JP2012154615A - 熱回収蒸気発生器ボイラ管構成 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の熱交換率値を維持しながら、排気ガスの圧力損失を低減し、ボイラの全体サイズ及びコストを減少させる。
【解決手段】入口及び出口を有するケーシングと、ケーシング内に配置され、内側空洞部３０２及び外側表面２０８を画定し、長手方向軸３０１及び横軸３０３を含む断面形状を有するボイラ管２０２であって、長手方向軸３０１の長さが横軸３０３の長さよりも大きいボイラ管２０２と、ボイラ管２０２の外側表面２０８上に配置される、少なくとも１つのフィン２０６とを含む熱回収蒸気発生器。
【選択図】図３

Description

本明細書に開示する主題は、熱回収蒸気発生器内のボイラ管に関する。

ガスタービン複合サイクル発電システムは、発電機に機械的に接続するガスタービンエンジンを含む。ガスタービンは、高温排気ガスを放出し、高温排気ガスは、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を通して導かれる。排気ガスは、ＨＲＳＧ内の入口ダクト、及びいくつかのボイラ管を含むケーシングを通って流れる。ボイラ水又は蒸気は、ボイラ管を通って流れ、排気ガスの流れにより加熱され、その結果、蒸気タービンを動かすのに使用することができる加熱蒸気になる。

米国特許第７１３７３６０号明細書

本発明の一態様によれば、熱回収蒸気発生器は、入口及び出口を有するケーシングと、ケーシング内に配置され、内側空洞部及び外側表面を画定し、長手方向軸及び横軸を含む断面形状を有するボイラ管であって、長手方向軸の長さが横軸の長さよりも大きいボイラ管と、ボイラ管の外側表面上に配置される、少なくとも１つのフィンとを含む。

本発明の別の態様によれば、発電システムは、排気ダクトを有するガスタービンエンジン、並びに、排気ダクトに接続する入口及び出口を有するケーシングと、ケーシング内に配置され、内側空洞部及び外側表面を画定し、長手方向軸及び横軸を含む断面形状を有するボイラ管であって、長手方向軸の長さが横軸の長さよりも大きいボイラ管と、ボイラ管の外側表面上に配置される、少なくとも１つのフィンとを含む、熱回収蒸気発生器を含む。

本発明のさらに別の態様によれば、ボイラ管集合体は、ケーシング内に配置され、内側空洞部及び外側表面を画定し、長手方向軸及び横軸を含む断面形状を有する管であって、長手方向軸の長さが横軸の長さよりも大きい管と、管の外側表面上に配置される、少なくとも１つのフィンとを含む。

これら及び他の利点及び特徴は、図面と併せて以下の記述を読むことにより、より明らかになる。

本発明とみなされる内容は、本明細書の最後の特許請求の範囲において具体的に指摘し、明確に請求する。本発明の上述及び他の特徴、並びに利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な記述を読むことにより明らかになる。

例示的な複合サイクル発電システムの系統図である。 ボイラ管集合体の例示的な実施形態の一部分の側面図である。 図２の線３−３に沿った断面図である。 ボイラ管集合体の別の例示的な実施形態の一部分の側面図である。 図４の線５−５に沿った断面図である。 図１のＨＲＳＧの一部分内のボイラ管集合体の構成の例示的な実施形態の断面図である。 キロワット出力変化対排気圧変化を示すグラフである。 システム効率変化対排気圧変化を示すグラフである。 図１のＨＲＳＧの一部分内のボイラ管集合体の構成の別の例示的な実施形態の断面図である。 ボイラ管集合体の構成のさらに別の例示的な実施形態の断面図である。

詳細な記述は、図面に関連する例により、本発明の実施形態と共に、利点及び特徴を説明する。

図１は、例示的な複合サイクル発電システム１００の系統図を示す。システム１００は、発電機１０４に機械的に接続するガスタービンエンジン１０２を含む。ガスタービンエンジン１０２は、吸気プレナム１０６、圧縮機部分１０８、燃焼器部分１１０、タービン部分１１２、及び排気プレナム（ダクト）１１４を含む。排気プレナム１１４は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１１８の入口ダクト１１６に接続する。ＨＲＳＧ１１８は、ボイラ管１２２を取り囲むケーシング１２０を含む。ケーシング１２０は、出口ダクト１２５に接続する。ボイラ管１２２は、ポンプ１２４及び蒸気タービン１２６に接続する。蒸気タービン１２６は、発電機１２８に機械的に接続する。蒸気タービンは、ポンプ１２４に接続する復水器１３０に蒸気を排出する。

動作中、空気１０１は、吸気プレナム１０６に流入し、圧縮機１０８により加圧される。燃料を燃焼器１１０内で圧縮空気に加え、点火する。高温膨張ガスは、タービン１１２を通って流れ、圧縮機１０８及び発電機１０４を回転させ、それらを駆動する。排気ガス１０３は、排気プレナム１１４から流れ出し、ＨＲＳＧ１１８の入口ダクト１１６及びケーシング１２０に入る。排気ガス１０３は、ＨＲＳＧ１１８を通って、ボイラ管１２２の周りを流れ、ボイラ管１２２を通って流れるボイラ水を加熱する。ボイラ水は蒸気に変わり、蒸気は、蒸気タービン１２６及び機械的に接続される発電機１２８を駆動する。蒸気は、蒸気タービン１２６を出て、復水器１３０により凝縮されて水になり、水はポンプ１２４により加圧される。

図２は、ボイラ管集合体２０２の例示的な実施形態の一部分の側面図を示す。ボイラ管集合体２０２は、管２０４と、管２０４の外側表面２０８上に平行に配置したフィン２０６とを含む。管２０４及びフィン２０６は、例えばスチール又は別の金属材料を含む、どの適当な材料からも作ることができる。フィン２０６は、例えば、溶接、ろう付け、接着剤、又は機械的連結などの適当な方法を使用して管２０４の外側表面２０８に固定することができる。

図３は、ボイラ管集合体２０２の（図２の）線３−３に沿った断面図を示す。ボイラ管集合体２０２は、内側表面３０４を有する管２０４により画定される空洞部３０２を含む。管２０４は、楕円形であり、長軸（長手方向軸）（ｙ）３０１及び短軸（横軸）（ｘ）３０３を有する（ｙ>ｘ）。

図４は、ボイラ管集合体４０２の別の例示的な実施形態の一部分の側面図を示す。ボイラ管集合体４０２は、管４０４と、管４０４の外側表面４０８上に平行に配置したフィン４０６とを含む。

図５は、ボイラ管集合体４０２の（図４の）線５−５に沿った断面図を示す。ボイラ管集合体４０２は、内側表面５０４を有する管４０４により画定される空洞部５０２を含む。管４０４は、丸薬形状であり、長手方向軸（ａ）５０１及び横軸（ｂ）５０３を有する（ａ>ｂ）。管４０４は、平行な長手方向区域５１０及び端部区域５１２を含み、連続的な形状を形成する。ボイラ管集合体４０２の端部区域５１２は、円形であり、半径（ｒ）５０５を有する。

図６は、（図１の）ＨＲＳＧ１１８の一部分内のボイラ管集合体２０２の構成の例示的な実施形態の断面図を示す。ガスタービンエンジン１０２からの排気ガス１０３の流路を示す。動作中、ボイラ水は、ボイラ管集合体２０２の空洞部２０４を通って流れる。排気ガス１０３は、フィン２０６及び管２０４を介して熱をボイラ水に伝達する。各管集合体２０２の表面領域を排気ガス１０３の流路の方向に延ばし、それを偏平にすることにより、ボイラ管集合体２０２の楕円形状が、排気ガス１０３の流れを改善し、ＨＲＳＧ１１８による圧力損失を減少させる。管２０４及びフィン２０６の楕円形状は、（円形の管及びフィン集合体とは反対に）ボイラ管集合体２０２の表面領域を増大させ、ボイラ水への管当たりの熱伝達を増大させる。ボイラ管集合体２０２の熱伝達の改善により、ボイラ管集合体２０２の空間（間隔）（矢印６０１で示す）が比較的（円形管の構成よりも）大きくなる一方、ＨＲＳＧ１１８の所望の熱伝達仕様（熱交換率）を維持することもできる。排気ガス１０３がＨＲＳＧ１１８を通って流れるとき、ボイラ管集合体２０２の空間の増大により、圧力損失はさらに低減され、排気ガス１０３の流量は改善される。例えば、図１を参照すれば、排気ガス１０３は、ＨＲＳＧ１１８の入口ダクト１１６では圧力Ｐ１を有し、出口ダクト１２５では圧力Ｐ２を有する。圧力差は、ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１と表現することができる。例示した実施形態では、ΔＰは、より小さい間隔（例えば、円形ボイラ管の構成）で離間する管を有するＨＲＳＧのΔＰよりも小さい。例示した実施形態におけるΔＰの低減により、タービン１１２の背圧を低下させることによって、（図１の）ガスタービンエンジン１０２の効率が増大する。ガスタービンエンジン１０２の効率の増大により、システム１００の総合効率が増大する。

ボイラ管集合体２０２の熱伝達の増大の別の利点は、ＨＲＳＧ１１８内のボイラ管集合体２０２の数を低減することができ、それにより、ＨＲＳＧ１１８の全体サイズ（及びコスト）が減少する一方、所望の熱交換率値が維持されることである。

図７は、上述のシステム１００と同様の複合サイクルシステムのキロワット（ｋＷ）出力変化（ＣＣｋＷ）及び単純サイクルのキロワット（ｋＷ）出力変化（ＳＣｋＷ）対タービンエンジンの排気圧変化ｄＰ（ΔＰ）（水柱インチ）を示すグラフを図示する。その際、排気圧の低減は、出力の増大をもたらす。

図８は、複合サイクルシステムの効率変化（ＣＣｅｆｆ）及び単純サイクルの効率変化（ＳＣｅｆｆ）対タービンエンジンの排気圧変化ｄＰ（ΔＰ）（水柱インチ）を示すグラフを図示する。排気圧の低減は、効率の増大をもたらす。

排気ガス１０３がＨＲＳＧ１１８を通って流れるとき、排気ガス１０３の流量の改善により、熱がボイラ管集合体２０２により均一に伝達することによって、ボイラ管集合体２０２の熱伝達は改善される。例えば、図６を参照すれば、排気ガス１０３がＨＲＳＧ１１８を通過するとき、排気ガス１０３の熱損失のために、列６０２に沿った管は、列６０４に沿ったボイラ管集合体２０２よりも高い温度及び流量の排気ガス１０３を受け取る。例示した実施形態の流路の改善により、列６０２のボイラ管集合体２０２に伝達する熱と、列６０４のボイラ管集合体２０２に伝達する熱との間の差が低減される。排気ガス１０３の流路に沿ったボイラ管集合体２０２への熱のより均一な伝達により、ＨＲＳＧ１１８及びシステム１００の効率が増大し、ＨＲＳＧ１１８内のボイラ管集合体２０２の数が低減される一方、所望の熱交換率値を維持することができる。ＨＲＳＧ１１８内のボイラ管集合体２０２の数の低減により、ＨＲＳＧ１１８のサイズを低減することができる。

図９は、（図１の）ＨＲＳＧ１１８の一部分内のボイラ管集合体４０２の構成の別の例示的な実施形態の断面図を示す。ボイラ管集合体４０２は、図６に示す構成と同様に構成される。

図１０は、（図１の）ＨＲＳＧ１１８の一部分内のボイラ管集合体２０２の構成のさらに別の例示的な実施形態の断面図を示す。ボイラ管集合体２０２は、互い違いの列で構成される。

本発明は、限定した数の実施形態のみに関して詳細に説明してきたが、本発明は、開示したそのような実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。むしろ、本発明は、変更され、これまで説明しなかったが、本発明の技術的思想及び範囲と整合する様々な変形、修正、代用、又は均一な構成を含むことができる。それに加えて、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、説明した実施形態のいくつかだけを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、以上の記述により限定されるものとみなすべきでなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

１００ 発電システム
１０１ 空気
１０２ ガスタービンエンジン
１０３ 排気ガス
１０４ 発電機
１０６ 吸気プレナム
１０８ 圧縮機部分
１１０ 燃焼器部分
１１２ タービン部分
１１４ 排気プレナム
１１６ 入口ダクト
１１８ 熱回収蒸気発生器
１２０ ケーシング
１２２ ボイラ管
１２４ ポンプ
１２５ 出口ダクト
１２６ 蒸気タービン
１２８ 発電機
１３０ 復水器
２０２ ボイラ管集合体
２０４ 管
２０６ フィン
２０８ 外側表面
３０１ 長軸（長手方向軸）
３０３ 短軸（横軸）
３０４ 内側表面
４０２ ボイラ管集合体
４０４ 管
４０６ フィン
４０８ 外側表面
５０１ 長手方向軸
５０２ 空洞部
５０３ 横軸
５０４ 内側表面
５０５ 半径
５１０ 長手方向区域
５１２ 端部区域
６０１ 空間（間隔）
６０２ 列
６０４ 列

Claims (8)

1. 入口（１１６）及び出口（１２５）を有するケーシング（１２０）と、
   前記ケーシング（１２０）内に配置され、内側空洞部（３０２）及び外側表面（２０８）を画定し、長手方向軸（３０１）及び横軸（３０３）を含む断面形状を有するボイラ管（２０２）であって、前記長手方向軸（３０１）の長さが前記横軸（３０３）の長さよりも大きいボイラ管（２０２）と、
   前記ボイラ管（２０２）の前記外側表面（２０８）上に配置される、少なくとも１つのフィン（２０６）と
   を含む、熱回収蒸気発生器（１１８）。
2. 前記ボイラ管（２０２）の前記断面形状が、楕円形である、請求項１記載の熱回収蒸気発生器（１１８）。
3. 前記少なくとも１つのフィン（２０６）が、楕円形状である、請求項２記載の熱回収蒸気発生器（１１８）。
4. 前記ボイラ管（２０２）の前記断面形状が、第１の長手方向区域（５１０）と第２の長手方向区域（５１０）とを含み、前記第１の長手方向区域（５１０）は、前記第２の長手方向区域（５１０）と平行に配置される、請求項１記載の熱回収蒸気発生器（１１８）。
5. 前記ボイラ管（２０２）の前記断面形状が、第１の放射状横方向区域（５１２）と第２の放射状横方向区域（５１２）とをさらに含む、請求項４記載の熱回収蒸気発生器（１１８）。
6. 前記少なくとも１つのフィン（２０６）が、平面を含む、請求項１記載の熱回収蒸気発生器（１１８）。
7. 前記少なくとも１つのフィン（２０６）の前記平面が、第２のフィン（２０６）の平面と平行に配置される、請求項６記載の熱回収蒸気発生器。
8. 前記入口（１１６）が、ガスタービンエンジン（１０２）の排気ダクト（１１４）に接続する、請求項１記載の熱回収蒸気発生器。

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