DE2558701A1

DE2558701A1 - Kombinierter wandbrenner und flammenhalter fuer waermerueckgewinnungs-dampfgenerator

Info

Publication number: DE2558701A1
Application number: DE19752558701
Authority: DE
Inventors: Jun James Mars Freeman; Bruce Edward Gans; Sotiris Lambiris; Donald Ernest Woodmansee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-01-06
Filing date: 1975-12-24
Publication date: 1976-07-08
Also published as: JPS5636321B2; GB1531507A; JPS5193455A; CA1050839A; EG11920A; US3934553A

Description

Kombinierter Wandbrenner und Flammenhalter für Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Leistungsanlagen mit kombinierten Arbeitszyklen und insbesondere.auf eine Einrichtung zur Erhöhung der Gasturbinen-Abgastemperaturen in einem Wärmerückgewinnungs -Dampf gener at or stromaufwärts von einem Dampf erzeugenden Siederohrabschnitt.

Ein Anwendungsbeispiel für die vorliegende Erfindung ist ein Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator in einem Kraftwerk mit kombinierten Arbeitszyklen, bei dem heiße Gasturbinenabgase durch eine Rohrleitung geleitet werden, die einen Siederohrabschnitt ent-

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hält, wobei ein Wärmeübergang zwischen den heißen Abgasen und dem Strömungsmittel in dem Kesselrohr herbeigeführt wird, um Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine zu erzeugen. Darüber hinaus ist es häufig wünschenswert, die Temperatur des heißen Abgases stromaufwärts von dem Siederohrabschnitt zu erhöhen, sei es intermittierend oder kontinuierlich, wobei der Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator dann als "gezündet" bezeichnet wird. Eine bekannte Einrichtung zum Zünden eines Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators ist ein Gitterbrenner, wie er in der US-PS 3 83O 620 beschrieben ist. Im allgemeinen enthält ein Gitterbrenner ein Netzwerk aus Brennstoff-Zufuhrleitungen, die innerhalb und über der Querschnittsfläche des Strömungskanales des Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators angeordnet sind. Jede Leitung weist zahlreiche Brennstoffauslaßöffnungen an dem stromabwärtigen Umfang der Leitung auf. In einem Gitterbrenner wird Brennstoff durch die Gitterleitungen hindurch zugeführt und an den Auslaßöffnungen am stromabwärtigen Umfang der Leitung durch Pilotbrenner gezündet, die quer und benachbart zu den Gitterleitungen und stromabwärts davon angebracht sind.

Eine der dem Gitterbrennersystem von Natur aus anhaftende Beschränkung ist die Möglichkeit, daß die Brennstoffleitungen in den Gitterbrennern verstopft werden können. Dies liegt daran, daß die Temperatur die Brennstoffviskosität beeinflußt und die Brennstoffleitungen in dem Strömungskanal des Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators angeordnet sind, der den weiten Temperaturänderungen in Abhängigkeit von den Gasturbinen-Betriebsbedingungen ausgesetzt ist. Lösungen für dieses Problem liegen in der Form von Reinigungsmitteln und/oder Isolierungsmitteln für die Rohrleitungen und in der Beschränkung des verwendeten Brennstoffes auf Destillatöle oder Erdgas vor. Falls eine Verstopfung der Brennstoffleitung auftreten sollte, erfordert die Wartung einen Zugang zum Strömungskanal des Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators oder alternativ eine Lösung, wie sie in der US-PS 3 8-43 309 beschrieben ist, wonach die Brennstoffleitung aus der Brennerleitung herausnehmbar ist.

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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, den bekannten Gitterbrennersystemen anhaftende Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung zum Zünden eines Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators zu schaffen, die eine Verstopfung der Brennstoffleitung verhindert und die mit Rückstandsbrennstoffen betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wandbrennersystem zum Erhitzen der Gasturbinen-Abgase gelöst, bei dem alle Brennstoffzufuhreinrichtungen außenseitig vom Strömungskanal des Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators angeordnet sind. Die Wandbrenner sind mit Flammenhaltern versehen, die innerhalb des Strömungskanales des Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators angeordnet sind, aber die Flammenhalter enthalten keine Brennstoffzufuhrleitungen und sind deshalb nicht anfällig gegenüber einer Verstopfung der Brennstoffleitungen. Darüber hinaus können die Wandbrenner mit relativ billigen Rückstandsölen betrieben werden. Die Wandbrenner können stromaufwärts in die Abgasströmung gerichtet sein und jeder Wandbrenner enthält einen zugehörigen V-förmigen Flammenhalter, der ebenfalls stromaufwärts in die Abgasströmung etwa parallel zur Brennerachse gerichtet sein kann. Eine Zündung erfolgt innerhalb des Wandbrenners und der Flammenhalter zieht die ausgestoßende Flamme entlang der Flammenhalterlänge an und verhindert dadurch, daß die Flammen durch die Turbinenabgasströmung in stromabwärtiger Richtung zum Siederohrabschnitt abgehoben werden. Durch das Anordnen des Wandbrenners stromaufwärts in die Abgasströmung wird gestattet, daß die Flammenlänge über dem Strömungskanal des Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators möglichst groß genug gemacht wird. Darüber hinaus ist ein kürzerer Strömungskanal zwischen dem Verbrennungsabschnitt und dem Siederohrabschnitt erforderlich, da die Flammen von den Siederohren weggerichtet sind.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

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Figur 1 ist eine Draufsicht auf eine Wärmerückgewinnungsi-Oampfgenerator mit Gasturbinen- und Dampfturbinen-Strömungsmittelanschlüssen.

Figur 2 ist eine Querschnittsansicht von einem Verbrennungsabschnitt eines erfindungsgemäß aufgebauten Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators.

Figur 3 ist eine Querschnittsansicht von dem Verbrennungsabschnitt in Blickrichtung der Abgasströmung.

Figur 4 ist eine Querschnittsansicht von einem Flammenhalter.

Figur 1 zeigt einen Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 11, wie er in Kraftwerken mit kombinierten Arbeitszyklen verwendet wird. An dem einen Ende liefert eine nicht gezeigte Gasturbine heiße Abgase an einen Abgaseinlaß 13. Die Abgasströmung kann zwischen einem Dampfgeneratorrohr 15 und einem Bypaß 17 aufgeteilt werden, wobei die Verhältnisse durch einen Sperrschieber 1*9 und einen Bypaßschieber 21 bestimmt werden. Der gewünschte Gasanteil zum Dampfgeneratorrohr hängt von der Abgastemperatur der Gasturbine und dem Strömungsvolumen und den Betriebsbedingungen der nicht gezeigten Dampfturbine ab. Das durch den Sperrschieber in das Dampfgeneratorrohr strömende Abgas wird durch einen Verbrennungsabschnitt 25 hindurchgeleitet, wo es gemäß der vorliegenden Erfindung erhitzt wird. Der Verbrennungsabschnitt kann kontinuierlich oder intermittierend "gezündet" werden. Das erhitzte Gas strömt dann durch einen unteren Übergangskanal 27 zu einem Siedeabschnitt 29·

Der Siedeabschnitt kann von einem Vorwärmer, einem Verdampfer und einem Überhitzer gebildet werden, wobei dem Vorwärmer Speisewasser zugeführt wird und der Überhitzer ist mit einer Dampfleitung verbunden, die ihrerseits mit der nicht-gezeigten Dampfturbine in Verbindung steht. Das erhitzte Gasturbinenabgas wird dann in eine Wärmeübertragungsrelation zu dem Speisewasser ge-

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bracht, um Dampf für die nicht-gezeigte Dampfturbine zu liefern. Weiterhin sind eine Verdampfertrommel 31 und eine Umwälzpumpe 33 in Verbindung mit dem Siederohrabschnitt vorgesehen. Die vorstehend beschriebene Anordnung gibt einen allgemeinen Rahmen für die Verwendung einer Wärmetauschereinrichtung gemäß der Erfindung an.

Aus den Figuren 2 und 3» die auf entsprechende Weise Seiten- und Längsschnitte des Verbrennungsabschnittes 25 darstellen, wird deutlich, daß der Verbrennungsabschnitt ein rechtwinkliger Strömungskanal 41 sein kann, durch den die Gasturbinenabgase hindurchgeführt werden. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die kürzeren Seitenwände des Strömungskanales mit vertieften gegenüberliegenden öffnungen 43 versehen zur Aufnahme zahlreicher gegenüberliegender Wandbrenner 45. Die Wandbrenner können mit Luftzerstäubung arbeitende Flüssigbrennstoff-Wandbrenner sein, wobei jeder Brenner einen Verteiler 47 für die Zufuhr von flüssigem Brennstoff und einen Verteiler 49 für die Zufuhr von Zerstäubungsluft enthält. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jeder Wandbrenner in Verbindung mit einem V-förmigen Flammenhalter 51 verwendet. Jeder Wandbrenner weist eine axiale Düsenmittellinie 53 auf, die unter einem Winkelt zu einer horizontalen Ebene senkrecht zur AbgasStrömungsrichtung stromaufwärts in das Abgas gerichtet sein kann. Jeder Flammenhalter kann auch stromaufwärts in die Abgasströmung etwa parallel zu seiner zugehörigen axialen Brennerlinie und demzufolge in einem Winkel etwa gleich oC in bezug auf eine Ebene senkrecht zur Abgasströmungsrichtung gerichtet sein. Die stromaufwärts gerichtete Orientierung der Wandbrenner-Mittellinie und des Flammenhalters hat wenigstens zwei wichtige Ergebnisse zur Folge. Das eine Ergebnis ist, daß die Flammenhalterlänge und demzufolge die Flammenlänge möglichst groß gemacht ist, da der Flammenhalter effektiv die Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreieckes ist, dessen zwei andere Schenkel eine horizontale Linie senkrecht zur Abgasströmung und eine vertikale Linie sind, die die horizontale Linie und das freie Ende des Flammenhalters verbindet. Das andere

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Ergebnis besteht darin, daß die Länge des unteren übergangskana-Ies 27 (s. Figur 1) möglichst kurz gemacht werden kann, da der Brenner und der Flammenhalter vom Siederohrabschnitt weggerichtet sind. Der Winkel -χ, kann im allgemeinen irgendein zweckmäßiger Winkel zwischen 0 und
dere Winkel verwendet werden.

mäßiger Winkel zwischen 0 und ^5° sein. Es können aber auch an-

Die Brenner sind mit Luftzerstäubung arbeitende Flüssigbrennstoffbrenner, die mit Restbrennstoffen arbeiten können. Ein Beispiel für einen derartigen Brenner ist ein Brenner mit der Bezeichnung "Gasiform", der von der Voorheis Industries Inc. of Caldwell, New Jersey, erhältlich ist. In derartigen Brennern werden öl und Luft in einer Innenkammer 55 gemischt und durch einen nicht-gezeigten Gas- oder ölzünder gezündet, der in jeder Brennerwand enthalten ist. Nach der Zündung werden die Verbrennungsprodukte einschließlich der Flamme und unverbrannten Brennstoffes und Luft durch den Brennerhals 57 stromaufwärts in die Abgasströmung entlang der Flammenhalterlänge gerichtet.

Jeder Flammenhalter 51 ist eine langgestreckte V-förmige Wanne, die an ihrem einen Ende an der Brennerwand durch einen Stift 59 und einen Befestigungsbügel 6l befestigt ist. Das freie Ende von Jedem Flammenhalter ist durch einen Bügel 63 bewegbar gehaltert, der an einer Rohrbefestigung 65 angebracht ist, die sich über den Verbrennungsabschnittskanal erstreckt.

Gemäß Figur H hat jeder Flammenhalter die Funktion, die Verbrennungsprodukte von seinem entsprechenden Wandbrenner anzuziehen, indem er eine Niederdruckrinne stromaufwärts von dem Wandbrenner bildet. Darüber hinaus muß jeder Flammenhalter genügend Primärluft liefern, um die Verbrennung unverbrannter Verbrennungsprodukte längs der Flammenhalterlänge zu unterstützen. Gemäß diesen Erfordernissen weist jeder Flammenhalter eine Hauptstützbalken-Konfiguration mit einem Winkel 73 auf, der sich über die ganze Länge des Flammenhalters erstreckt und durch eine

über Flachstabrippe 71 verstärkt ist, die sich ebenfalls/die Flammeη-

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halterlänge erstreckt, über dem offenen V des Winkels sind zahlreiche Strahlungsabschirmungen 75 angebracht, um Hitze von der Wandbrennerflamme zu reflektieren. Die Unterseite von jeder Strahlungsabschirmung ist durch das relative kalte Gasturbinenabgas mittels zahlreicher Kühllöcher 77 gekühlt, die entlang dem Winkel 73 angeordnet sind.

Zahlreiche divergierende Innenflügel 85, Außenflügel 87 und Befestigungsbügel 79 sind entlang der Länge des Winkels 73 und der Rippe 71 angebracht, um den Flammenhalter zu bilden. Jede Stütze 79 ist mit einem inneren und äußeren Sitz 81 bzw. 83 versehen, um den inneren und äußeren Flügel 85 bzw. 87 aufzunehmen. Die inneren und äußeren Flügel bilden zusammen mit den Strahlungsabschirmungen die V-förmige Wanne bzw. Rinne. Die inneren und äußeren Flügel sind jeweils mit primären Luftlöchern 89 bzw. 91 entlang der gesamten Länge des Flammenhalters versehen. Wie aus Figur 3 zu ersehen ist, sind die primären Luftlöcher in den inneren und äußeren Flügel relativ zueinander versetzt. Ein innerer Spalt 93 ist zwischen dem Innenflügel und dem Winkelteil 73 und ein äußerer Spalt 95 ist zwischen dem Außenflügel und dem Innenflügel gebildet₃ um den Flammenhalter weiter zu kühlen.

Wie aus den Figuren 2 und 3 zu entnehmen ist, kann jeder Flammenhalter weiterhin eine Flammenhalterverlängerung 97 aufweisen, die zwischen dem Flammenhalter und der Brennerwand angeordnet ist. Die Flammenhalterverlängerung kann aus einem Drahtmaschenschirm gebildet sein und ist neben und unmittelbar stromaufwärts von dem Brennerhals 57 angeordnet. Die Flammenhalterverlängerung wirkt als eine Leitvorrichtung zwischen der Wand und dem Flammenhalter, um die Geschwindigkeit der zwischen der Wand und dem Flammenhalter- strömenden Abgase zu vermindern, was zur Stabilität der Brennerflamme beiträgt.

Die Leistungsfähigkeit einer Wärmetauschereinrichtung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann wie folgt

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beschrieben werden. Ein Gasturbinenabgas tritt mit einer Temperatur von 46O°C (86O°F) in einen Verbrennungsabschnitt des Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerators bei einer Geschwindigkeit von lljij m/sek (37₃4 feet/sek) ein. Die Einlaßtemperatur des Abgases in den Verbrennungsabschnitt hinein könnte von 200 bis 480⁰C (400 bis 900⁰P) schwanken. Die Nennabmessung des Strömungskanales des Verbrennungsabschnittes beträgt 3 auf 7j5O m (10 feet auf 2 5 feet) und es können bei der in Figur 3 gezeigten Konfiguration insgesamt sechs Wandbrenner verwendet werden. Der Winkel^ liegt in der Größenordnung von 27° zur horizontalen Ebene. Die Brenner sind Wandbrenner der Type "Gasiform" der Firma Voorheis, die mit leichten bis schweren Brennstoffen einschließlich Restöl betrieben werden können. Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen kann die Abgastemperatur auf etwa 28O bis 76O C (540 bis 140O⁰F) erhöht werden.

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Claims

Ansprüche

1. Wärmetauschereinrichtung mit einem Abgaseinlaß und einem Abgasauslaß, die durch einen Strömungskanal miteinander verbunden sind, der einen Siederohrabschnitt zum Hindurchleiten eines Strömungsmittels in einer berührungslosen Wärmeaustauschrelation zu dem Abgas und eine Verbrennungseinrichtung umfaßt zum Erhöhen der Temperatur des Abgases stromaufwärts von dem Siederohrabschnitt, dadurch gekennzeichnet , daß zahlreiche Wandbrenner (45) um den Umfang des Strömungskanales (41) herum angeordnet sind, von denen jeder Wandbrenner einen Düsenabschnitt mit einer axialen Mittellinie (53) in Richtung auf den Strömunprskanal aufweist und denen jeweils ein Plammenhalter (51) zugeordnet ist, der eine langgestreckte Wanne bzw. Rinne aufweist, von der das eine Ende neben einer Strömungskanalwand stromaufwärts von dem Brennerdüsenabschnitt angeordnet ist und von der das andere Ende auf die gegenüberliegende Strömungskanalwand gerichtet ist, wobei jeder Plammenhalter etwa parallel zu seiner entsprechenden axialen Düsenmittellinie des Wandbrenners verläuft.

2. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 1 als ein Rückgewinnungs-Dampf generator, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verbrennungsabschnitt durch den Strömungskanal (41) gebildet ist und zahlreiche Wandbrenner (45) aufweist, die in wenigstens einer Kanalwand angeordnet sind, wobei die axiale Mittellinie (53) in bezug auf die Abgasströmung stromaufwärts gerichtet ist und die Plammenhalter (51) langgestreckt und innerhalb des Strömungskanales angeordnet sind und jeder Plammenhalter mit seinem einen Ende neben der Brennerdüse angeordnet und das andere Ende auf die gegenüberliegende Kanalwand gerichtet ist ;md jeder Plammenhalter in bezug auf die Abgasströmung stromaufwärts von dem Wandbrenner angeordnet ist.

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3. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß vertiefte öffnungen (43) in wenigstens zwei gegenüberliegenden Kanalwänden angeordnet sind, in denen jeweils ein Wandbrenner (^5) angeordnet ist,

4. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Wandbrenner ein mit Luftzerstäubung arbeitender Flüssigbrennstoff-Brenner ist und die Verbrennung stromaufwärts von der Brennerdüse la bezug auf die Zufuhr des flüssigen Brennstoffes zündbar ist.

5· Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Verbrennungsabschnitt ein rechtwinkliger Strömungskanal stromaufwärts von dem Siederohrabschnitt ist und die Wandbrenner an zwei gegenüberliegenden Wänden angeordnet sind.

6. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelachse von jeder Brennerdüse in einem Winkel o£in bezug auf eine Ebene senkrecht zur Abgasströmung angeordnet ist.

7. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Winkele^, in einem Bereich von 0 bis 45° liegt.

8. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Flammenhalter eine im wesentlichen V-förmige Wanne oder Rinne bildet.

9. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Flammenhalter (51) eine langgestreckte Halterung mit einem Winkel (73) und einer Stützrippe (71), zahlreiche Trägerpaare (79), die an der Stützrippe (71) und dem Winkel (73) befestigt und entlang der Länge des Flammenhalters beabstandet sind, innere und äußere Flügel (85, 87), die an jedem Stützpaar (79)

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befestigt sind, und zahlreiche flache Platten (75) als Strahlungsabschirmungen umfaßt, die über dem V des Winkels (73) befestigt und entlang der Plammenhalterlänge angeordnet sind und die zwischen den Trägerpaaren (79) und den inneren und äußeren Flügeln (85, 87) angeordnet sind, die die im wesentlichen V-förmige Wanne bilden.

10. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Träger (79) mit einem inneren und äußeren Sitz (8l₃ 83) versehen ist zur Aufnahme entsprechender innerer und äußerer Flügel (85, 87) in einer unterbrochenen, überlappenden und im wesentlichen parallelen Lage.

11. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß die inneren und äußeren Flügel (85, 87) mit primären Luftlöchern (89, 91) zur Unterstützung der Verbrennung längs des Flammenhalters versehen sind.

12. Wärmetausehereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß Kühlspalte (93) zwischen dem Winkel (73) und den Innenflügeln (85) und Kühlspalte (95) zwischen den inneren und äußeren Flügeln (85, 87) gebildet sind.

13· Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Winkel (73) zahlreiche Kühllöcher (77) aufweist, die darin zur Kühlung der Strahlungsplatten ausgebildet sind.

14. Wärmetauschereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß ferner ein mit Löchern versehenes Schirmelement (97) zwischen dem Flammenhalterende neben der Strömungskanalwand und der Brennerdüse vorgesehen ist.

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15. Wärmetauschereinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (45) ein mit Luftzerstäubung arbeitender Flüssigbrennstoff-Wandbrenner ist.

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