DE102012105188A1 - Speiseinjektor für ein Vergasungssystem - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent sehen eine Speiseinjektordüse (150) für ein Vergasungssystem (100) mit einer Reaktionszone (160) in diesem vor. Die Speiseinjektordüse (150) kann eine Anzahl von Rohren (190) enthalten, die sich zu der Reaktionszone (160) hin erstrecken. Die Rohre (190) können eine Anzahl von Durchgängen (180) zwischeneinander definieren. Ein Kühlwasserkanal (300) kann sich durch eines der Rohre (190) erstrecken. Der Kühlwasserkanal (300) kann eine erste Seite (310) benachbart zu einem der Durchgänge (180) und eine zweite Seite (320) benachbart zu der Reaktionszone (160) enthalten. Die erste Seite (310) kann eine erste Seitendicke (330) aufweisen, und die zweite Seite (320) kann eine zweite Seitendicke (340) aufweisen, wobei die erste Seitendicke (330) kleiner als oder gleich der zweiten Seitendicke (340) ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent betreffen allgemein Kombikraftwerkssysteme und insbesondere einen verbesserten Kühlwasserkanal für einen Speiseinjektor eines Vergasungssystems, der eine lokale Verformung und damit verbundene Rissbildung vermeiden kann.
  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Kombikraftwerkssysteme enthalten im Allgemeinen ein Vergasungssystem, das bei einer Gasturbine integriert ist. Bekannte Vergasungssysteme setzen ein Gemisch aus Brennstoff, Luft/Sauerstoff, Dampf und/oder anderen Materialien in eine Ausgabe eines teilweise oxidierten Gases, das als „Synthesegas“ bezeichnet wird, um. Bekannte Vergasungssysteme verwenden im Allgemeinen einen Speiseinjektor, um einen Gemischstrom in ein Reaktorgefäß zu liefern. Bekannte Speiseinjektoren können extremen Temperaturen im Inneren des Reaktorgefäßes ausgesetzt sein. Insbesondere können die Spitzen der Speiseinjektoren Reaktionstemperaturen ausgesetzt sein, die eine effektive Funktionsweise der Injektoren verhindern und/oder deren Lebensdauer verkürzen können. Ferner können die Speiseinjektoren allgemein korrosiven Elementen in dem innerhalb des Reaktorgefäßes strömenden Synthesegas ausgesetzt sein.
  • Um die Speiseinjektoren zu schützen, können bekannte Vergasungssysteme ein Wasserzufuhrsystem mit geschlossenem Kreislauf verwenden, um Kühlwasser zu dem Speiseinjektor zu liefern. Die Lieferung von Kühlwasser zu den bekannten Speiseinjektoren kann jedoch Bereiche mit lokaler Dehnbeanspruchung bzw. Verformung und damit verbundener Rissbildung erzeugen. Insbesondere können die Metalltemperaturen zwischen einem internen Sauerstoffkanal und einem internen Kühlwasserkanal um den Spitzenbereich herum im Vergleich zu den Metalltemperaturen der Außenfläche an der Verbrennungszone verhältnismäßig gering sein. Derartige Temperaturdifferenzen können in etwa mehrere Zehnfache betragen. Die Steifheit des Metalls auf der heißen Seite verringert sich somit, wenn die Temperatur steigt. Die heiße Seite kann sich folglich mehr dehnen als die kalte Seite und zu einem Bereich mit starker plastischer Verformung zwischen diesen führen. Dieser Bereich mit starker plastischer Verformung kann eine Rissbildung oder eine andere Beschädigung in diesem zur Folge haben. Die Zeitdauer und der Aufwand, die zur Reparatur einer derartigen Beschädigung erforderlich sind, können beträchtlich sein.
  • Es besteht somit ein Wunsch nach einer verbesserten Konstruktion eines Speiseinjektors für ein Vergasungssystem. Eine derartige verbesserte Speiseinjektorkonstruktion kann Bereiche mit plastischer Verformung in diesen reduzieren, um so eine Rissbildung und andere Arten von Beschädigungen zu reduzieren. Eine reduzierte Rissbildung kann wiederum eine Reduktion der gesamten Systemausfallzeit und Reparaturkosten sowie eine Verlängerung der Komponentenlebensdauer ergeben.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent sehen somit eine Speiseinjektordüse für ein Vergasungssystem mit einer Reaktionszone in diesem vor. Die Speiseinjektordüse kann eine Anzahl von Rohren enthalten, die sich zu der Reaktionszone hin erstrecken. Die Rohre können eine Anzahl von Durchgängen zwischen diesen definieren. Ein Kühlwasserkanal kann sich durch eines der Rohre erstrecken. Der Kühlwasserkanal kann eine erste Seite benachbart zu einem der Durchgänge und eine zweite Seite benachbart zu der Reaktionszone enthalten. Die erste Seite kann eine erste Seitendicke aufweisen, und die zweite Seite kann eine zweite Seitendicke aufweisen, wobei die erste Seitendicke kleiner als oder gleich der zweiten Seitendicke ist.
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent sehen ferner einen Vergaser für ein Kombikraftwerkssystem vor. Der Vergaser kann einen Gefäßkörper, eine Reaktionszone innerhalb des Gefäßkörpers und einen Brennstoffinjektor enthalten, der sich an der Reaktionszone in den Gefäßkörper hinein erstreckt. Der Brennstoffinjektor kann eine Düsenspitze mit einem Kühlwasserkanal in dieser enthalten. Der Kühlwasserkanal kann eine erste Seite und eine zweite Seite benachbart zu der Reaktionszone enthalten. Die erste Seite kann eine Dicke der ersten Seite enthalten, und die zweite Seite kann eine Dicke der zweiten Seite enthalten, so dass die Dicke der ersten Seite geringer als oder gleich der Dicke der zweiten Seite ist.
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent sehen ferner eine Speiseinjektordüse für ein Vergasungssystem mit einer Reaktionszone in diesem vor. Die Brennstoffinjektordüse kann eine Anzahl von Rohren enthalten, die sich in Richtung auf die Reaktionszone erstrecken. Die Rohre können eine Anzahl von Durchgängen zwischeneinander definieren. Ein Kühlwasserkanal kann sich durch eines der Rohre hindurch erstrecken. Der Kühlwasserkanal kann eine kalte Seite benachbart zu einem Sauerstoffdurchgang und eine heiße Seite benachbart zu der Reaktionszone enthalten. Die kalte Seite kann eine Dicke der kalten Seite aufweisen, und die heiße Seite kann eine Dicke der heißen Seite aufweisen, so dass die Dicke der kalten Seite geringer als oder gleich der Dicke der heißen Seite ist.
  • Diese und weitere Merkmale und Verbesserungen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patentes erschließen sich für einen Fachmann auf dem Gebiet bei einer Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den verschiedenen Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Kombikraftwerkssystems und der Komponenten in diesem.
  • 2 zeigt eine schematisierte Ansicht eines Vergasers mit einem Speiseinjektor und einer Reaktionszone.
  • 3 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer Spitze des Speiseinjektors mit einem Kühlwasserkanal.
  • 4 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht der Spitze mit dem Kühlwasserkanal.
  • 5 zeigt eine im Querschnitt dargestellte Seitenansicht einer Spitze mit einem Kühlwasserkanal, wie er hierin beschrieben sein kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den verschiedenen Ansichten gleiche Elemente bezeichnen, zeigt 1 ein Kombikraftwerksystem 10. Das Kombikraftwerksystem 10 kann einen Hauptluftverdichter 15, eine Luftzerlegungseinheit 20, die mit dem Verdichter 15 in Strömungsverbindung angeschlossen ist, einen Vergaser 25, der mit der Luftzerlegungseinheit 20 in Strömungsverbindung steht, eine Gasturbine 30, die mit dem Vergaser 25 in Strömungsverbindung steht, und eine Dampfturbine 35 enthalten. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
  • Der Verdichter 15 verdichtet eine Umgebungsluftströmung, die zu der Luftzerlegungseinheit 20 geleitet wird. Alternativ kann auch eine verdichtete Luftströmung von einem Verdichter 40 der Gasturbine 30 verwendet werden. Die Luftzerlegungseinheit 20 verwendet die verdichtete Luft, um Sauerstoff zur Verwendung durch den Vergaser 25 zu erzeugen. Die Sauerstoffströmung wird in dem Vergaser 25 zur Erzeugung des teilweise oxidierten Synthesegases verwendet. Eine Strömung eines Stickstoff-Prozessgases (NPG) aus der Luftzerlegungseinheit 20 kann auch zu einer Brennkammer 45 der Gasturbine 30 zur Verwendung bei der Reduktion von Emissionen und dergleichen weitergeleitet werden.
  • Insbesondere setzt der Vergaser 25 ein Gemisch aus Brennstoff, Sauerstoff, Dampf und/oder anderen Materialien in ein ausgegebenes Synthesegas zur Verwendung durch die Gasturbine 30 um. Das Synthesegas kann zu der Brennkammer 45 über eine Reinigungsvorrichtung 50 strömen. Die Reinigungsvorrichtung 50 kann Kohlenstoffdioxid und dergleichen darin abtrennen. Das Synthesegas kann in der Brennkammer 45 verbrannt werden, um einen Strom heißer Verbrennungsgase zu erzeugen. Die heißen Verbrennungsgase treiben eine Turbine 55 an, um so mechanische Arbeit zu verrichten. Die mechanische Arbeit, die durch die Turbine 55 verrichtet wird, treibt den Verdichter 40 und eine externe Last, wie beispielsweise einen elektrischen Generator 60 und dergleichen, an. Die Abgase aus der Turbine 55 können ferner zu einem Abhitzedampferzeuger 65 geleitet werden. Der Abhitzedampferzeuger 65 erzeugt Dampf zum Antreiben der Dampfturbine 35. Die Dampfturbine 35 kann eine weitere Last 70 antreiben. Eine weitere Dampfzufuhr kann durch den Abhitzedampferzeuger 65 zu dem Vergaser 25 geliefert werden, um so eine Kühlung des Synthesegases zu ermöglichen. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Feststoffabscheidungs-Vergasers 100, wie er hierin beschrieben sein kann. Der Vergaser 100 kann bei dem vorstehend beschriebenen Kombikraftwerksystem 10 und dergleichen verwendet werden. Der Vergaser 100 kann einen Kopfendabschnitt 110, einen Fußendabschnitt 120 und einen im Wesentlichen zylindrischen Gefäßkörper 130, der sich dazwischen erstreckt, enthalten. Ein Speiseinjektor 140 durchdringt den Kopfendabschnitt 110 um zu ermöglichen, dass eine Brennstoffströmung in diesem geleitet wird. Insbesondere kann die Brennstoffströmung durch den Speiseinjektor 140 durch eine Düse 150 von diesem hindurchgeführt werden. Die Brennstoffströmung kann in eine Reaktionszone 160 ausgegeben werden. Die Reaktionszone 160 kann ein vertikal ausgerichteter, im Wesentlichen zylindrischer Raum sein, der gemeinsam mit der Düse 150 im Wesentlichen gleich ausgerichtet ist. In der Reaktionszone 150 können ein Synthesegas und Nebenprodukte erzeugt werden. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
  • 3 zeigt eine Spitze 170 der Düse 150 des Speiseinjektors 140. Die Spitze 170 kann verschiedene Durchgänge bzw. Kanäle 180 enthalten, die darin für die Strömung von Sauerstoff, Brennstoff und dergleichen definiert sind. Die Größe, Form, Anzahl und Konfiguration dieser Durchgänge 180 kann variieren. Die Durchgänge 180 können durch eine Anzahl konzentrisch angeordneter ringförmiger Rohre 190 definiert sein. Die Rohre 190 können eine weitgehend bajonettartige Gestalt 195 aufweisen. Ein oder mehrere der Rohre 190 kann/können einen sich darin erstreckenden Kühlwasserkanal 200 enthalten. Die Größe, Gestalt, Anzahl und Konfiguration der Kühlwasserkanäle 200 kann variieren. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
  • 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines bekannten Kühlwasserkanals 200. Der Kühlwasserkanal 200 kann eine kalte Seite 210 enthalten, die zu einem Sauerstoffdurchgang 220 angeordnet sein kann. Der Kühlwasserkanal 200 kann ferner eine heiße Seite 230 enthalten, die sich benachbart zu der Reaktionszone 160 befinden kann. In dem Kühlwasserkanal 200 strömt eine Kühlwasserströmung 240. Zwischen der kalten Seite 210 und der heißen Seite 230 kann sich ein Bereich mit maximaler Dehnbeanspruchung bzw. Verformung 250 befinden. Wie oben beschrieben, kann der Bereich maximaler Verformung 250 für eine Rissbildung und dergleichen anfällig sein. Die Größe und Ausdehnung des Bereiches maximaler Verformung 250 kann variieren.
  • Die kalte Seite 210 kann eine Querschnittsdicke 260 aufweisen, die größer als oder größer als eine Dicke 270 der heißen Seite sein kann. Weil die heiße Seite 230 Temperaturen ausgesetzt ist, die um ein Vielfaches höher sind als an der kalten Seite 210, kann die Steifigkeit der kalten Seite 210 folglich viel größer sein als die Steifigkeit der heißen Seite 230. Die heiße Seite 230 kann sich deshalb um ein größeres Maß dehnen als die kalte Seite 210, so dass der Bereich maximaler Beanspruchung bzw. Verformung 250 erzeugt wird.
  • 5 zeigt einen Kühlwasserkanal 300, wie er hierin beschrieben sein kann. Der Kühlwasserkanal 300 kann ebenfalls eine erste Seite 310, die eine kalte Seite 315 sein kann, und eine zweite Seite 320 enthalten, die eine heiße Seite 325 sein kann. In diesem Beispiel kann jedoch die kalte Seite 315 eine erste Seitendicke 330 aufweisen, die kleiner ist als eine zweite Seitendicke 340 der heißen Seite 325. Durch Reduktion der Dicke 330 der ersten Seite kann auch die Steifigkeit der kalten Seite 315 reduziert werden. Die Steifigkeit der kalten Seite 315 kann somit näher an der Steifigkeit der heißen Seite 325 liegen bzw. dieser ähnlicher sein. Bereiche mit ähnlicher Steifigkeit können folglich dazu dienen, die Bereiche maximaler Verformung 250 zu eliminieren oder zu reduzieren. Eine Reduktion der Bereiche maximaler Verformung sollte eine geringe zyklische Ermüdung zur Folge haben, so dass die Nutzungslebensdauer des gesamten Speiseinjektors 140 vergrößert wird. Es können andere Komponenten und andere Konfigurationen hierin verwendet werden.
  • Es sollte ersichtlich sein, dass das Vorstehende lediglich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung und des resultierenden Patentes anbetrifft. Es können zahlreiche Veränderungen und Modifikationen durch einen Fachmann auf dem Gebiet daran vorgenommen werden, ohne dass von dem allgemeinen Wesen und Umfang der Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert ist, und deren Äquivalenten abgewichen wird.
  • Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent sehen eine Speiseinjektordüse 150 für ein Vergasungssystem 100 mit einer Reaktionszone 160 in diesem vor. Die Speiseinjektordüse 150 kann eine Anzahl von Rohren 190 enthalten, die sich zu der Reaktionszone 160 hin erstrecken. Die Rohre 190 können eine Anzahl von Durchgängen 180 zwischeneinander definieren. Ein Kühlwasserkanal 300 kann sich durch eines der Rohre 190 erstrecken. Der Kühlwasserkanal 300 kann eine erste Seite 310 benachbart zu einem der Durchgänge 180 und eine zweite Seite 320 benachbart zu der Reaktionszone 160 enthalten. Die erste Seite 310 kann eine erste Seitendicke 330 aufweisen, und die zweite Seite 320 kann eine zweite Seitendicke 340 aufweisen, wobei die erste Seitendicke 330 kleiner als oder gleich der zweiten Seitendicke 340 ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kombikraftwerksystem
    15
    Hauptluftverdichter
    20
    Luftzerlegungseinheit
    25
    Vergaser
    30
    Gasturbine
    35
    Dampfturbine
    40
    Verdichter
    45
    Brennkammer
    50
    Reinigungsvorrichtung
    55
    Turbine
    60
    Generator
    65
    Abhitzedampferzeuger
    70
    Last
    100
    Vergaser
    110
    Kopfendabschnitt
    120
    Fußendabschnitt
    130
    Gefäßkörper
    140
    Speiseinjektor
    150
    Düse
    160
    Reaktionszone
    170
    Spitze
    180
    Durchgänge
    190
    Rohre
    195
    Bajonettartige Gestalt
    200
    Kühlwasserkanal
    210
    Kalte Seite
    220
    Sauerstoffdurchgang
    230
    Heiße Seite
    240
    Kühlwasserströmung
    250
    Bereich maximaler Beanspruchung bzw. Verformung
    260
    Dicke der kalten Seite
    270
    Dicke der heißen Seite
    300
    Kühlwasserkanal
    310
    Erste Seite
    315
    Kalte Seite
    320
    Zweite Seite
    325
    Heiße Seite
    330
    Dicke der ersten Seite
    340
    Dicke der zweiten Seite

Claims (9)

  1. Speiseinjektordüse (150) für ein Vergasungssystem (100) mit einer Reaktionszone (160) in diesem, die aufweist: mehrere Rohre (190), die sich in Richtung der Reaktionszone (160) erstrecken; wobei die mehreren Rohre (190) mehrere Durchgänge (180) dazwischen definieren; und einen Kühlwasserkanal (300), der sich durch eines der mehreren Rohre (190) erstreckt; wobei der Kühlwasserkanal (300) eine erste Seite (310) benachbart zu einem der mehreren Durchgänge (180) und eine zweite Seite (320) benachbart zu der Reaktionszone (160) aufweist; wobei die erste Seite (310) eine erste Seitendicke (330) aufweist und die zweite Seite (320) eine zweite Seitendicke (340) aufweist und wobei die erste Seitendicke (330) kleiner als oder gleich der zweiten Seitendicke (340) ist.
  2. Speiseinjektordüse (150) nach Anspruch 1, wobei die erste Seite (310) eine kalte Seite (315) aufweist.
  3. Speiseinjektordüse (150) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Seite (320) eine heiße Seite (325) aufweist.
  4. Speiseinjektordüse (150) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–3, wobei die mehreren Rohre (190) sich zu der Reaktionszone (160) hin an einer Spitze (170) der Speiseinjektordüse (150) erstrecken.
  5. Speiseinjektordüse (150) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–4, wobei der eine der mehreren Durchgänge (180) einen Sauerstoffkanal (220) aufweist.
  6. Speiseinjektordüse (150) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–5, wobei der Kühlwasserkanal (300) eine Kühlwasserströmung (240) in diesem aufweist.
  7. Speiseinjektordüse (150) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–6, wobei die mehreren Rohre (190) eine bajonettartige Gestalt (195) aufweisen.
  8. Speiseinjektordüse (150) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–7, wobei die erste Seitendicke (330) einen Verformungsbereich (250) zwischen der ersten Seite (310) und der zweiten Seite (320) minimiert.
  9. Speiseinjektordüse (150) nach einem beliebigen der Ansprüche 1–8, wobei die erste Seite (310) eine erste Seitentemperatur aufweist und die zweite Seite (320) eine zweite Seitentemperatur aufweist und wobei die erste Seitentemperatur um ein Vielfaches geringer ist als die zweite Seitentemperatur.
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