DE2934858A1

DE2934858A1 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2934858A1
Application number: DE19792934858
Authority: DE
Inventors: Pehr Boerjesgaard; Renzo Cetrelli; Anders Dr Ing Kullendorff; Sture Schoen; Jan Wikner
Original assignee: Stal Laval Turbin AB
Current assignee: ABB Stal AB
Priority date: 1978-09-12
Filing date: 1979-08-29
Publication date: 1980-03-20
Also published as: US4281510A; GB2032001A; JPS6253694B2; SE421945B; CH641246A5; FR2436257B1; FR2436257A1; SE7809557L; GB2032001B; JPS5540294A

Description

Gasturbinenanlage

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Solche Gasturbinenanlagen v/erden für hohe Leistungen, vorzugsweise für 100 MW und mehr, gebaut.

Bei Gasturbinenanlagen, die mit Kohle betrieben werden, welches in einem Wirbelbett (fluidisiertes Bett) verbrannt wird, nüssen das Wirbelbett und die Reinigungseinrichtungen für das Verbrennungsgas in einem Druckbehälter untergebracht werden, der erhebliche Ausmaße hat. Der Druckbehälter wird daher vorzugsweise im Freien oder in einem besonderen Gebäude aufgestellt. Dies hat zur Folge, daß die Gasleitungen verhältnismäßig lang sind. Hierdurch treten erhebliche Wärmeverluste auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die 7/arneverluste bei der Überführung des heißen Treibgases von der Brennkammer zur Turbine möglichst gering sind. Zugleich soll dafür Sorge getragen v/erden, daß die Beanspruchungen der Rohr-

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leitung durch die Einwirkung der heißen Treibgase gering gehalten werden und Festigkeit und Lebensdauer der Rohrleitung nicht vermindert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Gasturbinenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welche erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

In dem inneren Rohr ist ein aus mehreren Teilen zusammengesetztes Futterrohr aus hitzebeständigem Material angeordnet, so daß sich zwischen dem inneren Rohr und dem Futter ein ringförmiger Spalt bildet. In diesem Spalt kann eine Isoliermaterialschicht angebracht werden. Die Futterrohrteile sind vorzugsweise an mindestens drei über den Umfang verteilten Stellen mit dem inneren Rohr der Leitung verbunden. Die Futterrohrteile sind derart angeordnet, daß sich benachbarte Futterrohrteile axial gegeneinander bewegen können. Durch diese Befestigung wird erreicht, daß sich das Futterrohr bei Temperaturänderungen zwischen den Befestigungspunkten radial elastisch verformen kann.

Das koaxiale Rohrsystem ist vorzugsweise axial an der Brennkammer verankert. Yfärmedehnungsbewegungen zwischen einem

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festen Punkt an der Gasturbine und einem festen Punkt an der Brennkammer werden durch einen nachgiebigen Anschluß des Rohrsystems an die Turbine aufgenommen. Die Rohrleitung kann einen Eogen aufweisen. Die Rohrleitung kann horizontal oder schräg zwischen der Brennkammer und dem Bogen und vertikal zwischen dem Bogen und dem Gasturbinenanschluß verlaufen. Wärmedehnungen aufnehmende Kupplungen, die eine horizontale Verschiebung des Rohrbogens relativ zur Gasturbine erlauben, werden vorzugsweise im vertikalen Teil der Rohrleitung zwischen dem Rohrbogen und der Turbine angeordnet. Die Nachgiebigkeit der Kupplungen kann durch Metallbälge oder durch Muffenverbindungen erreicht werden. Bei der Muffenverbindung befindet sich eine Muffe am Ende des einen Rohrabschnittes, in welche das Ende des angrenzenden Rohrabschnittes hineinragt. Die Muffe und/ oder das hineinragende Rohrende sind so ausgebildet, daß eine Winkeländerung zwischen den Längsachsen der beiden verbundenen Rohrabschnitte möglich ist. Zu diesem Zweck können die Muffe und/oder das Rohrende mit sphärischen Anlageflächen versehen sein. Zwischen den anliegenden Flächen der beiden Rohrabschnitte können Dichtungsringe nach Art von Kolbenringen angeordnet sein.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für die eingangs genannten Gasturbinenanlagen mit Wirbelbett. Bei der Gasturbinenanlage nach der Erfindung werden die Wärmeverluste bei der übertragung des heißen Treibgases von der Brennkammer zur Turbine klein gehalten. Das die Verbrennungsgase leitende innere Rohr wird durch die sie umströmende Kompressorluft gekühlt,

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so daß die Festigkeit des inneren Rohres durch die starke Erhitzung nicht herabgesetzt w±d. Gleichzeitig wird die über das innere Rohr abgegebene Verlustwärme wieder nutzbar gemacht, da diese Wärme von der Kompressorluft zur Brennkammer zurückgeführt wird. Ferner wird die Beanspruchung des inneren Rohres durch das heiße Treibgas dadurch vermindert, daß der innere Überdruck durch den äußeren Überdruck der Kompressordruckluft ausgeglichen wird. Schließlich werden durch die Erfindung die wärmedehnungsbedingten Bewegungen zwischen der Heißgasleitung und ihren Tragorganen verringert.

Anhand des in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 schematisch eine Gasturbinenanlage nach der Erfindung,
Fig. 2 teilweise im Schnitt eine Rohrverbindung zwischen

der Brennkammer und der Turbine der Anlage, Fig. 3 einen Radialschnitt durch die Rohrleitung längs

der Linie A - A in Fig. 2, Fig. 4 einen gleichen Radialschnitt wie Fig. 2 für eine

andere Ausführungsform,
Fig. 5 im größeren Maßstab einen Schnitt durch das innere Rohr der Leitung längs der Linie B-B

in Fig. 2,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch das innere Rohr an der Stelle C in Fig. 2,

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Fig. 7 einen Schnitt durch die Rohrleitung längs der

Linie D - D in Fig. 2,
Fig. 8 einen Schnitt durch eine gelenkige Rohrverbindung an der in Fig. 2 mit groß Ξ bezeichneten Stelle.

In den Figuren bezeichnet 1 eine Brennkammer mit eine™ kugelförmigen Behälter 2, in dem sich ein ringförmiges, fluidisiertes Bett 3 in einem geschlossenen, ringförmigen Behälter 4 befindet. Der kugelförmige Behälter 2 und der ringförmige Behälter 4 v/erden von einem Stativ 5 getragen. Der ringförmige Behälter 4 hat einen perforierten Boden 6, unter dem sich eine ringförmige Luftkammer 7 befindet. Der Boden der Luftkammer 7 ist mit mehreren Klappen 8 versehen, welche die Zufuhr von Verbrennungsluft aus dem Raum 9 des kugelförmigen Behälters 2 steuern_: welcher Raum mit komprimierter Luft vom Kompressor 10 der Gasturbinenanlage beschickt wird. Der Behälter 4 ist an seinem unteren Teil mit Kühlrohren 11 zur Kühlung des fluidisierten Bettes 3 versehen. Diese Kühlrohre können zu der Dampferzeugungsanlage einer mit der Gasturbinenanlage parallel arbeitenden Dampfturbinenanlage gehören. Zwischen dem Behälter 4 des fluidisierten Bettes 3 und einem ringförmigen Sammelrohr 12 sind in Reihe geschaltete Staubabschneider 13 und 14 angebracht.

Sine Gasturbine 15 und ein von dieser getriebener Kompressor 10 sind über eine Leitung 16, die aus zwei koaxialen Rohren 17 und 13 besteht, mit der Brennkammer 1 verbunden. Das Rohr

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17 ist an das GassammeIrohr 12 angeschlossen und leitet erhitztes Gas von der Brennkammer zur Gasturbine 15. Das erhitzte Gas strömt in Richtung des Pfeils 19. Das Rohr 18 verbindet den Behälter 2 mit dem Kompressor 10 und leitet die vom Kompressor komprimierte Luft in den Raum 9 zwischen der Wand des Behälters 2 und der darin untergebrachten Einrichtung. Die Druckluft strömt in dem zylinderringförmigen Raum 20 in Richtung des Pfeils 21. Die Turbine 15 treibt ferner einen Generator 22. Die Abgase der Turbine werden zur Ausnutzung der Restwärme einem Wärmeaustauscher 23 zugeführt. Die Restwärme kann beispielsweise zum Vorwärmen von Speisewasser dienen. Der kugelförmige Behälter steht unter Druck. In einer Gasturbinenanlage der vorliegenden Art kann der innere Überdruck 15 - 20 Bar betragen. Die Temperatur des Treibgases der Turbine 15 kann 800-900⁰C betragen.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die komprimierte Luft in dem zylinderringförmigen Raum 20 im wesentlichen dem Druck des heißen Gases im Rohr 17 entspricht, was bedeutet, daß das Rohr 17, das das heiße Gas führt, nur kleinen Belastungen ausgesetzt ist.' Gleichzeitig kühlt die komprimierte Luft im Raum 20 das Rohr 17, so daß dieses auf eine mit Rücksicht auf die Festigkeit ausreichend niedrige Temperatur gehalten wird. Die Druckluft, d.h. die Verbrennungsluft, wird durch die Kühlung des Rohres 17 vorgewärmt. Die Wärme, die das heiße Gas dabei verliert, wird mit der vom Kompressor kommenden Druckluft zur Brennkammer zurückgeführt und geht somit nicht ver-

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loren. Die Temperatur des das fluidisierte Bett verlassenden Gases wird so gesteuert, daß man am Einlaß der Turbine 15 die gewünschte Gastemperatur erhält. Es ist möglich, das Rohr 17 auf einer Temperatur von ca. 200⁰C zu halten. Das Rohr 17 kann daher so fest gemacht werden, daß es dem äußeren Überdruck infolge des Druckabfalls in der Leitung 16 und in dem ^luidisierten Bett 3 ohne Schwierigkeiten standhält. Die Temperatursteuerung kann ganz oder teilweise durch Kühlung der Wände des ringförmigen Behälters 4 durch die Kühlrohre 11, die von Wasser oder Dampf durchströmt werden, erfolgen. Die Temperatursteuerung kann jedoch auch durch Steuerung des Luftüberschusses bei der Verbrennung in dem fluidisierten Bett 3 erfolgen. Durch den Wärmeaustauscher 23 hinter der Turbine 15 kann die Restwärme des Treibgases - wie bereits erwähnt - beispielsweise zum Erwärmen des Speisewassers einer mit der Gasturbine parallel arbeitenden Dampfkraftanlage ausgenutzt werden.

Wie in den Figuren 2, 3 und 4 gezeigt, kann das innere Rohr 17 der Leitung 16 mit Hilfe mehrerer U-förmiger Halter 24 oder mit einer Anzahl Bleche 25, die parallel zu den Rohrachsen orientiert sind, im Rohr 18 zentriert sein. Das äußere Rohr 18 ruht auf mehreren Stützen 26. Im inneren Rohr 17 sind mehrere verhältnismäßig kurze Futterrohre 27 angebracht, die an drei Punkten mittels der Befestigungselemente 28 mit dem inneren Rohr 17 verbunden sind. Diese Befestigung zeigen die Figuren 5 und 6. Diese Futterrohre sind an ihren Enden so ausgebildet, daß sie sich bei einer durch Temperatüränderungen

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bedingter Längenänderung axial zueinander bewegen können. Dank dieser Dreipunkthefestigung können sich die Futterrohre in der in Fig. 5 gezeigten Weise radial verformen. Form und Lage des Futterrohres sind in Fig. 5 für den kalten bzw. warmen Zustand durch die Kurven 27abzw. 27b dargestellt. Am Umfang zwischen den Befestigungselementen 28 können Stützelemente 30 angeordnet sein. In dem Spalt zwischen dem Rohr 17 und dem Futterrohr 27 ist eine Isoliermaterialschicht 31 angeordnet. Das Rohr 18 ist von einer Isoliermaterialschicht umgeben. (Fig.2)

Die Rohre 17 und 18 sind axial an der Brennkammer 1 befestigt. Der Rohrbogen 33 ist mit dem Turbinengehäuse 34 über eine Kupplung 35 verbunden, die eine horizontale Verschiebung des Rohrbogens ermöglicht, wenn der horizontale Teil der Leitung 16 infolge Temperaturänderungen seine Länge verändert. Zwischen den Flansch 36 des äußeren Rohres 39 des Rohrbogens 33 und den Flansch 37 am Turbinengehäuse 34 ist ein Balg 38 eingesetzt. Die Flansche sind durch mehrere Bolzen 40, welche die durch den Luftdruck in der Leitung 16 auftretenden Kräfte aufnehmen, miteinander verbunden. Einige Bolzen sind von Distanzrohren 41 umgeben zur Bestimmung des Äbstahdes zwischen den Flanschen 36 und 37.

Zwischen dem Rohrbogen 42 des inneren Rohres 17 und dem vertikalen Teil 17a des inneren Rohres ist eine Kupplung 43 vorhanden, die eine gewisse gegenseitige Winkelveränderung zwischen

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den Längsachsen der beiden Teile zuläßt. Die Kupplung besteht aus einer Muffe 44 am Rohr 17a beziehungsweise im Turbinengehäuse 34 (Fig. 8) und aus einer sphärischen Fläche 45 am unteren Ende des Rohrbogens 42 beziehungsweise des Rohrteils 17, das in die Muffe hineinragt. In Nuten 46 liegen dichtende Kolbenringe 47.

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Claims

Patentansprüche;

1/ Gasturbinenanlage mit einer von der Turbine getrennt angeordneten Brennkammer zum Erhitzen des Treibgases eic- Turbine durch Verbrennung eines Brennstoffes mit Druckluft, die ein zur Anlage gehörender Kompressor liefert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Brennkammer (1) und der Turbine (15) eine Leitung (16) angeordnet ist mit einem inneren, mit inwendiger Isolierung versehenen Rohr (17) und einem das Rohr (17) koaxial umgebenden äußeren Rohr (18), daß durch das innere Rohr (17) heißes Gas von der Brennkammer (1) zur Turbine (15) strömt und durch den zylinderringförmigen Raum (20) zwischen den Rohren (17, 18) Luft vom Kompressor (10) zur Brennkammer strömt.
2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im inneren Rohr (17) der Leitung (16) ein aus mehreren Teilen zusammengesetztes Futterrohr (27) derart angebracht ist, daß sich zwischen dem inneren Rohr (17) und dem Futterrohr (27) ein ringförmiger Spalt bildet.
3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Spalt zwischen dem inneren Rohr (17) und dem Futterrohr (27) eine Isoliermaterialschicht (31) angebracht ist.

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4. Gasturbinenanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Futterrohrteile an mindestens drei über den Umfang verteilte Punkte mit dem inneren Rohr (17) verbunden sind und daß die Futterrohrteile wenigstens an einem Ende axial gegenüber dem benachbarten Futterrohrteil (27) beweglich sind.
5. Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das innere und äußere Rohr (17_f

18) der Rohrleitung (16) axial an der Brennkammer (1) verankert sind.
6. Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitung (16) einen Bogen (33) hat und daß zwischen diesem Bogen (33) und der Gasturbine Kupplungen (Verbindungsorgane) (35, 43) zwischen Rohrteilen angebracht sind, die eine Verschiebung des Rohrbogens (33) gegenüber der Anschlußstelle der Leitung (16) an die Gasturbine (15) zulassen.
7. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine Kupplung (38) nach Ealgenart enthält.
8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine Kupplung in Form einer Muffe (44) enthält, die ein Rohrteilende aufnimmt, und daß zwischen Muffe und Rohrteilende ein oder mehrere Dichtungsringe (47), beispielsweise der Kolbenringart, angebracht sind. 030012/0726