DE8808825U1

DE8808825U1 - Rohrelement für eine Heißgasleitung

Info

Publication number: DE8808825U1
Application number: DE8808825U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1988-07-08
Publication date: 1989-11-09

Description

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D-5060 Bergisch Gladbach 1

und

ASINEL

E-Madrid 20

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Rohrelement für eine HeiSgasleitung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein oder mehrere Rohrelemente für eine Heißgasleitung, die aus mehreren unterschiedlichen geraden, gekrümmten, verzweigten oder mit Kompensatoren versehenen Rohrelementen bestehen kann. Diese Heißgasleitung ist vorgesehen für thermische Solaranlagen, die aufgrund wechselnder Sonneneinstrahlung und Wolkenabschattung aber auch aufgrund der Unterschiede zwischen Tag und Nacht häufig wechselnden Temperaturen ausgesetzt sind; sie ist auch geeignet für konventionell beheizte Gasturbinenanlagen, beispielsweise für den Spitzenlastbedarf. Die erwähnten Solararlagen dienen zum Betrieb von Gasturbinen und sind beispielsweise ausgelegt für eine Temperatur von maximal 800 'C, einen Druck vo t 16 bar, einen maximalen Gasdurchsatz von ca. 100 kg/s, eine Gasgeschwindigkeit von 25 m/s, eine maximale Außentemperatur am Rohrmantel von 100 *C und Temperaturtransienten von 15 K/s. Die inneren Gasführungsrohre werden aus einem hoch warmfesten Austenit, die äußeren Druckrohre dagegen aus einem ferrit.lschen Werkstoff hergestellt. Mit geeigneten Werkstoffen erscheinen auch höhere Gastemperaturen bis 1000 *C möglich.

In der Zeitschrift: "3R international" Heft A/1976 wird von P Zenker über "Ausgewählte Rohrleitungsprobleme der Heliumturbinenanlage Oberhausen" berichtet. Darin wird eine konzentrische Leitung für Heiß- und Kaltgas beschrieben, bei der die Isolierung zwischen den beiden Gaskanälen aus 2 verschiedenen, durch ein Zwischenrohr getrennten Isolierungen besteht und die in axialer Richtung notwendige Gasdichtigkeit

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der Isolierung durch ringförmige Doppelkonusbleche erreicht wird, die einmal innen und einmal außen angeschweißt sind. Anlagen dieser Art wurden damals für maximale Temperaturen von 750 'C ausgelegt. Die bei der Konstruktion, beim Bau und bei der Montage auftretenden Probleme werden ausführlich erläutert. Dabei wird auch auf die beim Anfahren aus dem kalten Zustand für einige Bauteile wegen der hohen Betriebstemperatur auftretenden Längenänderungen hingewiesen. Bei der damaligen Konstruktion wird sowohl der äußere als auch der innere Jf 10 Druckmantel ständig durch den äußeren Gasstrom von mäßiger Temperatur gekühlt, so daß beide durch die hohe Temperatur des $ Heißgasstroms nicht gefährdet werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Rohrelement für eine ■ 15 Heißgasleitung für hohe und im Laufe eines Tages mehrfach

wechselnde Temperaturen, insbesondere für Solaranlagen und - Gasturbinen. Das äußere Druckrohr soll zuverlässig und für eine

lange Betriebszeit vor den im inneren Gasführungsrohr = herrschenden hohen Temperaturen geschützt werden und soll aus j 20 einem ferritischen Stahl hergestellt werden. Voraussetzung für die gewünschte lange Lebensdauer ist eine gute Isolierung, die auch nach langer Betriebszeit bei hoher Temperatur und bei den durch Turbine oder Kompressor induzierten Schwingungen keine Schwachstellen oder gar metallische Wärmebrücken von innen nach 25 außen bildet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Rohrelement nach dsm I. Anspruch vorgeschlagen. Rohrelemente dieser Art können als gerade Rohrschüsse, als Rohrkrümmer, aber auch als

Rohrverzwe.tgungen, beispielsweise als T-Stücke, oder als

Übergangsstücke auf einen größeren oder kleineren Durchmesser hergestellt werden. Der vorgeschlagene koaxiale Biechring von besonderer Form hat sich in Versuchen und aufgrund von Berechnungen gegenüber mehreren anderen im Längsschnitt V-, W- und S-förmigen Blechringen als besonders vorteilhaft erwiesen, u. a. in Bezug auf:

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die Verlagerung der hohen Spannungen in den kälteren, der geringeren Spannungen in den heißen Bereich, die durch zylindrische Form parallel zum Gasführungsrohr geringen Temperaturgradienten und somit günstige

Spannungsverteilung im hochbeanspruchten Bereich, die \

Ausgewogenheit zwischen Elastizität (unterschiedliche J

Wärmedehnungen zwischen Gasführungsrohr und Druckmantel) und * axialer/radialer Stabilität,

die günstige SchweiQverbindung im höchst beanspruchten Bereich durch radiale Anbindung an das Gasführungsrohr.

In weiterer Ausgestaltung nach dem 2. Anspruch wird eine leicht herstellbare und dennoch sehr zweckentsprechende Anordnung für den besonderen Blechring vorgeschlagen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem 3. Anspruch wird für das Zwischenrohr eine Anordnung vorgeschlagen, mit der die erste, hochwertige Isolierung des Gasführungsrchres sehr sorgfältig und ohne Leerstellen aus Fasermatten aufgewickelt und anschließend durch das mehrteilige Zwischenrohr in definierter Weise zusammengepreßt wird.

In spezieller Ausgestaltung der Erfindung wird nach dem 4. Anspruch vorgeschlagen, das Konusblech außen zunächst an einem besonderen zylindrischen Ring anzuschweißen, was ja außerhalb des Druckrohres frei zugänglich durchgeführt werden kann, und erst diesen Ring einseitig innen am Druckrohr anzuschweißen zur Vereinfachung der Fertigungs- und Montagefolge.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem 5. Anspruch wird für Rohrkrümmer oder Kompensatoren vorgeschlagen, daß ein durch Temperaturlängenänderungen besonders beanspruchtes Gasführungsrohr durch einen Faltenbalg unterbrochen wird, der an dieser Stelle gegen die unmittelbare Berührung mit dem \

heißen Gas geschützt wird. Bei einem 90 *C Rohrkrümmer hat es sich als ausreichend erwiesen, das Gasführungsrohr einmal auf _&Ggr;·

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der halben Länge durch einen Faltenbalg zu entlasten, um die ungleichen Wärmedehnungen zwischen Gasführungsrohr und Druckmantel sowie ein Verkanten an den Schiebestellen zu

vermeiden.
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Die Figuren 1 bis 7 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung, und zwar ein gerades und ein gebogenes Rohrelement als Teil einer Heißgasleitung von einem nicht gezeigten Empfänger einer Sonnenenergieanlage zu einer Gasturbine. Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein gerades Rohrelement.

Figur 2 zeigt eine axiale Ansicht auf Figur 1.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch Figur 1.

Figur 4 zeigt einen Teilausschnitt aus Figur 1.

Figur 5 zeigt einen weiteren Teilausschnitt aus Figur 1. Figur 6 zeigt ein weiteres Rohrelement in Form eines 90 '-Bogens.

Figur 7 zeigt einen Teilausschnitt aus Figur 6.

In den Figuren 1 bis 5 wird das innere druckentlastete Gasführungsrohr 1 von einer hochwertigen Isolierung 2 umgeben, die von einem in Längsrichtung geteilten Zwischenrohr 3 und nicht näher beschriebenen Spannvorrichtungen zusammen gehalten wird. Das Zwischenrohr 3 wird mit drei über den Umfang verteilten radialen Distanzrohren 4 im äußeren, temperaturentlasteten Druckrohr 5 gleitend zentriert. Der Zwischenraum zwischen beiden wird mit einem gestopften Isoliermaterial 6 ausgefüllt. Jeweils zwei in Strömungsrichtung aufeinander folgende Gasführungsrohre 1 werden längsverschieblich ineinander zentriert, und zwar so, daQ der Spalt zwischen den konzentrischen Gasführungsrohren 1 gemäß Figur 5 in Gasströmungsrichtung überdeckt ist. Jedes Gasführungsrohr 1 wird jeweils an einem Ende mit einem koaxialen Blechring 7 versehen, der über ein Konusblech 8 und einen Zwischenring 9 mit dem Druckrohr 5 verbunden ist. Während das Zwischenrohr 3 an seinem einen Ende mit den Distanzrohren längsverschieblich gegen das Druckrohr 5 zentriert ist, wird es

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an seinem anderen Ende mit den Winkelblechen 10 in radialer Richtung flexibel, aber in Längsrichtung fixiert, am Druckrohr 5 befestigt. Ein innerhalb des Druckrohres 5 mit Schweißnaht befestigter Blechring 29 verhindert beim Schweißen zweier Druckrohre 5 eine Beschädigung der Isolierung 6 und dient gleichzeitig zur Schweißbadsicherung der Schweißnaht 31.

In den Figuren 6 und 7 wird entsprechend Figur 1 das Gasführungsrohr 11, das in diesem Fall aus mehreren auf Gehrung geschnittenen Segmenten besteht, von der Isolierung 12, dem ebenfalls aus Segmenten bestehenden Zwischenrohr 13, der Isüiierung 16 und dem in diesem Fall gebogenen Druckrohr 15 umgeben. Die einzelnen Segmente des Gasführungsrohrs 11 bzw. des Zwischenrohrs 13 werden jeweils schweißtechnisch mit benachbarten Segmenten verbunden und werden an einein Ende wie in Figur 1 über einen Blechring 17 und ein Konusblech 18 mit dem Druckrohr 15 verbunden. Am anderen Ende sind auch hier Zwischenringe 19 und Winkelbleche 20 vorgesehen. Bei einem '-Rohrbogen wie in Figur 6 ergeben sJnh für das Gasführungsrohr Il bzw. das Druckrohr 15 unterschiedliche Wärmeausdehnungen, die zu einer radialen Vergrößerung des Gasführungsrohres 11 gegenüber dem Druckrohr 15 führen. Zur Vermeidung bzw. Verminderung einer Exzentrizität und somit einseitig hoher Kräftebeanspruchung im Bereich der Schiebemuffen 27 und 28 wird in der Mitte des Gasführungsrohres 11 also bei 45 * ein dLrch zwei benachbarte, entgegengerichtete Blechringe 17 und Konusbleche 18 geführter Faltenbalg 21 zur Kompensation eingesetzt. Der Faltenbalg 21 wird innen durch zwei in Gasströmungsrichtung überlappende Schutzringe 22 und 23 gegen direkte Anströmung verdeckt und außen mit einem Schutzring versehen, der eine Beschädigung der umgebenden Isolationsfasern weitestgehend verhindert. Das Druckrohr 15 endet jeweils an einem Flansch 25 bzw. 26 als Verbindung zu benachbarten Rohrelementen.

Die hier beschriebene Konstruktion wurde nicht nur theoretisch

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berechnet sondern auch unter der Auslegungstemperatur von 800 "C erprobt und langzeitig betrieben unter quasi-stationären und dynamischen Betriebsbedingungen. Die Verbundlsolation besteht im Hochtenip.'iJC'afcüiwereich aus keramischem Faserwerkstoff mit hohem Si₂0j-Anteil und im äußeren Ringraum aus Mischoxyd-Mineralfaser. Durch den so erzielten dämmungstechnischen Temperaturabbau konnte der äuGere Druckmantel aus dem konventionellen Stahl 15 Mo3 hergestellt warden. Die Belastung der Werkstoffe wird nicht allein von dem an sich schon hohen Temperaturniveau bestimmt sondern noch wesentlicher von dem durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung bedingten häufigen Temperätur-wechsc·!. Die Besonderheiten dieser Belastung der Strukturwerkstoffe aus zyklischen und witterungsbedingt diskontinierlichen Temperaturwechseln des Solarbetriebes (z. B. durch Wolkenabschattung) waren bislang noch unerforscht. Diese Temperaturschwankungen belasten stark die Wechselfestigkeit sowie die schützenden Oxydschichten der Strukturwerkstoffe. Gegenstand der Untersuchungen waren die Korrosionsbeständigkeit, die mechanische Stabilität, das Temperaturwechselverhalten, das Temperaturschockverhalten und verständlicherweise auch der Preis und die Liefermöglichkeiten der hier notwendigen Werkstoffe. Die bei Anlagen dieser Art bereits verwendete, aus Formsteinen bestehende vollkeramische Isolierung wurde wegen der Gefahr radialer und axialer Konvektionsströme sowie wegen der hohen Massengewichte nicht in Betracht gezogen. Bei der Entwicklung eines Leitungskonzepfes mit innen liegender Faserisolierung bestanden die wesentlichen Anforderungen an Isolation und Aufbau in einer Minimierung der Energieverluste unter Wahrung eines wirtschaftlichen Optimums, in der Beständigke^c jnd Homogenität zum Schutz der druckbelasteten Bauteile vor unzulässiger Temperaturbeaufschlagung, in der Vermeidung unzulässiger axialer und radialer Konvektionsströme in allen Betriebsbereichen, in der vollen Funkionalität in allen Kompensationskonstellationen der Heißgasleitung, im Ausschluß von Abbau und Austragung des Fasermaterials insbesondere «ii

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Druckentlastung, in einer ausreichend hohen Lebensdauer, vor allem auch unter Berücksichtigung der häufigen Temperaturzyklen sowie oxydierender Atmosphäre und in einer Unempfindlichkeit gegenüber, akustischen und aerodynamischen Schwingungen. Die werkstattmäßige Fertigung nach dem hier vorgeschlagenen Baukastensystem läßt außer dem Aspekt der Serienfertigung auch ganz besondere Qualitätsvorteile erwarten, weil ein wesentlicher Teil der Fertigung bereits in der Werkstatt und nicht erst auf der Baustelle vorgenommen werden kann. Die hochwertige Hochtemperatur-Isolation wird als gerollte

Bahnenware mit definierter Rohdichte eingebaut. Zur & Sicherstellung der geforderten Isolationsqualität und zur '

Beherrschung der spezifizierten Faserdichte im Fertigungszustand wurden vor Fertigungsbeginn Wickelversuche vorgenommen. Dabei wurde die gewichtsmäßig vorausberechnete Bahnenlänge zunächst zugeschnitten und protokolliert. Bei der Wicklung durch Drehen des Gasführungsrohres wurden die Bahnen lagenweise durch Halteschnüre so verspannt, daß eine vorausberechnete Zunahme der Isolationsdicke eingehalten werden kann. Nach Aufbringen der vorgegebenen Bahnenlänge wurde das

spätere Zwischenrohr in Form vcn drei vorgerundeten ·

Segmentschalen aufgelegt. Durch gleichmäßiges Anziehen von |

Spannbändern bis zum Aufeinanderstoßen der Zwischenrohrsegmente X wurden sowohl die angestrebte Verdichtung der Faserisolation wie auch der vorgesehene Durchmesser und die Rundheit des Zwischenrohres erreicht. Die Isolationsschicht zwischen dem äußeren Druckrohr und dem Zwischenrohr wurde durch manuelle Stopfung von Mischoxyd-Mineralwolle aufgebaut. Auch dabei wurde das Fasermaterial vor seiner Verarbeitung in vorausberechneter Menge eingebracht. An den Enden der vorgefertigten Rohrelemente wird diese Isolierung zur Vermeidung von Spalten etwas ballig ausgeführt und für den Transport mit einem Drahtgewebe geschützt, das vor dem Zusammenbau wieder entfernt wird. Durch Protokollierung werden die verarbeiteten Gewichtsmengen sowie die durch Stopfung erzielte Dichte erfaßt. Spätere Messungen bestätigten das Isolationskonzept, indem bei inneren

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Heißgasteaperaturen von 800 *C a« äußeren Druckfiantel an keiner Stelle aehr als 55 *C geaessen wurden. Der Wäraieverlust betrigt bei einen Heißgaszustand von 9 bar und 800 *C ca. 375 H pro m¹ Oberfläche entsprechend 1400 N pro in Länge der Leitung 0N12Q0.

5 Schutzanspruche 7 FIG

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Claims

1. Rohrelement für eine Heißgasleitung mit einem inneren, druckentlasteten Gasführungsrohr und einem äußeren, temperaturentlasteten Druckrohr, die über ringförmig umlaufende Konusbleche miteinander verbunden sind, und mit zwei durch ein Zwischenrohr getrennten isolierenden Schichten dazwischen dadurch gekennzeichnet, daß das am äußeren Druckrohr (5) befestigte Konusblech (8) mit dem Gasführungsrohr (1) verbunden ist über einen koaxialen Blechring (7) , dessen Längsschnitt einen abgerundeten Winkel bildet, wobei der längere Schenkel achsparallel angeordnet mit dem Konusblech (8) verbunden ist und der kürzere Schenkel % radial angeordnet mit dem Gasführungsrohr (1) verbunden ist.

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2. Rohrelement nach Anspruch 1, dadurch

J gekennzeichnet, daß der Blechring (7) im

Längsschnitt über einen Viertelkreisbogen vom zylindrischen in den radialen Teil übergeht.

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3. Rohrelement nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischerirohr (3) in Längsrichtung geteilt, um die Isolierung (2) des Gasführungsrohres (1) herumgelegt und durch äußere

Spannvorrichtungen zusammengehalten ist. 25

4. Rohrelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn ze lehnet, daß das Konusblech (8) außen an einen zylindrischen Ring (9) angeschweißt ist, der nur an seinem einen Ende an der Innenwand des Druckrohres (5) angeschweiOt ist.

5. Rohrelement nach Anspruch 1 In gebogener Form oder als Kompensator, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasführungsrohr (11) durch einen nach innen hin abgedeckten Faltenbalg unterbrochen ist.

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