SE511692C2

SE511692C2 - Device for introducing a hot gas into a rotor machine

Info

Publication number: SE511692C2
Application number: SE9801066A
Authority: SE
Inventors: Martin Maansson; Ragnar Torstenfeldt; Knud Knudsen
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1999-11-08
Also published as: WO1999050544A1; SE9801066D0; SE9801066L

Abstract

A device for conducting a hot gas into a rotor machine, wherein the hot gas is surrounded by a fluid which has a different pressure and a different temperature relative to the gas, and wherein the device comprises means (1, 2, 3, 4) for separating the gas and the fluid. The means (1, 2, 3, 4) which separates the gas and the fluid comprises an inner wall (1), suitable to conduct the gas into the rotor machine, and a partition wall (2), located outside of the inner wall, suitable to carry substantially the whole pressure difference between the gas and the fluid.

Description

l\) (11 BO 35 511 692 I PFBC-anläggningar, där het gas leds in till en gasturbin är det önskvärt att den anordning, den så kallade gassamla- ren som leder in gasen i själva turbinen, inte kyls av det medium som omger denna så att därigenom kylning av hetgasen åstadkoms, vilket skulle resultera i effektminskning hos an- läggningen. l \) (11 STAY 35 511 692 In PFBC plants, where hot gas is led into a gas turbine it is desirable that the device, the so-called gas collection clean that leads the gas into the turbine itself, not cooled by it medium surrounding it so as to thereby cool the hot gas achieved, which would result in a reduction in the power of the laying.

I fallet xned. en, koaxialledning son1 utgår' från. området av gasturbinens inlopp gäller dessutom att en tryckskillnad rå- der mellan den gas som leds in i turbinen och den komprime- rade luft som leds från kompressorn till brännkammaren. Den anordnin som leder in hetgasen till gasturbinen har därvid även till uppgift att bära den mekaniska belastning som denna tryckdifferens ger upphov till hos de medel som ut- nyttjas för att åtskilja gasen och fluidet, d.v.s. den kom- primerade luften.In the case of xned. a 'coaxial line son1'. area of in addition to the gas turbine inlet, a pressure difference between the gas introduced into the turbine and the compressed air led from the compressor to the combustion chamber. The device which leads the hot gas to the gas turbine has thereby also to the task of bearing the mechanical load which this pressure difference gives rise to the means used to separate the gas and the fluid, i.e. it came- primed the air.

Enligt tidigare teknik utnyttjas en vägg för att àtskilja gasen och den omgivande luften, varvid denna vägg är anord- nad att både leda in gasen i gasturbinen och bära den ovan- nämnda tryckdifferensen. Denna vägg hos gassamlaren måste isoleras mot kompressorluften för att hindra kylning av het- gasen. Den antar därvid hetgasens temperatur, vilket i sin tur får till följd att den blir mjukare, tappar bärkraft och i vissa fall får problem att bära den belastning som tryckdifferensen ger upphov till. Tidigare teknik löser pro- blemet genom noggrann anpassning av gassamlarens väggtjock- lek till de råda i området av förhållanden som kommer att w- denna. i takt med att gasturbinens och gassamlarens dimen- sioner ökar accentueras emellertid problemet och mycket stora väggtjocklekar kan bli nödvändiga för att tillförsäkra kravet på att gassamlaren förmår bära tryckdifferensen.According to prior art, a wall is used to separate the gas and the ambient air, this wall being arranged both to introduce the gas into the gas turbine and to carry the said pressure difference. This wall of the gas collector must insulated against the compressor air to prevent cooling of the hot air. gases. It then assumes the temperature of the hot gas, which in its luck results in it becoming softer, losing bearing capacity and in some cases have difficulty bearing the load that the pressure difference gives rise to. Prior technology solves pro- by carefully adjusting the wall thickness of the gas collector play to the prevailing in the area of conditions that will w- this. as the dimensions of the gas turbine and the gas collector increases, however, accentuated the problem and much large wall thicknesses may be necessary to ensure the requirement that the gas collector be able to bear the pressure difference.

Tidigare teknik är därför inte helt tillfredsställande med avseende på denna aspekt och en alternativ lösning vore ur 20 25 30 35 511 692 såväl ekonomisk synvinkel som tillförlitlighetssynvinkel önskvärd.Previous technology is therefore not entirely satisfactory with regard to this aspect and an alternative solution would be out 20 25 30 35 511 692 both an economic point of view and a point of view of reliability desirable.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med uppfinningen är att tillhandahålla en anordning som tillåter att het gas leds in i en rotormaskin under det att kylning av den heta gasen minimeras, samtidigt som den uppvisar god förmåga att bära de belastningar som den ut- sätts för på grund av en tryckdifferens som föreligger mel- lan den heta gasen och ett fluidum som omger denna.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the invention is to provide a device which allows hot gas to be led into a rotor machine below it that cooling of the hot gas is minimized, at the same time as it demonstrates a good ability to carry the loads due to a pressure difference present between lan the hot gas and a fluid surrounding it.

Detta syfte uppnås med den inledningsvis definierade anord- ningen, vilken är kännetecknad av att medlen som åtskiljer gasen och fluidet innefattar en inre vägg, ägnad att leda gasen in. i rotormaskinen, och en utvändigt däronz belägen mellanvägQ, ägnad att bära väsentligen hela tryckdifferensen mellan gasen och fluidet.This object is achieved with the initially defined device which is characterized by the means separating the gas and the fluid comprise an inner wall, suitable for conducting gases in. in the rotor machine, and an external deronz located intermediate pathQ, capable of carrying substantially the entire pressure difference between the gas and the fluid.

Den inre väggen kan därigenom tillåtas att anta samma tempe- ratur som gasen eftersom den inte har någon bärande funk- tion. Den hetgas som leds in i rotormaskinen och därvid kom- mer i kontakt med den inre väggen utsätts därigenom ej för någon kylande verkan från denna.The inner wall can thereby be allowed to assume the same temperature. temperature as the gas because it has no load-bearing function tion. The hot gas which is led into the rotor machine and thereby more in contact with the inner wall is thereby not exposed any cooling effect from this.

Enligt ett föredraget utförande av anordningen enligt upp- finningen innefattar medlen som àtskiljer gasen och fluidet ett värmeisolerande skikt. Därigenom är det möjligt att iso- lera mellanväggen från den heta gasen, vilket i sin tur har fördelen att mellanväggens temperatur kan hållas på en sådan låg nivå att dess mekaniska hållfasthet förblir sådan att den med tillförlitlighet kan bära de mekaniska belastningar som den utsätts för. Dessutom är det med ett sådant värmeisolerande skikt möjligt att undvika att mellanväggen i någon större omfattning Verkar kylande på hetgasen. 15 20 511 692 Enligt ytterligare ett föredraget utförande av anordningen enligt uppfinningen är ett utrymme inrättat mellan den inre väggen och mellanväggen och innefattar anordningen en pas- sage som tillåter att gasen ges tillträde till utrymmet.According to a preferred embodiment of the device according to The invention includes the means which separate the gas and the fluid a heat insulating layer. This makes it possible to isolate clay the partition from the hot gas, which in turn has the advantage that the temperature of the partition wall can be maintained at such low level that its mechanical strength remains such that it can reliably bear the mechanical loads to which it is exposed. In addition, it is with such heat insulating layer possible to avoid the partition in to a greater extent Has a cooling effect on the hot gas. 15 20 511 692 According to a further preferred embodiment of the device according to the invention, a space is arranged between the interior the wall and the partition and the device comprises a sage that allows the gas to be given access to the space.

Därigenom erhålls ett väsentligen lika stort gastryck på bägge sidor om innerväggen, vilken sålunda inte behöver ta upp någon nämnvärd mekanisk belastning.As a result, a substantially equal gas pressure is obtained both sides of the inner wall, which thus does not need to take up any appreciable mechanical load.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande av anordningen enligt uppfinningen är~ det värmeisolerande skiktet fästat vid insidan av mellanväggen och innefattar anordningen ett skyddsskikt ägnat att avskärma det värmeisolerande skiktet från värmestrålning från den inre väggen. Därigenom garan- teras i synnerhet mellanväggens bärande funktion samtidigt som man undviker att utsätta det värmeisolerande skiktet för värmestrålning som skulle kunna förstöra denna och därigenom leda till nedsatt funktion hos anordningen.According to a further preferred embodiment of the device according to the invention, the heat insulating layer is attached at the inside of the partition and the device comprises a protective layer suitable for shielding the heat-insulating layer from heat radiation from the inner wall. Thereby guaranteeing in particular the load-bearing function of the partition wall at the same time which one avoids exposing the heat insulating layer to heat radiation that could destroy it and thereby lead to impaired function of the device.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande av anordningen enligt uppfinningen är passagen inrättad att tillåta snabbt tillträde och utträde av gas i utrymmet. särskilt viktigt i samband med de snabba snabbt Denna aspekt är tryckförändringar som exempelvis uppstår med ett lastfränslag, exempelvis vid gasturbintripp.According to a further preferred embodiment of the device according to the invention, the passage is arranged to allow fast access and exit of gas in space. especially important in connection with the fast Quickly This aspect is pressure changes that occur, for example, with a load grouping, for example during gas turbine trips.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande av anordningen enligt uppfinningen har fluidet ett högre tryck än gasen, innefattar anordningen. en yttervägg och är en kanal för fluidet definierad mellan mellanväggen och ytterväggen. Där- igenom bildar anordningen en koaxialledning av det slag som med fördel utnyttjas hos exempelvis PFBC-anläggningar.According to a further preferred embodiment of the device according to the invention, the fluid has a higher pressure than the gas, includes the device. an outer wall and is a channel for the fluid defined between the partition and the outer wall. Where- through the device forms a coaxial line of the kind which advantageously used at, for example, PFBC facilities.

Enligt ytterligare ett föredraget utförande av anordningen enligt uppfinningen är gasen rökgas från en PFBC-brännkam- 20 25 30 35 511 692 mare och fluidet är luft som komprimerats i en kompressor och som 'via en koaxialledning leds från kompressorn till brånnkammaren.According to a further preferred embodiment of the device according to the invention, the gas is flue gas from a PFBC combustion chamber. 20 25 30 35 511 692 and the fluid is air compressed in a compressor and which 'via a coaxial line is led from the compressor to the fire chamber.

Ytterligare särdrag och fördelar med anordningen enligt upp- finningen framgår av den efterföljande, detaljerade beskriv- ningen samt de övriga, icke självständiga patentkraven.Additional features and advantages of the device according to The finding is apparent from the following detailed description. and the other, non-independent patent claims.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Härefter följer en detaljerad beskrivning av en såsom exem- pel anförd utföringsform av anordningen enligt uppfinningen under hänvisning till de bifogade ritningarna på vilka: Fn; 1 är en schematisk tvärsnittsvy av anordningen enligt uppfinningen vid inloppet till en rotormaskin, Fig 2 är en förstorad tvärsnittsvy av ett parti av anord- ningen enligt figur 1, och Fig 3 är ett diagram som approximativt visar en tempera- turkurva över snittet i figur 2.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The following is a detailed description of one such example. embodiment of the device according to the invention with reference to the accompanying drawings, in which: U.N; 1 is a schematic cross-sectional view of the device according to the invention at the inlet to a rotor machine, Fig. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion of device according to Figure 1, and Fig. 3 is a graph approximately showing a temperature curve over the section in Figure 2.

DETALJERAD BESKRIVNING AV ETT UTFÖRANDE I figur 1 visas en anordning för att leda in en het gas i en rotormaskin. I det visade exemplet utgörs den heta gasen av stoftinnehållande rökgas från en PFBC-brännkammare, varvid gasen håller en temperatur av i storleksordningen 850°C. Ro- tormaskinen utgörs av en gasturbin, vilken bland annat dri- ver en kompressor från vilken ett komprimerat fluidum i form av luft leds till PFBC-brånnkammaren. till rotormaskinen resp kompressorluft till PFBC-brännkamma- Transporterna av gas ren sker på ett i sig känt sätt genom utnyttjande av en så kallad koaxialledning, vilken, såsom framgår av figur 1, ut- går från området av inloppet till rotormaskinen. 511 692 lO }_| (n 20 25 Anordningen innefattar medel 1, 2, 3, och fluidet. 4 som åtskiljer gasen Dessa medel innefattar en inre vägg 1, ägnad att leda gasen in i rotormaskinen och en utvändigt därom be- lägen mellanvägg 2, ägnad att bära väsentligen hela tryck- differensen mellan gasen och fluidet. Den inre väggen 1 är rörformad och definierar en central gaskanal 11. Mellan- väggen 2 är även den rörformad och anordnad utvändigt om den inre väggen 1. Gastrycket är vid normal drift av i storleksordningen 14-16 bar medan fluidtrycket är av i stor- leksordningen 16-18 bar.DETAILED DESCRIPTION OF AN EMBODIMENT Figure 1 shows a device for introducing a hot gas into a rotor machine. In the example shown, the hot gas consists of dust-containing flue gas from a PFBC combustion chamber, wherein the gas maintains a temperature of the order of 850 ° C. Ro- The dryer consists of a gas turbine, which, among other things, drives ver a compressor from which a compressed fluid in mold of air is led to the PFBC combustion chamber. to the rotor machine or compressor air to the PFBC combustion chamber The transport of gas reindeer takes place in a manner known per se by utilizing such called coaxial line, which, as shown in Figure 1, goes from the area of the inlet to the rotor machine. 511 692 lO } _ | (n 20 25 The device comprises means 1, 2, 3, and the fluid. 4 which separates the gas These means comprise an inner wall 1, dedicated to direct the gas into the rotor machine and an external positions partition wall 2, suitable for carrying substantially the entire pressure the difference between the gas and the fluid. The inner wall 1 is tubular and defines a central gas channel 11. Intermediate the wall 2 is also tubular and arranged outside it inner wall 1. The gas pressure during normal operation of i of the order of 14-16 bar while the fluid pressure is off in play order 16-18 bar.

För att undvika att átskiljningsmedlen 1,2, 3, 4 skall ha en temperatursänkande inverkan på gasen är den inre väggen 1 inrättad att hålla väsentligen samma temperatur som gasen.In order to avoid that the separating means 1,2, 3, 4 should have one temperature-lowering effect on the gas is the inner wall 1 designed to maintain substantially the same temperature as the gas.

Detta är möjligt genom att ett utrymme 5 är inrättat mellan den inre väggen 1 och mellanväggen 2 och att anordningen in- nefattar en passage 6 som tillåter att gasen ges tillträde till utrymmet 5. Den inre väggen 1 är således både invändigt och utvändigt omgiven av gasen. Vid en normaldrift sker ett betydande flöde av gas invändigt om den inre väggen 1, medan den gas som föreligger i utrymmet 5, utvändigt om väggen 1 är väsentligen stillastående. Massflödet i den centrala gaskanalen 11 är av i storleksordningen 400 kg/s och flödeshastigheten är av i storleksordningen 70 m/s. invändigt om mellanväggen 2, och fästat mot denna, innefat- tar medlen ett värmeisolerande skikt 3. Det värmeisolerande skiktet 3 täcker väsentligen hela mellanväggens 2 innerom- fång och fungerar som ett foder. Invändigt om det värmeiso- lerande skiktet 3 är ett skyddsskikt 4 anordnat, vars upp- gift är att avskärma skiktet 3 från värmestràlning från den inre väggen 1. Skyddsskiktet 4 är via fästorgan 7 förankrat i sin position, varvid fästorganen 7 här innefattar tappar eller bultar som genomskjuter såväl skyddsskiktet 4 som det värmeisolerande skiktet 3 och i sin ena ände är fästade i lO l5 20 25 30 35 511 692 mellanväggen. 2 och 'vid sin. andra ände innefattar' muttrar eller läsbrickor 8 för fixeringen av skyddsskiktet 4. Den gas som föreligger i utrymmet 5 har, liksom den gas som flö- dar invändigt om den inre vägen 1, en temperatur av i stor- leksordningen 800-850°C.This is possible in that a space 5 is arranged between the inner wall 1 and the partition wall 2 and that the device comprises a passage 6 which allows the gas to be given access to the space 5. The inner wall 1 is thus both internal and externally surrounded by the gas. In normal operation, one occurs significant flow of gas inside about the inner wall 1, while the gas present in the space 5, outside the wall 1 is essentially stagnant. The mass flow in the central the gas duct 11 is of the order of 400 kg / s and the flow velocity is of the order of 70 m / s. inside of the partition wall 2, and attached to it, comprise the agents take a heat-insulating layer 3. The heat-insulating the layer 3 covers substantially the entire inner wall 2 of the partition wall 2. catch and act as a feed. Inside if the thermal insulation the protective layer 3, a protective layer 4 is provided, the poison is to shield the layer 3 from heat radiation from it inner wall 1. The protective layer 4 is anchored via fastening means 7 in its position, the fastening means 7 here comprising pins or bolts which pierce both the protective layer 4 and that heat insulating layer 3 and at one end of which are attached to lO l5 20 25 30 35 511 692 the partition. 2 and 'at its. other end includes nuts or reading plates 8 for fixing the protective layer 4. It gas present in the space 5, as well as the gas flowing inside the inner road 1, a temperature of play order 800-850 ° C.

Fluidet, som flödar i en ringformad kanal 10 utvändigt om mellanväggen 2, har lägre temperatur än gasen. Fluidets temperatur i närheten av mellanväggen 2 är av i storleksord- ningen 300°C, vilket även framgår av temperaturdiagrammet i figur 3, vilket approximativt visar de olika tempera- turnivåer som föreligger hos mellanväggen 2, värmeisole- ringsskiktet 3, skyddsskiktet 4 och den inre väggen 1 vid de givna värdena för gastemperatur och fluidtemperatur.The fluid flowing in an annular channel 10 externally the partition wall 2, has a lower temperature than the gas. Fluidets temperature in the vicinity of the partition wall 2 is off in the order of 300 ° C, which is also shown in the temperature diagram in Figure 3, which approximately shows the different temperatures levels present at the partition wall 2, thermal insulation the ring layer 3, the protective layer 4 and the inner wall 1 at the given the values for gas temperature and fluid temperature.

Anordningen innefattar för övrigt även en yttre vägg 9, vil- ken mellan sig och mellanväggen definierar en kanal 10, i vilken fluidet är ägnat att flöda. Den yttre väggen 9 är an- ordnad att bära hela trycket hos fluidet, dvs ett tryck av i tack storleksordningen 16-18 bar. Den yttre väggen 9 blir, vare anordningens konstruktion, relativt kall, vilket är av fördel för dess tryckbärande förmåga och den behöver därför inte överdimensioneras med hänsyn till temperaturpåverkan.The device also comprises an outer wall 9, which the gap between it and the partition defines a channel 10, i which the fluid is apt to flow. The outer wall 9 is arranged to carry the entire pressure of the fluid, i.e. a pressure of i thanks of the order of 16-18 bar. The outer wall 9 becomes, whether the construction of the device, relatively cold, which is off advantage for its pressure bearing capacity and it therefore needs not oversized with regard to temperature influence.

Den inre väggen 1 är anordnad för att bära de belastningar den utsätts för i samband med maximal gastemperatur och i synnerhet den transienta tryckdifferens som uppstår mellan utrymmet 5 och den centrala gaskanalen 11 då lastfrånslag sker och trycket snabbt faller i den centrala kanalen 11. En viktig aspekt är härvid att passagen 6 är anordnad att tillåta ett snabbt flöde av gas från utrymmet 5 till kanalen 11. Passagen 6 är emellertid vid normal drift och lastpà- slag, dvs dä gas inledningsvis tillförs rotormaskinen, an- ordnad att låta så lite stoft som möjligt passera med gasen då denna fyller upp utrymmet 5. Éliïï 511 692 8 |__\ QÛ [j] 20 Av väsentlig betydelse för anordningens funktion är dessutom att de olika väggarna och isoleringen innefattar för ändamå- let lämpliga material. Följaktligen kan den tryckupptagande mellanväggen innefatta låglegerat stål, det värmeisolerande skiktet innefatta keramiskt fibermaterial och skyddsskiktet 4 innefatta plåt av austenitiskt rostfritt stål. Den inre väggen 1, vilken bör vara både nötningsbeständig, med tanke och varmhàllfast, ett nickelbasmaterial, på stoftpåverkan, innefattar lämpligtvis t ex Hastaloy.The inner wall 1 is arranged to carry the loads it is exposed to in connection with maximum gas temperature and in in particular the transient pressure difference that occurs between the space 5 and the central gas duct 11 then load off occurs and the pressure quickly drops in the central channel 11. A important aspect here is that the passage 6 is arranged to allow a rapid flow of gas from the space 5 to the duct 11. Passage 6 is, however, during normal operation and loading stroke, ie when gas is initially supplied to the rotor machine, arranged to let as little dust as possible pass with the gas when this fills the space 5. Elijah 511 692 8 | __ \ QÛ [j] 20 In addition, it is of essential importance for the function of the device that the various walls and insulation comprise for purposes suitable materials. Consequently, it can absorb pressure the partition wall include low-alloy steel, the heat-insulating the layer comprise ceramic fiber material and the protective layer 4 include sheet of austenitic stainless steel. The inner wall 1, which should be both abrasion resistant, considering and heat resistant, a nickel base material, on dust exposure, suitably includes t ex Hastaloy.

Naturligtvis torde en rad modifieringar och alternativa ut- föranden av anordningen enligt den föreliggande uppfinningen vara. uppenbara för fackmannen. inon1 området utan. att denne därför frångår uppfinningstanken, så som denna är definierad i de bifogade kraven och beskrivningen.Of course, a number of modifications and alternative the operation of the device according to the present invention be. obvious to those skilled in the art. inon1 area without. that this therefore, the concept of invention deviates from the way it is defined in the appended claims and the description.

Det skall dessutom nämnas att den här använda benämningen koaxialledning inte enbart syftar på ledningar med identisk, sammanfallande axel, utan avser alla ledningar där en yttre kanal, såsonx kanalen 10, innesluter~ en inre kanal, såsom kanalen ll.It should also be mentioned that the term used here coaxial line does not only refer to lines with identical, coincident axis, but refers to all wires where an outer channel, such as channel 10, encloses an inner channel, such as channel ll.

Claims

lO 15 20 I \) UI 511 692

Device for introducing a hot gas into a rotor machine, the hot gas being surrounded by a fluid having a different pressure and a different temperature relative to the gas and the device comprising means (1, 2, 3, 4) for characterizing @d_ay that the means (1 separating the gas and the fluid comprise an inner tendon, separating the gas and the fluid, 2, 3, 4) (1), suitable for guiding the gas into the rotor machine, and a (2), substantially the entire pressure difference between the gas and the fluid. wall externally located partition wall suitable for carrying water - that the inner wall (1) is arranged to maintain substantially the same temperature.

Device according to claim 1, as the gas.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the means (1, 2, 3, 4) comprise a heat-insulating layer (3). 1 "_ is set up between the interior

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a space (5) forms the wall (1) and the partition wall (2) and that the device comprises a passage (6) which allows the gas to be given access to the space (5).

Device according to claim 3 or 4, characterized in that the heat-insulating layer (3) is attached to the inside of the partition wall (2).

Device according to any one of claims 3-5, characterized in that it comprises a protective layer (4), suitable for: shielding the heat-insulating layer (3) from heat radiation from the inner wall (1). 511 692 10

Device according to one of Claims 4 to 6, characterized in that the passage (6) is designed to allow rapid entry and exit of gas into the space (5).

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it comprises an outer wall (9) (10) and the outer wall (9). feel: and that a channel for the fluid is defined between the partition (2)

Device according to any one of the preceding claims, can; te§knad_ay that the fluid has a higher pressure than the gas.

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the fluid has a lower temperature than the gas.

ll. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor machine is a gas turbine.

Device according to any one of the preceding claims, can; tegknad_ay that the gas is flue gas from a PFBC combustion chamber and the fluid is air which is compressed in a compressor and which is led via a coaxial line from the compressor to the combustion chamber.