DE19744917A1 - Abgas-Wärmetauscher, insbesondere Abhitze-Kessel für Gasturbinen-Anlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgas-Wärmetauscher und insbe­ sondere Abhitze-Dampferzeuger für Gasturbinen-Anlagen mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

Diese Merkmale spiegeln den Grundaufbau solcher Wärmetauscher wider, wie sie in unterschiedlichsten Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt sind.

Ein gemeinsames Problem solcher Abgas-Wärmetauscher, wie sie bei Gasturbinen-Anlagen verwendet werden, liegt in der Belüf­ tung oder Luftspülung des Wärmetauschers etwa nach einem Gasturbinen-Ausfall oder einer Betriebsunterbrechung. Dieses Belüften oder Spülen wird in Fachkreisen üblicherweise als "Purging" bezeichnet. Dieses "Purging" ist aus sicherheits­ technischen Gründen notwendig und vielerorts auch durch ein­ schlägige gesetzliche Regelungen vorgeschrieben. Es ist durchzuführen, da nach einem Ausfall der Gasturbine die Ge­ fahr besteht, daß sich unverbrannter Brennstoff - Öl oder Gas - im Abhitzekessel niedergeschlagen oder abgesetzt hat. Bei einem neuerlichen Anfahren der Turbine besteht dann das Pro­ blem, daß es im Abhitzekessel zu einer Selbstentzündung die­ ses Restbrennstoffes kommen kann. Die fatalen Folgen davon sind offensichtlich.

Um diesem Störfall vorzubeugen, wird mit Hilfe des Verdich­ ters der Gasturbine ein Luftstrom erzeugt und damit der Ab­ hitze-Dampferzeuger praktisch "durchgeblasen". Dies hat - je nach Auslegung der Anlage - für eine bestimmte Zeit und mit einem bestimmten Luftmassendurchsatz zu erfolgen. Einschlä­ gige Vorschriften sehen beispielsweise einen dreifachen Luft­ wechsel im Wärmetauscher mit mindestens 50% des gesamten Verbrennungsluftstromes oder einen 5minütigen Spülvorgang bei 25% dieses Luftstromes vor.

Zur Erzeugung des Luftstromes wird der der Gasturbine zuge­ ordnete Generator mit Hilfe eines Anfahrumrichters als Elek­ tromotor betrieben, der den Turbinenverdichter entsprechend antreibt. Problematisch ist hierbei, daß durch die begrenzte Leistung dieser Anordnung die vorgeschriebenen Strömungswerte nicht erreicht werden können, da der Abhitzekessel einen re­ lativ großen freien Innenquerschnitt aufweist. Dadurch ver­ bleibt auch ein Risiko, daß "Nester" von Restbrennstoff an unzugänglichen Stellen des Kessels nicht ausgeblasen werden. Ferner ist wegen der begrenzten Leistung für einen beispiels­ weise 5fachen Luftwechsel eine lange Purging-Zeit notwendig, was die erreichbare Wiederholrate für das Anfahren der Gasturbine oder die sogenannte "Starthäufigkeit" naturgemäß beschränkt.

Zur Lösung der vorstehend erörterten Problematik schlägt die Erfindung vor, den freien Innenquerschnitt des Dampferzeuger­ teils in mehrere Abgas-Strömungskanäle zu unterteilen, die selektiv mittels einer Absperreinrichtung gegen einen Strö­ mungsdurchtritt verschließbar sind. Aufgrund dieser Ausge­ staltung kann für das "Purging" jeder einzelne Strömungskanal - der natürlich einen weitaus geringeren Strömungsquerschnitt als der gesamte Dampferzeugerteil aufweist - auch mit dem be­ grenzten Leistungsvermögen des Turbinenverdichters ausrei­ chend und innerhalb einer weitaus kürzeren Zeit unter Einhal­ tung der einschlägigen gesetzlichen Vorschriften oder Empfeh­ lungen durchgespült bzw. belüftet werden. Durch eine entspre­ chende Einstellung der Absperreinrichtung können nacheinander alle Abgas-Strömungskanäle mit Spülluft beaufschlagt werden, so daß insgesamt der freie, jedoch unterteilte Innenquer­ schnitt des Dampferzeugerteils einem vorschriftsmäßigen "Purging" unterworfen ist.

Trotz der seriellen Ausführung mehrerer Purging-Vorgänge in den einzelnen Strömungskanälen ergibt sich dabei unter dem Strich eine Zeiteinsparung und damit eine bessere Starthäu­ figkeit. Dies liegt an dem nicht-linearen Zusammenhang zwi­ schen Querschnittsfläche eines Strömungskanals, Luftdurchsatz und Antriebsleistung des Verdichters. Es kann also der ge­ setzlich vorgeschriebene Spülluftstrom bereits bei geringerer Drehzahl, d. h. bei wesentlich verringerter Leistung des An­ fahrumrichters erreicht und der vorgeschriebene Luftaustausch erfüllt werden. Durch ein entsprechendes Sektionieren des In­ nenquerschnitts des Dampferzeugerteils können also optimal kurze Purging-Zeiten und entsprechend maximale Anfahrhäufig­ keiten der Gasturbine unter Einhaltung einschlägiger gesetz­ licher Vorschriften erreicht werden.

Nach dem Abschluß des Purging-Vorganges ist es vorteilhaft, die Absperreinrichtung vollständig aus dem Bereich der Aus­ lässe der Strömungskanäle herauszufahren und somit den Rauch­ gasweg für den eigentlichen Betrieb der Gasturbine vollkommen freizugeben.

Bevorzugte Ausführungsformen bzw. weitere Merkmale, Einzel­ heiten und Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar, in der ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Abhitze-Kessels, und

Fig. 2 eine Draufsicht des Kessels gemäß Fig. 1.

Wie aus den beiden Zeichnungen deutlich wird, besteht der Ab­ hitze-Dampferzeuger für eine (nicht dargestellte) Gasturbi­ nen-Anlage aus einem von der Gasturbine gespeisten Abgas-Ein­ laß 1, einem sich daran anschließenden Dampferzeugerteil 2 und einem danach folgenden Abgas-Schornstein 3. Abgas-Einlaß 1 und Dampferzeugerteil 2 sind dabei modular aufgebaut und bestehen aus einzelnen Ringstücken 4, die in entsprechenden Gestellteilen 5 gehalten und in nicht näher dargestellter Weise miteinander verbunden sind. Die Ringstücke 4.1 bis 4.5 des Abgas-Einlasses 1 vergrößern sich Sukzessive zum Dampfer­ zeugerteil 2 hin in ihrem Querschnitt, der von der runden Mündungsöffnung 6 ausgehend sich zu den konstanten freien In­ nenquerschnitt des Dampferzeugerteils 2 aufweitet. Dieser ist schmal gehalten, jedoch relativ hoch ausgebildet, wie aus ei­ nem Vergleich der Fig. 1 und 2 deutlich wird. Im Dampferzeu­ gerteil 2 wird der Abgasstrom bezüglich der Wärmetauscher­ funktion primärseitig geführt. Im Dampferzeuger sind ferner im Bereich der Ringstücke 4.7, 4.8 und 4.10 bis 4.13 Wärme­ tauscherrohre 7 als Module eingesetzt, die die Sekundärseite des Wärmetauschers bilden und von Dampf als Wärmetauscherme­ dium durchströmt sind. In Fig. 1 sind die entsprechenden An­ schlußarmaturen 8 für die Rohre 7 erkennbar.

Am austrittsseitigen Ende verjüngt sich das Dampferzeuger 2 im Bereich seines sogenannten "Fuchses" 9, der in den Abgas-Kamin 3 einmündet.

Wie in Fig. 2 durch die verstärkt herausgezeichneten Linien dargestellt ist, ist der freie Innenquerschnitt des Dampfer­ zeugerteils 2 in mehrere Abgas-Strömungskanäle 10, 11, 12 un­ terteilt. Dies erfolgt durch zueinander parallele, vertikal stehende Unterteilungsbleche 13, 14, die natürlich aus mehre­ ren Stücken zusammengesetzt sein können, wie dies in Fig. 1 durch die einzelnen langgestreckten Diagonalkreuze angedeutet ist, die die jeweiligen ebenen Unterteilungsbleche 13, 14 re­ präsentieren.

Die Abgas-Strömungskanäle 10, 11, 12 sind selektiv mittels einer Absperreinrichtung 15 verschließbar, die im Fuß 16 des Abgaskamins 3 angeordnet ist. Diese Absperreinrichtung 15 ist so gestaltet, daß - wie dies in Fig. 2 gezeigt ist - der Ab­ gas-Strömungskanal 11 offen ist, wobei die beiden benachbar­ ten Strömungskanäle 10, 12 auslaßseitig verschlossen sind. Dazu ist die Absperreinrichtung 15 als Rotationsschieber aus­ gebildet, der eine zentrale Antriebswelle 17 aufweist. Diese liegt konzentrisch zur vertikalen Längsachse 18 des im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel stehend angeordneten Abgas-Schorn­ steins 3. Die Antriebswelle 17 ist durch einen nicht näher dargestellten Motor drehangetrieben. An ihr sind zwei Strebenanordnungen 19, 20 angebracht, die an ihren äußeren Enden jeweils Stauklappen 21, 22 tragen. Diese Stauklappen sind teilzylindrisch geformt und entsprechen in der Höhe dem drei im Fuchs 9 gebildeten Auslässen 23, 24, 25. Die Stau­ klappen 21, 22 erstrecken sich jeweils über einen Umfangswin­ kel 26, der mindestens so groß ist, wie die Summe der Um­ fangswinkel 27 zweier nebeneinanderliegender Auslässen 23, 24. Zwischen den beiden Stauklappen 21, 22 verbleibt ein freier Bereich, der sich über einen Umfangswinkel 28 er­ streckt, der wiederum dem Umfangswinkel 27 eines Auslasses 23, 24, 25 entspricht. Durch diese Dimensionierung der Stau­ klappen 21, 22 kann selektiv jeweils einer der Strömungskanä­ le 10, 11, 12 geöffnet werden. In der in Fig. 2 gezeigten Po­ sition ist - wie erörtert - der mittlere Strömungskanal 11 offen, wogegen die beiden seitlichen Strömungskanäle 10, 12 durch die Stauklappen 21 und 22 verschlossen sind. Zur Öff­ nung des Strömungskanals 10 wird die Absperreinrichtung 15 um den Umfangswinkel 27 im Uhrzeigersinn gemäß Fig. 2 gedreht, so daß die Stauklappe 22 beide Auslässe 24, 25 verschließt.

Die Öffnung des Strömungskanals 12 erfolgt analog durch Dre­ hung in die Gegenrichtung.

Durch die vorstehend erläuterte Öffnung und Schließung der Strömungskanäle 10, 11, 12 können diese nacheinander belüftet bzw. luftgespült werden. Danach wird die Absperreinrichtung 15 beispielsweise durch Verdrehen um 180°C aus der in Fig. 2 gezeigten Darstellung aus dem Bereich der Auslässe 23, 24, 25 der Strömungskanäle 10, 11, 12 herausgefahren und der Abgas­ weg durch den Wärmetauscher vollständig freigegeben.

Es bleibt zu ergänzen, daß die Unterteilungsbleche 13, 14 zu­ mindest teilweise aus ohnehin vorhandenen Entdröhnblechen im Dampferzeugerteil 2 gebildet sein können.

Abschließend ist auf folgende allgemeine Vorteile der erfin­ dungsgemäßen Sektionierung des Dampferzeugers hinzuweisen:

• - Bei Wiederanfahrvorgängen kann die Abhängigkeit zwischen dem Abhitzekessel und dem Gasturbinenbetrieb aufgehoben werden.
• - Es besteht eine einfache Umrüstmöglichkeit zwischen Öl- und Gasbetrieb.
• - Es liegt eine hohe Regelungssicherheit beim Mischbetrieb vor.
• - Die Sektionierung ist sowohl bei liegenden als auch ste­ henden Kesselanlagen einbaubar.
• - Entdröhnbleche können unter entsprechenden Kostenvorteilen zur Sektionierung des Kessels benutzt werden.
• - Bei stehenden Kesseln könnte die Regenklappe als Stauklappe bei der Sektionierung fungieren.
• - Die Stauklappen für den Purging-Betrieb können bei liegen­ dem Kessel als Wärmestauklappe während des Anlagenstill­ stands oder als Rückstromverhinderungsklappe fungieren.
• - Die Sektionierung ist bei einem modularen Aufbau der Ge­ samtanlage einfach durchzuführen.

Claims (8)

1. Abgas-Wärmetauscher, insbesondere Abhitze-Dampferzeuger für Gasturbinen-Anlagen, mit

• - einem Abgas-Einlaß (1),
• - einem sich daran anschließenden Dampferzeugerteil (2), der den Abgasstrom primärseitig führt und der mit einem Wärme­ tauschermedium sekundärseitig durchströmte Wärmetauscher­ rohre (7) in seinem freien Innenquerschnitt aufweist, und
• - einem sich an das Dampferzeuger (2) anschließenden Abgas-Schornstein (3),

gekennzeichnet durch eine Unterteilung des freien Innenquerschnitts des Dampferzeugerteils (2) in mehrere Abgas-Strömungskanäle (10, 11, 12), die selektiv mit­ tels einer Absperreinrichtung (15) gegen Strömungsdurchtritt verschließbar sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch zueinander parallele Unterteilungsble­ che (13, 14), die den freien Innenquerschnitt des Dampferzeu­ gers (2) in mehrere nebeneinanderliegende Strömungskanäle (10, 11, 12) unterteilen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Un­ terteilungsbleche (13, 14) vertikal angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ sperreinrichtung (15) aus variabel einstellbaren Stauklappen (21, 22) besteht, die den jeweiligen Strömungskanal (10,11, 12) auslaßseitig verschließbar machen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauklappen (21, 11) an einem Rotationsschieber (15) im Fuß (16) des Abgas-Schornsteins (3) angeordnet sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ro­ tationsschieber (15) eine zentrale Antriebswelle (17) auf­ weist, die konzentrisch zur Längsachse (18) des Schornsteins (3) angeordnet ist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ sperreinrichtung (15) vollständig aus dem Bereich der Ausläs­ se (23, 24, 25) der Strömungskanäle (10, 11, 12) herausfahr­ bar ist.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Ent­ dröhnbleche im Dampferzeuger zum Unterteilen des Innenquer­ schnitts des Dampferzeugers fungieren.