Die Erfindung betrifft eine Kanalanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, solche Ventilvorrichtungen in Verbindung mit einer Feuerungsanlage einzusetzen, die eine Druck-Wirbelschicht aufweist, also eine sogenannte PFBC-Anlage (Pressurized Fluidized Bed Combustion; Feuerungsanlage mit Druck-Wirbelschicht). Solche Anlagen können eine Gasturbine enthalten, um aus den unter Druck stehenden heißen Verbrennungsgasen, die in der Wirbelschicht entstehen, Energie abzuziehen, wobei die für die Verbrennung erforderliche komprimierte Verbrennungsluft der Wirbelschicht über einen Luftkanal zugeleitet werden kann, der einen ringförmigen Querschnitt aufweist und den Heißgaskanal umschließt, welcher die Verbrennungsgase aus einer Verbrennungskammer zu der Gasturbine leitet. Außerdem ist es bekannt, derartige Kanäle mit einer Ventilvorrichtung auszustatten, die im Fall des Schnellschlusses der Gasturbine, das heißt dann, wenn die Gasturbine rasch angehalten werden muß, die Gasturbine von dem Druckgefäß trennt.

Die SE-B-456 757 zeigt eine derartige Ventilvorrichtung, die ausgelegt ist für den Einsatz in einer PFBC-Anlage. Die bekannte Ventilvorrichtung enthält zwei Drosselventile, die hintereinander in dem Heißgaskanal liegen und um jeweils eine eigene Drehachse drehbar sind. Außerdem enthält die Anlage vier Kegelventile, die über den Umfang des Luftkanals verteilt sind und dazu dienen sollen, den ringförmigen Luftkanal zu sperren und gleichzeitig die Verbindung zwischen dem ringförmigen Luftkanal und dem Heißgaskanal zu öffnen. Diese vier Kegelventile sind parallel geschaltet, das heißt, sämtliche vier von ihnen haben die Funktion, den Strom durch den Luftkanal abzufangen. Obschon diese bekannte Ventilvorrichtung zufriedenstellend in Anlagen gearbeitet hat, in denen sie heute noch eingesetzt wird, ergeben sich bei ihr gewisse Probleme, die sich insbesondere bei dem Aufbau sehr umfangreicher Feuerungsanlagen zeigen. Darüber hinaus erfordern die Kegelventile leistungsstarke Stellglieder für ihren Betrieb und eine Ventilspindelführung, die direkt in Verbindung steht mit dem heißen Gas, was zu dem Problem der Ventilstörung führen. Ein weiteres Problem in Verbindung mit dieser bekannten Ventilvorrichtung besteht darin, daß die Vorrichtung ein großes und kompliziertes Gußteil aufweist. Derartige Gußteile lassen sich zumindest nicht bei vertretbaren Kosten herstellen, wenn es um große Anlagen mit starken Strömungen geht. Darüber hinaus besitzt die bekannte Ventilvorrichtung einen ziemlich komplizierten Strömungsweg, was zu starken Druckabfällen zumindest in Verbindung mit dem Luftkanal führt.

Die EP-A-721 062 zeigt eine Ventilvorrichtung für eine PFBC-Anlage. In diesem Fall ist die gesamte Ventilvorrichtung einschließlich sämtlicher drei Ventilfunktionen in einem gemeinsamen Ventilgehäuse untergebracht, welches beträchtliche Abmessungen aufweist. Wie aus der Schrift entnehmbar ist, sind die Gasturbine und der Verdichter oberhalb des Ventilgehäuses angeordnet. Darüber hinaus arbeiten sämtliche drei Ventile abhängig von einem Stellglied und sind auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Aus Sicherheitsgründen besitzt diese bekannte Ventilvorrichtung eine sehr geringe Redundanz.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Kanalanordnung mit einer Ventileinrichtung, bei der die oben diskutierten Probleme gemildert werden können.

Erreicht wird dieses Ziel durch die Kanalanordnung der eingangs genannten Art mit den Kennzeichnungsmerkmalen des Anspruchs 1.

Durch eine solche Ventileinrichtung ist ein relativ kompakter Aufbau geringer Höhe möglich, obschon die Ventileinrichtung für große Anlagen ausgelegt ist. Durch die Schaffung von mindestens zwei U-förmigen Kanalabschnitten ist es möglich, eine thermische Verformung der Ventileinrichtung zu vermeiden. Damit können die U-förmigen Kanalabschnitte mit Vorteil symmetrisch bezüglich des inneren Kanals angeordnet werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besitzt zumindest eines der ersten Ventile eine Ventilscheibe, die um eine sich durch den Zwischenrohrabschnitt erstreckende Drehachse drehbar ist. Derartige drehbare Ventilscheiben oder sogenannte Drosselventile können im Vergleich zu axial verlagerbaren Kegelventilen in einfacher Weise hergestellt und betrieben werden unter Einsatz kleiner und relativ einfacher Stellglieder.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erstrecken sich die zwei sich nach außen erstreckenden Rohrabschnitte in einer Richtung, die bezüglich der Längsrichtung des inneren Kanals einen im wesentlichen rechten Winkel bildet. Außerdem können sich die Zwischenrohrabschnitte vorteilhaft in einer Richtung erstrecken, die im wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Innenkanals ist.

Weiterhin ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in dem äußeren Kanal zwischen den beiden sich nach außen erstreckenden Rohrabschnitten jedes U-förmigen Kanalabschnitts eine Schließwand vorgesehen, die in vorteilhafter Weise eine konische Form hat. Dies konische Form ermöglicht eine starke Verbindung und gestattet eine Bewegung des Innenkanals relativ zu dem Außenkanal bei Temperaturunterschieden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der innere Kanal und der äußere Kanal durch eine Wand getrennt, die ein äußeres Wandelement und ein inneres Wandelement aufweist. Da der äußere Kanal so ausgebildet ist, daß er das zweite Fluid unter einem Druck transportiert, der höher ist als der Druck des inneren Kanals, kann das äußere Wandelement vorteilhaft so ausgestaltet sein, daß es die zwischen dem inneren Kanal und dem äußeren Kanal vorhandene Druckdifferenz absorbiert. Darüber hinaus kann das innere Wandelement so ausgestaltet werden, daß es eine Schutzschicht gegenüber dem Fluid in dem inneren Kanal bildet, und man kann zwischen dem inneren und dem äußeren Wandelement eine Hitzeisolierschicht vorsehen. Um thermische Spannungen zu vermeiden, kann das innere Wandelement mit dem äußeren Wandelement über eine Verbindung verbunden sein, die Bewegungen des inneren Wandelements gegenüber dem äußeren Wandelement gestattet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mindestens ein zweites Ventil vorhanden, um ein Abfangen eines Stroms durch den inneren Kanal zu ermöglichen. Außerdem kann mindestens ein drittes Ventil angeordnet werden, um eine Verbindung zwischen dem äußeren Kanal und dem inneren Kanal zu öffnen, und zwar stromaufwärts bezüglich der ersten Ventile im äußeren Kanal und stromabwärts bezüglich des zweiten Ventils in dem inneren Kanal.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält mindestens eines der ersten Ventile eine Ventilscheibe, die drehbar in dem Zwischenrohrabschnitt mit Hilfe einer ersten und einer zweiten Stiftwelle gelagert ist. Durch den ersten Stift, der fest an der Ventilscheibe angebracht ist, und den zweiten Wellenstift, der lose an der Ventilscheibe befestigt ist, ist die Lagerung der Ventilscheibe im Zwischenrohrabschnitt möglich ohne das Erfordernis irgendeiner axialen Trennebene, und gleichzeitig kann die Ventilscheibe in strömungsgünstiger Weise gestaltet werden. Damit lassen sich der erste Wellenstift und die Ventilscheibe einstückig ausbilden, und die Ventilscheibe kann eine Ausnehmung aufweisen, in die der zweite Wellenstift einsetzbar ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält zumindest eines der ersten und der zweiten Ventile zwei Ventilscheiben, von denen eine hinter der anderen angeordnet ist, und die jeweils eine Vertiefung aufweisen, wobei die Vertiefung so ausgebildet ist, daß sie mit der Vertiefung der anderen Ventilscheibe zusammenwirkt, wenn die Ventilscheiben sich in ihren geöffneten Stellungen befinden. Durch solche Vertiefungen ist es möglich, den Strömungswiderstand zu reduzieren, der durch die Ventilscheiben hervorgerufen wird.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden näher anhand verschiedener Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.

1 zeigt schematisch eine Feuerungsanlage mit einer Ventileinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

2 zeigt eine Schnittansicht der Ventileinrichtung nach 1.

3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in 2.

4 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in 2.

5 zeigt einen vergrößerten Teil der Schnittansicht der 4.

6 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ventilscheibe der Ventileinrichtung nach 2.

7 zeigt eine Ansicht der Ventilscheibe nach 6 von oben.

8 zeigt eine Schnittansicht durch die Ventilscheibe entlang der Linie VIII-VIII in 7.

9 zeigt einen vergrößerten Teil der Schnittansicht in 2.

1 zeigt schematisch eine Feuerungsanlage mit einer Kanalanordnung, die einen inneren Kanal 1, der sich in einer Längsrichtung erstreckt und einen Heißgaskanal zum Leiten von Verbrennungsgasen aus einer Druckverbrennungskammer 2 zu einer Gasturbine 3 bildet, aufweist. Außerdem enthält die kanalanordnung einen äußeren Kanal 4 mit einem ringförmigen Querschnitt, der den inneren Kanal 1 umschließt. Der äußere Kanal 4 dient zum Transport eines zweiten Fluids und bildet einen Luftkanal für die Zufuhr von Druckverbrennungsluft oder sauerstoffhaltigen Gases von einem Verdichter 5 zu einem Druckgefäß 6 und der darin eingeschlossenen Verbrennungskammer 2. Bei dem dargestellten Beispiel enthält die Druckverbrennungskammer 2 eine Druck-Wirbelschicht 7, der die Druckluft über schematisch dargestellte Düsen im Boden der Verbrennungskammer 2 zugeleitet wird, um die Schicht oder das Bett 7 zu fluidisieren. Die in dem Luftkanal 4 strömende Luft hat eine Temperatur von etwa 200–400°C und einen Druck von etwa 15–17 bar (abs), während das in dem Heißgaskanal strömende Verbrennungsgas eine Temperatur von etwa 800–900°C und einen Druck von etwa 0,5 bar unterhalb des Drucks in dem Luftkanal 4 aufweist.

Die Kanalanordnung enthält eine Ventileinrichtung 8, die in den 2 und 3 näher dargestellt ist. Die Ventileinrichtung 8 enthält erste Ventile 9, die vorgesehen sind, um den Luftstrom durch den Luftkanal 4 abfangen zu können, zweite Ventile 10, die vorgesehen sind, um den Heißgasstrom durch den Heißgaskanal 1 abfangen zu können, und dritte Ventile 11 (vergleiche 3), die angeordnet sind, um eine Verbindung zwischen dem Luftkanal 4 und dem Heißgaskanal 1 zu öffnen. Die dritten Ventile 11 befinden sich stromaufwärts bezüglich der ersten Ventile in dem Luftkanal 4 und stromabwärts bezüglich der zweiten Ventile 10 in dem Heißgaskanal 1. Wenn die ersten Ventile 9 und die zweiten Ventile 10 geöffnet und die dritten Ventile 11 geschlossen sind, kann heißes Gas frei durch den Heißgaskanal 1 strömen, und die unter Druck stehende Verbrennungsluft kann frei durch den Luftkanal 4 strömen. Wenn die ersten Ventile 9 und die zweiten Ventile 10 geschlossen sind, sind diese Ströme gehemmt. Wenn diese Ströme rasch gestoppt werden sollen, ist es wesentlich, daß die dritten Ventile 11 gleichzeitig geöffnet werden, um die Druckluft direkt zu der Gasturbine 3 zu leiten, damit der Verdichter 5 und die Gasturbine 3 nicht zerstört werden.

Die Ventileinrichtung 8 enthält zwei U-förmige Kanalabschnitte des ringförmigen Luftkanals 4, jeweils umfassend zwei Rohrabschnitte 12, die sich in bezug auf den Gaskanal 1 außen erstrecken, und einen Zwischenrohrabschnitt 13, der die nach außen gerichteten Rohrabschnitte 12 miteinander verbindet. Die Rohrabschnitte 12 verlaufen radial in einer Richtung b nach außen, die einen im wesentlichen rechten Winkel mit der Längsrichtung a des Heißgaskanals 1 bildet. Es sei angemerkt, daß die Richtung b erfindungsgemäß von einer radialen Richtung derart abweichen kann, daß sie sich einer Tangentialrichtung nähert. Darüber hinaus kann die Richtung b gegenüber der Richtung a geneigt sein. Die Zwischenrohrabschnitte 13 verlaufen in einer Richtung etwa parallel zur Längsrichtung a des Heißgaskanals 1. In dem Kanalbogen, der zwischen den Zwischenrohrabschnitten 13 und den Rohrabschnitten 12 gebildet ist, befinden sich Leitschaufeln 14 zur Verringerung des Strömungswiderstands in den U-förmigen Kanalabschnitten. Die U-förmigen Kanalabschnitte sind symmetrisch bezüglich des Heißgaskanals 1 und des Luftkanals 4 angeordnet, das heißt, sie haben die gleiche Höhe, erstrecken sich gleich weit und haben im wesentlichen identische Form. Außerdem sei angemerkt, daß die U-förmigen Kanalabschnitte 12 und 13 eine gekrümmte, beispielsweise eine Halbkreisform haben können. Um die Verbrennungsluft dazu zu bringen, durch die U-förmigen Kanalabschnitte zu strömen, enthält die Ventileinrichtung 8 eine Schließwand 15, die in dem ringförmigen Luftkanal 4 zwischen den beiden nach außen ragenden Rohrabschnitten 12 des jeweiligen U-förmigen Kanalabschnitts angeordnet ist. Die Schließwand 15 hat eine konische Form und verläuft um den Heißgaskanal 1 herum zwischen einer Innenwand 16, die den Heißgaskanal 1 und den Luftkanal 4 trennt, und einer äußeren Wand 17, die den Luftkanal 4 nach außen hin begrenzt, und durch den sich der Rohrabschnitt 12 erstreckt. Die Rohrabschnitte 12 haben eine solche Länge, daß es nicht zu nennenswerten Spannungen aufgrund des Temperaturanstiegs in den Kanalbögen und den Zwischenrohrabschnitten 13 kommt.

Die Innenwand 16 enthält gemäß 4 und 5 ein Außenwandelement 18, welches so angeordnet ist, daß es die Druckdifferenz zwischen dem Heißgaskanal 1 und dem Luftkanal 4 absorbiert, und ein inneres Wandelement 19, das so angeordnet ist, daß es eine Schutzschicht gegenüber dem Heißgasfluid in dem Heißgaskanal 1 bildet. Zwischen dem äußeren und dem unteren Wandelement 18 und 19 befindet sich eine Wärmeisolierschicht 20, die an dem äußeren Wandelement 14 fixiert ist. Das innere Wandelemente 19, das als Schutzblech aus einem temperaturbeständigen Material gestaltet ist, verhindert somit eine direkte Berührung des strömenden heißen Gases mit der Wärmeisolierschicht 20 und dem äußeren Wandelement 18. Zwischen dem inneren Wandelement 19 und der Wärmeisolierschicht 20 befinden sich weiterhin ein Raum 21 und ringförmige Trägerelemente 22, die sich um das innere Wandelement 19 herum erstrecken und so angeordnet sind, daß sie das innere Wandelement 15 dort abstützen, wo es seine größte Größe hat. Die Wärmeisolierschicht ist an dem äußeren Wandelement 18 mit Hilfe dünner Flachstücke befestigt, die sich zwischen den ringförmigen Stützelementen 22 erstrecken und mit diesen verbunden sind.

Das innere Wandelement 19 ist mit dem äußeren Wandelement 18 über eine (in 5 zu sehende) Verbindung verbunden, die es dem inneren Wandelement 19 ermöglicht, sich gegenüber dem äußeren Wandelement 18 zu bewegen. Die Verbindung umfaßt einen Flansch 23, der an dem inneren Wandelement 19 fest angebracht ist und sich um dieses herum erstreckt. Beim dargestellten Beispiel ist der Flansch 23 einstückig mit dem inneren Wandelement 19 ausgebildet. Der Flansch 23 verläuft radial nach außen und ist nach oben derart abgebogen, daß er sich etwa parallel zu dem inneren Wandelement 19 erstreckt. Ein oberer Teil des Flansches 23 enthält ein fersenähnliches Element 24, das um das innere Wandelement 19 umläuft und festgemacht ist in einer Ausnehmung zwischen zwei Wandabschnitten 18a und 18b des äußeren Wandelements 18. Durch diese Befestigungsflansch 23 kann das innere Wandelement 19 sich nach außen ausdehnen, wenn seine Temperatur höher ist als die Temperatur des äußeren Wandelements 18, bedingt durch das heiße Gas.

In jedem der Zwischenrohrabschnitte 13 befinden sich zwei der ersten Ventile 9. Jedes dieser ersten Ventile 9 enthält eine Ventilscheibe, die um eine Drehachse drehbar ist, die sich durch den betreffenden Zwischenrohrabschnitt 13 erstreckt und im wesentlichen rechtwinklig zur Längsrichtung a des Heißgaskanals 1 verläuft. Durch zwei derartige in Reihe geschaltete erste Ventile 9 wird die Sicherheit gesteigert, da lediglich die Funktionstüchtigkeit eines der Ventile notwendig ist, um den Luftstrom von dem Verdichter 5 abzufangen. Jedes der ersten Ventile 9 wird mit Hilfe eines zugehörigen Stellglieds 25 gesteuert, vergleiche 2.

In dem Heißgaskanal 1 befinden sich zwei der zweiten Ventile 10 in Reihe. Jedes der zweiten Ventile 10 enthält eine Ventilscheibe, die drehbar in dem äußeren Wandelement 18 gelagert ist, und sie ist um eine Drehachse drehbar, welche sich durch den Heißgaskanal 1 in einer Richtung erstreckt, die im wesentlichen rechtwinklig zu der Längsrichtung a des Heißgaskanals 1 verläuft.

Jedes der zweiten Ventile 10 wird mit einem zugehörigen Stellglied 26 gesteuert, von denen eines schematisch in 4 gezeigt ist. Das Lager der zweiten Ventile 10 wird mit Hilfe von Kühlkanälen gekühlt, die den Luftkanal 4 und den Heißgaskanal 1 verbinden. Da der Druck in dem Luftkanal 4 größer ist, wird ein Kühlungsluftstrom durch diese Kanäle in einer Art und Weise erreicht, die in der WO 97/02436 offenbart ist.

Wie sich aus 3 ergibt, enthält die Ventileinrichtung 8 zwei dritte Ventile 11, jeweils umfassend ein Kegelventil, das mit Hilfe eines zugehörigen Stellglieds 27 in einer Richtung axial verstellbar ist, die im wesentlichen rechtwinklig zur Längsrichtung a des Heißgaskanals 1 verläuft.

In den 6 bis 8 ist eine Ventilscheibe 28 für eines der ersten Ventile 9 dargestellt. Die Ventilscheibe 28 ist drehbar im Zwischenrohrabschnitt 13 mit Hilfe eines erste Wellenzapfens 29 und eines zweiten Wellenzapfens 30 gelagert. Der erste Wellenzapfen 29 ist fest an der Ventilscheibe 28 angeordnet, während der zweite Wellenzapfen 30 lose oder abnehmbar an der Ventilscheibe 28 angebracht ist. Bei dem dargestellten Beispiel sind die Ventilscheibe 28 und der erste Wellenzapfen 29 einstückig miteinander ausgebildet. Etwa diametral gegenüber dem ersten Wellenzapfen 29 enthält die Ventilscheibe 28 eine Vertiefung oder Ausnehmung 31, in die der zweite lösbare Wellenzapfen 30 einführbar ist. Die Ventilscheibe 28 enthält eine Oberseite 28a, die ausgebildet ist, um der Strömungsrichtung zugewandt zu sein, und eine davon abgewandte Bodenseite 28b, die in Strömungsrichtung weist. Der zweite lösbare Wellenzapfen 30 ist in der Ausnehmung 30 mit Hilfe eines ersten Bolzenglieds 32 anbringbar, welches sich von der Oberseite 28a aus erstreckt, außerdem mit Hilfe eines zweiten Bolzenglieds 33, welches sich von der Bodenseite 28b aus erstreckt. Aufgrund des Umstands, daß das erste Bolzenglied 32 sich näher an der Mitte der Ventilscheibe 28 befindet als das zweite Bolzenglied 33, wird die Biegebeanspruchung der Ventilscheibe 28 durch die Strömung verringert.

Durch Ausstatten der Ventilscheibe 28 mit einerseits einem festen und andererseits einem lösbaren Ventilstift 29, 30 in der dargestellten Weise kann die Ventilscheibe möglichst dünn ausgebildet werden, ohne daß die Notwendigkeit besteht, eine Trennverbindung des Rohrabschnitts 13 in einer Ebene vorzusehen, in der sich die Drehachse der Ventilscheibe 28 befindet. Die Ventilscheibe 28 ist derart gelagert, daß der lösbare Ventilstift 30 herausnehmbar ist, so daß es dann möglich ist, die Ventilscheibe 28 in den Rohrabschnitt 30 hineinzudrehen und den feststehenden Ventilzapfen 29 aus seiner Lageröffnung herauszubringen. Anschließend befindet sich die Ventilscheibe 28 in der korrekten Stellung, und dann wird der lösbare Ventilstift 30 durch die Lageröffnung des lösbaren Ventilstifts 30 hindurch in die Ausnehmung 31 eingesetzt. Daraufhin wird der lösbare Ventilstift 30 mit Hilfe der Schrauben 32 und 33 befestigt.

In 9 sind die ersten Ventile 9 als zwei nacheinander angeordnete Ventilscheiben 28 dargestellt. Jede Ventilscheibe 28 enthält eine Vertiefung 34 (vergleiche auch die 6 und 7). Die Vertiefung 34 einer der Ventilscheiben 28 ist so angeordnet, daß sie mit der Vertiefung 34 der anderen Ventilscheibe 28 zusammenwirkt, wenn die Ventilscheiben 28 sich in ihrer jeweiligen Offenstellung befinden. Die Vertiefung 34 der beiden sukzessive angeordneten Ventilscheiben 28 sind derart ausgebildet, daß die Vertiefung 34 einer der Ventilscheiben 28 sich auf der Oberseite 28a befindet, während die Vertiefung 34 der anderen Ventilscheibe 28 sich auf der Unterseite 28b befindet. Wenn also die beiden Ventilscheiben 28 sich in ihrer Offenstellung befinden und die Vertiefungen 34 miteinander in Eingriff stehen, haben die Ventilscheiben 28 eine solche Lage, daß die Scheibenebene im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Zwischenrohrabschnitts 13 verläuft.

Die Erfindung ist nicht auf die oben dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern läßt sich im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche abwandeln und modifizieren.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Ventilscheiben der zweiten Ventile 10 mit derartigen Vertiefungen 34 auszustatten, wie sie sich an der Ventilscheibe 28 der ersten Ventile 9 befinden.

Obschon die erfindungsgemäße Ventileinrichtung in Verbindung mit einer PFBC-Anlage erläutert wurde, versteht sich, daß diese Ventileinrichtung für sämtliche Arten von Gasturbinenanlagen mit äußerer Verbrennung eingesetzt werden können, das heißt bei Anlagen, bei denen die Verbrennung in einer Verbrennungskammer erfolgt, die von der Gasturbine getrennt ist.