DE19638573A1

DE19638573A1 - Quench-Kühler

Info

Publication number: DE19638573A1
Application number: DE1996138573
Authority: DE
Inventors: Holger Illbruck; Burkhard Dr Schulte-Werning
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-03-26

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Quench-Kühler zum Kühlen eines heißen strömenden Gases, im wesentlichen bestehend aus einem zylindrischen Mantel, welcher über einen Gas-Einstrittsstut zen mit einer Heißgasleitung und über einen Gas-Austritts stutzen mit einer Kaltgasleitung verbunden ist, und welcher Mittel zum Einspritzen von Wasser aufweist. Sie betrifft auch die Verwendung eines solchen Quench-Kühlers in einer offenen Gasturbinenanlage.

Stand der Technik

Gasturbinen der modernen Generation und der oberen Leistungs klasse arbeiten mit sehr hohen Turbinen-Eintrittstemperatu ren, was eine Kühlung der Brennkammer, der Rotoren und der Beschaufelung unumgänglich macht. Hierfür wird in der Regel hochverdichtete Luft am Verdichteraustritt abgezogen. Da ein sehr hoher Anteil der verdichteten Luft für die heutige übli che Vormischverbrennung gebraucht wird, verbleibt einerseits für Kühlzwecke nur ein Minimum an Kühlluft. Anderseits ist diese für die Kühlung bestimmte Luft infolge der Verdichtung bereits sehr heiß, weshalb sich deren vorgängige Kühlung empfiehlt.

Es bietet sich in der Folge an, das Rückkühlen mittels an sich bekannter Wassereinspritzung ("gas-quenching") vorzuneh men; mit dieser Methode bleibt selbst bei Gasturbinenanlagen ohne Wärmerekuperation die Wärme im System. Diese Lösung weist schwergewichtige Vorteile gegenüber den auch möglichen Konvektionskühlern auf, die auf der Basis von Luft/luft- oder Flüssigkeits/Luft-Wärmeaustausch arbeiten, und bei welchen bei Gasturbinenanlagen ohne Wärmerekuperation die bei der Rückkühlung anfallende Wärme dem System entzogen wird. Bei Kombianlagen hingegen kann diese Wärme z. B. dem Dampfzyklus zugeführt werden.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Quench-Kühler mit hohem Nutzungsgrad für hohe Gas- und Flüs sigkeitstemperaturen und hohe Drücke zu schaffen. Die spe zielle thermohydraulische Anforderung an diese Klasse von Apparaten, sofern sie in modernen Gasturbinenanlagen zur Anwendung gelangen, ist dabei folgende: hohe Gaseintrittstem peratur zwischen 300-530°C, hoher Druck auf der Gasseite zwi schen 20 und 35 bar, geringe gas- und flüssigkeitseitige Druckverluste und relativ hohe Kühlspanne des Gases größer als 250°C.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß stromabwärts der Wassereinspritzmittel eine den durchströmten Querschnitt des Mantels teilweise ausfüllende Füllkörperko lonne angeordnet ist, welche als in den Mantel (10) ein schiebbare Patrone mit eigener Ummantelung ausgebildet ist, wobei zwischen dem Mantel und der Ummantelung ein durchström barer Spalt gebildet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Gasturbinenanlage schematisch dargestellt. Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmedien ist mit Pfeilen bezeichnet.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein vereinfachtes Anlagenschema,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Quench-Kühler mit Einspritz- und Überwachungssystem.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Gemäß Figur. 1 wird im Gasturbinenkreislauf bei 1 atmosphä risch angesaugte Frischluft in einem Verdichter 2 auf den Arbeitsdruck verdichtet. Die verdichtete Luft wird in einer beispielsweise mit Erdgas befeuerten Brennkammer 3 stark erhitzt; das so entstandene Brenngas wird in einer Gasturbine 4 arbeitsleistend entspannt. Die dabei gewonnene Energie wird an einen Generator 5 bzw. den Verdichter 2 abgegeben. Die Abgase aus der Gasturbine werden über die Abgasleitung 6 und einen nicht dargestellten Kamin ins Freie geleitet.

Für die zu Kühlzwecken gebrauchte Luft zweigt vom Austritt des Verdichters 2 eine Luftleitung 7 zu einem Quench-Kühler 8 ab. Nach dessen Durchströmung gelangt die abgekühlte Luft über eine Kühlleitung 9 zu den verschiedenen Verbrauchern. Wasserseitig wird der Quench-Kühler über die Leitung 22 mit einer Wasserpumpe 15 angespeist.

Dieser Quench-Kühler 8 ist anhand der Fig. 2 näher erläutert:
Über die Heißgasleitung 7 - hier die Luftleitung aus dem Verdichter - gelangt das zu kühlende Medium in den Apparat.

Im wesentlichen besteht der Apparat aus dem Gas-Eintritts stutzen 11, welcher einerseits an der Luftleitung 7 ange flanscht ist und anderseits über einen Flansch mit dem zylin drischen Mantel 10 verbunden ist, wobei dieser Mantel an sei ner Außenwand in der Regel wärmeisoliert ist. Austrittseitig ist dieser Mantel 10 wiederum über einen Flansch mit dem Gas-Austrittsstutzen 12 verbunden, welcher auch an der Kaltgas leitung 9 - hier der Kühlleitung - angeflanscht ist.

Am Manteleintritt sind über den kreisförmigen Querschnitt ver teilt die Wassereinspritzmittel angeordnet. Hierbei handelt es sich um eine Mehrzahl von Druckzerstäuberdüsen 30. Sie werden einerseits aus einer den Apparat umgebenden Ringkammer 20 mit Wasser angespeist, andererseits mit Dampf aus einer den Apparat umgebenden Ringkammer 21. Der Dampf dient der Zerstäubung des Wassers, wobei am Düsenaustritt Tröpfchen in Micron-Größe erzielt werden. Es stellt sich eine disperse Phase ein.

Die Dampfaufbereitung für die Wasserzerstäubung in den Was sereinspritzmitteln 30 geschieht zweckmäßigerweise in der Heißgasleitung, hier also in der Luftleitung 7, die vom Ver dichter zum Quench-Kühler 8 führt. Über die Wasserpumpe 15 gelangt das Arbeitsmittel zunächst in einen Wasservorwärmer 16. Von hier aus wird der überwiegende Teil des Wassers über die Wasserleitung 22 zur Ringkammer 20 geleitet. In dieser Wasserleitung 22 ist ein Regelventil 18 angeordnet. Am Aus tritt des Vorwärmers wird ein Teil des Wassers abgezweigt und in den Wasserverdampfer 17 geführt. In der Heißgasleitung ist dieser Wasserverdampfer luftseitig dem Vorwärmer vorge schaltet. Aus dem Verdampfer gelangt der erzeugte Dampf über eine Dampfleitung 23, in der ein Druckhalteventil 19 angeord net ist, in die Ringkammer 21.

Stromabwärts der Druckzerstäuberdüsen 30 ist der durchströmte kreisförmige Querschnitt des Mantels 10 mit einem statischen Mischer in Form einer Füllkörperkolonne 13 versehen. Eine solche zylindrische Kolonne 1 enthält geschichtete Füllkörper 2, nachstehend Packung genannt. Dabei kann es sich um eine Schüttung handeln, also um eine sogenannte ungeordnete Fül lung (random packing). Besser geeignet ist eine geordnete Füllung (regular packing), welche die Vorzüge einer höheren Mischleistung bei geringerem Druckabfall durch homogen gezielte Verteilung bietet. Als Material für solche an sich bekannten Packungen kann Edelstahl oder Keramik verwendet werden, die sich alle durch eine gute Benetzbarkeit bei wäßrigen Systemen auszeichnen.

Das eingespritzte Wasser und die Luft durchströmen die mehre ren Schichten der regulären Packung im Gleichstrom. In der Packung findet eine vollständige Durchmischung der zwei Pha sen statt, wobei der Wasseranteil verdampft. Die heiße Luft liefert dabei die Verdampfungsenthalpie, so daß eine isent halpe Absenkung der Lufttemperatur im Apparat erfolgt.

Anhand eines Zahlenbeispiels sei dies näher erläutert: Es versteht sich, daß im Zusammenhang mit den genannten Zahlen werten hinsichtlich der Dimensionierung des Apparates und insbesondere der erforderlichen Packungslänge auf die Angabe von Absolutwerten verzichtet werden muß, da diese Werte auf grund ihrer Abhängigkeit von allzu zahlreichen Parametern ohnehin zu wenig aussagekräftig sind. Maßgebend für die Aus legung ist einzig, daß eine vollständige Verdampfung des eingespritzten stattfindet.

Der Eintrittszustand der zu kühlenden Luft betrage ca. 34 bar und ca. 500°C; die Luftmenge betrage ca. 35 kg/sec. Die ein gespritzte Wassermenge beträgt ca. 10 kg/s. Über den Luft-Austrittsstutzen 12 verläßt das Arbeitsmittel den Apparat dann als Kühlluft mit einer Temperatur von ca. 170°C. Im vor liegenden Fall wird die Luft demnach um 330°C herunterge kühlt.

Ein solcher Apparat zeichnet sich durch eine kompakte Bau weise aus und arbeitet ohne nennenswerte Druckverluste. Die Kompaktheit und die nur erforderlichen kurzen Leitungen gestatten das Aufstellen des Quench-Kühlers in unmittelbarer Maschinennähe, so daß er mit Vorteil in die Schallisolierung des thermischen Blockes miteinbezogen werden kann.

Aufgrund der Quench-Kühlung wird die Leistung der Gasturbine dadurch erhöht, daß der die Gasturbine beaufschlagende Mas senstrom zumindest teilweise um den verdampften Wasseranteil erhöht wird; Nach Verrichtung seiner Kühlfunktion wird das Kühlmittel nämlich zur Arbeitsleistung in der Gasturbinen beschaufelung weiterverwendet.

Die Packung ist in der Kolonne in einer eigenen Ummantelung 14 in Form eines dünnen Bleches gehalten und damit als in den zylindrischen Mantel 10 einschiebbare Patrone ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß sich Verdampfungsrückstände nicht auf dem eigentlichen Apparatemantel 10 absetzen können. Beim Ausbau der Kolonne anläßlich der Wartung verbleiben die eine Schicht bildenden Verdampfungsrückstände somit innerhalb der Patrone. Die Gefahr des Abbrechens von Partikeln von der Man telwand 10 und deren möglicher Transport in die zu kühlenden Verbraucher ist damit eliminiert.

Die Außenseite des zylindrischen Mantels 10 ist üblicher weise der Umgebungstemperatur ausgesetzt. Es ergibt sich somit ein Temperaturgefälle zwischen der Wand und der Kern strömung im Rohr, wenn die Kernströmung eine Temperatur größer als die Umgebungstemperatur aufweist. In extremen Fällen kann die Temperatur der Kernströmung oberhalb und die Wand temperatur unterhalb der Siedetemperatur der eingedüsten Flüs sigkeit liegen. Dies führt zu einer Inhomogenität in der Intensität des Stoffüberganges über den Querschnitt des Mischers. Denn Flüssigkeit, die auf die kalte Wand auftritt, wird nicht so stark verdampfen wie Flüssigkeit in der Kern strömung. Dadurch könnte Flüssigkeit über die Gasströmung die Wand entlang transportiert werden und den Mischer unverdampft verlassen. Desweiteren entzieht Flüssigkeit, welche an die Wand gelangt, der Wand Wärme und kühlt sie zusätzlich ab.

Abhilfe schafft hier die Erfindung. Der durchströmte Quer schnitt des Mantels 10 ist stromabwärts der Wassereinspritz mittel 30 nur teilweise mit der Füllkörperkolonne 13 ausge füllt. Zwischen der Ummantelung 14 der Patrone und der Innen wand des Mantels 10 wird ein durchströmbarer Spalt 25 gebil det. Die Patrone kann auf nicht dargestellte Weise mittels einfacher Streben im Mantel zentriert sein. Der somit gebil dete Ringspalt stellt für das Gas einen durchströmbaren Bypass dar. Die Ummantelung 14 der Patrone wird durch das Bypassgas beheizt und eingedüste Flüssigkeit, die sich wider Erwarten an der Ummantelung 14 niederschlägt, kann entlang der Lauflänge des Bypasskanals verdampfen, da keine kalten Wandungen die Verdampfung beeinträchtigen.

Die Höhe des Spaltes 25 ist mit dem Druckverlust der Füllkör perkolonne abgestimmt. Versuche ergaben, daß mit Spalthöhen von ca. 1-2% des Manteldurchmessers günstige Ergebnisse erzielt werden. Der den Spalt beaufschlagende Gasstrom ist abhängig vom maximalen Flüssigkeitsniederschlag auf der Ummantelung 14, da am Spaltende die Gastemperatur immer noch höher als die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit sein sollte.

Zur gezielten Erhöhung des Druckverlustes und des Wärmeüber gangs an der Ummantelung 14 sind an dieser Ummantelung und/oder an der Innenwand des Mantels 10 Rauhigkeitselemente 26 angebracht. Bei gegebenem Druckverlust der Füllkörperko lonne 13 kann mit solchen die Grenzschicht beeinflussenden Elementen die den Spalt durchströmende Gasmenge gesteuert werden, was insbesondere vorteilhaft ist bei größeren und damit besser kontrollierbaren Spalten.

Nach alldem ist erkennbar, daß die Wassereinspritzmittel 30 derart anzuordnen sind, daß sie nur die Füllkörperkolonne 13 innerhalb der Ummantelung 14 beaufschlagen, nicht jedoch kanalbegrenzenden Wandungen.

Unmittelbar stromabwärts der Füllkörperkolonne 13 ist ein weiteres Mischmodul 27 angeordnet, welches den ganzen durch strömten Querschnitt des Mantels (10) ausfüllt. Dieses Mischmodul sorgt für die Vermischung des Spaltstromes mit der die Füllkörperkolonne verlassenden Kernströmung.

Allfällig im Quench-Kühler anfallendes Kondensat wird über eine Drainageleitung 24 in die zum Kamin führende Abgas leitung 6 eingeleitet. Mit dieser Maßnahme kann auf die üblichen Flash-Boxes verzichtet werden, in welchen das unter Druck stehende Kondensat auf Atmosphärendruck entspannt und durch Mischung mit Kaltwasser heruntergekühlt wird.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Das neue Apparatekonzept ist grundsätzlich anwendbar bei allen Prozes sen, bei welchen die beteiligten Arbeitsmittel hohe Tempera turen und selbst hohe Drücke aufweisen.

Bezugszeichenliste

1 Verdichtereintritt
2 Verdichter
3 Brennkammer
4 Gasturbine
5 Generator
6 Abgasleitung
7 Heißgasleitung
8 Quench-Kühler
9 Kaltgasleitung
10 Mantel von 8
11 Gas-Eintrittsstutzen
12 Gas-Austrittsstutzen
13 Füllkörperkolonne
14 Mantel von 13
15 Wasserpumpe
16 Wasservorwärmer
17 Wasserverdampfer
18 Regelventil
19 Druckhalteventil
20 Ringkammer für Wasser
21 Ringkammer für Dampf
22 Wasserleitung zu 20
23 Dampfleitung zu 21
24 Drainageleitung zu 6
25 Spalt
26 Druckverlust erzeugende Elemente
27 Mischmodul
30 Wassereinspritzmittel, Druckzerstäuberdüsen

Claims

1. Quench-Kühler zum Kühlen eines heißen strömenden Gases, im wesentlichen bestehend aus einem zylindrischen Mantel (10), welcher über einen Gas-Einstrittsstutzen (11) mit einer Heißgasleitung (7) und über einen Gas-Austritts stutzen (12) mit einer Kaltgasleitung (9) verbunden ist, und welcher Mittel (30) zum Einspritzen von Wasser auf weist, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Wassereinspritzmittel (30) eine den durchströmten Querschnitt des Mantels (10) teilweise ausfüllende Füllkörperkolonne (13) angeordnet ist, wel che als in den Mantel (10) einschiebbare Patrone mit ei gener Ummantelung (14) ausgebildet ist, wobei zwischen dem Mantel (10) und der Ummantelung (14) ein durchström barer Spalt (25) gebildet wird.

2. Quench-Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar stromabwärts der Füllkörperkolonne (13) ein weiteres Mischmodul (27) angeordnet ist, welches den ganzen durchströmten Querschnitt des Mantels (10) aus füllt.

3. Quench-Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Spalt (25) Druckverlust erzeugende Elemente (26) angeordnet sind.

4. Quench-Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Spalt (25) den Wärmeübergang erhöhende Elemente (26) angeordnet sind.

5. Quench-Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wassereinspritzmittel (30) Druckzerstäuberdüsen sind, welche derart angeordnet sind, daß sie nun die Füllkörperkolonne (13) innerhalb der Ummantelung (14) beaufschlagen.

6. Verwendung eines Quench-Kühlers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Gasturbinenprozeß, wobei der Gas-Eintrittsstutzen (11) mit dem Austritt eines Gasturbi nen-Verdichters (2) und der Gas-Austrittsstutzen (12) mit einer zur Gasturbine (4) führenden Kühlluftleitung (9) verbunden ist, und wobei im Quench-Kühler (8) anfallendes Kondensat über eine Drainageleitung (24) in die zum Kamin führende Abgasleitung (6) eingeleitet wird.