JP2021071286A - 整列位置と非整列位置との間で移動可能な熱交換管を備えた熱交換器 - Google Patents

整列位置と非整列位置との間で移動可能な熱交換管を備えた熱交換器 Download PDF

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Abstract

【課題】熱交換管の位置の調整性を備えた熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器108は、第1の管の列180A、180Cおよび第2の管の列180Bに配置された複数の熱交換管を含む。固定マウント182は、第1の管の列180A、180Cを固定的に位置決めし、可動マウント190は、第2の列にある管180Bが第1の列にある管180A、180Cと整列されており、管180A、180B、180Cを通る流体142のための線形流路196を形成する整列位置と、第2の列にある管180Bが第1の列にある熱管180A、180Cと整列されておらず、複数の管180A、180B、180Cを通る流体142のための曲線流路を形成する非整列位置との間で第2の管の列180Bを移動可能にする。熱は、複数の熱交換管を通過する第1の流体142と第2の流体との間で交換される。【選択図】図6

Description

本開示は、一般に、熱交換器に関し、より具体的には、別の列にある熱交換管と整列したり整列しなくなったりすることが可能な列にある管を備え、熱交換器を通過する流体のための線形または曲線流路を形成する熱交換管を含む熱交換器に関する。
対流熱交換器は、千鳥状もしくは非整列配置、または列状もしくは整列配置のいずれかで固定された複数列の熱交換管を含む。熱交換管の配置が固定されている熱交換器の動作を管理することは、多数の課題を提起する。任意の熱交換器に適用可能であるが、本開示の実施形態の課題および利点を説明するために、本開示は、ガスタービン(GT)システムおよび蒸気タービン(ST)システムを含む複合サイクル発電所(CCPP)における排熱回収ボイラ(HRSG)の形態の熱交換器を検討する。この設定では、HRSGの有効性は、多数の動作パラメータによって異なる。CCPPの例では、入熱は、限定はしないが、GTシステムの負荷、周囲温度、GTシステムの劣化、GTシステムの修正/アップグレード、ダクトバーナの負荷、予想される動作と実際の動作との間の偏差などの動作パラメータによって異なる場合がある。同様に、HRSG内の熱交換効率は、その洗浄度などのHRSGの動作パラメータによって異なり得る。
その熱交換管の配置が固定されている熱交換器は、上記の変動に対処するように調整することができない。第2に、CCPPでは、STシステムの起動中、機器の平均寿命に影響を与える可能性のある熱疲労を低減するために、典型的には、蒸気温度を低下させる必要がある。固定の熱交換管配置では、複雑な制御、例えば、GTシステムの排気温度または流量入力、蒸気/水流などの制御を通じて蒸気温度を制御する必要がある。第3に、HRSGにおける熱交換管の洗浄は、困難な場合がある。例えば、千鳥状の熱交換管配置は、よりコンパクトであるため多くの場合望ましいが、結果として内部に位置決めされた熱交換管へのアクセスが失われ、そのような配置の洗浄を非常に困難にする。最後に、固定の熱交換管配置は、渦放出周波数の共振のために不要なノイズをもたらす可能性がある。
本開示の第1の態様は、第1の流体を通過させるように構成されたケーシングと、ヘッダに流体的に結合され、ケーシング内に位置決めされた複数の熱交換管であって、複数の熱交換管は、第1の管の列および第2の管の列に配置される複数の熱交換管と、ケーシングに対して第1の管の列を固定的に位置決めする固定マウントと、第2の管の列に動作可能に結合された可動マウントであって、可動マウントは、第2の管の列にある熱交換管が第1の管の列にある熱交換管と整列されており、複数の熱交換管を通る第1の流体のための線形流路を形成する整列位置と、第2の管の列にある熱交換管が第1の管の列にある熱交換管と整列されておらず、複数の熱交換管を通る第1の流体のための曲線流路を形成する非整列位置との間で移動可能である可動マウントとを備え、熱は、複数の熱交換管を通過する第1の流体と第2の流体との間で交換される、熱交換器を提供する。
本開示の第2の態様は、ガスタービンシステムと、蒸気タービンシステムと、ガスタービンシステムに結合され、ガスタービンシステムの排気を使用して蒸気タービンシステムのための蒸気を生成する排熱回収ボイラ(HRSG)とを備え、HRSGは、排気を通過させるように構成されたケーシングと、水/蒸気ヘッダに流体的に結合され、ケーシング内に位置決めされた複数の熱交換管であって、複数の熱交換管は、第1の管の列および第2の管の列に配置される複数の熱交換管と、ケーシングに対して第1の管の列を固定的に位置決めする固定マウントと、第2の管の列に動作可能に結合された可動マウントであって、可動マウントは、第2の管の列にある熱交換管が第1の管の列にある熱交換管と整列されており、複数の熱交換管を通る排気のための線形流路を形成する整列位置と、第2の管の列にある熱交換管が第1の管の列にある熱交換管と整列されておらず、複数の熱交換管を通る排気のための曲線流路を形成する非整列位置との間で移動可能である可動マウントとを含み、熱は、複数の熱交換管を通過する排気と水/蒸気流との間で交換される、複合サイクル発電所を提供する。
本開示の第3の態様は、複合サイクル発電所(CCPP)の排熱回収ボイラ(HRSG)を動作させるための方法であって、HRSGは、列に配置された複数の熱交換管を含み、HRSGは、ガスタービン(GT)システムおよび蒸気タービン(ST)システムを含むシステムの一部であり、方法は、HRSG、CCPPのガスタービン(GT)システム、およびCCPPの蒸気タービン(ST)システムの少なくとも1つの少なくとも1つの動作パラメータを測定することと、閾値を満たさない少なくとも1つの動作パラメータに応じて、第2の複数の熱交換管の列にある熱交換管が第1の複数の熱交換管の列にある熱交換管と整列されており、複数の熱交換管を通る第1の流体のための線形流路を形成する整列位置と、第2の複数の熱交換管の列にある熱交換管が第1の複数の熱交換管の列にある熱交換管と整列されておらず、複数の熱交換管を通る第1の流体のための曲線流路を形成する非整列位置との間で第2の複数の熱交換管の固定列に対して第1の複数の熱交換管の列を移動させることとを含み、熱は、複数の熱交換管を通過する第1の流体と第2の流体との間で交換される、方法を提供する。
本開示の例示的な態様は、本明細書で説明される問題および/または検討されていない他の問題を解決するように設計されている。
本開示のこれらおよび他の特徴は、本開示の様々な実施形態を図示する添付の図面と併せて、本開示の様々な態様に関する以下の詳細な説明から、さらに容易に理解されるであろう。
本開示の実施形態による、熱交換器用の複合サイクル発電所の形態の例示的な用途の概略図である。 本開示の一実施形態による、垂直熱交換管を備えた熱交換器の部分透明斜視図である。 本開示の別の実施形態による、水平熱交換管を備えた熱交換器の部分透明斜視図である。 例示的な熱交換管の斜視図である。 本開示の実施形態による、整列位置にある垂直熱交換管を備えた熱交換器の概略正面図である。 本開示の実施形態による、整列位置にある垂直熱交換管を備えた熱交換器の図5の視線A−Aに沿った断面平面図である。 本開示の実施形態による、非整列位置にある垂直熱交換管を備えた熱交換器の概略正面図である。 本開示の実施形態による、非整列位置にある垂直熱交換管を備えた熱交換器の図7の視線B−Bに沿った断面平面図である。 本開示の実施形態による、整列位置にある水平熱交換管を備えた熱交換器の断面側面図である。 本開示の実施形態による、非整列位置にある水平熱交換管を備えた熱交換器の断面側面図である。
本開示の図面は、必ずしも原寸に比例しないことに留意されたい。図面は、本開示の典型的な態様だけを図示することを意図しており、したがって、本開示の範囲を限定するものと考えるべきではない。図面では、類似する符号は、図面間で類似する要素を表す。
最初の問題として、現在の技術を明確に説明するために、複合サイクル発電所およびその部品の形態の例示的な用途における構成要素を参照および説明するときに、特定の専門用語を選択することが必要になる。可能な限り、一般的な工業専門用語が、その受け入れられた意味と同じ意味で使用および利用される。別途記載のない限り、このような専門用語は、本出願の文脈および添付の特許請求の範囲と一致する広義の解釈を与えられるべきである。当業者であれば、多くの場合、特定の構成要素がいくつかの異なるまたは重複する用語を使用して参照されることがあることを理解するであろう。単一の部品であるとして本明細書に記載され得るものは、複数の構成要素からなるものとして別の文脈を含み、かつ別の文脈で参照されてもよい。あるいは、複数の構成要素を含むものとして本明細書に記載され得るものは、単一の部品として他の場所で参照されてもよい。
加えて、本明細書ではいくつかの記述的用語を規則通りに使用することができ、このセクションの開始時にこれらの用語を定義することが有用であることがわかる。これらの用語およびその定義は、別途記載のない限り、以下の通りである。本明細書で使用する場合、「下流」および「上流」は、タービンエンジンを通る作動流体などの流体の流れ、または例えば、熱交換器を通る高温ガスの流れに対する方向を示す用語である。「下流」という用語は、流体の流れの方向に対応し、「上流」という用語は、流れの反対の方向を指す。「前方」および「後方」という用語は、別途指定のない限り、方向を指し、「前方」はエンジンの前方または圧縮機端部を指し、「後方」はエンジンの後部またはタービン端部を指す。
多くの場合、中心軸線に関して異なる半径方向位置に位置する部品を説明することが要求される。「半径方向」という用語は、軸線に垂直な移動または位置を指す。このような場合、第1の構成要素が第2の構成要素よりも軸線に近接して位置する場合には、本明細書では、第1の構成要素は第2の構成要素の「半径方向内側」または「内方」にあると述べる。一方、第1の構成要素が第2の構成要素よりも軸線から遠くに位置する場合には、本明細書では、第1の構成要素は第2の構成要素の「半径方向外側」または「外方」にあると述べることができる。「軸方向」という用語は、軸線に平行な移動または位置を指す。最後に、「円周方向」という用語は、軸線周りの移動または位置を指す。このような用語は、タービンの中心軸線に関連して適用することができることが理解されよう。
加えて、以下に記載されるように、本明細書ではいくつかの記述的用語を規則通りに使用することができる。「第1の」、「第2の」、および「第3の」という用語は、ある構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用することができ、個々の構成要素の場所または重要性を示すことを意図するものではない。
本明細書で使用される専門用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「1つの(a)」、「1つの(an)」、および「この(the)」は、特に明示しない限り、複数形も含むことを意図している。「備える(comprise)」および/または「備えている(comprising)」という用語は、本明細書で使用する場合、記載した特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または構成要素が存在することを明示するが、1つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および/またはそれらの組が存在することまたは追加することを除外しないことがさらに理解されよう。「任意選択の」または「任意選択で」は、後で述べられる事象または状況が、起こる場合も起こらない場合もあることを意味し、この記述は、その事象が起こる事例と、起こらない事例とを含むことを意味する。
ある要素または層が別の要素または層に対して「上に」、「係合される」、「接続される」、または「結合される」と言及される場合には、他の要素または層に対して直接上に、係合され、接続され、または結合されてもよいし、あるいは介在する要素または層が存在してもよい。逆に、ある要素が別の要素または層に対して「直接上に」、「直接係合される」、「直接接続される」または「直接結合される」と言及される場合には、介在する要素または層は存在しなくてもよい。要素間の関係について説明するために使用される他の語も、同様に解釈されるべきである(例えば、「〜の間に」に対して「直接〜の間に」、「〜に隣接して」に対して「直接〜に隣接して」など)。本明細書で使用する場合、「および/または」という用語は、関連する列挙された項目のいずれかおよび1つまたは複数のすべての組み合わせを含む。
上に示したように、本開示は、熱交換管の位置の調整性を備えた熱交換器を提供する。熱交換器は、管の列に配置された複数の熱交換管を含み得る。固定マウントは、管の固定列を固定的に位置決めし、可動マウントは、管の整列位置と非整列位置との間で別の管の列を移動可能にする。整列位置では、可動列にある管は、管の固定列にある管と整列されるかまたは列状になっており、管を通る流体のための線形流路を形成する。非整列位置では、可動列にある管は、固定列にある管と整列されていないかまたは千鳥状になっており、複数の管を通る流体のための曲線流路を形成する。熱は、位置に関係なく、複数の熱交換管を通過する第1の流体と第2の流体との間で交換され得る。
図1を参照すると、本開示の実施形態による熱交換器が、複合サイクル発電所(CCPP)100の形態の例示的な用途に関連して説明される。図1は、CCPP100の概略図を示す。本開示の教示は、任意の熱交換器に適用可能であることが強調される。CCPP100は、発電機104に動作可能に接続されたガスタービン(GT)システム102と、別の発電機112に動作可能に結合された蒸気タービン(ST)システム110とを含んでもよい。発電機104およびGTシステム102は、シャフト106によって機械的に結合することができ、シャフト106は、GTシステム102の駆動シャフト(図示せず)と発電機104との間でエネルギーを伝達することができる。例示的な用途では、CCPP100は、2つの発電機を備えた単一のシャフトシステムであるが、当業者であれば、本開示の教示が任意の多様な複合サイクル発電システムに適用可能であることを容易に理解するであろう。
また、図1に示すように、熱交換器108は、GTシステム102およびSTシステム110に動作可能に接続される。本明細書でより詳細に説明されるように、熱交換器108は、本開示の実施形態による、調整可能な熱交換管の位置決めを含む排熱回収ボイラ(HRSG)を含み得る。熱交換器108は、従来の導管(符号は省略)を介してGTシステム102とSTシステム110の両方に流体的に接続することができる。
発電機104、112およびシャフト106は、当技術分野で知られている任意のサイズまたはタイプのものであってもよく、それらの用途またはそれらが接続されるシステムに応じて異なってもよいことが理解される。発電機とシャフトの共通の符号は明瞭にするためであり、必ずしもこれらの発電機またはシャフトが同一であることを示唆するわけではない。
GTシステム102は、圧縮機120と、燃焼器124とを含むことができる。燃焼器124は、燃焼領域126と、燃料ノズルアセンブリ128とを含む。GTシステム102はまた、共通の圧縮機/タービンシャフト106に結合されたガスタービン130を含む。一実施形態では、GTシステム102は、サウスカロライナ州グリーンビルのゼネラルエレクトリック社から市販されている、9FBエンジンと呼ばれることもある、MS7001FBエンジンであり得る。本開示は、いかなる特定のGTシステムに限定されるものではなく、例えば、ゼネラルエレクトリック社のMS7001FA(7FA)およびMS9001FA(9FA)エンジンモデルを含む他のエンジンと関連して実装することができる。
動作中、空気は圧縮機120の入口に入り、圧縮されて燃焼器124に排出され、そこでガス、例えば天然ガス、または流体、例えば油などの燃料が燃焼され、ガスタービン130を駆動する高エネルギー燃焼ガスを提供する。ガスタービン130では、高温ガスのエネルギーが仕事に変換され、その一部は回転シャフト106を通じて圧縮機120を駆動するために使用され、残りは電気を発生させるための発電機104などの負荷をシャフト106を介して駆動する有用な仕事に利用可能である。
図1はまた、ガスタービン130を出る排気ガス中のエネルギーがさらなる有用な仕事に変換されるその最も単純な形態のCCPP100を表す。排気ガスは、HRSGの形態の熱交換器108に入り、そこで水がボイラの方式で蒸気に変換される。熱交換器108はまた、エネルギーを使用して、例えば、95℃〜99℃の範囲の温度を有する高温の給水を生成することができる。
STシステム110は、1つまたは複数の蒸気タービンを含み得る。例えば、STシステム110は、高圧(HP)タービン132と、中圧(IP)タービン134と、低圧(LP)タービン136とを含み得、これらの各々はシャフト106に結合される。各蒸気タービン132、134、136は、シャフト106に機械的に結合された複数の回転ブレード(図示せず)を含む。動作中、熱交換器108、および多くの場合に他の供給源からの蒸気は、HPタービン132、IPタービン134、および/またはLPタービン136の入口に入り、それらのブレードに力を与えるように導かれてシャフト106を回転させる。理解されるように、上流のタービンからの蒸気は、下流のタービンで後で用いることができる。このようにして熱交換器108によって発生された蒸気は、STシステム110の少なくとも一部を駆動し、さらなる仕事が抽出されてシャフト106を駆動し、次に第2の発電機112などのさらなる負荷がさらなる電力を発生させる。いくつかの構成では、タービン130、132、134、136が共通の発電機を駆動する。
図1はまた、GTシステム102、熱交換器(すなわち、HRSG)108、およびSTシステム110に動作可能に結合されたCCPP制御システム138を示す。制御システム138は、CCPP100の自動制御を提供するための、任意の現在知られているまたは後に開発されるコンピュータ化されたコントローラを含み得る。説明されるように、制御システム138は、本開示の実施形態による方法を実行することができる。
図2および図3は、熱交換器108の実施形態の部分透明斜視図を示す。熱交換器108は、GTシステム102(図1)に結合し、蒸気を、例えば、STシステム110(図1)に、かつ/または加熱水をCCPP100(図1)の他の部分に送達するように構成されたHRSGとして示されている。図示のように、熱交換器108は、流体142を含むように構成された断熱ケーシング140(以下、「ケーシング140」)を含む。ケーシング140は、HRSGエンクロージャ148に収容することができる。ケーシング140は、例えば、炭素鋼またはステンレス鋼の内側ライナ、断熱層、および外側炭素鋼層を備えた、流体142を含むように構成された任意の現在知られているまたは後に開発される断熱ダクトを含んでもよい。
流体142は、熱交換器108の複数の熱交換管146を通過する流体144(矢印のみによって示される)との熱差を有する任意の形態のガスであり得る。熱は、流体142と流体144との間で交換される。流体142は、GTシステム102(図1)からの燃焼ガス排気であり得、流体144は、液体、例えば、水、および/またはガス、例えば、蒸気であり得る。流体142は、複数の熱交換管146の外面を越えてその周囲を通過し、排気システム150、例えば、スタックおよび/またはスクラバなどを介してケーシング140を出るが、流体144は、複数の熱交換管146の内部を通過する。エンクロージャ148は、任意の現在知られているまたは後に開発される構造的保護、例えば、建物または他の物理的保護を含み得る。
図2および図3は、図2では、管146が垂直方向または垂直配置で延び、流体142がその周りを概して水平方向に通過するのに対し、図3では、管146が水平方向または水平配置で延び、流体142がその周りを概して垂直方向に通過するという点で異なる。本明細書で使用する場合、流体142の流れ方向に適用される「概して」は、流体が、その経路を妨げる可能性のある管146上またはその周りを通過するとき、通常、若干のまたは一時的な偏差を伴って指定された方向に進行することを示す。
管146は、任意の現在知られているまたは後に開発される形態の熱交換管を有し得、所望の熱伝達特性、柔軟性、および曝露された環境に耐える能力を提供することが可能な任意の材料で作製され得る。管146は、用途に応じてサイズが異なり得、例えば、一部の用途では、外径が1.25インチから2.0インチまで異なる。一実施形態では、管146は、参照により本明細書に組み込まれる、2018年12月14日に出願された同時係属中の米国特許出願第16/230,736号に記載されている任意の形態を取ってもよい。
図4は、前述の用途からのフィン付き管の一実施形態の斜視図を示す。図示のように、管146は、長手方向156に整列された中心管154の周囲に配置された複数のディスク152を含み得る。各ディスク152は、実質的に平面であり得、少なくとも1つの隣接するディスク152の上および/または下に長手方向に配置されるように積み重ねられ得る。中心管154は、例えば、ポンピングまたは他の力によって、流体144が通過することを可能にするように構成された任意の現在知られているまたは後に開発される管状部材を含むことができる。各ディスク152は、ディスク中心部分160から半径方向外側に延びる複数のフィンセグメント158を含むことができ、したがってフィンセグメント158は、中心管154から外側に延びる。ディスク中心部分160は、中心管154の外周の周囲に円周方向に延びる。フィンセグメント158の各々は、セレーション163によって隣接するフィンセグメント158から分離されている。隣接するディスクのフィンセグメント158は、円周方向および/または縦方向に整列するか、円周方向および/または長手方向にオフセットすることができる。フィンセグメント158は、それらの上および/または下において長手方向にフィンセグメント158同士で螺旋構成、交互パターン、および/またはランダムな構成で配置されてもよい。
ディスク152は、アルミニウム、ならびに/またはベリリウム、銅、金、マグネシウム、イリジウム、モリブデン、ロジウム、銀、タングステン、および/もしくは他の適切な材料などの他の熱伝導性材料、ならびにそれらの合金で少なくとも部分的に構成され得る。中心管154は、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、および/または十分な熱伝導性、耐応力性、および耐熱性を有する他の材料で少なくとも部分的に構成され得る。
いくつかの実施形態では、HRSGは、高温(例えば、1100°F)に耐性のある材料で構成される過熱器および/または蒸発セクション(符号なし)内に中心管154を含んでもよい。HRSGはまた、より低い耐熱性およびより高い熱伝導性を有する材料で構成されるエコノマイザおよび/または蒸発セクション(符号なし)内に中心管154を含んでもよい。管146の一例が説明されてきたが、熱交換器管は、多様な代替の形態を取ることができることが理解される。
図5および図7は、複数の熱交換管146(以下、1つまたは複数の「管」146)の概略正面図を示し、図6および図8は、管146の概略平面図を示す。図5〜図8は、図2の実施形態のように、垂直に配置された管146を有する。図5および図6は、列状または整列配置にある管146を示し、図7および図8は、非整列または千鳥状配置にある管146を示す。本明細書で使用する場合、管146に適用されるとき、「整列」または「整列位置」という用語は、隣接する管の列180が、熱交換器108を通る流体142の流れ方向に対して列状であることを示す。すなわち、すべての列にある管146の中心は、同じ線上にあるか、またはほぼ同じ線上にあり、それにより流体142は、その最初に遭遇する列に続いて管によって流れることができ、後続の列にある管の部分に影響を与える流れはほとんどまたはまったくない。整列配置は、線形流路196(図6)を形成する。
対照的に、「非整列」または「非整列位置」という用語は、隣接する管の列180が、流体142の流れ方向に対して列状ではないことを示す。すなわち、異なる列の管146の中心は、同じ線上で近接しておらず、それにより流体142は、その最初に遭遇する列にある管、およびすべてではなくとも大部分の後続の列の管の少なくとも一部に影響を与える。非整列配置は、曲線流路198(図8)を形成する。流体142が非整列位置にある各列の管に影響を与える程度は、非整列または千鳥状の程度に依存し、すなわち、多数の非整列位置が存在する。
各管146は、ケーシング140内に位置決めされ、その対向する端部162および164に固定的に位置決めされる。管の端部162、164は、構造が異なり得る。一実施形態では、各管146は、その端部162、164でヘッダ166、170に流体的に結合され得る。示されていないが、多数の管146に供給する様々なヘッダ166、170は各々、より大きなマニホールドに結合され得ることが理解される。図5および図7の例では、上側の端部162は、ヘッダ166に結合される。各管146の別の端部164は、反対方向に流体144を向け直すUターン168を含み得るか、または別のヘッダ170に流体的に結合され得る。ヘッダ166、170は、様々な管146を流体的に結合することができ、流体144を熱交換器108に出入りさせることが可能であり得る。管146は、さらに説明されるように、支持体172によって、任意の現在知られているまたは後に開発される様式によって支持されてもよい。図5および図7では、支持体172(一部は仮想線で示される)の例は、ヘッダ166に取り付けられたラグ、ヘッダ166の上のマニホールド(図示せず)に取り付けられたラグ、および/またはケーシング140を通って延びる床174上の支持体を含んでもよい。管146およびヘッダ166、170は、任意の既知の様式、例えば、溶接、締結具などで結合することができる。
図6および図8の平面図に示すように、管146は、任意の数の管の列180に配置される。図6は、図5の視線A−Aに沿って取られ、図8は、図7の視線B−Bに沿って取られている。視線A−AまたはB−Bは、管146の長さに沿った1つまたは複数の場所にあり、かつ管の固定端部162、164から十分に離れた距離にあり得るが、管はそれらの固定端部にもかかわらず移動することができる。説明の目的のために、3つの管の列180A、180B、180Cが示されているが、図2〜図3に観察されるように、任意の数の列を用いてもよい。説明されるように、1つまたは複数の管の列180Bは、移動可能である。
熱交換器108は、例えば、ケーシング140に対して管の列180A、180Cを固定的に位置決めする固定マウント182を含み得る。(以下、管は参照番号146でまとめて呼ばれ、移動可能な管は146Mとして参照され、固定された管は146Fとして参照される)。固定マウント182は、管の固定列180A、180Cに管146Fの位置を固定することが可能な任意の構造を含み得る。示される例では、固定マウント182は、管の固定列180A、180Cの各熱交換管146Fのためのシート186を含む取り付け部材184を含む。取り付け部材184は、例えば、締結具、溶接などによってケーシング140に固定される。
熱交換器108はまた、各管の可動列180Bに動作可能に結合された可動マウント190を含む。可動マウント190は、管の可動列180Bの各熱交換管146Mのためのシート194を含む第2の取り付け部材192を含む。固定マウント182とは対照的に、可動マウント190は、2つ以上の位置の間で移動可能である。図6に示すように、第1の整列位置により、管の列180Bにある熱交換管146Mは、管の固定列180A、180Cにある熱交換管146Fと整列することができる。図6に示されるように、整列位置は、複数の熱交換管146を通る流体142のための線形流路196を形成する。
図8に示すように、第2の非整列位置により、管の可動列180Bにある熱交換管146Mは、管の列180A、180Cにある熱交換管146Fと整列することができない。図8に示すように、非整列または千鳥状位置は、熱交換管146を通る流体142のための曲線流路198を形成する。
図6と図8を比較することによって観察されるように、可動マウント190の取り付け部材192は、ケーシング140(図2〜図3)に対して移動可能であり、位置間で管の列180Bを移動させ、すなわち、可動取り付け部材192および管の列180Bが共に移動可能である。図8では、取り付け部材192は、例えば、右にオフセットされた位置にあり、図6では、取り付け部材192は、矢印Cによって示すように片側、例えば、左にスライドされる。可動マウント190(取り付け部材192)および/またはケーシング140は、移動を可能にするために必要な任意の形態のベアリングを含み得る。
1つの可動マウント190が示されているが、任意の数の可動マウント190を管146の固定された対向する端部162、164の間に用いてもよい。すなわち、任意の数の可動マウント190を用いて、管の列180Bにある管146Mの対向する端部162、164の間の1つまたは複数の場所において整列位置(図5および図6)と非整列位置(図7および図8)との間で管の列180Bを移動させることができる。可動マウント190は、管の列180Bを整列位置から任意の非整列位置に、かつ任意の非整列位置から整列位置に移動させることができる。管146は、それらの長さに沿った移動を可能にするのに十分な柔軟性を提供する。
一実施形態では、可動マウント190は、整列位置と非整列位置との間で手動で移動することができる。別の実施形態では、熱交換器108はまた、可動マウント190に動作可能に結合され、整列位置(図5および図6)と非整列位置(図7および図8)との間で管の列180Bを移動させるアクチュエータ200を含み得る。アクチュエータ200は、任意の現在知られているまたは後に開発される制御可能な線形アクチュエータ、例えば、電気モータ、油圧ラム、空気圧ラムなどを含んでもよい。任意の形態のトランスミッションがまた、用いられてもよい。任意の数のアクチュエータ200は、任意のそれぞれの数の管の可動列180Bと共に用いることができる。管の可動列180Bはまた、アクチュエータ200を共有し得る。
いくつかの実施形態では、制御システム138が、アクチュエータ200を作動させるために提供され得る。制御システム138は、アクチュエータ200を作動させ、整列位置と非整列位置との間で管の列180Bを移動させるように構成され得る。CCPP100の例では、制御システム138は、アクチュエータ200を介して、熱交換器108、GTシステム102(図1)、および/もしくはSTシステム110(図1)、または熱交換器が動作可能に結合される任意の他の機械の少なくとも1つの動作パラメータに基づいて管の列180Bを移動させることができる。熱交換器108の他の用途では、動作パラメータは、熱交換器が動作可能に結合される機械に応じて異なり得ることが理解される。
CCPP100の例では、GTシステム102(図1)の場合、動作パラメータは、限定はしないが、排気温度、体積、エンタルピー、圧力、流量、GTの排気速度およびストローハル数、GTシステムの負荷、周囲温度、GTシステムの劣化、GTシステムの修正/アップグレード、ならびに予想される動作と実際の動作との間の偏差を含み得る。熱交換器108の場合、動作パラメータは、限定はしないが、熱伝達量、ダクトバーナの負荷、蒸気または水の温度、流量、および共振周波数調節を含み得る。STシステム110(図1)の場合、動作パラメータは、限定はしないが、蒸気温度、体積、エンタルピー、圧力、および流量を含み得る。
再び図3を参照すると、別の実施形態では、管146は、水平配置で配置され、流体142は、水平配置を概して垂直に通過する。すなわち、複数の熱交換管146は、ケーシング140内に実質的に水平配置で延びるように配置され、流体142、例えば、GT排気は、概して垂直方向に流れる。管146の対向する端部262、264(図3)は、図5および図7に示すものと同様に配置され、すなわち、管146の水平方向に離れた対向する端部262、264にヘッダ166を有する。
図9および図10は、図3の配置に適用可能な本開示の実施形態による、熱交換管146ならびに固定マウントおよび可動マウントの断面側面図を示す。ここで、熱交換器108は、固定マウント282を含む。固定マウント282は、例えば、締結具および/または溶接によって支持体172に固定的に結合され、管146の重量を支持する。固定マウント282は、管の固定列180A、180Cにある各それぞれの熱交換管146Fのための第1の開口部204を含む。各第1の開口部204は、固定位置にそれぞれの管146Fを位置決めするように構成される。例えば、各第1の開口部204は、熱膨張を可能にするが、その中の管146Fの他の移動を許容しないサイズの内径を有する。
固定マウント282はまた、管の可動列180Bにある各それぞれの管146Mのための第2の開口部206を含む。第2の開口部206のラインは、管の可動列180Bにある管146Mのために提供され得る。各第2の開口部206は、図9に示すような整列位置と図10に示すような非整列位置との間でそれぞれの熱交換管146Mの移動を可能にするように構成される。例えば、第2の開口部206は、図9に最もよく示すように、整列位置に管の可動列180Bのそれぞれの熱交換管146Mを位置決めするように構成された第1の範囲208と、図10に最もよく示すように、非整列位置にそれぞれの熱交換管146Mを位置決めするように構成された第2の隣接範囲210とを有する。各第2の開口部206は、熱膨張を可能にするが、その中の管146Mの他の垂直方向の移動を許容しないサイズの垂直方向の寸法を有する。隣接範囲208、210は、可動管146Mの横方向、水平方向の移動を可能にする。
熱交換器108はまた、管の可動列180Bの各熱交換管146Mに動作可能に結合され、整列位置と非整列位置との間で第2の開口部206内の管の列を移動させる可動マウント290を含む。可動マウント290は、固定マウント282から分離されており、固定マウント282とは独立して移動することができる。可動マウント290とそれぞれの固定マウント282との間の距離、および所望の移動を達成するのに適した可動マウント290の数は、例えば、管の数、管のサイズおよび/または長さ、ならびに他の熱交換器の特定の寸法に応じて異なり得る。
可動マウント290は、第2の管の列180Bの各熱交換管146Mのためのシート294を含む取り付け部材292を含む。固定マウント282とは対照的に、可動マウント290は、図9に示すように、管の可動列180Bにある熱交換管146Mが管の固定列180A、180Cにある熱交換管146Fと整列されている整列位置と、図10に示すように、管の可動列180Bにある熱交換管146Mが管の固定列180A、180Cにある熱交換管146Fと整列されていない(千鳥状である)非整列位置との間で移動可能である。
図9に示されるように、第1の整列位置は、複数の熱交換管146を通る流体142のための線形流路196を形成する。対照的に、図10に示すように、第2の非整列または千鳥状位置は、熱交換管146を通る流体142のための曲線流路198を形成する。図9と図10を比較することによって観察されるように、可動マウント290の取り付け部材292は、ケーシング140(図2〜図3)に対して移動可能であり、整列位置と非整列位置との間で管の列180Bを移動させる。図9では、取り付け部材292は、例えば、左にオフセットされた位置にあり、管146Mは、固定マウント282における第2の開口部206の範囲208にある。そして、図10では、取り付け部材292は、矢印Cによって示すように片側、例えば、左にスライドされ、管146Mが固定マウント282の第2の開口部206の隣接範囲210にある位置に存在する。可動マウント290(取り付け部材292)および支持体172は、所望の移動を可能にするのに適切な任意の形態のベアリングを含み得る。
1つの可動マウント290が示されているが、任意の数の可動マウント290を管146の固定された対向する端部162、164(図3)の間に用いてもよい。すなわち、任意の数の可動マウント290を用いて、管の列180Bにある管146Mの対向する端部の間の1つまたは複数の場所において第1の整列位置(図9)と第2の非整列位置(図10)との間で管の列180Bを移動させることができる。可動マウント290は、管の列180Bを整列位置から非整列位置に、非整列位置から整列位置に、かつ2つの位置の間の任意の場所に移動させることができる。
一実施形態では、可動マウント290は、位置間で手動で移動することができる。別の実施形態では、熱交換器108はまた、可動マウント290に動作可能に結合され、整列位置(図9)と非整列位置(図10)との間で管の列180Bを移動させるアクチュエータ200を含み得る。アクチュエータ200は、任意の現在知られているまたは後に開発される制御可能な線形アクチュエータ、例えば、電気モータ、油圧ラム、空気圧ラムなどを含んでもよい。任意の形態のトランスミッションがまた、用いられてもよい。任意の数のアクチュエータ200は、任意のそれぞれの数の管の可動列180Bと共に用いることができる。いくつかの実施形態では、制御システム138が、アクチュエータ200を作動させるために提供され得る。本明細書で前述したように、制御システム138は、アクチュエータ200を作動させ、熱交換器108、GTシステム102(図1)、および/もしくはSTシステム110(図1)、ならびに/または熱交換器が動作可能に結合される任意の他の機械の少なくとも1つの動作パラメータに基づいて位置間で管の列180Bを移動させるように構成され得る。
図6、図8、図9、および図10は、固定管146Fと可動管146Mの交互の配置を示しており、可動管の列180Bが固定管の列180Aに続くが、そのようなパターンは必要ないことに留意されたい。むしろ、異なる数の固定列180A、180Cおよび異なる数の可動列180Bを様々な組み合わせで用いて、所望の流路196、198を達成することができる。
本開示の実施形態はまた、CCPP100(図1)のHRSGを動作させるための方法を含み得る。方法は、CCPP制御システム138(図1)によって実行され得ることが理解されるであろう。HRSGは、本明細書に記載されるように、管の列180A、180B、180Cに配置された複数の熱交換管146を含む熱交換器108を含み得る。動作中、HRSG、CCPP100(図1)のGTシステム102(図1)、および/またはCCPP100(図1)のSTシステム110(図1)の少なくとも1つの動作パラメータが測定される。各々の動作パラメータは、前述のパラメータのいずれかであり得、任意の適切な方式、例えば、センサ、ゲージなどで測定され、制御システム138(図1)にデジタル通信され得る。
制御システム138は、例えば、測定値を閾値と比較することによって、少なくとも1つの動作パラメータが閾値を満たしていないかどうかを決定することができる。閾値を満たさない少なくとも1つの動作パラメータに応じて、制御システム138(図1)は、管の列180A、180Cに対して管の列180Bを移動させることができる。一例では、制御システム138は、本明細書に記載されるように、アクチュエータ200を作動させ、閾値を満たさない少なくとも1つの動作パラメータに基づいて整列位置と非整列位置との間で管の列180Bを移動させることができる。このプロセスを繰り返して、管の位置の変化が動作パラメータに影響を与えたかどうか/どのように影響を与えたかを決定することができる。
本開示の実施形態による調整可能な熱交換管の位置決めは、多数の利点を提供する。調整により、熱交換器は、例えば、GTシステムからHRSGへの排気の入熱変動に対して調整することができる。熱交換器は、蒸気温度の制御を可能にし、すなわち、複雑なGTシステムの出力制御と比較して、CCPP配置におけるSTシステムの起動のより良好な制御を容易にする。例えば、STシステムの起動中、整列位置にHRSGの過熱器と再熱器の管を載置すると低温の蒸気が生成され、非整列位置に徐々に移動すると蒸気温度が徐々に上昇する。CCPP効率は、過熱低減器のスプレ水の減少およびHRSGのドラフト損失の低下により熱伝達の削減が必要なとき(整列配置)にも向上させることができる。千鳥状配置を使用して、例えば、熱伝達の増加、ドラフト損失の増加、過熱器および再熱器における蒸気温度の上昇、蒸発器における生成蒸気の増加、およびエコノマイザにおける水温の上昇をもたらすことができる。
熱交換器108内の管146Mは、整列位置にある管の列を通る線形経路、または非整列位置にある管の列を通る別の経路、例えば、対角線を開くことによって、洗浄ツール(例えば、ブラシ、パワーウォッシャなど)へのより良好なアクセスを可能にするように調整することができる。位置が異なることで、異なる管の列により深くアクセスすることが可能になる。
さらに、熱交換器108の動作中、渦放出周波数の共振に起因する予期しないノイズに対処するために、熱交換管の位置決めを調整することができる。例えば、HRSGへの所与の入熱に対して、GTの排気速度およびストローハル数(すなわち、振動する流れのメカニズムを表す無次元数)は、管の配置を調整し、渦放出周波数の共振を排除し、場合によっては問題に対処するバッフルの必要性を排除することによって、異ならせることができる。
本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動し得る任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの用語によって修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応することができる。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲を通して、範囲の限定は組み合わせおよび/または置き換えが可能であり、文脈および文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、それに包含されるすべての部分範囲を含む。範囲の特定の値に適用される「約」は、両方の値に適用され、値を測定する機器の精度に特に依存しない限り、記載された値の+/−10%を示すことができる。
以下の特許請求の範囲におけるミーンズプラスファンクションまたはステッププラスファンクションの要素すべての、対応する構造、材料、動作、および均等物は、具体的に請求された他の請求要素と組み合わせてその機能を遂行するための、一切の構造、材料、または動作を包含することを意図している。本開示の記述は、例示および説明の目的で提示されており、網羅的であることも、または本開示を開示した形態に限定することも意図していない。当業者には、本開示の範囲および趣旨から逸脱することなく多くの修正および変形が明らかであろう。本開示の原理および実際の用途を最良に説明し、想定される特定の使用に適するように様々な修正を伴う様々な実施形態の本開示を他の当業者が理解することができるようにするために、本実施形態を選択し、かつ説明した。
100 複合サイクル発電所(CCPP)
102 ガスタービン(GT)システム
104 発電機
106 シャフト
108 熱交換器
110 蒸気タービン(ST)システム
112 発電機
120 圧縮機
124 燃焼器
126 燃焼領域
128 燃料ノズルアセンブリ
130 ガスタービン
132 高圧(HP)タービン
134 中圧(IP)タービン
136 低圧(LP)タービン
138 CCPP制御システム
140 ケーシング
142 流体
144 流体
146 熱交換管
146F 固定された熱交換管
146M 移動可能な熱交換管
148 HRSGエンクロージャ
150 排気システム
152 ディスク
154 中心管
156 長手方向
158 フィンセグメント
160 ディスク中心部分
162 端部
163 セレーション
164 端部
166 ヘッダ
168 Uターン
170 ヘッダ
172 支持体
174 床
180 管の列
180A 管の固定列
180B 管の可動列
180C 管の固定列
182 固定マウント
184 取り付け部材
186 シート
190 可動マウント
192 取り付け部材
194 シート
196 線形流路
198 曲線流路
200 アクチュエータ
204 第1の開口部
206 第2の開口部
208 第1の範囲
210 第2の隣接範囲
262 端部
264 端部
282 固定マウント
290 可動マウント
292 取り付け部材
294 シート
A−A 視線
B−B 視線
C 矢印

Claims (10)

  1. 第1の流体(142、144)を通過させるように構成されたケーシング(140)と、
    ヘッダ(166、170)に流体的に結合され、前記ケーシング(140)内に位置決めされた複数の熱交換管(146)であって、前記複数の熱交換管(146)は、第1の管の列(180、180A、180B、180C)および第2の管の列(180、180A、180B、180C)に配置される複数の熱交換管(146)と、
    前記ケーシング(140)に対して前記第1の管の列(180、180A、180B、180C)を固定的に位置決めする固定マウント(182、282)と、
    前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)に動作可能に結合された可動マウント(190、290)であって、前記可動マウント(190、290)は、前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)にある熱交換管(146)が前記第1の管の列(180、180A、180B、180C)にある熱交換管(146)と整列されており、前記複数の熱交換管(146)を通る前記第1の流体(142、144)のための線形流路(196)を形成する整列位置と、前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)にある熱交換管(146)が前記第1の管の列(180、180A、180B、180C)にある熱交換管(146)と整列されておらず、前記複数の熱交換管(146)を通る前記第1の流体(142、144)のための曲線流路(198)を形成する非整列位置との間で移動可能である可動マウント(190、290)と
    を備え、
    熱は、前記複数の熱交換管(146)を通過する前記第1の流体(142)と第2の流体(144)との間で交換される、
    熱交換器(108)。
  2. 前記複数の熱交換管(146)の各々は、中心管(154)と、前記中心管(154)から外側に延びる複数のディスク(152)とを含む、請求項1に記載の熱交換器(108)。
  3. 前記固定マウント(182、282)は、
    前記第1の管の列(180、180A、180B、180C)にある各それぞれの熱交換管(146)のための第1の開口部(204)であって、各第1の開口部(204)は、固定位置にそれぞれの第1の熱交換管(146)を位置決めするように構成される第1の開口部(204)と、
    前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)にある各それぞれの熱交換管(146)のための第2の開口部(206)であって、各第2の開口部(206)は、前記整列位置と前記非整列位置との間でそれぞれの熱交換管(146)の移動を可能にするように構成される第2の開口部(206)と
    を含み、
    前記可動マウント(190、290)は、前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)の各熱交換管(146)に動作可能に結合され、前記整列位置と前記非整列位置との間で前記第2の開口部(206)内の前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)を移動させる、
    請求項1に記載の熱交換器(108)。
  4. 各第2の開口部(206)は、前記整列位置に前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)のそれぞれの熱交換管(146)を位置決めするように構成された第1の範囲(208)と、前記非整列位置に前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)の前記それぞれの熱交換管(146)を位置決めするように構成された隣接する第2の範囲(210)とを有する、請求項3に記載の熱交換器(108)。
  5. 前記複数の熱交換管(146)は、前記ケーシング(140)内に実質的に水平配置で延びるように配置され、前記第1の流体(142、144)は、概して垂直方向に流れる、請求項3に記載の熱交換器(108)。
  6. 前記固定マウント(182、282)は、前記第1の管の列(180、180A、180B、180C)の各熱交換管(146)のためのシート(186、194、294)を含む第1の取り付け部材(184、192、292)であって、前記第1の取り付け部材(184、192、292)は、前記ケーシング(140)に固定される第1の取り付け部材(184、192、292)を含み、
    前記可動マウント(190、290)は、前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)の各熱交換管(146)のためのシート(186、194、294)を含む第2の取り付け部材(192)であって、前記第2の取り付け部材(192)は、前記ケーシング(140)に対して移動可能であり、前記整列位置と前記非整列位置との間で前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)を移動させる第2の取り付け部材(192)を含む、
    請求項1に記載の熱交換器(108)。
  7. 前記複数の熱交換管(146)は、前記ケーシング(140)内に実質的に垂直配置で延びるように配置され、前記第1の流体(142、144)は、概して水平方向に流れる、請求項6に記載の熱交換器(108)。
  8. 前記複数の熱交換管(146)の各々は、その対向する端部(262、264)に固定され、前記可動マウント(190、290)は、前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)にある前記熱交換管(146)の前記対向する端部(262、264)の間の場所において前記整列位置と前記非整列位置との間で前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)を移動させる、請求項1に記載の熱交換器(108)。
  9. 前記可動マウント(190、290)に動作可能に結合され、前記整列位置と前記非整列位置との間で前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)を移動させるアクチュエータ(200)をさらに備える、請求項1に記載の熱交換器(108)。
  10. 前記アクチュエータ(200)を作動させ、前記熱交換器(108)、および前記熱交換器(108)が動作可能に結合される機械の少なくとも1つの少なくとも1つの動作パラメータに基づいて前記整列位置と前記非整列位置との間で前記第2の管の列(180、180A、180B、180C)を移動させるように構成された制御システム(138)をさらに備える、請求項9に記載の熱交換器(108)。
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