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Die
Erfindung betrifft einen Zuluftkanal für einen Dampferzeuger mit Wärmerückgewinnung,
in dem Dampf mittels Fernübertragung
von einem aus einer Gasturbine einer Energieerzeugungsvorrichtung
mit kombinierten Kreisläufen
ausgetretenen Abgas hoher Temperatur erzeugt wird.
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Dieser
Zuluftkanal ist zusätzlich
an einem Einlasskanal installiert, der mit einem Auslasskanal einer
Gasturbine einer Energieerzeugungsvorrichtung mit kombinierten Kreisläufen verbunden
ist, um die für
die zusätzliche
Verbrennung in dem Kanalbrenner eines Standerzeugers mit Wärmerückgewinnung
erforderliche Luft bereitzustellen.
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Eine
derartige Anordnung ist grundsätzlich bereits
aus der
US 4,555,902
A bekannt.
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Mit
der Verschärfung
der Umweltschutzbestimmungen in den letzten Jahren gab es einen
gewaltigen Anstieg im Bau von höchst
leistungsfähigen und
zuverlässi gen
Kraftwerken mit kombinierten Kreisläufen bei verminderter Verunreinigung
der Abgase im Gegensatz zu Kohle- oder Kernkraftwerken.
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Eine
Energieerzeugungsvorrichtung mit kombinierten Kreisläufen besteht
als solche im wesentlichen aus einer Gasturbine, einem Dampferzeuger
mit Wärmerückgewinnung
und einer Dampfturbine.
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Bei
der obengenannten Energieerzeugungsvorrichtung mit kombinierten
Kreisläufen
wird zwecks Erhöhung
des Wirkungsgrades der Anlage zunächst durch Verbrennung von
fossilem Brennstoff das Verbrennungsgas hoher Temperatur erzeugt,
mit dem dann die Gasturbine zur Erzeugung elektrischer Energie in
Gang gesetzt wird. In dem Dampferzeuger mit Wärmerückgewinnung wird der Dampf
durch aus der Gasturbine austretendes Verbrennungsgas (Abgas) hoher
Temperatur erzeugt, und mit diesem Dampf wird die Dampfturbine in
Gang gesetzt, um dann elektrische Energie zu erzeugen.
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4 ist eine schematische
Darstellung der Konfiguration der Anlage, in der die relevanten
Bereiche der Gasturbine und des Dampferzeugers mit Wärmerückgewinnung
in den Hauptbestandteilen eines herkömmlichen Kraftwerks mit kombinierten Kreisläufen veranschaulicht
sind. Ein Dampferzeuger 19 mit Wärmerückgewinnung umfaßt einen
Einlaßkanal 4,
einen Übergangskanal 6,
einen Wärmetauscher
mit einem Rippenrohr und einen Kamin 10.
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Das
Funktionsprinzip ist dabei folgendes: Wenn das Verbrennungsgas hoher
Temperatur, das aus dem Auslaßkanal 3 der
Gasturbine 2 einströmt, durch
die in dem Übergangskanal 6 des
Dampferzeugers 19 mit Wärmerückgewinnung
installierte Strömungskorrekturvorrichtung 7 strömt, wird
zunächst die
Strömung
darin gleichmäßig verteilt,
und das Verbrennungsgas wird in die erste Wärmeübertragungsfläche eingeleitet,
d.h. an ein Rohrbündel
zum Wärmeaustausch
in dem Hochdruckabschnitt.
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Das
zwecks Wärmeaustausch
in das Rohrbündel
strömende
Verbrennungsgas überträgt Wärme auf
das in dem Rippenrohr fließende
Wasser oder den darin strömenden
Dampf, wodurch Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur erzeugt
wird. Dann wird das Verbrennungsgas im Zustand niedriger Temperatur
durch den Kamin 10 nach außen abgelassen.
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Von
den Bestandteilen des Dampferzeugers 19 mit Wärmerückgewinnung
dient die am Einlaßkanal 4 installierte
Strömungskorrekturvorrichtung 7 zur Ausbildung
einer gleichmäßigen Verteilung
der Strömung
am Einlaß des
Wärmetauschers
in dem Hochdruckabschnitt. Folglich spielt die Strömungskorrekturvorrichtung 7 eine sehr
wichtige Rolle bei der Verbesserung des Wärmewirkungsgrades eines Dampferzeugers 19 mit
Wärmerückgewinnung
und bei der Verhinderung von Schäden
an dem Rippenrohr.
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Inzwischen
wird zur Erzeugung zusätzlicher elektrischer
Energie der aus dem Rohrbündel
erzeugte Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur zu der Dampfturbine
(nicht dargestellt) geleitet.
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Im
allgemeinen bleibt die Menge und die Temperatur des aus der Gasturbine 2 kommenden Abgases
auf einem bestimmten Zustand (Niveau), je nach dem Typ der Gasturbine.
Die Menge und die Temperatur des Dampfes an sich, der in dem Dampferzeuger 19 mit
Wärmerückgewinnung
erzeugt werden kann, sind normalerweise auf konstante Werte eingestellt.
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Je
nach Bedarf ist es jedoch notwendig, die Menge des produzierten
Dampfes zusätzlich
zu erhöhen.
Unter den folgenden Umständen
ist es beispielsweise notwendig, zusätzliche Energie zuzuführen, um
die Menge des in dem Dampferzeuger 19 mit Wärmerückgewinnung
produzierten Dampfes zu erhöhen:
(a) wenn der aus dem Dampferzeuger 19 mit Wärmerückgewinnung
produzierte Dampf nicht nur zur Erzeugung von elektrischer Energie
verwendet wird, sondern auch zum Heizen des Inneren der Anlage,
etc., oder (b) der Bedarf eines Benutzers mit einer einfachen Kombination
aus Gas- und Dampfturbinen nicht erfüllt werden kann.
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Aus
diesen Gründen
ist ein Kanalbrenner 8 normalerweise am Einlaß des Dampferzeugers 19 mit
Wärmerückgewinnung
installiert, um das aus der Gasturbine 2 austretende Abgas
zu erwärmen.
In diesen Fällen
muß die
Sauerstoffkonzentration um den Kanalbrenner 8 herum hoch
sein, um eine gleichmäßige Verbrennung
zu gewährleisten.
Die zusätzliche
Verbrennungsluft sollte daher neben dem Sauerstoff in dem aus der
Gasturbine austretenden Abgas dem Brenner zugeführt werden.
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Bei
dem herkömmlichen
Kraftwerk mit kombinierten Kreisläufen waren jedoch die Einrichtungen für die getrennte
Zufuhr von Verbrennungsluft nicht ausreichend. Infolgedessen war
die Anlage für
den Fall, wo der Sauerstoff zusätzlich
zugeführt
werden mußte,
nicht entsprechend ausgelegt.
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Im
vorliegenden Fall bezeichnet das noch nicht erläuterte Bezugszeichen 1 in 1 und 4 einen Lufteinlaß, und G bezeichnet einen Generator und
M einen Motor.
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Je
nachdem; ob der Kanalbrenner 8 verwendet wird oder nicht,
werden Dampferzeuger mit Wärmerückgewinnung
unterteilt in Dampferzeuger mit Wärmerückgewinnung unter zusätzlicher
Verwendung einer Feuerung oder Dampferzeuger mit Wärmerückgewinnung
ohne Verwendung einer Feuerung.
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Mit
Bezug auf die Energieerzeugungsvorrichtung mit kombinierten Kreisläufen wurde
die vorliegende Erfindung entwickelt, um die Probleme des herkömmlichen
Dampferzeugers mit Wärmerückgewinnung
zu lösen.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, Einrichtungen bereitzustellen,
die die Energieerzeugungsvorrichtung mit kombinierten Kreisläufen so
strukturieren, daß die
neu zugeführte
Luft und das aus der Gasturbine austretende Abgas optimal gemischt
werden, die die Produktionskosten durch leichten Einbau einer solchen
Vorrichtung reduzieren, und die den Druckabfall im Inneren des Dampferzeugers
mit Wärmerückgewinnung
zum Zeitpunkt dieser Vermischung minimieren.
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Um
die obengenannten Aufgaben wirksam zu lösen, stellt die vorliegende
Erfindung einen zusätzlichen
Zuluftkanal bereit, der an dem mit dem Auslaßkanal der Gasturbine verbundenen
Einlaßkanal
installiert ist. Als solcher ist er in der Lage, die für die zusätzliche
Verbrennung in dem Kanalbrenner des Dampferzeugers mit Wärmerückgewinnung
erforderliche Verbrennungsluft zuzuführen.
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In
Fällen
wie dem oben beschriebenen, wo Verbrennungsluft neu zugeführt wird,
sollte jedoch die Verteilung der Sauerstoffkonzentration auf der Ebene
das Kanals unmittelbar stromaufwärts
von dem Kanalbrenner gleichmäßig sein,
um eine vollständige
Verbrennung und eine stabile Flamme zu erreichen.
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In
dieser Hinsicht wird mit der vorliegenden Erfindung insbesondere
die Konfiguration des Zuluftkanals definiert, um das aus der Gasturbine
austretende Abgas mit der neu zugeführten Luft in einem begrenzten
Raum optimal zu mischen.
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Der
Zuluftkanal der vorliegenden Erfindung ist nach den folgenden Punkten
konzipiert: Das optimale Konstruktionsverfahren betrifft die Position
des Zuluftkanals und seine Ausrichtung, um die neu zugeführte Luft
gleichmäßig mit
dem aus der Gasturbine austretenden Abgas hoher Temperatur zu mischen.
Der Grund dafür
ist, daß die
neu zugeführte Verbrennungsluft
eine relativ höhere
Sauerstoffkonzentration besitzt als das aus der Gasturbine austretende
Abgas.
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Um
den Druckverlust im Inneren des Dampferzeugers mit Wärmerückgewinnung
zu minimieren, sind weiterhin die Eindringtiefe (Einsetztiefe) des
in den Einlaßkanal
ragenden Zuluftkanals und die Konfiguration der mit dem Gebläse verbundenen
Endabschnitte des Zuluftkanals genau vorgeschrieben. Wenn der Druckverlust
im Inneren des Dampferzeugers mit Wärmerückgewinnung zunimmt, muß dementsprechend
auch die Kapazität
des Gebläses
erhöht
werden, wodurch neben den hohen Betriebskosten in Verbindung mit
dem erhöhten
Verbrauch an elektrischer Energie für den Betrieb des Gebläses auch
die Produktionskosten ansteigen. Natürlich ist ein solcher Nachteil
ein Faktor, der das Produkt für den
Verkauf unattraktiv macht.
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Schließlich kann
es einfach und problemlos auf der herkömmlichen Energieerzeugungsvorrichtung
mit kombinierten Kreisläufen
installiert werden, und es ist so ausgelegt, daß es die Produktionskosten
minimiert.
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1 ist
eine schematische Darstellung, die den Aufbau des mit einem Zuluftkanal
versehenen Dampferzeugers mit Wärmerückgewinnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Querschnittsansicht gemäß 1 längs der
Linie A-A'.
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3a bis 3c zeigen
eine Draufsicht, eine Vorder- und eine Seitenansicht des Zuluftkanals gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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4 ist
eine schematische Darstellung der Konfiguration der Anlage, die
die relevanten Bereiche der Gasturbine und des Dampferzeugers mit Wärmerückgewinnung
anhand der Bauteile der herkömmlichen
Energieerzeugungsvorrichtung mit kombinierten Kreisläufen veranschaulicht.
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Nachfolgend
wird der Aufbau des Zuluftkanals gemäß der vorliegenden Erfindung
anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Die
Bestandteile der vorliegenden Erfindung, die dieselben Konfigurationen
und Funktionen wie die der herkömmlichen
Vorrichtung haben, wurden der Einfachheit halber weggelassen.
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1 ist
dieselbe Art von Zeichnung wie 4 und veranschaulicht
den zusätzlichen
Zuluftkanal, der zusätzlich
am Einlaßkanal
des Dampferzeugers 9 mit Wärmerückgewinnung gemäß der vorliegenden
Erfindung installiert wurde.
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Wie
in 1 gezeigt, ist der Zuluftkanal 5 gemäß der vorliegenden
Erfindung über
ein Rohr im rückwärtigen Ende
des mit dem Auslaßkanal 3 der Gasturbine 2 verbundenen
Einlaßkanals
(nahe dem Übergangskanal)
installiert. Der Grund dafür
ist, daß der
Zuluftkanal 5 auf der Vorderseite der Strömungskorrekturvorrichtung 7 installiert
werden muß,
um eine gleichmäßige Verteilung
der Sauerstoffkonzentration am Einlaß des Kanalbrenners 8 zu
erreichen.
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Die
Strömungskorrekturvorrichtung 7 ist
eine Vorrichtung, die die Strömungsverteilung
(Abgas und Verbrennungsluft) steuert. Im Falle eines Dampferzeugers
mit Wärmerückgewinnung
sorgt die Vorrichtung dafür,
daß am
Einlaß des
Kanalbrenners 8 eine gleichmäßige Strömung herrscht, wodurch eine
weitere Vermischung des Verbrennungsgases mit dem aus der Gasturbine 2 einströmenden Abgas
hoher Temperatur bewirkt wird.
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Die
Beziehung zwischen dem Einlaßkanal 4 und
dem Zuluftkanal 5 ist in 2 und 3a–3c deutlich
gezeigt.
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Bei
der obigen Ausführungsform
wurde der Endabschnitt T des Zuluftkanals 5 zur Herstellung
einer luftdichten Abdichtung in die rechte und linke Seite des Einlaßkanals 4 eingeführt, wodurch
die durch das Gebläse
neu zugeführte
Luft in zwei Ströme
am oberen rechten Abschnitt des Einlaßkanals 4 aufgeteilt
werden konnte und die Luft der linken bzw. rechten Seite zugeführt wurde.
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Zum
Einbau mit minimalen Kosten sollte der Kanal natürlich so ausgelegt sein, daß Frischluft
wirksam zugeführt
werden kann, ohne daß dazu
eine Steuerungsvorrichtung notwendig ist.
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Mittlerweile
sollte die Eindringtiefe des Endabschnitts ungefähr ein Achtel der Breite des
Einlaßkanals 4 betragen,
und beide sollten von der Seite betrachtet versetzt zueinander ausgerichtet
sein. Demzufolge kann die gesamte Querschnittsfläche des Zuluftkanals 5 gemessen
werden.
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Auf
diese Weise sind die einander gegenüberliegenden Endabschnitte
des Zuluftkanals 5 so daran befestigt, daß sie in
gleicher Weise Frischluft von den gegenüberliegenden Seiten einblasen
(zuführen).
Die gleichmäßige Verteilung
der Sauerstoffkonzentration kann über die Breite des Einlaßkanals 4 erzielt
werden. In diesen Fällen
ist jedoch die Eindringtiefe des Endabschnitts über die Breite zu berücksichtigen.
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Wenn
eine Vielzahl von Endabschnitten T am oberen und unteren Teil des
Einlaßkanals 4 in
regelmäßigen Abständen angebracht
ist, kann eine gleichmäßige Verteilung
der Sauerstoffkonzentration in Längsrichtung
erzielt werden. Mit zu nehmender Anzahl der eingebauten Endabschnitte
wird die Sauerstoffkonzentration in Längsrichtung immer gleichmäßiger.
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In
diesen Fällen
gibt es jedoch einige Nachteile, da es schwierig ist, eine feste
Strömungsmenge den
jeweiligen Endabschnitten T zuzuführen, was gleichzeitig mit
einen Anstieg der Produktionskosten verbunden ist. In dieser Hinsicht
muß die
Anzahl der Einbauten je nach den verschiedenen Umständen reguliert
werden.
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Im
folgenden wird die Funktionsweise des Zuluftkanals gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutert.
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Die
durch den Zuluftkanal 5 zugeführte Verbrennungsluft wird
zunächst
durch Diffusion aufgrund ihres Temperaturunterschieds mit der stark
verwirbelten Komponente des aus der Gasturbine 2 austretenden
Abgases vermischt. Unter dieser Bedingung allein ist es jedoch schwierig,
eine gleichmäßige Verteilung
der Sauerstoffkonzentration am Einlaß des Kanalbrenners 8 zu
erreichen.
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Demzufolge
ist bei der vorliegenden Erfindung der Zuluftkanal 5 vor
der Strömungskorrekturvorrichtung 7 installiert,
damit die zwei Fluide mit unterschiedlichen Eigenschaften noch ein
weiteres Mal durch starkes Rühren
vermischt werden können, wenn
sie die Strömungskorrekturvorrichtung 7 durchströmen. Auf
diese Weise kann die gleichmäßige Verteilung
der Sauerstoffkonzentration am Einlaß des Kanalbrenners 8 erzielt
werden.
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Gemäß 3a–3c wurden
die Endabschnitte T des Zuluftkanals 5 des weiteren so
angeordnet, daß sie
an der rechten und linken Seite des Einlaßkanals 4 versetzt
zueinander angeordnet sind, um eine gründliche Vermischung der beiden
Fluide in Quer- und Längsrichtung
des Einlaßkanals 4 zu
bewirken.
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Außerdem wurde
die Konfiguration des Endabschnitts T des Zuluftkanals 5 rechteckig
ausgebildet bei einem Verhältnis
von Breite zu Höhe
von 2:1, und die Eindringtiefe ins Innere des Einlaßkanals 4 wurde
auf ein Achtel der Breite des Ein laßkanals 4 eingestellt,
wodurch die Verbrennungsluft problemlos in den Einlaßkanal 4 eindringen
konnte.
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Die
Konfiguration des Endabschnitts T des Zuluftkanals und die Eindringtiefe
sollten jedoch nicht als durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
begrenzt angesehen werden, sondern können auf verschiedene Weise
unter verschiedenen Umständen
geändert
werden.
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Wie
oben beschrieben, läßt sich
im Falle einer Energieerzeugungsvorrichtung mit kombinierten Kreisläufen, die
einen Dampferzeuger mit Wärmerückgewinnung
und getrenntem zusätzlichem
Zuluftkanal gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt,
die gleichmäßige Verteilung
der Sauerstoffkonzentration an der Stirnfläche des Einlasses des Kanalbrenners 8 erreichen,
wobei eine stabile Flamme und eine vollständige Verbrennung im Kanalbrenner 8 erzielt
werden.