JP2015161304A - ラジアルディフューザ用排気プレナム - Google Patents
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Abstract
【課題】ディフューザ性能にマイナスの影響なしに、すなわち、明らかな全圧損失なしに流れを拡散することを可能にするように、排気ガスプレナムを通る流れを一様にすること。【解決手段】ターボ機械用排気ガスディフューザは、タービンロータで支持され、前記タービンロータの軸線と同心であるディフューザを含む。ディフューザは、タービン排気ガスをロータ軸線に沿う第1の流れ方向から実質的に90度方向変換するように構成される。プレナムチャンバは、ディフューザの出口端部と流体連通し、ディフューザの出口端部を取り囲む。プレナムチャンバは、排気ガスを別のターボ機械に供給するように構成された移行ダクトと流体連通する。プレナムチャンバは、ディフューザと移行ダクトの間で容積が拡大する。【選択図】図1
Description
本発明は一般に、排熱回収蒸気発生(HRSG:HEAT RECOVERY STEAM GENERATION)システムをガスタービン排気構成部品と一体化することに関し、より具体的には、HRSGへ流入する燃焼ガスを一様な流れにするように設計されたタービン排気ガスプレナムに関する。
複合サイクル発電システムでは、ガスタービンから排出される高温の排気ガスは、水源に熱伝達して過熱蒸気を発生する熱源としてHRSGシステムによって使用することができる。そして、この過熱蒸気は動力源として蒸気タービン内で使用することができる。ガスタービンからの高温の排気ガスは、とりわけ排気プレナムおよびディフューザを通って、HRSGシステムに送ることができるが、排気プレナムおよびディフューザは、ガスタービンの最終段から出る高温の排気ガスの運動エネルギーを、静圧を上昇させる形でポテンシャルエネルギ−に変換するのを助けることができる。高温の排気ガスは、HRSGシステムへ送られると、過熱器、再熱器、蒸発器、エコノマイザなどの一連の熱交換器要素を通過することができる。熱交換器要素は、高温の排気ガスの熱を水源に伝達して過熱蒸気を発生させるために使用することができる。設計の目的は、ディフューザ性能にマイナスの影響なしに、すなわち、明らかな全圧損失なしに流れを拡散することを可能にするように、排気ガスプレナムを通る流れを一様にすることである。
一実施形態では、タービンロータで支持され、タービンロータの軸線と同心であるディフューザであって、タービン排気ガスを軸線に沿う第1の流れ方向から実質的に90度方向変換するように構成されたディフューザと、ディフューザの出口端部と流体連通し、ディフューザの出口端部を取り囲むプレナムチャンバであって、排気ガスを別のターボ機械に供給するように構成された移行ダクトと流体連通するプレナムチャンバであって、移行ダクトに向かう方向に容積が拡大するプレナムチャンバとを含むターボ機械用排気ガスディフューザが提供される。
別の実施形態では、タービンロータを含むガスタービン部と、タービンロータの第1の軸線に沿って配置されたラジアルディフューザと、ラジアルディフューザの一部分を受け入れる入口を含み、第1の軸線に実質的に垂直な第2の軸線に沿って延在する排気プレナムであって、プレナムチャンバが第2の軸線に沿って容積が拡大する、排気プレナムとを含むターボ機械が提供される。
さらに別の実施形態では、第1の軸線に沿って延在するタービンロータを含むガスタービンと、排熱回収蒸気発生器と、排熱回収蒸気発生器から蒸気を受け入れるように構成された蒸気タービンと、第1の軸線に沿って配置されたラジアルディフューザと、ラジアルディフューザの一部分を受け入れる入口を含み、第1の軸線に実質的に垂直な第2の軸線に沿って延在する排気プレナムであって、プレナムチャンバが第2の軸線に沿って容積が拡大し、排熱回収蒸気発生器と連通する、排気プレナムとを含む複合サイクルシステムが提供される。
本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部品を表わす添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。
本発明の1つまたは複数の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、実際の実施におけるすべての特徴を本明細書で説明することはできない。いかなるこうした実際の実施態様の開発に際しても、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトと同様に、システム関連およびビジネス関連の制約を遵守することなど、実施態様ごとに変わる場合がある開発者の特定の目標を達成するために、実施態様特有の多くの決定を行われなければならないことを理解されたい。さらに、このような開発の取り組みは、複雑であり時間を要する場合があるが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとっては、設計、製作、および製造の定常作業であることを認識されたい。
本発明の様々な実施形態の要素を導入するときに、冠詞「1つ(a)」、「1つ(an)」、「その(the)」、および「前記(said)」は、要素の1つまたは複数があることを意味することが意図されている。用語「備える、含む(comprising)」、「含む(including)」および「有する(having)」は、包括的であることを意図し、列挙した要素以外に追加の要素があり得ることを意味する。動作パラメータのいかなる例も、本開示の実施形態の他のパラメータを除外するものではない。
図1は、ガスタービン、蒸気タービン、およびHRSGを有する複合サイクル発電システム10の実施形態の概略流れ図である。詳細には、システム10は、第1の負荷14を駆動するガスタービン12を含むことができる。第1の負荷14は、例えば、電力を発生する発電機とすることができる。ガスタービン12は、タービン16、燃焼器18、および圧縮機20を含むことができる。システム10はまた、第2の負荷24を駆動する蒸気タービン22を含むことができる。第2の負荷24もまた、電力を発生する発電機とすることができる。しかし、第1および第2の負荷14、24はともに、ガスタービン12および蒸気タービン22によって駆動することができる他のタイプの負荷とすることができることは理解されよう。加えて、ガスタービン12と蒸気タービン22は、図示の実施形態に示されるように、負荷14および24を別個に駆動することができるが、ガスタービン12と蒸気タービン22を直列配置に使用して、単一の軸を介して単一の負荷を駆動することもできる。図示の実施形態では、蒸気タービン22は、1つの低圧部26(LP ST)、1つの中圧部28(IP ST)、および1つの高圧部30(HP ST)を含むことができる。しかし、蒸気タービン22のこの特定の構成は、ガスタービン12も同様、実施態様に固有なものであり、いかなる部分および/または段の組合せも含むことができる。
システム10はまた、多段HRSG32を含むことができる。HRSG32およびその構成部品を簡略化して描いているが、これに限定することを意図していない。むしろ、図示のHRSG32は、このようなシステムの一般的な配置を伝えるために示している。ガスタービン12からの高温の排気ガス34は、HRSG32内に送り込まれ、蒸気タービン22に動力を与えるために使われる蒸気を加熱するのに用いることができる。蒸気タービン22の低圧部26からの排気は、復水器36内へ導くことができる。復水器36からの復水は、復水ポンプ38を用いてHRSG32の低圧部内へ導くことができる。
この復水は次いで、低圧エコノマイザ40(LPECON)を通って流れることができるが、低圧エコノマイザ40は、ガスを用いて給水を加熱するよう構成された装置で、復水を加熱するために使用することができる。復水は、低圧エコノマイザ40から、低圧蒸発器42(LPEVAP)内へ、または中圧エコノマイザ44(IPECON)内へ導くことができる。低圧蒸発器42からの蒸気は、蒸気タービン22の低圧部26に戻ることができる。同様に、復水は、中圧エコノマイザ44から、中圧蒸発器46(IPEVAP)内へ、または高圧エコノマイザ48(HPECON)内へ導くことができる。加えて、中圧エコノマイザ44からの蒸気は燃料ガス加熱器(図示せず)に送ることができ、ここで、この蒸気を用いてガスタービン12の燃焼器18内で用いられる燃料ガスを加熱することができる。中圧蒸発器46からの蒸気は、蒸気タービン22の中圧部28に送ることができる。
最後に、高圧エコノマイザ48からの復水は、高圧蒸発器50(HPEVAP)内へ導くことができる。高圧蒸発器50から出る蒸気は、一次高圧過熱器52および最終高圧過熱器54内へ導くことができ、ここで、蒸気は過熱されて最終的に蒸気タービン22の高圧部30へ送られる。蒸気タービン22の高圧部30からの排気は、蒸気タービン22の中圧部28内へ、そして、蒸気タービン22の中圧部28からの排気は、蒸気タービン22の低圧部26内へ導くことができる。
一次高圧過熱器52と最終高圧過熱器54との間に、段間過熱低減器56を配置することができる。この段間過熱低減器56により、最終高圧過熱器54からの蒸気の排気温度をさらにロバスト制御することができる。
加えて、蒸気タービン22の高圧部30からの排気は、一次再熱器58および二次再熱器60内へ導くことができ、ここで、排気は再熱されてから蒸気タービン22の中圧部28内へ導くことができる。一次再熱器58および二次再熱器60はまた、これらの再熱器からの排気蒸気の温度を制御する段間過熱低減器62と関連付けることができる。
システム10などの複合サイクルシステムでは、高温の排気はガスタービン12から流れ、HRSG32を通過して、高圧、高温の蒸気を発生させるために使用することができる。HRSG32から生じた蒸気は次いで、発電のために蒸気タービン22を通過することができる。加えて、発生した蒸気はまた、過熱蒸気を利用することができる任意の他のプロセスに供給することができる。ガスタービン12の発電サイクルは、しばしば「トッピングサイクル」と称され、一方、蒸気タービン22の発電サイクルは、しばしば「ボトミングサイクル」と称される。これらの2つのサイクルを図1に示すように組合せることにより、複合サイクル発電システム10は、両サイクルにおいてより高い効率にすることができる。特に、トッピングサイクルからの排熱は回収され、ボトミングサイクルで用いる蒸気を発生させるために使用することができる。
従って、複合サイクル発電システム10の1つの態様は、HRSG32を用いて、高温の排気ガス34から熱を再回収できることである。図1に示すように、ガスタービン12およびHRSG32の構成部品は、機能単位毎に分離することができる。換言すれば、ガスタービン12は高温の排気ガス34を発生し、この高温の排気ガス34はHRSG32の方へ導かれるが、このHRSG32は、過熱蒸気を発生させることにより高温の排気ガス34から熱を再回収することを主な役割とすることができる。この過熱蒸気を、蒸気タービン22の動力源として用いることができる。高温の排気ガス34は、配管を通してHRSG32へ送ることができるが、この配管は、複合サイクル発電システム10の特定の設計に基づいて変えることができる。
ガスタービン12がどのように機能するかをより詳細に図解することにより、高温の排気ガス34がどのようにガスタービン12からHRSG32へ送られるかが理解できる。従って、図2に、図1のガスタービン12の実施形態の詳細側面図を示すが、このガスタービン12は、自身の排気ディフューザの構成部品と一体化した図1のHRSG32の熱交換器要素を有している。図1に関して説明したように、ガスタービン12は、タービン16、燃焼器18、および圧縮機20を含むことができる。空気は、吸気口64を通って流入し、圧縮機20により圧縮される。次に、圧縮機20からの圧縮空気は燃焼器18内へ導かれ、ここで圧縮空気は燃料ガスと混合することができる。燃料ガスは、複数の燃料ノズル66を通って燃焼器18内に噴射することができる。圧縮空気と燃料ガスとの混合気は、大半が燃焼器18の燃焼室内で燃やされて、高温、高圧燃焼ガスを発生し、これをタービン16内でトルクを発生させるために用いることができる。タービン16のロータを圧縮機20のロータに結合することができ、その結果、タービンロータの回転はまた、圧縮機20を回転させることができる。タービン16はこのようにして、負荷14と同様に圧縮機20を駆動する(図2には図示せず)。ガスタービン12のタービン16部からの排気ガスは、排気ディフューザ68内へ導くことができる。図2の実施形態では、排気ディフューザ68はラジアル排気ディフューザとすることができ、これにより排気ガスは出口案内翼70によって方向を変えられて、排気ディフューザ68から外向き(即ち半径方向)に90度方向転換して、排気プレナム(図示せず)および入口移行部を通ってHRSG32へ排出することができる。
排気ディフューザ68のある特定の構成部品の別の態様では、高温の排気ガス34をHRSG32に導くことに加えて、高温の排気ガス34のある特定の空力特性を確実に達成できる可能性がある。例えば、図2に示す排気フレームストラット72は、エーロフォイルがストラットの周りを覆って凸状に反ることができる。高温の排気ガス34の旋回を最小限にすることができるように、また高温の排気ガス34の流れを、全体的に本質上、より軸方向にしてから出口案内翼70を通過することができるように、排気フレームストラット72の向きを変えることもできる。加えて、出口案内翼70はまた、高温の排気ガス34を排気プレナムの方へ90度の角度で方向転換させるにあたり、出口案内翼70が流れを90度方向転換させて半径方向にする際に生じる空力学的損失を最小限にするように設計することができる。従って、排気フレームストラット72および出口案内翼70を、高温の排気ガス34の流路内の排気ディフューザ68の他の構成部品と同様に、空力学的に適切に設計することは、設計上の考慮すべき点となる場合がある。
図3は、図2のディフューザ68に類似のディフューザの実施形態の破断斜視図であるが、便宜上、図2のディフューザとは同じ原寸比では示していないことを理解されたい。ディフューザ68はプレナム74に接続し、プレナム74は、案内翼46とともに、排気ガスを実質的に90度方向変換させて、HRSG入口(図示せず)に接続する移行ダクト76内へ導く。ラジアル案内翼46は円形(例えば、テーパー付き環状または円錐構造体)とすることができ、x軸31の周りに同心状に配置することができる。プレナム74は次いで、燃焼ガスをz軸35に沿って、HRSGへの入口に接続される拡大移行部76内へ徐々に案内する。
図3および4に示された公知の構成のプレナム74は概ね正方形または長方形であるが、頂壁80から側壁82まで延在する傾斜した端壁部78を有する。図4に最も良く示すように、壁80および82はお互いに実質的に垂直であるが、上流側84および下流側86は平行である。底壁88は頂壁80に平行であるが、底壁88と側壁82との間に傾斜した構成部品90を有することができる。
図5〜7は、例示的であるが非限定的な本発明の実施形態による修正したプレナム100を示す。ラジアルディフューザ101は、タービンロータ軸線114(図7)に同心のプレナム入口内に受け入れられる。この例では、プレナム100には、頂壁104と底壁106を結びつける湾曲した端壁102によって画定される半円状の端部が形成される。湾曲した端壁102、頂壁104、および底壁106は一体となって、半円状の端壁102から拡大移行部112まで延在する上流側壁108および下流側壁110を接続する周縁壁を形成する。湾曲した端壁102は、ディフューザ101の中心軸線114を中心として描かれており(ここでもまた、原寸に比例して描かれていない)、頂壁104および底壁106は半円状の端壁の両端から接線方向に平行して延在する。直線状の頂壁104および底壁106は、ディフューザ/タービンロータの軸線114を横切ることに留意されたい。
ディフューザの内部の翼構成部品は、図3に示した構成と類似にすることができることは理解されよう。
重要なことは、上流側壁108と下流側壁110が平行でないことである。図7に最も良く示すように、下流側壁110は中心軸線114に垂直であるが、上流側壁108は、下流側壁110に対して20度から50度の間(好ましくは、35度から45度の間)の角度で延在する。プレナム100から移行部112までのこの流路の拡大によって、ディフューザ性能への影響なしに、ガスがHRSG入口へ一様に流れるように再分布されるようになる。実際、一様な流れはHRSG性能に有利なだけでなく、HRSG入口に配置されたHRSGサイレンサの設計をも簡単にする。本明細書で説明したプレナムの設計によって、運転状態にわたって、および最終段タービン動翼出口プロフィールの範囲にわたって、比較的平坦な入口プロフィールも可能となる。
図8は、移行部112のプレナム出口面116および下流縁118におけるHRSG入口プロフィールを示す。Y軸「%スパン」は、プレナムの底部から頂部までの高さを指している。プレナムを通る空気流の「総速度」は、プレナムの高さにわたって比較的一様であることが分かる。
現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、開示した実施形態に本発明は限定されるものではなく、逆に、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な変更および同等な構成を包含することを意図するものであることを理解されたい。
10 システム
12 ガスタービン
14 第1の負荷
16 タービン
18 燃焼器
20 圧縮機
22 蒸気タービン
24 第2の負荷
26 低圧部(LP ST)
28 中圧部(IP ST)
30 高圧部(HP ST)
32 多段排熱回収蒸気発生(HRSG)
34 高温の排気ガス
36 復水器
38 復水ポンプ
40 低圧エコノマイザ(LPECON)
42 低圧蒸発器(LPEVAP)
44 中圧エコノマイザ(IPECON)
46 中圧蒸発器(IPEVAP)
48 高圧エコノマイザ(HPECON)
50 高圧蒸発器(HPEVAP)
52 一次高圧過熱器
54 最終高圧過熱器
56 段間過熱低減器
58 一次再熱器
60 二次再熱器
62 段間過熱低減器
64 吸気口
66 燃料ノズル
68 排気ディフューザ
70 出口案内翼
72 排気フレームストラット
74 プレナム
76 移行ダクト
78 傾斜した端壁部
80 頂壁
82 側壁
84 上流側
86 下流側
88 底壁
90 傾斜した構成部品
100 修正したプレナム
101 ラジアルディフューザ
102 湾曲した端壁
104 頂壁
106 底壁
108 上流側壁
110 下流側壁
112 移行部
114 タービンロータ軸線(第1の軸線)
116 プレナム出口面(第2の軸線)
118 下流縁
12 ガスタービン
14 第1の負荷
16 タービン
18 燃焼器
20 圧縮機
22 蒸気タービン
24 第2の負荷
26 低圧部(LP ST)
28 中圧部(IP ST)
30 高圧部(HP ST)
32 多段排熱回収蒸気発生(HRSG)
34 高温の排気ガス
36 復水器
38 復水ポンプ
40 低圧エコノマイザ(LPECON)
42 低圧蒸発器(LPEVAP)
44 中圧エコノマイザ(IPECON)
46 中圧蒸発器(IPEVAP)
48 高圧エコノマイザ(HPECON)
50 高圧蒸発器(HPEVAP)
52 一次高圧過熱器
54 最終高圧過熱器
56 段間過熱低減器
58 一次再熱器
60 二次再熱器
62 段間過熱低減器
64 吸気口
66 燃料ノズル
68 排気ディフューザ
70 出口案内翼
72 排気フレームストラット
74 プレナム
76 移行ダクト
78 傾斜した端壁部
80 頂壁
82 側壁
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100 修正したプレナム
101 ラジアルディフューザ
102 湾曲した端壁
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106 底壁
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110 下流側壁
112 移行部
114 タービンロータ軸線(第1の軸線)
116 プレナム出口面(第2の軸線)
118 下流縁
Claims (20)
- タービンロータで支持され、前記タービンロータの軸線と同心であるディフューザであって、タービン排気ガスを前記軸線に沿う第1の流れ方向から実質的に90度方向変換するように構成されたディフューザと、前記ディフューザの出口端部と流体連通し、前記ディフューザの出口端部を取り囲むプレナムチャンバであって、前記排気ガスを別のターボ機械に供給するように構成された移行ダクトと流体連通するプレナムチャンバであって、前記移行ダクトに向かう方向に容積が拡大するプレナムチャンバと
を含むターボ機械用排気ガスディフューザ。 - 前記プレナムチャンバが、一対の非平行の側壁と、前記一対の非平行の側壁を接続する周縁壁との一部に含まれる、請求項1記載の排気ガスディフューザ。
- 前記一対の非平行の側壁の一方が、前記軸線に実質的に垂直である、請求項2記載の排気ガスディフューザ。
- 前記一対の非平行の側壁の他方が、前記非平行の側壁の内の前記一方に対して20〜50°の角度で延在する、請求項3記載の排気ガスディフューザ。
- 前記一対の非平行の側壁の他方が、前記非平行の側壁の内の前記一方に対して35〜45°の角度で延在する、請求項3記載の排気ガスディフューザ。
- 前記周縁壁が、一対の直線状の実質的に平行な頂壁部および底壁部に接続する半円状の端部を含む、請求項2記載の排気ガスディフューザ。
- 前記半円状の端部が前記軸線の一方の側にあり、前記一対の直線状の実質的に平行な頂壁部および底壁部が前記軸線を横切って、前記軸線の反対側で前記移行ダクトに接続する、請求項6記載の排気ガスディフューザ。
- 前記一対の非平行の側壁の他方が、前記非平行の側壁の内の前記一方に対して20〜50°の角度で延在する、請求項7記載の排気ガスディフューザ。
- 前記一対の非平行の側壁の他方が、前記非平行の側壁の内の前記一方に対して35〜45°の角度で延在する、請求項7記載の排気ガスディフューザ。
- タービンロータを含むガスタービン部と、
前記タービンロータの第1の軸線に沿って配置されたラジアルディフューザと、
前記ラジアルディフューザの一部分を受け入れる入口を含み、前記第1の軸線に実質的に垂直な第2の軸線に沿って延在する排気プレナムであって、前記プレナムチャンバが前記第2の軸線に沿って容積が拡大する、排気プレナムと
を含むターボ機械。 - 前記プレナムチャンバが、一対の非平行の側壁と、前記一対の非平行の側壁を接続する周縁壁との一部に含まれる、請求項10記載のターボ機械。
- 前記一対の非平行の側壁の一方が、前記軸線に実質的に垂直である、請求項11記載のターボ機械。
- 前記一対の非平行の側壁の他方が、前記非平行の側壁の内の前記一方に対して20〜50°の角度で延在する、請求項12記載のターボ機械。
- 前記一対の非平行の側壁の他方が、前記非平行の側壁の内の前記一方に対して35〜45°の角度で延在する、請求項12記載のターボ機械。
- 前記周縁壁が、一対の直線状の実質的に平行な頂壁部および底壁部に接続する半円状の端部を含む、請求項11記載のターボ機械。
- 前記半円状の端部が前記軸線の一方の側にあり、前記一対の直線状の実質的に平行な頂壁部および底壁部が前記軸線を横切って、前記軸線の反対側で前記移行ダクトに接続する、請求項15記載のターボ機械。
- 第1の軸線に沿って延在するタービンロータを含むガスタービンと、排熱回収蒸気発生器と、前記排熱回収蒸気発生器から蒸気を受け入れるように構成された蒸気タービンと、前記第1の軸線に沿って配置されたラジアルディフューザと、
前記ラジアルディフューザの一部分を受け入れる入口を含み、前記第1の軸線に実質的に垂直な第2の軸線に沿って延在する排気プレナムであって、前記プレナムチャンバが前記第2の軸線に沿って容積が拡大し、前記排熱回収蒸気発生器と連通する、排気プレナムと
を含む複合サイクルシステム。 - 前記プレナムチャンバが、一対の非平行の側壁と、前記一対の非平行の側壁を接続する周縁壁との一部に含まれ、前記一対の非平行の側壁の一方が、前記軸線に実質的に垂直である、請求項17記載の複合サイクルシステム。
- 前記一対の非平行の側壁の他方が、前記非平行の側壁の内の前記一方に対して20〜50°の角度で延在する、請求項18記載の複合サイクルシステム。
- 前記一対の非平行の側壁の他方が、前記非平行の側壁の内の前記一方に対して35〜45°の角度で延在する、請求項18記載の複合サイクルシステム。
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