DK178491B1 - Varmegenvindingsenhed - Google Patents

Abstract

En varmegenvindingsenhed indbefatter en varmeveksler (3), som er ar rangeret i et ringformet rum (4), der udgør en del af en udstødningsled ning (2) fra fx en gasturbine eller dieselmotor. En omløbsledning (6) til udstødningen er arrangeret gennem det ringformede rum (4), og forde lingen af udstødningsstrømning gennem varmeveksleren (3) og omløbsledningen (6) reguleres ved hjælp af en reguleringsventil (7). Reguleringsventilen er en drejelig spjældventil (7), som er arrangeret i ud stødningsledningen (2) tilgrænsende til varmeveksleren (3), den drejelige spjældventil har en stationær del (8) og en drejelig del (9), hvilke begge er forsynet med åbninger (10, 12; 11, 13), som kan bringes til at dække eller overlappe hinanden. Både den stationære del (8) og den drejelige del (9) er dannet af to koniske modsatrettede dele ( Bb; 9a, 9b).

Description

Varmegenvinding fra gasturbiner er en almindelig fremgangsmåde til at tilvejebringe varme til produktionen af damp og varmt vand på offshoreinstallationer. Ofte er der et behov for store mængder af varme til brug i olieproduktionen eller til andre varmebehov. På det seneste har man også udforsket mulighederne for at genvinde varme til at producere damp til indsprøjtning i gasturbiner for at reducere NOx-ud-ledningertil atmosfæren.

Varmegenvinding finder sædvanligvis sted ved at lade varm udstødning fra gasturbinen strømme over en rørvarmeveksler, for at varmen fra udstødningen kan overføres til et væske- eller dampbaseret system.

Fælles for alle disse varmegenvindingsenheder er, at de er meget store og tunge. En typisk enhed til generering af varmt vand vejer omkring 50 ton og er 10 x 8 x 14 meter (bredde x længde x højde). Dette er normalt ikke et problem på land, hvor der ofte er nok plads, men det kan være et problem på offshoreinstallationer, hvor pladsen er begrænset. Dette er navnlig sandt for eksisterende platforme, som oplever en efterspørgsel efter ekstra varme.

Grunden til, at disse enheder er så store, er generelt behovet for at regulere mængden af udstødning, der skal tilføres til varmegen-vindingsenheden. Det er derfor ofte nødvendigt at have et omløbssystem, som er meget pladsforbrugende. I dag er det sædvanligt at regulere mængden af udstødningstilførsel ved hjælp af et spjæld. Enten er spjældet af den enbladede slags sådan, at der, set fra gasturbinen, altid vil være en åben udstødningsvej, eller der er installeret et sæt spjæld i hovedledningen, og et andet sæt er installeret i omløbsledningen, de to sæt arbejder sammen. Ulempen ved denne sidstnævnte løsning er, at fejlfunktion kan resultere i et blokeret udløb, set fra gasturbinen.

I tillæg til varmeveksleren vil en typisk varmegenvindingsenhed indbefatte en lyddæmper, en reguleringsventil, et omløbssystem, et varmevekslerhus og en udløbsskorsten.

US-patent 6302191 foreslår en anden løsning, som har en integreret omløbsledning. I dette tilfælde er varmeveksleren arrangeret i et ringformet rum, som udgør en del af udstødningsledningen. Det ring formede rum er på den indvendige side afgrænset afen cylindrisk ventilglider, som samtidig danner den udvendige begrænsning af omløbsledningen. Ventilglideren er aksialt bevægelig mellem to ekstreme positioner. I den øvre position åbner ventilglideren for udstødning til varmeveksleren og lukker omløbet, og i den nedre position åbner den omløbet og lukker til varmeveksleren. I midterpositioner deles udstødningen mellem varmeveksleren og omløbet.

På et offshoreanlæg ville den cylindriske ventilglider ifølge US 6302191 være omkring 3 meter i diameter og 5-10 meter lang. Den ville skulle understøttes sådan, at den kunne bevæges aksialt på en enkel måde, eftersom hele reguleringen af udstødningen er baseret på den ak-siale bevægelse af cylinderen. Dette nødvendiggør glide- eller rullelejer til at mindske friktion og nødvendiggør også, at vægtykkelsen er stor nok til at undgå udbøjninger under bevægelser af cylinderen og grundet gentagen opvarmning og afkøling (driftstemperaturer er typisk 600°C). Dette gør cylinderen stor og tung. Den må også understøttes af komplicerede lejer, som vil være placeret i den varme udstødning, en situation som ved lignende anvendelser har forårsaget problemer. Lejerne er vanskelige at få adgang til uden at afmontere hele enheden.

GB 1 303 092 A beskriver en varmegenvindingskedel med en flerhed af varmevekslerrør anbragt i en skal, med en indløbskasse ved en ende af varmevekslerrørene og en udløbskasse ved den anden ende af varmevekslerrørene, med en omløbsledning til udstødningsgasser og med et par af hule ventilelementer, som passer ind i hinanden, og som har respektive indbyrdes samvirkende sæt af åbninger. Det ene sæt åbninger står i forbindelse med varmevekslerrørene og det andet med omløbsledningen. Varmegenvindingskedlen omfatter desuden middel til at udføre drejning af de hule ventilelementer i forhold til hinanden, sådan at det ene sæt åbninger lukkes, når det andet åbnes.

Den foreliggende opfindelse sigter mod at tilvejebringe en var-megenvindingsenhed af den slags, som er nævnt ovenfor, hvilken er enkel og billig at fremstille og har lav vægt, og hvilken samtidig er nem at regulere på en forholdsvis præcis måde.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved en varmegenvindingsenhed som defineret i krav 1. Fordelagtige udførelsesformer er defineret i de afhængige krav.

Reguleringsventilen ifølge den foreliggende løsning har en forholdsvis kort og præcis vinkelbevægelse til styring af mængden af udstødning, som skal tilføres til varmeveksleren. Derfor er en mindre kraft nødvendig til at regulere udstødningen, eftersom det ikke er nødvendigt at løfte vægten af et stort og tungt ventilelement, men kun friktion, der skal overvindes. Dertil kan den foreliggende løsning baseres på fælles lejer for aksler af forholdsvis lille diameter, hvilke kan arbejde i høje temperaturer. Disse findes i et antal velafprøvede anvendelser. Lejerne er små, og når de er arrangeret på en fornuftig måde, kan de besigtiges eller erstattes på en enkel måde uden at afmontere hele enheden. Dette vil simplificere vedligeholdelsen betydeligt.

I dag er det også almindeligt at anvende indvendig isolering i udstødningsledninger til lyddæmpning. Sådan isolering er også enklere at installere med den foreliggende løsning.

For bedre forståelse af opfindelsen vil den blive beskrevet nøjere under henvisning til den eksemplificerende udførelsesform vist i de vedføjede tegninger, hvor fig. 1 er en prospektiv afbildning af dele af en delvis adskilt varmegenvindingsenhed ifølge opfindelsen med reguleringsventilen i en midterposition, fig. 2 viser den samme enhed men med reguleringsventilen lukket mod varmeveksleren, fig. 3 viser et sprængbillede af enheden i fig. 2, fig. 4 viser et skematisk tværsnit gennem reguleringsventilen, og fig. 5 viser et længdesnit gennem en alternativ udførelsesform for varmegenvindingsenheden ifølge opfindelsen.

Varmegenvindingsenheden, som generelt benævnes 1 i figurerne, er placeret i en udstødningsledning 2, der fx kan komme fra en gasturbine. Varmegenvindingsenheden indbefatter en varmeveksler 3, af hvilken kun en del er vist. Varmeveksleren er arrangeret i et ringformet rum 4, som udgør en del af udstødningsledningen og afgrænses af en udvendig væg 5 (delvis skåret væk) og en indvendig væg 6. Den indvendige væg 6 danner samtidig en omløbsledning 6 forbi varmeveksleren 3.

På indløbssiden af det ringformede rum 4 til varmeveksleren 3 er der arrangeret en reguleringsventil 7 med det formål at regulere fordelingen af den strømmende udstødning mellem varmeveksleren 3 og omløbsledningen 6. Reguleringsventilen 7, som kan kaldes en drejelig spjældventil, er forsynet med en stationær del 8 og en drejelig del 9, hvilke danner et spjæld. Disse ventildele er begge forsynet med åbninger henholdsvis 10, 11 og 12, 13, som kan bringes til at overlappe parvis 10, 12; 11, 13 eller til at blive dækket af den anden ventildel. Åbningerne 10, 12 vender mod det ringformede rum 4, mens de tilbageværende åbninger 11, 13 vender mod omløbsledningen 6. Med denne konstruktion vil det være umuligt at lukke alle åbningerne på samme tid.

Både den stationære del 8 og den drejelige del 9 af reguleringsventilen 7 er sat sammen af to koniske dele. En af de koniske dele 8a, 9a er placeret på den indvendige side af den anden koniske del 8b, 9b og har en modsatrettet konicitet. Delene er koncentriske, den udvendige del 8b, 9b har en keglestubformet form og er ved sin smalle ende forbundet med basen af den indvendige, fuldt koniske del 8a, 9a. Topvinklen af den keglestubformede udvendige del 8b, 9b er noget mindre end topvinklen af den indvendige del 8a, 9a. Vinkler og højder af de to koniske dele kan variere, men fortrinsvis har de omkring det samme overfladeareal sådan, at åbningerne 10-13, som kan være fremstillet i de koniske dele, vil have det samme areal. Dette resulterer i, at hastigheden af udstødningsgasserne gennem åbningerne er i det væsentlige den samme, uanset om udstødningen føres gennem rummet 4 af varmeveksleren 3 eller ind i omløbsledningen 6. Denne hastighed bør ikke være meget mere end 30 meter per sekund.

Den drejelige del 9 af reguleringsventilen 7 har en central aksel 14, som er drejeligt lejret i et leje 15, der holdes fast i position af radiale stivere 16 eller beslag, som er understøttet i udstødningsledningen 2 eller alternativt i en stationær del af reguleringsventilen 7. Akslen 14 er drejelig ved hjælp af en arm 17 og manøvreringsstang 18, som strækker sig til ydersiden af udstødningsledningen 2. Ved hjælp af stangen 18 kan akslen 14 drejes for at regulere åbningerne 10-13 i reguleringsventilen. I fig. 1 er den drejelige del 9 positioneret på en sådan måde med hensyn til den stationære del 8, at alle åbningerne 10-13 er halvvejs lukkede. Ved at trække i stangen 18 kan åbningerne 10, 12 lukkes endnu mere, mens åbningerne 11, 13 åbnes indtil den forholdsvise position vist i fig. 2 opnås, hvor åbningerne 10 mod varmeveksleren er fuldstændig lukkede, og åbningerne 11 mod omløbsledningen 6 er fuldstændig åbne. Det forstås, at ventilen 7 kan have en hvilken som helst position mellem at være fuldstændig åben eller fuldstændig lukket mod varmeveksleren 3, og at ventilen vil blive i sin indstillede midterposition, bl.a. på grund af friktionen mellem delene 8, 9, med mindre den påvirkes ved hjælp af manøvreringsstangen 18. Følgelig er ingen udefrakommende kraft nødvendig for at bibeholde en given ventilposition.

Snittet vist skematisk i fig. 4 er taget vinkelret på længdeaksen af varmegenvindingsenheden tæt på overgangen mellem de modsatvendende koniske dele. Reguleringsventilen 7 er i i det væsentlige samme position som i fig. 1, dvs. med alle åbninger 10-13 halvvejs åbne sådan, at udstødningen vil blive fordelt mellem det ringformede rum 4 af varmeveksleren og omløbsledningen 6. Her vil det ses, at kantdelene af åbningerne 10 i den udvendige del 8b af den stationære del 8 er forsynet med ribber 19, som danner anlæg for tætningselementer 20. På en tilsvarende måde har kantdelene af åbningerne 12 i den udvendige del 9b af den drejelige del 9 ribber 21, som ved lukning af åbningerne 10, 12 mod det ringformede rum 4 vil ligge an mod tætningselementerne 20 og derved tilvejebringe en god tætning mod varmeveksleren, når det er ønskeligt, for eksempel hvis vedligeholdelse skal udføres på varmeveksleren, mens resten af anlægget er i drift. Også de indvendige dele 8a, 9a af den drejelige spjældventil 7 er forsynet med ribber henholdsvis 22 og 23, hvilke ligger an mod hinanden, når åbningerne 11, 13 mod omløbsledningen 6 er lukkede og danner en simpel labyrinttætning. Ribberne 22, 23 selv kan være forsynet med fremspringende ribber, som kan passe sammen på en sådan måde, at der dannes en mere effektiv labyrinttætning. Der er også et antal af andre former for tætninger, som vil væ- re velkendte for fagmanden, og som kan anvendes med fordel med den foreliggende opfindelse.

Fig. 5 viser et længdesnit gennem en alternativ udførelsesform for reguleringsventilen. Her er den centrale understøtning med akslen 14 i lejet 15 erstattet med en krave 24 på den drejelige del 9, hvilken er modtaget i en rundtgående lomme 25. Lommen 25 og om muligt den stationære del 8 er forsynet med antifriktionselementer (ikke vist) for at holde den drejelige del 9 centraliseret og for at undgå blokering af den drejelige del, når den drejes. Drejebevægelsen kan udføres på adskillige forskellige måder, som vil være åbenlyse for fagmanden, fortrinsvis i forbindelse med den rundtgående lomme 25.

Det bemærkes, at reguleringsventilen i de eksemplificerende udførelsesformer beskrevet ovenfor har fire åbninger mod varmeveksleren og omløbsledningen. Antallet af åbninger mod varmeveksleren kan øges, hvis man skulle ønske en mere jævn fordeling af den udstødning, som strømmer ind i varmeveksleren. Dog har man fundet, at fire åbninger tilvejebringer en tilstrækkelig god fordeling, mens den strukturelle løsning på samme tid tillades at være robust og pålidelig og effektiv i forhold til omkostningerne.

Det forstås, at opfindelsen ikke er begrænset til de eksemplificerende udførelsesformer beskrevet ovenfor, men kan modificeres og varieres af fagmanden indenfor omfanget af de følgende krav. Selv om konstruktionen med to modsatrettede koniske dele bliver både kompakt og robust, vil det være muligt at lade formen af delene variere mellem plan og cylindrisk og ikke desto mindre opnå nogle af fordelene ved den foreliggende opfindelse. Det forstås også, at hvis en særlig god lukning af udstødningen mod varmeveksleren er påkrævet, kan en ventil ifølge opfindelsen installeres ved begge ender af varmeveksleren.

Selv om de to eksemplificerende udførelsesformer for opfindelsen beskrevet ovenfor har en lodret orientering, vil det være klart for fagmanden, at enheden kan ligge horisontalt eller have en hvilken som helst anden orientering, hvis dette skulle være ønskeligt. Tegningerne viser kun halvdelen af varmegenvindingsenheden. I den anden halvdel ville det være naturligt at lade det ringformede rum 4 og omløbsledning 6 flette sammen til en fælles ledning.

Claims (10)

1. Varmegenvindingsenhed indbefattende en varmeveksler (3), som er arrangeret i et ringformet rum (4) afgrænset af en udvendig væg (5) til at danne en del af en udstødningsledning (2), hvor der inden i det ringformede rum (4) er arrangeret en omløbsledning (6) til udstødning, en reguleringsventil (7) er arrangeret til at regulere fordelingen af udstødning mellem varmeveksleren (3) og omløbsledningen (6), hvor reguleringsventilen (7) er en drejelig spjældventil, som er arrangeret tilgrænsende til varmeveksleren (3), den drejelige spjældventil (7) har en stationær del (8) og en drejelig del (9), hvilke begge er forsynet med åbninger (10-13), som kan bringes til at lukke eller overlappe hinanden, og hvor den drejelige spjældventil (7) har separat justerbare åbninger (10, 12; 11, 13), som selektivt leder udstødningen mod henholdsvis varmeveksleren (3) og omløbsledningen (6), hvor åbningerne (10, 12) mod varmeveksleren (3) er arrangeret til at åbne, når åbningerne (11, 13) mod omløbsledningen (6) er lukkede, og omvendt, hvor den drejelige spjældventil (7) er arrangeret opstrøms i forhold til varmeveksleren (3), og at den stationære del (8) med åbninger (10) mod varmeveksleren (3) strækker sig mellem væggen af udstødningsledningen (2) og omløbsledningen (6), kendetegnet ved, at de stationære og drejelige dele (8, 9) begge har en keglestubformet eller cylindrisk udvendig del (8b, 9b) og en konisk indvendig del (8a, 9a), hvor den koniske indvendige del (8a, 9a) er anbragt på den indvendige side af den udvendige del (8b, 9b) og har sit toppunkt pegende i en opstrøms retning.

2. Varmegenvindingsenhed ifølge krav 1, hvor den drejelige del (9) har en central aksel (14), som er drejeligt understøttet i et leje (15), der holdes fast i position ved radiale stivere eller beslag (16), som er understøttet i udstødningsledningen (2) eller en stationær del af den drejelige spjældventil (7), akslen (14) er drejelig ved hjælp af en arm (17) og et kraftoverføringselement (18), som strækker sig ud gennem udstødningsledningen (2).

3. Varmegenvindingsenhed ifølge krav 1 eller 2, hvor den drejelige del (9) er forsynet med en krave (24), som er modtaget i en rundt- gående, stationær lomme (25), der forhindrer aksial og radial bevægelse af den drejelige del (9).

4. Varmegenvindingsenhed ifølge krav 3, hvor der er arrangeret antifriktionselementer i lommen (25) for at lette dreje be væg el sen af den drejelige del (9).

5. Varmegenvindingsenhed ifølge krav 4, hvor der også er arrangeret antifriktionselementer på den stationære del (8).

6. Varmegenvindingsenhed ifølge et af de foregående krav, hvor der er arrangeret ribber (19, 21) langs i det mindste dele af åbningerne (10, 12; 11, 13) i den stationære del (8) og den drejelige del (9) af den drejelige spjældventil (7), ribberne tjener som anlæg for tætninger (20) mellem delene (8, 9).

7. Varmegenvindingsenhed ifølge et af de foregående krav, hvor den drejelige spjældventil (7) har fire åbninger mod både varmeveksleren (3) og omløbsledningen (6).

8. Varmegenvindingsenhed ifølge et af de foregående krav, hvor åbningerne (10, 12) af den drejelige spjældventil (7) mod varmeveksleren (3) har i det væsentlige det samme strømningsareal som dens åbninger (11, 13) mod omløbsledningen (6).

9. Varmegenvindingsenhed ifølge et af de foregående krav, hvor den drejelige spjældventil (7) er anbragt i en opstrøms del af udstødningsledningen (2) med en mindre diameter end den udvendige væg (5).

10. Varmegenvindingsenhed ifølge krav 9, hvor de udvendige dele (8b, 9b) er keglestubformede, hvor topvinklen af de keglestubfor-mede udvendige dele (8b, 9b) er mindre end den af de koniske indvendige dele (8a, 9a).