine
Gasturbine 40 enthält
einen Verdichter 42 mit mehreren Druckplatten 52,
eine Brennkammer 44 stromabwärts von dem Verdichter 42 und
eine Turbine 46, die stromabwärts von der Brennkammer 44 angeordnet
und mit dem Verdichter 42 axial ausgerichtet ist. Die Brennkammer 44 erzeugt
Verbrennungsgase, die zu der Turbine 46 strömen. Ein
mit der Brennkammer 44 verbundener erster Verteiler 58 enthält ein erstes
Prozessgas zur Verbrennung in der Brennkammer 44. Ein zweiter
Verteiler 62, der stromaufwärts von der Turbine 46 angeschlossen
ist, enthält
ein zweites Prozessgas, wobei ein Teil des zweiten Prozessgases
zu den mehreren Druckplatten 52 strömt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gasturbine
nach dem Stand der Technik
- 12
- Verdichter
- 14
- Brennkammern
- 16
- Turbine
- 18
- Rotor
- 20
- Verdichterlaufschaufeln
- 22
- Verdichtereinlass
- 23
- Entnahmeanschlüsse
- 24
- Turbinenauslass
- 26
- Drucklager
- 28
- Rohrleitungs-
und Speichersystem
- 30
- Behälter
- 32
- Leitung
und Ventile
- 34
- Förderpumpe
- 40
- Gasturbine
- 42
- Verdichter
- 44
- Brennkammern
- 46
- Turbine
- 48
- Rotor
- 50
- Drucklager
- 52
- Druckplatten
- 54
- Gehäuse
- 56
- Turbinenauslass
- 58
- erster
Verteiler
- 60
- Zweigleitungen
- 62
- zweiter
Verteiler
- 64
- Zweigleitungen
- 66
- Verdichtereinlass
- 68
- Entnahmeanschlüsse
