NL8702242A - Warmtewisselaarsteuninrichting. - Google Patents

Description

NL· 34.359-Vo/tk * . * ïTarratewisselaarsteuninrichting.

Warmtewisselaars zijn ontwikkeld voor toepassing bij grote gasturbines om het rendement en vermogen daarvan te verbeteren en de bedrijfskosten te verminderen. Dergelijke warmtewisselaars worden soms aangeduid als recuperatoren maar 5 zijn meer in het algemeen bekend als regeneratoren. In het bijzonder worden deze eenheden toegepast bij gasturbines voor het aandrijven van gaspijpleidingcompressoren.

Meerdere honderden gasturbines met regeneratie zijn de laatste twintig jaar of zo voor deze toepassingen geïnstal-10 leerd. De meeste regeneratoren van deze eenheden zijn beperkt tot werktemperaturen van niet meer dan 538°C tengevolge van de bij hun fabricage toegepaste materialen. Deze regeneratoren hebben een constructie met platen en ribben in een drukribuit-voering die bestemd is voor continue werking. De stijgende 15 brandstofkosten in de laatste jaren hebben een hoog thermisch rendement nodig gemaakt en nieuwe bedrijfsmethoden vereisen een regenerator die efficiënter werkt bij hogere temperaturen en duizenden start-stopcycli kan weerstaan zonder lekkage of buitengewone onderhoudskosten. Een regenerator van roestvrij 20 staal met platen en ribben is ontwikkeld die temperaturen tot 594°C of 649°C kan weerstaan onder werkomstandigheden met herhaaldelijk onvertraagd starten en stoppen.

De eerder toegepaste drukribuitvoering ontwikkelde ongebalanceerde inwendige drukkrachten van een aanzienlijke 25 grootte, gewoonlijk meer dan 4,4 miljoen N in een regenerator van geschikte afmeting. Deze ongebalanceerde krachten trachten de regeneratorkernstructuur uit elkaar te splijten en worden opgenomen door een uitwendig frame dat dienst doet als onder druk staande versterkingsconstructie. Daarentegen is de 30 moderne treksoldeeruitvoering zo geconstrueerd dat de inwendige drukkrachten worden gebalanceerd en een versterkingsconstructie niet nodig is. Daar de versterkingsconstructie als gevolg van het balanceren van de inwendige drukkrachten is weggelaten, worden de veranderingen in afmeting van de totale 35 eenheid tengevolge van de warmte-uitzetting en -samentrekking belangrijk. De warmte-uitzetting moet worden opgenomen en het probleem wordt verergerd doordat de regenerator een levensduur met duizenden verhittings- en afkoelingscycli moet uit- ' · * -2- houden bij de nieuwe bedrijfswijze van de bijhorende turbocompressor die herhaaldelijk wordt gestart en gestopt.

Begrenzing van de uiterst hoge temperaturen van meer dan 538°C tot de eigenlijke regeneratorkern en de ther-5 mische en ruimtelijke isolatie van de kern ten opzicht van het bijbehorende huis en de steunconstructie, waardoor de noodzaak voor duurder materiaal wordt verminderd om de kosten van de moderne warmtewisselaar-uitvoeringen vergelijkbaar te houden met die van de vroegere gebruikte warmte-10 wisselaars van het plaattype, hebben gepleit voor verschillende montage, koppeling en steunconstructies die tezamen het opnemen van een treksoldeerregeneratorkern in een warmtewisselaar van het beschreven type mogelijk maken.

Warmtewisselaars van het in het algemeen hierin be-15 sproken type worden beschreven in een artikel door K.O.

Parker, getiteld "Plate Regenerator Boosts Thermal and Cycling Efficiency", gepubliceerd in The Oil & Gas Journal van 11 april, 1977.

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisse-20 laar van het plaat-en-ribtype en meer in het bij zonder op een steuninrichting voor een meerdere tonnen wegende warmtewisselaar die is gemonteerd binnen een stalen steunconstructie.

Verschillend uitvoeringen zijn bekend voor het ondersteunen van verplaatsbare inrichtingen met een aanzien-25 lijk gewicht. Sommige van deze uitvoeringen maken gebruik van steundelen op druk, andere op trek en weer andere met balan-ceerhefbomen en gewichten.

Het Amerikaanse octrooischrift 1.814.627 toont bijvoorbeeld een turbinesteunsysteem met drie vaste steunpunten 30 en aanvullende meegevende punten om een deel van de last op te nemen. De meegevende steunpunten bezitten scharnieren met hefbomen en tegengewichten voor de gewichtsverdeling.

De economizer volgens het Amerikaanse octrooischrift 2.069.515 omvat een aantal boven elkaar liggende pijpen die 35 met elkaar zijn verbonden door bouten en door pijpribben zijn opgehangen aan vaste balken. Het Amerikaanse octrooischrift 2.876.975 toont een warmtewisselaar die is ondersteund door buizen. De expansie is mogelijk door langwerpige openingen voor steunbevestigingsmiddelen.

40 De Amerikaanse octrooischriften 3.236.295, #/'{#224 2 -3- 2.195*887, 3.273.636 en 3.982.902 tonen voorbeelden van uitvoeringen met gebruikmaking van ophangingsstaven met scharnier- of zwenkkoppelingen voor het opnemen van de verplaatsing van het ondersteunde onderdeel. Het Amerikaanse octrooi-5 schrift 3.434.531 toont een half stijve buisondersteunings-stang met bovenliggende hangers die het ondersteunde onderdeel verbinden met vaste steunbalken. Het Amerikaanse octrooi-schrift 2.420.125 toont meerdere buigzame staven die tangen-tiaal ten opzichte van een uitzetbaar onderdeel uitsteken dat 10 ondersteund moet worden. Het Amerikaanse octrooischrift 3.951.108 toont een aantal schakels die onderling zijn verbonden door pennen in sleufopeningen voor het opneraen van de beweging met balancering van de belasting en verplaatsing van het ene punt naar het andere punt.

15 Het Franse octrooischrift 1.208.629 toont een hanger die door staven gekoppeld is met scharnierpunten en frame-steundelen.

Geen van de bovengenoemde bekende constructies betreft de ondersteuning van een constructie die is onderworpen 20 aan een belangrijke warmte-uitzetting in alle drie dimensies. Geen van de bovengenoemde bekende constructies bezit de mogelijkheid om op bevredigende wijze een warmtewisselaarkern van het hier betreffende type te ondersteunen.

In het kort omvat de uitvoering volgens de onderha-25 vige uitvinding een aantal buigzame onderdelen die zijn gekoppeld aan de warmtewisselaarkern en opgehangen aan bovenste scharnieren door montagepunten door middel van een aantal balansbalken. Deze balken zijn op hun beurt zwenkbaar ondersteund aan stationaire steunbalken die zijn bevestigd aan de 30 stalen steunconstructie die de warmtewisselaar omhult. Tengevolge van deze combinatie van balansbalken en buigzame steun-organen kan de warmtewisselaarkern vrij uitzetten in de lengte en de breedte zonder te worden tegengehouden door de steunconstructie. De steunconstructie neemt ook de verticale uitzet-35 ting van de warmtewisselaarkern op tengevolge van de wijze van bevestiging van het steunsysteem aan de kern nabij de boven- of onderzijde van de kern, zoals deze is gemonteerd.

Hierbij omvat het steunsysteem een combinatie van steunbalken, balansbalken die zwenkbaar zijn gemonteerd op de 40 steunbalken en meerdere buigzame schakels die zich omlaag ·? -* -Λ -* ·'- C / v - ^ i ' . * -4- uitstrekken vanaf de balansbalken en zijn verbonden aan uitstekende oren of beugels, die zijn bevestigd aan de kern aan de bovenzijde daarvan,

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de 5 hand van de tekening.

Figuur 1 is een perspectivisch schematisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Figuur 2 toont bepaalde details van de uitvoering van figuur 1 en is genomen volgens de lijn II-II van figuur 1. 10 Figuur 3 toont een deel van de constructie van figuur 2 gezien vanaf de rechterzijde.

In de tegenwoordige uitvoering worden warmtewisselaars met constructies volgens de onderhavige uitvinding gefabriceerd uit gevormde platen en ribben die in sandwich-vorm 15 worden samengesteld en aan elkaar worden gesoldeerd om kern-secties te vormen. Deze kernsecties 10’ worden samengesteld in groepen van zes zoals in figuur 1 is afgebeeld om een kern 12' te vormen die tezamen met bijbehorende constructiedelen een enkele warmtewisselaarmodule vormt. Een enkele module 20 wordt bij voorkeur verbonden met een andere module om een regenerator te vormen. Meerdere regeneratoren kunnen worden toegepast om een compleet warmtewisselaarsysteem met de gewenste capaciteit te verkrijgen.

Bij de werking van een typisch systeem met toepas-25 sing van een regenerator van het hierin beschreven type treedt omgevingslucht binnen door een inlaatfilter en wordt deze samengeperst tot 689 - 1033 kPa waarbij een temperatuur van 26Ö°C tot 316°C wordt bereikt in de compressorsectie van een bijbehorende gasturbine (niet afgebeeld). Daarna wordt de 30 lucht toegevoerd aan de regeneratormodule waar deze binnentreedt door een inlaatflens en een inlaatleiding. In de regeneratormodule wordt de lucht verhit tot ongeveer 482°C.

De verhitte lucht wordt dan teruggevoerd via een uitlaatleiding en een uitlaatflens naar de verbrandingskamer 35 en turbinesectie van de bijbehorende turbine via geschikte leidingen. Het uitlaatgas uit de turbine is op ongeveer 538°C - 594°C en vrijwel de omgevingsluchtdruk. Dit gas wordt door de regenerator gevoerd, waarbij de afvalwarmte van het uitlaatgas wordt overgebracht om de lucht te verhitten. Het 40 uitlaatgas daalt in temperatuur tot ongeveer 316°C bij $ 7 r4 * 7 /, 7

3 / 'J Z, -i jL

-5- passeren door de regenerator en wordt dan afgevoerd op de buitenlucht via een uit laatschoorsteen. De warmte die anders verloren zou gaan, wordt dus overgebracht op de inlaatlucht, waardoor de hoeveelheid brandstof die nodig is om de turbine 5 te laten werken wordt verminderd. Voor een 22.500 kW turbine verhit de regenerator 4,5 miljoen kg lucht per dag.

De regenerator is ontworpen om 120.000 uur en 5.000 cycli te werken zonder geplande reparaties, hetgeen een levensduur van 15 tot 20 jaar bij normaal bedrijf voorstelt. 10 Hiertoe moet de apparatuur kunnen werken bij een gasturbine-uitlaattemperatuur van 594°C en even snel starten als de bijbehorende gasturbine zodat geen brandstof behoeft te worden verspild om het systeem in lijn te brengen met de gestabiliseerde werktemperaturen. De toepassing van de dunne gevormde 15 platen, ribben en andere onderdelen waaruit de gesoldeerde regeneratorkernsecties bestaan, dragen bij tot deze geschiktheid. Het zal echter duidelijk zijn, dat een aanzienlijke warrate-uitzetting in alle drie dimensies (lengte, breedte en hoogte) optreedt als gevolg van het extreme werktemperatuurs-20 gebied en de aanzienlijke afmeting van de warmtewisselaareen-heden.' Bijvoorbeeld waren de totale afmetingen van de in figuur 1 afgebeelde module 20 in een bepaald geval ongeveer 5,1 m breed, 3,6 m lang (in de richting van de gasstroom) en 2,3 m hoog. Het gewicht van de kern was ongeveer 16.000 kg.

25 Figuur 1-3 tonen details van een montage-uitvoering voor een warmtewisselaarskern 12’ die verticaal is georiënteerd. Bij deze uitvoering is een enkel paar hoofddwarsbalken 60 aangebracht die aan hun tegenovergestelde einden zijn gemonteerd op de corresponderende constructie van het frame en 30 het huis (niet afgebeeld). De dwarsbalken 60 steunen een paar eerste balansbalken 62 die daaraan zijn gekoppeld door schar-nierpennen 64. Elke balansbalk 62 ondersteunt op zijn beurt een paar loodrecht gerichte, tweede balansbalken 66 die hangen aan staven 68. Elk van de tweede balansbalken 66 ondersteunt 35 op zijn beurt een rij schakels 70 die aan het ondereind daarvan met een scharnierende verbinding 72 zijn bevestigd aan een uitstekend oor of beugel 74 die is bevestigd op de kern 12' aan een overgang tussen aangrenzende kernsecties 10*.

Verwijzend naar figuur 2 en 3, is te zien dat de 40 scharnierpen 64 waarmede de eerste balansbalk 62 is gemon-

- ' V "·*> ) Λ O

. J , C -6- teerd op de dwarsbalken 60, op zijn plaats wordt gehouden door platen 80 en splitpennen 82. De stang 68 die zich omlaag uitstrekt vanaf de eerste balansbalk 62 naar de tweede balansbalk 66, is aan zijn tegenovergestelde einde voorzien 5 van zwenkpennen 84, 86 die een slingerbeweging van de stang 68 ten opzichte van de balken 62, 66 zonder klemming toelaten.

De rij 70 van schakels die zich uitstrekken tussen de tweede balk 66 en de kernbeugel 74 omvat een eerste en tweede stel verbindingsorganen 90, 92. Het eerste stel 90 be-10 staat uit een omgekeerde U-bout 94 die met moeren 96 en onder-legringen 98 is bevestigd op de balk 66. Een tweede langwerpige ü-bout 100 is verbonden met de U-bout 94 en ondersteunt een dwarsplaat 102 die op zijn plaats wordt gehouden door moeren en onderlegringen 96, 98. Een soortgelijke omgekeerde 15 langwerpige U-bout 100 is gehangen in een opening in het oor of de beugel 74 die is bevestigd op de warmtewisselaarkern. Elke plaat 102 van de langwerpige U-bouten 100 is door zijn midden van schroefdraad voorzien en een staaf 106 is daarin voor ondersteuning gemonteerd.

20 Het tweede stel 92 van verticale steunschakels om vat een van een opening voorziene strip 110 die is gemonteerd in een sleuf van de balk 36 en daaraan is gelast. Een soortgelijke strip 112 is gelast aan de warmtewisselaarkern als deel van de beugel 74. Door elk van de strippen 110, 112 is 25 een bijbehorende U-bout 114 gestoken, waarop overeenkomstige platen 116 zijn bevestigd. Een stang 118 strekt zich uit tussen schroefdraadopeningen in de middens van de platen 116.

Deze uitvoering met de twee stellen 90, 92 van steunschakels die zijn georienteerd zoals is afgebeeld, maakt 30 het mogelijk, dat de betreffende U-bouten en stangen dicht bij elkaar worden gemonteerd zonder elkaar te hinderen.

De combinatie van de balansbalken en stellen schakels in het steunsysteem voor de verticale montage van figuur 1-3 steunt op doelmatige wijze de warmtewisselaars-35 kern 12’ en laat een warmte-uitzetting in alle drie richtingen toe zonder vervorming van de kern of onbalans van de toepasbare krachtverdeling. De rolwerking van de zwenkpennen 84, 86 en de zwenkbare verbindingen tussen de betreffende schakels in de stellen van de ophangdelen 90, 92 40 neemt de verplaatsing in de lengte en in de breedte op zonder 57S2242 -7“ - het uitoefenen van ongewenste zijwaartse spanningen. De werking van de eerste en tweede balansbalken neemt automatisch de verschuiving in de gewichtsverdeling tengevolge van de warmte-uitzetting op. Daar de kern 12’ is opgehangen aan de 5 kernsteunbeugel 74 langs de bovenzijde van de kern met voldoende ruimte voor uitzetting onder de kern, kan de kern 12f vrij in de verticale richting uitzetten zonder hinder te ondervinden van het steunsysteem en de aangrenzende constructie.

10 Het warmtewisselaarkernsteunsysteem van de onder havige uitvinding levert op gunstige wijze de noodzakelijke steun voor het aanzienlijke gewicht van een grote warmte-wisselaarkern op een manier die op doelmatige wijze de tijdens de werking optredende warmte-uitzetting opneemt zonder belem-15 mering ten opzichte van het warmtewisselaarhuis. Tengevolge van de buigzaamheid van de hangers en het balanceervermogen van de daaraan verbonden steunbalken kan elke verschuiving in de krachtrichting en het balanceren van de gewichtsverdeling tijdens de uitzetting en inkrimping van de warmtewisselaar-20 kern tengevolge van temperatuursvariaties tijdens de werking gemakkelijk worden opgenomen. De verschillende onderdelen waaruit het steunsysteem bestaat zijn betrekkelijk eenvoudig van constructie en kunnen zonodig gemakkelijk ter plaatse worden onderhouden.

V 7 Ί ? 9 4 ? V * vA* i-a $ Λ

Claims (6)

1. Warmtewisselaar met een warmtewisselaarkern, bestaande uit meerdere afzonderlijke secties en een ophang-systeem voor het ondersteunen van de secties van de kern met éên of meer hoofdsteunbalken, meerdere balansbalken, die elk 5 worden ondersteund aan de hoofdsteunbalk op een tussenliggend punt langs zijn lengte om te zwenken om een horizontale as tussen de einden van de balansbalk en meerdere paren ophangor-ganen, namelijk êén paar voor elke balansbalk, met het kenmerk, dat de twee ophangorganen van elk paar als 10' een pendel zijn verbonden met de bijbehorende balansbalk aan tegenovergestelde zijden van de horizontale zwenkas en elk op-hangorgaan een eerste en tweede verbindingsorgaan omvat, die in het algemeen evenwijdig zijn en bij elkaar liggen en zijn verbonden met een steunbeugel, die is verbonden met de kern, 15 waarbij elk verbindingsorgaan bestaat uit een keten van stangen en ü-bouten, waarbij de U-bouten van het eerste verbindingsorgaan liggen in een vlak, dat in het algemeen loodrecht staat op het vlak, waarin de U-bouten van het tweede verbindingsorgaan liggen.

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het ophangsysteem meerdere verdere balansbalken omvat, die zijn verbonden met de balansbalken door middel van verdere ophangorganen, die zich uitstrekken tussen de balansbalken en de verdere balansbalken, welke 25 laatste zwenkbaar zijn gemonteerd op de hoofdsteunbalk of hoofdsteunbalken.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de verdere balansbalken zich in het algemeen evenwijdig aan de, hoofdsteunbalk of -balken uit- 30 strekken en de balansbalken zich in het algemeen loodrecht uitstrekken op de lengte van de verdere balansbalken, waaraan deze zijn opgehangen.

4. Warmtewisselaar volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat de verdere ophangorganen 35 voor het ondersteunen van de balansbalken aan de verdere balansbalken elk een in het algemeen vertikale stang omvatten met aan elk eind een zwenkpen, waarmede deze is verbonden met de betreffende balansbalk. $ / 5 ? ? 4 2 _ >* ίΚ. -9- * *

5. Warmtewisselaar volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de warmtewisselaarkern een in het algemeen verticale gasstroomweg vormt en elk van de ophangorganen, die de secties van de kern ondersteunen is 5 bevestigd aan de betreffende sectie boven het horizontale middenvlak van de kern.

6. Warmtewisselaar volgens conclusie 1-5, met het kenmerk, dat de of elke hoofdsteunbalk twee construciedelen omvat, waartussen de of elke bijbehorende 10 balansbalk of verdere balansbalk is opgenomen, waarbij een verdubbelingsplaat is bevestigd op het buitenvlak van elk constructiedeel ter plaatse van de zwenkverbinding van de of elke balansbalk of verdere balansbalk, die is verbonden met de steunbalk door een zwenkpen, die zich uitstrekt door gaten 15 in de verdubbelingsplaat en in de balansbalk, waarbij middelen zijn aangebracht om de zwenkpen op zijn plaats te houden. v Vi« ώ ^