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Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für eine Anlage zur Zufuhr von Gichtgasen zu einer Turbine, mit einer Einrichtung zum Versprühen von Wasser in die zugeführten Gichtgase und/oder mit einem in der vom Hochofen zur Turbine führenden Gichtgasleitung angeordneten Absperrorgan, mit einer die Turbine überbrückenden Umgehungsleitung samt Absperrorgan und mit einer in der Gichtgasleitung vorgesehenen Reinigungsanlage.
Die von einem Hochofen in grossen Mengen abgegebenen Abgase weisen hohe Temperatur und erheblichen Druck auf. Wenn diese Abgase in einem Staub-Niederschlagsapparat od. dgl. in Wasser gewaschen werden, so wird die Temperatur auf einen etwa der Umgebungstemperatur entsprechenden Wert abgesenkt, der Druck bleibt aber auf einem beträchtlichen Wert. In Eisen oder Stahlwerken besteht eines der wichtigsten Probleme darin, die den Abgasen innenwohnende Energie wirkungsvoll zurückzugewinnen.
Als sehr bequemes Verfahren zur Rückgewinnung dieser Druckenergie kann ein Verfahren genannt werden, bei dem eine Turbine von den Abgasen angetrieben wird, an welche ein Generator angeschlossen ist, wobei die Druckenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Dieses Verfahren wirft eine Reihe von Problemen auf. An erster Stelle ist der Druck oder die Menge der Abgase nicht konstant, sondern wechselt im allgemeinen in Abhängigkeit vom Widerstand im Hochofen, d. h. vom geschmolzenen Erz oder der Hochofenschlacke. Während des Betriebes des Hochofens ist ein Teil des eingebrachten Gutes geschmolzen und zusammengeballt und des öfteren im Hochofen schwebend verteilt. Wenn der Schwebezustand nicht mehr aufrechterhalten werden kann, fällt die zusammengeballte Masse abwärts, wobei zugleich eine grosse Menge heissen Gases ausgeblasen wird, was auch Ausbruch genannt wird.
Beim normalen Hochofenbetrieb liegt die Temperatur der Abgase auslassseitig zwischen 200 udn 250 C. Da die Abgase mit Hilfe in Berieselungsvorrichtungen einer Reinigungsanlage eingespritzten Wasses zwischen der Hochofengicht und der Turbine gekühlt werden, beträgt die Gastemperatur am Turbineneinlauf etwa 60 bis 80 C. Wenn jedoch ein Ausbruch auftritt, erhöht sich die Gastemperatur am Turbineneinlauf bis auf 250 C und mehr. Wegen der Dehnung des Turbinenrotors, der Laufschaufeln oder ungleichmässiger Verformung des Mantels, können in der Folge unerwünschte Erscheinungen, wie Kontakt der freien Enden der Laufschaufeln mit dem Mantel oder Oberlastung des Generators auftreten.
In zweiter Linie haftet mit den Abgasen mitgeführter Staub an den Gasleitungen oder der Turbine, insbesondere an den Leitschaufeln, an und stört die Gasströmung und vermindert den Wirkungsgrad der Turbine.
Zur Verhinderung des Anhaftens und der Ansammlung von Staub am Einlauf und an den Leitschaufeln der Turbine ist bereits vorgeschlagen worden, diejenigen Teile, an den sich Staub festzusetzen pflegt, mit einem staubabweisenden Überzug zu versehen, z. B. aus Fluor- oder Phenolharzen oder kristallinen Metalloxydkeramiken.
Wenn das Turbineninnere mit einem solchen Material überzogen ist, so ist es möglich, die Staubansammlung und den Wirkungsgradverlust zu beseitigen, doch da das Überzugsmaterial geringe Wärmefestigkeit aufweist und unter Wärmeeinfluss korrodiert, wird das Überzugsmaterial bald zerstört, wenn bei einem Ausbruch Gase mit hoher Temperatur in die Einlaufkanäle und die Turbine gelangen.
Aus der DE-AS 2207035 ist die Anordnung eines Nassreinigers in der vom Hochofen zur Turbine führenden Gichtgasleitung sowie einer Sprühvorrichtung im Gaseinlauf der Turbine bekannt, wobei die Turbine mit einer Umgehungsleitung samt Druckregelventil überbrückt ist. Das Versprühen von Wasser dient dabei ausschliesslich zur Staubverminderung oder Staubentfernung in bzw. aus der Turbine, wobei wegen der relativ geringen Menge das Wasser leicht verdampfen kann.
Aus der DE-AS 2044644 ist bekannt, bei einer Gasturbine mit Hilfe eines Druckreglers den Gichtgasdruck auf den Leitapparat der ersten Turbinenstufe zu steuern. Sprühvorrichtung ist hier. keine vorgesehen.
Weder mit der einen noch mit der andern bekannten Einrichtung lässt sich ein Hochofenausbruch feststellen oder erfassen, so dass auch keine Gegenmassnahmen ergriffen werden können.
Im Hochofen ändert das Erz oder der Möller jeden Augenblick seine Gestalt, weshalb es unmöglich ist, einen Ausbruch zu verhindern. Demzufolge muss die Turbinenanlage derart entworfen und angeordnet sein, dass den Ausbruchserscheinungen Rechnung getragen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzvorrichtung zu schaffen, welche die Turbine und andere Ausrüstungsteile selbst im Falle eines Ausbruches wirkungsvoll schützt, indem die Temperatur der in die Turbine eingeleiteten Abgase auf vorbestimmtem Wert gehalten wird, wodurch der Turbinenbetrieb auch dann möglich ist, wenn ein Ausbruch stattfindet, und der Gesamt-Wirkungsgrad der Energierückgewinnung durch den Generator verbessert wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer Schutzvorrichtung für eine Turbine, bei der die Zufuhr der Hochofengase zur Turbine unterbrochen wird, wenn der kontinuierliche Turbinenbetrieb wegen des Auftretens eines Ausbruches unmöglich ist.
Diese Aufgaben werden mit einer Schutzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss in der Gichtgasleitung eine aus einem Temperatur- und/oder Druckfühler bestehende Abtasteinrichtung zur Erfassung des Auftretens eines Hochofenausbruches vorgesehen und über eine Steuereinrichtung mit der Sprüheinrichtung und/oder dem in der Gichtgasleitung angeordneten Absperrorgan sowie vorzugsweise dem in der Umgehungsleitung angeordneten Absperrorgan verbunden ist.
Im allgemeinen liegt die Temperatur der Hochofenabgase im Einlaufbereich der Turbine zwischen 60 und 80 C, steigt jedoch auf etwa 250 C, wenn ein Ausbruch stattfindet, wobei gleichzeitig der Gasdruck ansteigt. Erfindungsgemäss wird dieser Temperaturanstieg und bzw. oder Druckanstieg festgestellt und in Abhängigkeit hievon bzw. von einem Fühlersignal eine Sprüheinrichtung für Kühlwasser betätigt.
Die Stelle zur Abtastung der Gastemperatur oder des Gasdruckes wird im Hinblick auf die Gasgeschwindigkeit derart gewählt, dass die Sprüheinrichtung für Kühlwasser ohne nennenswerten Zeitverlust ab dem Auftreten des Ausbruches betätigt wird. Die Abtasteinrichtung für die Gastemperatur und bzw. oder den Gasdruck ist deshalb an der Oberseite des Hochofens oder in einer Gasleitung in Nähe der Hochofenoberseite angeordnet. Vorzugsweise sind elektrische Fühler und elektrische Ubertragungseinrichtungen für diese Zwecke vorgesehen.
Von den durch einen Ausbruch hervorgerufenen Veränderungen sind diejenigen der Temperatur und des Druckes am deutlichsten erkennbar. Weiters werden die Zusammensetzung und der Verbrennungszustand von einem Ausbruch erheblich beeinflusst. Die Erfindung sieht daher ausser der Abtastung von Temperatur und bzw. oder Druck als geeignetste Weise zur Feststellung eines Ausbruches auch Einrichtungen zur Feststellung der Änderung solcher Faktoren, wie die Zusammensetzung der Abgase oder deren Verbrennungszustand, vor.
Zur Kühlung der heissen Abgase ist eine Wasser-Einspritzanlage am günstigsten, da Wasser einen grossen Betrag latenter Wärme zur Verdampfung benötigt, und da die durch eine Entstaubungsanlage einschliesslich eines Staubsammles und einer Venturi-Reinigungsanlage zur Turbine geleiteten Gase einen erheblichen Anteil Wasser mit sich führen, ergibt sich kein nennenswertes Problem und kein Nachteil, wenn Wasser den Abgasen zu Kühlzwecken zugesetzt wird. Erfindungsgemäss kann Wasser in Form einer Mischung mit einem Schutzmittel für das Turbineninnere oder mit andern Zusatzstoffen zugeführt werden.
Im allgemeinen ist die Wasser-Einspritzanlage am Einlauf der Turbine angeordnet, kann aber auch an anderer Stelle der Gaszufuhrleitung vorgesehen sein.
Vorzuziehen ist, das Wasser unter hohem Druck zu zerstäuben, so dass es sofort im Gas verteilt wird. Die zerstäubte Wassermenge wird derart gesteuert, dass die Temperatur der der Turbine zugeführten Gase innerhalb 60 und 800C gehalten wird. Allerdings kann dieser Temperaturbereich in Abhängigkeit von den Kenndaten der Turbine und den hiefür verwendeten Materialien in gewissen Grenzen schwanken. Demzufolge hängt die Menge des versprühten Wassers letzten Endes von der jeweils vorhandenen Turbine ab.
Wenn die Turbine oder die Gasleitung aus Materialien mit ungenügender Wärmefestigkeit besteht, kann das Wasser direkt auf diese Materialien versprüht werden, um auf diese Weise unerwünschte Temperaturerhöhungen und Zerstörungen durch Wärmeeinfluss zu verhindern.
Da erfindungsgemäss das Auftreten eines Ausbruches im Hochofen festgestellt und in Abhängigkeit von einem Abtastsignal Wasser in die Abgase eingespritzt wird, kann deren Temperatur wirkungsvoll auf einem vorbestimmten Wert gehalten und somit Formänderungen infolge Wärmedehnung der Turbine hintangehalten werden. Daher können thermisch anfällige Materialien in den Gasleitungen und in der Turbine wirkungsvoll geschützt werden, und die Turbine kann mit hohem Wir-
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kungsgrad in stabilem Zustand betrieben werden, wobei die den Abgasen inhärente Energie bestmöglich zurückgewonnen werden kann.
Wenn weiters das Wasser direkt auf thermisch empfindliche Bauteile gesprüht wird, so wird auch die Gasleitung wirkungsvoll geschützt.
Wenn der kontinuierliche Turbinenbetrieb wegen eines Ausbruches unmöglich sein sollte, so kann schliesslich im Rahmen der Erfindung die Zufuhr der Abgase zur Turbine durch Schliessen eines Absperrventiles unterbrochen werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind ; es zeigen Fig. 1 den Aufbau der Schutzvorrichtung mit einem Absperrventil, Fig. 2 den Aufbau der Schutzvorrichtung sowie der Wasser-Einspritzanlage, Fig. 3 einen Teilschnitt durch den Einlauf der Turbine und Fig. 4 eine Variante der Erfindung.
Fig. 1, 2 und 4 zeigen schematisch Ausführungsformen der erfindungsgemässen Schutzvorrichtung zum Schutze einer von den Hochofengasen angetriebenen Turbine vor den Auswirkungen eines Ausbruches im Hochofen. In den Zeichnungen bezeichnen Doppellinien die Abgasleitungen des Hochofens, durchgehende einfache Linien Kühlwasserleitungen und strichlierte Linien elektrische Leitungen.
Die erfindungsgemässen Aufgaben können in folgender Weise gelöst werden : (I) Zur Unterbrechung des Gasstromes zur Turbine wird ein Not-Absperrventil geschlossen, (II) Ins Innere der Turbine wird Kühlwasser eingespritzt ; (III) Kühlwasser wird in die zur Turbine führende Gasleitung eingespritzt.
Diese drei Verfahren werden im folgenden ausführlich erläutert.
Zunächst wird Verfahren (I) an Hand der Fig. 1 beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Abgase durch eine an die Gicht des Hochofens --1-- angeschlossene Gasleitung - 2a-einem Staubsammler-3-zugeleitet und darin gereinigt. Von diesem werden die Gase durch eine Gasleitung --2b-- einem Venturiwäscher --4-- zugeführt, in welchem die Gase mit Wasser oder einer chemischen Lösung behandelt werden, damit in den folgenden Bauteilen keine Schäden, wie Korrosion, auftreten. Eine Gashauptleitung --2c-- verzweigt sich in eine Gaszufuhrleitung --2e-- zur Turbine --7-- und in eine Umgehungsleitung --2d--.
Letztere verläuft über ein Trennventil - zu einem zweiten Venturiwäscher --6--. Der zweite Venturiwäscher --6-- kann knapp hinter dem ersten --4-- angeordnet sein. Die Zufuhrleitung --2e-- zur Turbine --7-- ist an diese angeschlossen, die auslassseitig mit dem zweiten Venturiwäscher --6-- durch eine Leitung --2f-- verbunden ist. Mit der Turbine --7-- ist ein Generator --8-- oder eine andere Last gekuppelt, wobei die den Abgasen inhärente Energie mittels des Generators --8-- zurückgewonnen wird.
Die Einrichtung zur Abtastung der Temperatur oder des Druckes der Abgase weist ein Temperatur- oder Druckrelais --21-- auf, das in der Gasleitung --2a-- an einer nahe dem Hochofen - gelegenen Stelle angebracht ist ; von diesem Relais --21-- abgegebene Signale werden über elektrische Steuerleitungen --22-- an ein Not-Absperrventil --41-- übertragen. Mit --42-- ist ein Regelventil zur Steuerung des Gasstromes zur Turbine --7-- und mit --44-- ist ein am Auslass der Turbine --7-- angeordnetes Absperrventil bezeichnet.
Die vom Hochofen --1-- kommenden Abgase werden zunächst im Staubsammler --3-- von groben Staubpartikeln und andern Verunreinigungen gereinigt. Im folgenden Venturiwäscher --4-- wird der überwiegende Teil der feinen Staubpartikel durch Einsprühen von Wasser oder chemischen Lösungen abgeschieden, wobei die Gastemperatur auf einen in der Turbine --7-- verwertbaren Betrag von 60 bis 80C abgesenkt wird.
Die durch die Umgehungsleitung --2d-- strömende Gasmenge wird durch das Trennventil - derart gesteuert, dass der Druck unabhänig von der Belastung der Turbine --7-- auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Die Turbinenabgase vereinigen sich mit den Gasen der Umgehungsleitung --2d-- und gelangen darauffolgend durch eine Abzugsleitung --2g-- sowie den zweiten Venturiwäscher --6-- zu weiteren Anlagenteilen.
Das Temperatur- oder Druckrelais --21-- ist vorgesehen, um plötzliche Änderungen der Abgastemperatur oder des Abgasdruckes infolge eines Ausbruches im Hochofen --1-- festzustellen. Vorzugsweise besteht der Fühler des Relais --21-- aus einem Material, das von den staubführenden Abgasen nicht angegriffen wird, wobei die Oberfläche des Fühlers der Relais --21-- mit einem kristallinen Metalloxyd-Keramiküberzug versehen und die Oberzugsoberfläche zur Vermeidung von Staubansammlung und Staubniederschlag poliert ist.
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Das Temperatur- oder Druckrelais --21-- kann an jeder beliebigen Stelle der Gasleitung zwischen dem Hochofen --1-- und der Turbine --7-- angeordnet sein. Allerdings ist vorzuziehen, das Relais --21-- so nahe wie möglich dem Hochofen-l-anzubringen, damit ausreichend Zeit zwischen dem Zeitpunkt der Feststellung der Temperatur- oder Druckänderung und dem Zeitpunkt des Eintreffens der übermässig heissen Gase bei der Turbine zur Verfügung steht und damit genügend Zeit zur Betätigung der Schutzvorrichtung vorhanden ist.
Wenn im Hochofen --1-- ein Ausbruch stattfindet, so wird die damit einhergehende abnormale Steigerung der Temperatur oder des Druckes von dem Relais --21-- festgestellt und mit dessen Hilfe das Not-Absperrventil --41-- geschlossen sowie das Trennventil --5-- geöffnet, wodurch die Gaszufuhr zur Turbine --7-- unterbrochen wird. Da die Betätigungszeit des Not-Absperrventiles - wesentlich geringer ist als die des Trennventiles besteht die Gefahr eines Druckanstieges in der gesamten Anlage. Da jedoch das Volumen der gesamten Anlage im allgemeinen sehr gross ist, ist der Druckanstieg unerheblich.
Bei dieser Ausführungsform (I) ist die Turbine --1-- nicht in Betrieb, wenn ein Ausbruch auftritt und die Schutzvorrichtung eingeschaltet ist. Im Gegensatz dazu ist beim Ausführungsbei-
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wasser in die Turbine eingesprüht wird, wird nun an Hand der Fig. 2 und 3 näher beschrieben.
Gemäss Fig. 2 ist die Turbine --7-- mit einer Sprühanlage versehen, wobei ein Wassereinlassventil --23-- und eine Kühlwasserzuleitung --24-- vorgesehen sind. Bei Auftreten eines Ausbruches und dessen Feststellung mittels der Relais --21-- wird nach Empfang eines Ausgangssignales des Relais --21-- das Einlassventil --23-- geöffnet und Wasser ins Innere der Turbine --7-- eingespritzt, wodurch die Gastemperatur sofort auf einen vorbestimmten Wert abgesenkt wird.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Turbine --7-- im Bereich der Einspritzanlage für Kühlwasser. Der Turbinenrotor --34-- ist im Mantel --31-- drehbar gelagert und trägt Laufschaufeln --33--. Am Mantel --31-- sind Leitschaufeln --32-- angebracht. Einspritzdüsen --25-- sind im Bereich des Gaseinlaufes --35-- angeordnet, so dass eingespritztes Kühlwasser zuerst auf Leitschaufeln --36-- auftrifft. Auf diese Weise wird das Kühlwasser im Mantel --31-- im Gasstrom verteilt und nimmt dessen Wärme auf, wobei es verdampft und die Gastemperatur auf einen vorbestimmten Wert abgesenkt wird.
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Gase auf die beschriebene Weise vermindert wird, so wird ein Temperaturanstieg entsprechender Turbinenbauteile auf ein Mindestmass verringert und eine Zerstörung von Materialien mit schlechter Wärmefestigkeit, z.
B. Überzugsschichten auf den Leitschaufeln od. dgl. zur Verhinderung der Staubansammlung, wird beseitigt. Weiters kann der Effekt erzielt werden, dass an den Leitschaufeln und dem Einlaufbereich des Mantels anhaftender Staub entfernt wird.
Falls nur beabsichtigt ist, die Temperatur der der Turbine zugeführten Gase auf den vorbe-
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und Turbine --7-- vorgesehen sein.
Als besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Verfahren (III) angewendet werden, bei dem die Temperatur eines Bauteiles, der unter Wärmeeinfluss rasch zerstört wird, örtlich vermindert wird. Wenn beispielsweise der erste Leitschaufelkranz mit einem thermisch zerstörbaren Material überzogen ist, so wird das Kühlwasser lediglich zum Schutz der Überzugsflächen eingespritzt. Die eingespritzte Wassermenge kann verringert werden, doch wird in vielen Fällen die Temperatur der durch die Turbine strömenden Gase nicht beträchtlich abgesenkt. Jedenfalls kann thermische Zerstörung empfindlicher Bauteile wirkungsvoll verhindert werden.
Wenn im Hochofen ein Ausbruch auftritt, so wird wegen des Anstieges von Temperatur und Druck die Ausgangsleistung der Turbine erhöht. Wenn also die Leistungsfähigkeit des Generators begrenzt ist, so ist es notwendig, Mittel zur Beherrschung der Leistungssteigerung der Turbine vorzusehen. Zu diesem Zweck können das Trennventil --5-- und das Regelventil --42-- in gesteuerter
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Weise geöffnet und geschlossen werden, aber zur Begrenzung der Leistungserhöhung der Turbine infolge gesteigerter Temperatur sollte eine besondere Einrichtung vorgesehen sein.
Gemäss Fig. 4 sind ein Temperaturrelais --21-- und Steuerleitungen --22-- vorgesehen, so dass das Regelventil - bis auf ein Ausmass geschlossen wird, das dem Temperaturanstieg über den vorbestimmten Wert entspricht, wenn die vom Relais --21-- festgestellte Temperatur den vorbestimmten Wert überschreitet. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, übermässige Belastungen vom Generator --8- fernzuhalten.
Bei der Variante (III) ist die Wassersprühanlage in der Gasleitung vor der Turbine - angeordnet. Dies hat gegenüber der Variante (II) den Vorteil, dass die Anbringung der Sprühanlage erleichtert ist, dass mehrere Einspritzdüsen angebracht werden können und deren Wartung sehr leicht ist. Auf jeden Fall ist es bei beiden Varianten (II) und (III) notwendig, das Wasser zu zerstäuben, um die Senkung der Gastemperatur zu erleichtern.
PATENTANSPRÜCHE : l. Schutzvorrichtung für eine Anlage zur Zufuhr von Gichtgasen zu einer Turbine, mit einer Einrichtung zum Versprühen von Wasser in die zugeführten Gichtgase und/oder mit einem in der vom Hochofen zur Turbine führenden Gichtgasleitung angeordneten Absperrorgan, mit einer die Turbine überbrückenden Umgehungsleitung samt Absperrorgan und mit einer in der Gichtgasleitung vorgesehenen Reinigungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gichtgasleitung (2a, 2b, 2c, 2e) eine aus einem Temperatur- und/oder Druckfühler bestehende Abtasteinrichtung (21) zur Erfassung des Auftretens eines Hochofenausbruches vorgesehen und über eine Steuereinrichtung (22) mit der Sprüheinrichtung (23, 24, 25) und/oder dem in der Gichtgasleitung (2a, 2b, 2c, 2e) angeordneten Absperrorgan (41 ;
42) sowie vorzugsweise dem in der Umgehungsleitung (2d) angeordneten Absperrorgan (5) verbunden ist.