NO330648B1 - Varmegjenvinningsenhet - Google Patents

Abstract

En varmegjenvinningsenhet omfatter en varmeveksler (3) som er anordnet i et ringformet rom (4) som utgjør en del av en avgasskanal (2) fra for eksempel en gassturbin eller dieselmotor. En omløpskanal (6) for avgassen er anordnet gjennom det ringformede rom (4), og fordelingen av avgasstrømmen gjennom varmeveksleren (3) og omløpskanalen (6) reguleres ved hjelp av en reguleringsventil (7). Reguleringsventilen er en dreiespjeldventil (7) som er anordnet i avgasskanalen (2) inntil varmeveksleren (3), idet dreiespjeldventilen har en stasjonær del (8) og en dreibar del (9) som begge er forsynt med åpninger (10, 12; 11, 13) som kan bringes til å tildekke eller overlappe med hverandre. Både den stasjonære del (8) og den dreibare del (9) er sammensatt av to koniske, motsatt rettede partier (8a, 8b; 9a, 9b).

Description

Varmegjenvinning fra gassturbiner er en vanlig metode for å fremskaffe varme til produksjon av damp eller hetvann på offshore-installasjoner. Det er ofte behov for store mengder varme som benyttes i oljeproduksjonen eller til andre varmebehov. I den senere tid har det også vært undersøkt mulighetene for å gjenvinne varme for å produsere damp til injeksjon i gassturbiner for å redusere NOx-utslipp til luft.

Varmegjenvinningen skjer vanligvis ved å la den varme avgassen fra gassturbinen strømme over en rørvarmeveksler, slik at varmen fra avgassen kan overføres til en væske eller et dampbasert system.

Felles for alle disse varmegjenvinningsenhetene er at det er meget store og tunge. En typisk enhet for hetvanns-generering veier i området 50 tonn og er 10 x 8 x 14

m (B x L x H). Dette er normalt ikke noe problem på land hvor det ofte er godt med plass, men på en offshore-installasjon hvor plassen er begrenset, kan dette være et problem. Det gjelder spesielt på eksisterende plattformer som har behov for ytterli-gere varme.

Grunnen til at disse enhetene er så store er hovedsaklig at det er nødvendig med regulering av mengden avgass som kan tilføres varmegjenvinneren. Det er derfor ofte påkrevd med et omløpssystem som er meget plasskrevende. I dag er det vanlig at en regulerer mengde tilført avgass ved hjelp av spjeld. Det er ofte enten spjeld av en-bladstypen, slik at det sett fra gassturbinen alltid vil være et åpen avgass-løp, eller det installeres ett sett av spjeld i hovedkanalen og ett sett i omløps-kanalen som arbeider sammen. Ulempen med den siste løsningen er at det ved feil operasjon kan gi et blokkert utløp sett fra gassturbinen.

En typisk varmegjenvinningsenhet vil i tillegg til selve varmeveksleren bestå av en lyddemper, en reguleringsventil, et omløpssystem, et varmevekslerhus og en ut-løpsskorstein.

I US patent 6 302 191 er det foreslått en annen løsning som har en integrert om-løpskanal. Her er varmeveksleren anordnet i et ringrom som utgjør en del av avgasskanalen. Ringrommet begrenses innvendig av en sylindrisk ventilsleide, som samtidig danner omløpskanalens ytre avgrensning. Ventilsleiden er aksialt bevege-lig mellom to ytterstillinger, idet den i den øvre stilling åpner for avgass til varmeveksleren og lukker omløpet, og i den nedre stilling åpner omløpet og stenger for varmeveksleren. I mellomstillinger fordeles avgassen mellom varmeveksleren og omløpet.

Den sylindriske ventilsleiden ifølge US 6 302 191 ville på et offshore-anlegg være ca 3 meter i diameter og 5-10 meter lang. Den vil måtte opplagres slik at den enkelt kan flyttes aksialt siden hele reguleringen av avgass baseres på den aksiale bevegelsen av sylinderen. Dette krever at det er glide- eller rullelager som minima-liserer friksjonen, samt at veggtykkelsen er stor nok til at defleksjoner unngås ved bevegelse av sylinderen og ved gjentatte oppvarminger og nedkjølinger (opera-sjonstemperaturer er typisk 600 °C). Dette gjør at sylinderen blir stor og tung. Denne må igjen støttes opp av kompliserte lagre som må stå i den varme avgassen, noe som i liknende applikasjoner har skapt problemer. Lagrene er vanskelig å komme til uten å demontere hele enheten.

Fra US 2005/0133202 Al er det kjent en varmegjenvinningsenhet som angitt i inn-ledningen av krav 1. Denne varmegjenvinningsenheten er relativt liten idet den ifølge et eksempel nevnt i denne publikasjonen tenkes benyttet for en gassturbin på bare 75 kW. Ifølge eksempelet vist på figur 13 i publikasjonen benyttes en dreiespjeldventil til å regulere strømningsforholdet mellom varmeveksleren og den sentrale omløpskanal. Ventilen er plassert på nedstrømssiden av varmeveksleren, og det vil således ikke være mulig å isolere varmeveksleren fra varme eksosgasser så lenge gassturbinen er i drift. Dermed blir det heller ikke mulig å reparere eller drive vedelikehold på varmeveksleren uten å stenge ned gassturbinen, noe som i offshore-sammenheng ofte vil være meget uheldig.

Den foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en varmegjenvinningsenhet som er enkel og rimelig i fremstilling og lett av vekt, samtidig som den lett lar seg regulere på en relativt nøyaktig måte og tillater vedlikehold av varmeveksleren mens avgassene fortsatt strømmer gjennom varmegjenvinningsenheten.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en varmegjenvinningsenhet som definert i krav 1. Fordelaktige utførelser er definert i de uselvstendige krav.

Reguleringsventilen har ifølge den foreliggende løsning en relativt kort og presis angulær bevegelse for kontroll av den mengde avgass som skal til varmeveksleren. Det er dermed mindre behov for kraft for å regulere avgassen, idet det ikke er nød-vendig å løfte vekten av et tungt og stort ventilelement, men kun er friksjon som må overvinnes. Den foreliggende løsningen kan dessuten basere seg på vanlige lager for relativt tynne akslinger som kan operere i høy temperatur. Disse finnes i en rekke gjennomprøvde applikasjoner. Lagrene er små, og ved fornuftig arrange- ment kan disse enkelt inspiseres eller byttes ut uten å demontere hele enheten. Dette vil forenkle vedlikeholdet betraktelig.

Det er i dag også vanlig å benytte innvendig isolasjon i avgasskanaler for å dempe støy. Dette kan enklere installeres på den foreliggende løsningen også.

Til bedre forståelse av oppfinnelsen skal den forklares nærmere under henvisning til det utførelseseksempel som er vist på de vedføyde tegninger, hvor

figur 1 er et perspektivisk bilde av deler av en delvis gjennomskåret varmegjenvinningsenhet ifølge oppfinnelsen med reguleringsventilen i en midtstilling,

figur 2 viser samme enhet, men med reguleringsventilen stengt mot varmeveksleren,

figur 3 viser et sprengbilde av enheten på figur 2,

figur 4 viser et skjematisk tverrsnitt gjennom reguleringsventilen og

figur 5 viser et lengdesnitt gjennom en alternativ utførelse av en varmegjenvinningsenhet ifølge oppfinnelsen.

Varmegjenvinningsenheten som generelt er betegnet med 1 på figurene, sitter i en avgasskanal 2, som for eksempel kan komme fra en gassturbin. Varmegjenvinningsenheten omfatter en varmeveksler 3, hvorav kun en del er vist. Varmeveksleren er anordnet i et ringformet rom 4, som utgjør en del av avgasskanalen og er avgrenset av en yttervegg 5 (delvis bortbrutt) og en innervegg 6. Innerveggen 6 danner samtidig en omløpskanal 6 forbi varmeveksleren 3.

På innløpssiden av det ringformede rom 4 for varmeveksleren 3 er det anordnet en reguleringsventil 7 som har til formål å regulere fordelingen av den strømmende avgassen mellom varmeveksleren 3 og omløpskanalen 6. Reguleringsventilen 7, som kan betegnes som en dreiespjeldventil, er forsynt med en stasjonær del 8 og en dreibar del 9 som utgjør et spjeld. Disse ventildeler er begge forsynt med åpninger 10, 11, henholdsvis 12, 13, som kan bringes til å overlappe parvis 10, 12; 11, 13 eller til å tildekkes av den andre ventildelen. Åpningene 10, 12 vender mot det ringformede rom 4, mens de øvrige åpninger 11, 13 vender mot omløpskanalen 6. Her vil det være umulig å stenge alle åpninger samtidig.

Både den stasjonære del 8 og den dreibare del 9 av reguleringsventilen 7 er satt sammen av to koniske deler. Den ene koniske del 8a, 9a befinner seg innenfor den andre koniske del 8b, 9b og har motsatt rettet konisitet. Delene er konsentriske, idet den ytre delen 8b, 9b har buttkonisk form og er ved sin smale ende forbundet med basis av den innenforliggende fullkoniske del 8a, 9a. Toppvinkelen for den buttkoniske ytre del 8b, 9b er noe mindre enn toppvinkelen for den indre del 8a, 9b. Vinkler og høyder for de to koniske deler kan variere, men det er fordelaktig at de har omtrent samme overflateareal, slik at de åpninger 10-13 som kan lages i de koniske deler får samme areal. Dette gjør at avgassens hastighet gjennom åpningene blir stort sett den samme enten avgassen ledes gjennom varmevekslerens 3 rom 4 eller inn i omløpskanalen 6. Denne hastigheten bør ikke være særlig større enn 30 meter per sekund.

Den dreibare del 9 av reguleringsventilen 7 har en sentral aksling 14 som er dreibart lagret i et lager 15 som fastholdes av radiale stag 16 eller braketter som er avstøttet i avgasskanalen 2, eventuelt i en stasjonær del av reguleringsventilen 7. Akslingen 14 er dreibar ved hjelp av en arm 17 og en manøvreringsstang 18 som er ført ut til utsiden til avgasskanalen 2. Ved hjelp av stangen 18 kan akslingen 14 dreies for å regulere åpningene 10-13 i reguleringsventilen. På figur 1 befinner den dreibare del 9 seg slik i forhold til den stasjonære del 8 at samtlige åpninger 10-13 er halvveis lukket. Ved å trekke i stangen 18 kan åpningene 10, 12 lukkes ytterlige-re mens åpningene 11, 13 åpnes, inntil den relative stilling som er vist på figur 2 er nådd, hvor åpningene 10 mot varmeveksleren er helt lukket og åpningene 11 mot omløpskanalen 6 er helt åpne. Det vil forstås at ventilen 7 kan innta enhver mellomstilling mellom å være helt åpen eller helt lukket mot varmeveksleren 3, og at ventilen vil forbli i den innstilte mellomstilling, blant annet på grunn av friksjon mellom delene 8, 9, med mindre den påvirkes av manøvreringsstangen 18. Det trengs altså ingen ytre kraft for å opprettholde en gitt ventilstilling.

Snittet vist skjematisk på figur 4 er tatt loddrett på varmegjenvinningsenhetens lengdeakse nær overgangen mellom de motsatt vendte koniske partier. Reguleringsventilen 7 befinner seg i hovedsakelig samme stilling som på figur 1, dvs. med alle åpningene 10-13 halvveis åpne, slik at avgassen vil fordele seg mellom varmevekslerens ringrom 4 og omløpskanalen 6. Her vil det ses at kantpartiene av åpningene 10 i den ytre del 8b av den stasjonære del 8 er forsynt med ribber 19 som danner anlegg for tetningselementer 20. På tilsvarende måte har kantpartiene av åpningene 12 i den ytre del 9b av den dreibare del 9 ribber 21, som ved lukking av åpningene 10, 12 mot ringrommet 4 vil komme til anlegg mot tetningselementene 20 og derved sørge for god avtetning mot varmeveksleren når dette er ønskelig, for eksempel dersom vedlikeholdsarbeid skal gjøres på varmeveksleren mens anlegget for øvrig er i drift.

Også de indre deler 8a, 9a av dreiespjeldventilen 7 er forsynt med ribber 22, henholdsvis 23, som vil komme til anlegg mot hverandre når åpningene 11, 13 mot omløpskanalen 6 er lukket og danne en enkel labyrinttetning. Ribbene 22, 23 kan selv være forsynt med utragende ribber som kan passe sammen på en slik måte at en mer effektiv labyrinttetning dannes. Det finnes også en rekke andre former for tetninger som vil være kjent for fagmannen og vil kunne benyttes med fordel i forbindelse med foreliggende oppfinnelse.

Figur 5 viser et lengdesnitt gjennom en alternativ utførelse av reguleringsventilen. Her er den sentrale opplagring med akslingen 14 i lageret 15 erstattet med en krage 24 på den dreibare del 9 som er opptatt i en rundtgående lomme 25. Lommen 25 og eventuelt den stasjonære del 8 er forsynt med anti-friksjonselementer (ikke vist) for å holde den dreibare del 9 sentrert og unngå forkiling av denne når den dreies. Dreiebevegelsen kan her bevirkes på flere forskjellige måter som vil være åpenbare for fagmannen, fortrinnsvis i forbindelse med den rundtgående lommen 25.

Det vil ses at reguleringsventilen i de ovenfor beskrevne utførelseseksempler har fire åpninger mot varmeveksleren og omløpskanalen. Antall åpninger mot varmeveksleren kan økes dersom man ønsker en jevnere fordeling av avgassen som strømmer inn i varmeveksleren. Imidlertid har man funnet at fire åpninger gir til-strekkelig god fordeling, samtidig med at den konstruktive løsning blir robust og driftssikker, samt kostnadsmessig gunstig.

Det vil forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til det ovenfor beskrevne utførel-seseksempel, men vil av fagmannen kunne modifiseres og varieres innenfor ram-men av de etterfølgende patentkrav. Selv om konstruksjonen med de to motsatt rettede koniske partier blir både kompakt og robust, vil det være mulig å la delenes form variere mellom plan og sylindrisk og likevel oppnå noen av fordelene ved foreliggende oppfinnelse. Det vil også forstås at dersom det fordres spesielt god av-stengning av avgassen mot varmeveksleren, kan det monteres en ventil ifølge oppfinnelsen ved begge ender av varmeveksleren.

Selv om de to utførelseseksempler på oppfinnelsen som er omtalt ovenfor begge har en vertikal orientering, vil det for fagmannen være klart at enheten kan ligge horisontalt, eller ha en hvilken som helst orientering dersom dette skulle være ønskelig. Tegningene viser bare halvparten av varmegjenvinningsenheten. I den andre halvpart vil det være naturlig å la ringrommet 4 og omløpskanalen 6 gå sammen igjen til en felles kanal.

Claims (10)

1. Varmegjenvinningsenhet omfattende en varmeveksler (3) som er anordnet i et ringformet rom (4) som utgjør en del av en avgasskanal (2), hvor en omløpskanal (6) for avgassen er anordnet innenfor det ringformede rom (4), hvor en reguleringsventil (7) er anordnet for å regulere fordelingen av avgassen mellom varmeveksleren (3) og omløpskanalen (6), hvor reguleringsventilen (7) er en dreiespjeldventil som er anordnet i avgasskanalen (2) inntil varmeveksleren (3), og som har en stasjonær del (8) og en dreibar del (9) som begge er forsynt med åpninger (10-13) som kan bringes til å tildekke eller overlappe med hverandre, og hvor dreiespjeldventilen (7) har separate, regulerbare åpninger (10, 12; 11, 13) mot henholdsvis varmeveksleren (3) og omløpskanalen (6), idet åpningene (10, 12) mot varmeveksleren (3) er innrettet til å åpnes når åpningene (11, 13) mot omløpskanalen (6) lukkes, og omvendt,karakterisert vedat dreiespjeldventilen (7) er anordnet oppstrøms for varmeveksleren (3), og at den stasjonære del (8) som har åpninger (10) mot varmeveksleren (3) strekker seg mellom avgasskanalen (2) og anløpskanalen (6) og er enten buttkonisk eller sylindrisk.

2. Varmegjenvinningsenhet ifølge krav 1, hvor dreiespjeldventilen (7) har en dreibar del (9) som har en sentral aksling (14) som er dreibart lagret i et lager (15) som fastholdes av radiale stag eller braketter (16) avstøttet i avgasskanalen (2) eller en stasjonær del av dreiespjeldventilen (7), idet akslingen (14) er roterbar ved hjelp av en arm (17) og et kraftoverføringsorgan (18) som er ført ut gjennom avgasskanalen (2).

3. Varmegjenvinningsenhet ifølge krav 1 eller 2, hvor den dreibare del (9) er forsynt med en krage (24) som er opptatt i en rundtgående, stasjonær lomme (25) som forhindrer aksial og radial bevegelse av den dreibare del (9).

4. Varmegjenvinningsenhet ifølge krav 3, hvor det i lommen (25) er anordnet anti-friksjonselementer for å lette dreiebevegelse av den dreibare del (9).

5. Varmegjenvinningsenhet ifølge krav 4, hvor anti-friksjonselementer er anordnet også på den stasjonære del (8).

6. Varmegjenvinningsenhet ifølge et av de foregående krav, hvor det langs i det minste deler av åpningene (10, 12; 11, 13) i den stasjonære del (8) og dreiba re del (9) av dreiespjeldventilen (7) er anordnet ribber (19, 21) som tjener som anlegg for tetninger (20) mellom de to deler (8, 9).

7. Varmegjenvinningsenhet ifølge et av de foregående krav, hvor dreiespjeldventilen (7) har fire åpninger både mot varmeveksleren (3) og omløpskanalen (6).

8. Varmegjenvinningsenhet ifølge et av de foregående krav, hvor dreiespjeld-ventilens (7) åpninger (10, 12) mot varmeveksleren (3) har hovedsakelig samme gjennomstrømningsareal som dens åpninger (11, 13) mot omløpskanalen (6).

9. Varmegjenvinningsenhet ifølge et av de foregående krav, hvor åpningene (10, 12; 11, 13) mot henholdsvis varmeveksleren (3) og omløpskanalen (6) sitter i hver sin koniske del (8b, 9b; 8a, 9a) av dreiespjeldventilen (7).

10. Varmegjenvinningsenhet ifølge krav 9, hvor den ene koniske del (8a, 9a) befinner seg innenfor den andre koniske del (8b, 9b) og har motsatt rettet konisitet.