CN105189975B - 热交换器的蓄热机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热交换器的蓄热机构，其在使用热交换器的设备间歇运转的情况下，也不会折损热交换器的寿命，并且抑制了设备再启动时的效率降低。在用于设置有热交换器(7)的设备(GT)运转停止时储存该热交换器(7)的热量的蓄热机构中，在向外部排出作为热交换器(7)加热介质的排气(G2)的排气通路(29)上，设置防止在所述设备运转停止时所述排气(G2)向外部流出的防止流出构件(31)。

Description

热交换器的蓄热机构
相关申请
本申请要求2013年5月8日申请的日本专利申请2013-098450的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种机构，用于在设置有热交换器的设备，例如再生式燃气轮机运转停止时存储该热交换器的热量。
背景技术
近年来，作为环境问题和能源问题的解决对策，提出了有效利用太阳能发电和风力发电等自然能源的方案。然而，在使用自然能源发电的情况下，由于发电量根据自然环境变动大，因此为了稳定地供给电力，作为用于补偿供给电力变动的负载响应性高，且高效的发电方式，考虑并用具备再生热交换器的再生式燃气轮机。在再生式燃气轮机中，将来自涡轮的高温排气作为加热介质来利用，加热来自压缩机的压缩空气，通过将该压缩空气导入燃烧器来提高热效率(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2006-052738号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
在设置于再生式燃气轮机中的再生热交换器中，由于在来自压缩机的压缩空气侧(低温高压侧)与排气侧(高温低压侧)的工作流体间进行热交换，因此再生热交换器内的温度分布变得不均匀，由此在再生热交换器中产生热应力。特别是在燃气轮机间歇运转的情况下，在燃气轮机再启动时，再生热交换器由低温状态达到额定温度产生大的热应力，成为使再生热交换器的使用次数寿命降低的原因。而且，为了实现高效率优选使用大型的再生热交换器，但是由于大型的再生热交换器热容量大，因此在从低温状态再启动的情况下，从低的热效率开始，达到额定的高效率需要较长时间。
因此，本发明的目的在于为了解决上述技术问题，提供一种热交换器的蓄热机构，其在使用热交换器的设备间歇运转的情况下，也不会折损热交换器的寿命，并且抑制了设备再启动时的效率降低。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的热交换器的蓄热机构用于在设置有热交换器的设备运转停止时存储该热交换器的热量，在向外部排出该热交换器的加热介质的排气通路上设置有防止流出构件，该防止流出构件在所述设备运转停止时防止所述加热介质向外部流出。上述设备例如为具备再生热交换器的再生式燃气轮机，所述再生热交换器将来自涡轮的排气作为加热介质来加热来自压缩机的压缩空气，并导入燃烧器。
根据该结构，由于防止了在设备运转停止中高温的加热介质向外部流出，并滞留在热交换器的附近，因此能够利用设备的排热来抑制运转停止中的热交换器的温度降低。由此，由于防止了设备再启动时热交换器中产生大的热应力，因此即使在反复间歇运转的情况下也能够抑制热交换器的使用次数寿命的消耗。此外，能够缩短热交换器达到额定温度的时间，抑制效率降低。
在本发明的一个实施方式的热交换器的蓄热机构中，所述防止流出构件可以设置于所述排气通路上，具有折返部和偏转部，其中，所述折返部使通过所述热交换器朝向上方的排气折返而朝向下方；所述偏转部设置于所述折返部的下游侧，使朝向下方的来自所述折返部的排气偏转而朝向水平方向或上方。根据该结构，通过在折返部下游侧(下方)的偏转部滞留的低温空气，能够使高温的排气切实滞留在折返部，因此仅通过在热交换器下游部追加简单的构造，就能够有效抑制运转停止时的热交换器的温度降低。
在本发明的一个实施方式的热交换器的蓄热机构中，作为所述偏转部的排气流入的部分的导入部的高度位置可以设定为低于所述热交换器下端。
在本发明的一个实施方式的热交换器的蓄热机构中，优选在所述偏转部上设置空气导入阀，该空气导入阀在设备运转停止时被打开，将外部空气导入该偏转部。根据该结构，由于能够根据需要向偏转部导入低温空气，因此能够更加切实地使高温的加热介质滞留在折返部。
在本发明的一个实施方式的热交换器的蓄热机构中，所述防止流出构件可以具有开闭阀，其配置于所述排气通路中的所述热交换器的下游侧，在运转停止时关闭所述排气通路。根据该结构，能够抑制设备整体的尺寸增大，并且抑制运转停止时热交换器的温度降低。
权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合，均包含在本发明中。特别是权利要求书的各权利要求的两项以上的任意组合，也包含在本发明中。
附图说明
通过参照附图对以下适宜的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图上相同附图标记表示相同或相当的部分。
图1是表示具备本发明的第一实施方式的蓄热机构的再生式燃气轮机的概略结构的框图。
图2是表示图1的蓄热机构的一部分的示意图。
图3是表示图2的蓄热机构的变形例的示意图。
图4是表示具备本发明的第二实施方式的蓄热机构的再生式燃气轮机的一部分的示意图。
具体实施方式
下面基于附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1是表示作为具备本发明的第一实施方式的热交换器的蓄热机构的设备的再生式燃气轮机GT的概略结构图。该再生式燃气轮机GT具备压缩机1、单缸式燃烧器3、涡轮5、以及作为具备蓄热机构的热交换器的再生热交换器7。通过该再生式燃气轮机GT的输出，发电机11被驱动。
再生热交换器7以来自涡轮5的高温/低压的排气G2作为加热介质，加热从压缩机1导入燃烧器3的低温/高压的压缩气体G1。即，再生式热交换器7在作为被加热介质的压缩空气G1与作为加热介质的排气G2之间进行热交换。更详细地，来自压缩机1的压缩空气G1经由压缩气体通路21输送至再生热交换器7，通过再生热交换器7加热后，经由高温压缩气体通路25输送至燃烧器3。经过燃烧器3及涡轮5的排气G2通过排气通路29，作为加热介质流入再生热交换器7中。从再生热交换器7流出的排气G2，在再生式燃气轮机GT的运转中，通过未图示的消声器被消声后，由排气通路29排放到外部。
另一方面，在再生式燃气轮机GT运转停止时，通过设置于排气通路29上的防止流出构件31，从再生热交换器7流出的排气G2的大部分未排放到外部，而是滞留在排气通路29上的再生热交换器7的下游部。
具体地，本实施方式的再生式燃气轮机GT，作为防止流出构件31具有折返部33及偏转部35，其中所述折返部33使通过再生热交换器7朝向上方的排气G2折返而朝向下方；所述偏转部35使因折返部33而朝向下方的排气G2偏转，而朝向水平方向或上方。进而，在偏转部35中设置有用于向偏转部35导入外部空气的空气导入阀37。
如图2所示，折返部33形成为由上方向下方大致折返180°的U字管。此外，偏转部35配置于折返部33的下游侧且配置于下方，形成为由下方向上方大致折返180°的U字管。折返部33与偏转部35通过直线延伸的连接管部39连接。通过调节直线状的连接管部39的长度，使排气G2流入偏转部35的导入部35a的高度位置设定为低于再生热交换器7的下端7a的高度位置。通过这样设定偏转部35的导入部35a的高度位置，由于能够断开自然对流，因此能够切实地抑制再生热交换器7的温度降低。
折返部33只要是能够确保从再生热交换器7向上方流出的高温排气G2滞留的空间的形状即可，折返角度不限于180°，但为了有效防止排气G2的流出，并且抑制设备整体设置空间的增大，折返角度优选为大致180°。同样地，偏转部35也是只要能够确保低温空气滞留的空间的形状即可，偏转角度不限于180°，但为了通过滞留在偏转部35中的空气来有效封闭折返部33的排气G2，并且抑制设备整体设置空间增大，在图示的例子中，偏转角度设定为大致180°。
空气导入阀37具体设置于与偏转部35的上游部分连接的空气导入管41上。空气导入阀37在再生式燃气轮机GT运转中，如虚线所示地闭塞空气导入管41。另一方面，空气导入阀37在再生式燃气轮机GT停止中，如实线所示地打开阀门。空气导入阀37的开度通过图1所示的控制器43来控制。另外，控制器43也对再生式燃气轮机GT整体的运转进行控制。相对于偏转部35空气导入阀37的设置位置并不限定于图2所示的例子，但为了使低温的外部空气有效滞留在偏转部35的弯曲部分，优选配置在比形成偏转部的U字状管部件的外周侧下端与内周侧下端在铅垂方向上的中间点P更靠下方。空气导入管41也可以与偏转部35的下游部分连接。此外，也可以省略空气导入阀37及空气导入管41，即使在该情况下，由于比偏转部35更靠下游侧的排气G2为高温，因此逐渐向上方排出，取而代之，外部的低温空气流入偏转部35内。由于进入偏转部35内的空气被连接管部39及折返部33内的排气G2阻断，因此不会到达再生热交换热交换器7。
此外，在涡轮5上连接有连通再生式燃气轮机GT内部和外部的连通路径45，并在连通路径45上设置有涡轮开闭阀47。在再生式燃气轮机GT运转停止中，开放涡轮开闭阀47向涡轮5内导入外部空气，防止再启动时排气G2的温度过度上升。另一方面，通过在再生式燃气轮机GT再启动时也开放涡轮开闭阀47，排出一部分排气G2，能够调整再启动时流入再生热交换器7的排气G2的量，防止再生热交换器7的温度急剧上升。涡轮开闭阀47的开度由控制器43(图1)控制。
另外，如图3所示，也可以将通过偏转部35的排气G2输送到其他设备，例如锅炉BL，进一步利用排气G2的排热。在该情况下，优选地，将偏转部35的偏转角度设为大致90°(水平方向)，将偏转部35与锅炉间的连接流路49的最上部的高度位置设定为低于再生热交换器7的下端7a的高度位置。通过锅炉BL的排气G2经由锅炉BL下游的排气管道50向上方排出。
这样，根据本实施方式的热交换器的蓄热机构，通过设置防止流出构件31，能够利用再生式燃气轮机GT的排热，防止在燃气轮机GT运转停止中再生热交换器7的温度降低。由此，由于能够防止再生式燃气轮机GT再启动时再生热交换器7中产生大的热应力，因此即使在反复间歇运转的情况下，也能抑制再生热交换器7的使用次数寿命的消耗。此外，能够缩短再生热交换器7达到额定温度的时间，抑制效率降低。特别是在本实施方式中，由于通过滞留在折返部33的下游侧(下方)的偏转部35的低温空气，能够使高温的排气G2切实地滞留在折返部33中，因此仅通过在再生热交换器7的下游部追加简单的构造的折返部33，就能够有效抑制运转停止时再生热交换器7的温度降低。
接着，对图4所示的本发明的第二实施方式的再生式燃气轮机GT进行说明。另外，在下面的说明中，对与上述第一实施方式的不同点进行详细说明，对与第一实施方式相同的结构省略说明。
本实施方式中，作为防止流出构件31，在排气通路29上设置有排气通路开闭阀51。更加详细地，在排气通路29上，多个排气通路开闭阀51沿排气通路29的横贯方向并列设置。排气通路开闭阀51配置于排气通路29中的再生热交换器7的下游侧。排气通路开闭阀51在再生式燃气轮机GT运转中，如虚线所示地开放排气通路29，在运转停止中，如实线所示地关闭排气通路29。
通过在排气通路29内设置排气通路开闭阀51来防止排气G2的流出，能够抑制燃气轮机GT整体尺寸的增大，并且抑制运转停止时再生热交换器7的温度降低。
另外，在图4的第二实施方式中，作为防止流出构件31，设置了排气通路开闭阀51来代替第一实施方式的折返部33，但也可以在第一实施方式的折返部33上追加，设置排气通路开闭阀51。
此外，本发明的热交换器的蓄热机构不限于上述的燃气涡轮发动机GT，也可以适用于将排热利用于热交换器的加热的各种设备。
如上所述，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种补充、改变或删除。因此，这样的补充、改变及删除也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1 压缩机
3 燃烧器
5 涡轮
7 再生热交换器(热交换器)
29 排气通路
31 防止流出构件
33 折返部
35 偏转部
51 排气通路开闭阀
G2 排气(加热介质)
GT 再生式燃气轮机(设备)

Claims (4)

1.一种热交换器的蓄热机构，用于在设置有热交换器的设备运转停止时储存该热交换器的热量，
在向外部排出该热交换器的加热介质的排气通路中的所述热交换器的下游侧设置有防止流出构件，该防止流出构件在所述设备运转停止时防止所述加热介质向外部流出，
所述防止流出构件设置于所述排气通路上，具有折返部和偏转部，其中，所述折返部使通过所述热交换器朝向上方的加热介质折返而朝向下方；所述偏转部设置于所述折返部的下游侧，使朝向下方的来自所述折返部的加热介质偏转而朝向水平方向或上方，
在所述偏转部上设置有空气导入阀，该空气导入阀在运转停止时被打开，将外部空气导入该偏转部。
2.根据权利要求1所述的热交换器的蓄热机构，其特征在于，作为所述偏转部的排气流入的部分的导入部的高度位置设定为低于所述热交换器下端。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器的蓄热机构，其特征在于，所述防止流出构件具有开闭阀，其配置于所述排气通路中所述热交换器的下游侧，在运转停止时关闭所述排气通路。
4.一种再生式燃气轮机，具备再生热交换器，所述再生热交换器将来自涡轮的排气作为加热介质来加热来自压缩机的压缩空气，并导入燃烧器，作为所述再生热交换器的蓄热机构，具备权利要求1至3中任意一项所述的蓄热机构。
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