Устройство и способ для близкого соединения теплоутилизационных парогенераторов с газовыми турбинами

Устройство и способ для близкого соединения теплоутилизационных парогенераторов с газовыми турбинами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится, в целом, к теплоутилизационным парогенераторам (HRSG) и, более конкретно, к теплоутилизационному парогенератору, имеющему конструктивную группу для управления выхлопным потоком, выходящим из газовой турбины, до прохождения через теплоутилизационный парогенератор.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Электростанции с комбинированным циклом применяют газовые турбины с теплоутилизационными парогенераторами (HRSG), которые используют тепловую энергию на выходе газовых турбин для генерации пара для получения энергии или для технологического использования. Обычно большие стационарные газовые турбины, используемые на таких электростанциях, могут иметь средние скорости выхлопных газов в диапазоне 200 футов/сек. Однако скорость выхлопа газовой турбины не является постоянной, и некоторые новейшие газовые турбины имеют локальные скорости выхлопных газов в диапазоне 660 футов/сек. HRSG могут иметь площади потока в диапазоне 5-10 раз больше площади потока на выходе газовых турбин и, таким образом, средние скорости на входе, которые в 5-10 раз ниже, чем таковые на выходе газовой турбины. Поэтому для присоединения газовой турбины к HRSG требуется расширяющаяся трубка. Типичная конструкция выхлопного диффузора газовой турбины, соединительной трубки и HRSG изображена на фиг.1. Желательно разместить HRSG близко к газовой турбине с компактным размещением трубки для сведения к минимуму площади, требуемой для электростанции, и для сведения к минимуму размера и себестоимости соединительной трубки. Это может привести к высокоскоростному выбросу газа, оказывающему влияние на область передних рядов теплообменных труб в HRSG, который находится на одной линии с выхлопным диффузором газовой турбины. Такие высокие скорости могут обуславливать колебания, возбуждаемые потоками, которые будут разрушать теплообменные трубы. Высокие аэродинамические нагрузки на пучки труб могут также вызывать перемещение всего переднего пучка труб, приводя к повреждению компонентов в пределах и вокруг пучка труб. Неравномерно распределенные скорости на входе передних рядов труб HRSG также уменьшают эффективность теплопередачи этих рядов.

В некоторых случаях в расширяющейся трубке могут быть использованы средства управления потоком для перенаправления потока в пределах трубки и улучшения распределения потока на передних рядах труб в HRSG. Эти средства управления потоком будут подвергаться очень высоким аэродинамическим нагрузкам в контактной трубке из-за непосредственной близости к газовой турбине. В дополнение к постоянной аэродинамической нагрузке средства управления потоком подвергаются динамической нагрузке, вызванной высокими уровнями турбулентности в трубке и теплового напряжения, обусловленного переходом от температуры окружающей среды к высокой температуре выхлопных газов газовой турбины. Эти ограничения снижают вероятность того, что средства управления потоком, размещенные в расширяющейся трубке 36, будут оставаться в исправном состоянии в течение длительного времени работы.

Как будет описано более подробно далее в этом документе, конструктивная группа, размещенная выше по потоку от передних трубок HRSG, будет преодолевать эти проблемы, в частности, при непосредственном соединении турбины и HRSG.

В настоящее время имеется потребность в эффективных и надежных средствах для рассеивания выхлопного потока 14, выходящего из турбины для утилизации тепла.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее, ссылаясь на чертежи, которые представляют собой примерные варианты осуществления и в которых подобные элементы нумеруются одинаково:

Фиг.1 представляет собой вид сбоку в местном разрезе HRSG, соединенного с возможностью сообщения по текучей среде с выхлопным диффузором газовой турбины, и HRSG в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 представляет собой вид сбоку в разрезе HRSG, имеющего входную трубку и конструктивную группу, размещенную выше по потоку относительно труб HRSG в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3а представляет собой вид спереди HRSG, имеющего конструктивную группу, прикрепленную к нему в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3b представляет собой вид сбоку конструктивной группы согласно фиг.3а.

Фиг.4а представляет собой вид спереди решетчатой панели конструктивной группы согласно фиг.3а.

Фиг.4b представляет собой вид сбоку решетчатой панели согласно фиг.4а.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Предложен новый подход к средствам управления потоком, в котором группа 10 из структурных компонентов размещена перед передним рядом труб 48 для рассеивания высокоскоростного выхлопного потока 14, выходящего из газовой турбины (не показана), и перераспределения газового потока внутри HRSG 40. Одна такая конструкция показана на фиг.2-4b. Заметим, что эти чертежи изображают одну из возможных конструкций. Могут быть использованы другие комбинации при условии, если с помощью этого конструктивного исполнения обеспечиваются признаки, обсуждаемые ниже.

Фиг.2 представляет собой вид сбоку в разрезе HRSG, имеющего входную трубку и конструктивную группу, размещенную выше по потоку относительно труб HRSG в соответствии с настоящим изобретением. Фиг.2 иллюстрирует HRSG 40 с конструктивной группой 10.

Фиг.3а представляет собой вид спереди HRSG, имеющего конструктивную группу, прикрепленную к нему в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3b представляет собой вид сбоку конструктивной группы согласно фиг.3а.

Далее, со ссылкой на фиг.2, 3а и 3b, конструктивная группа 10 размещена выше по потоку до пучков 42 труб HRSG 40. Конструктивная группа 10 смонтирована или прикреплена к конструктивным элементам или опорам 26 на переднем по потоку конце HRSG 40 для управления выхлопным потоком 14 из турбины (не показана), например газовой турбины. Как показано на фиг.3а, конструктивная группа 10 проходит вдоль всего верхнего по потоку конца HRSG 40 по достаточной площади для захвата или управления выхлопным потоком 14.

В показанном варианте осуществления конструктивная группа 10 содержит множество решетчатых панелей 18.

Фиг.4а представляет собой вид спереди решетчатой панели конструктивной группы согласно фиг.3а.

Фиг.4b представляет собой вид сбоку решетчатой панели согласно фиг.4а.

Далее, панели 18 описываются со ссылкой на фиг.4а-4b. Панели 18, каждая, имеют множество горизонтальных стержней 20, присоединенных к множеству вертикальных стержней 22. Стержни 20, 22 могут быть сплошными, полыми или, в общем, U-образными. Кроме того, сечение каждого стержня может быть любой геометрической формы (например, круглой, овальной, квадратной, восьмиугольной и т.д.) или U-образной. Сетчатые отверстия 12 могут быть распределены равномерно или неравномерно. Подобным образом, пространственное распределение вертикальных и горизонтальных стержней конструкции может быть равномерным или переменным. Вертикальные стержни 22 панели 18 являются U-образными, при этом ориентация U-образных стержней является такой, чтобы отверстия стержней открывались внутрь к центру панели. Несмотря на то, что U-образные вертикальные стержни 22 показаны в такой ориентации, настоящее изобретение предусматривает, что U-образные стержни могут быть размещены в любой ориентации.

Каждая из панелей 18 смонтирована или прикреплена (например, приварена, скреплена болтами или другими средствами крепления) к горизонтальным опорам 24, которые, в свою очередь, прикреплены или фиксированы к конструктивным опорам 26 HRSG 40. Монтаж панелей 18 на конструктивных опорах 26, а не на трубах 46 HRSG 40, снижает усталостные нагрузки на трубы. В показанном варианте осуществления горизонтальные опоры 24 выполнены в виде пары вертикально расположенных труб 30, которые сварены вместе. Однако настоящее изобретение предусматривает, что горизонтальные опоры 24 могут быть выполнены из любого опорного элемента.

Далее, возвращаясь со ссылкой к фиг.2, при работе газовой турбины (не показана) и HRSG 40 с конструктивной группой 10 для управления потоком выхлопной поток 14 из газовой турбины протекает через соединительную трубу 34 и входную трубу 36 HRSG. Высокоскоростной поток проходит через решетчатую конструктивную группу 10, в которой выхлопной поток 14 рассеивается и далее распределяется по трубам 46 HRSG 40.

Конструктивная группа 10 выполнена из конструктивных элементов 20, 22, 24 для выдерживания сил, передаваемых высокоскоростным выхлопным потоком 14. В том случае, когда целесообразно предусмотреть тепловое расширение, используются штифтовое и/или скользящие соединения. Размер и пространственное распределение компонентов 20, 22, 24 выполнены с возможностью обеспечения достаточного сопротивления для перенаправления части высокоскоростного выхлопного потока 14 к секциям труб 48 переднего ряда, которые, возможно, содержат немного или не содержат газовый поток, улучшая распределение газового потока в HRSG 40. Конструктивные элементы 20, 22, 24 также имеют размер и такое пространственное распределение, чтобы оставшийся поток, проходя через группу 10, распределялся через сетчатые отверстия 12 во множество более маленьких струй. Более маленькие струи начинаются с диаметра D, такого же, как сетчатые отверстия 12. Они составляют 1/10 от расстояния от конструктивной группы 10 до труб 46. Это позволяет малым многочисленным струям частично рассеиваться до достижения труб 46 и снижает нагрузку на область труб, которая должна подвергаться неприемлемым скоростям без конструктивной группы 10.

Протяженность переднего ряда труб 46, которые защищены конструктивной группой 10, и диаметр сетчатых отверстий 12 будут рассчитаны на основе физического моделирования потока конкретной газовой турбины и HRSG 40.

В альтернативном варианте осуществления конструктивная группа 10 размещается на регулируемых опорах (ссылочная позиция 50 согласно фиг.2) таким образом, чтобы расстояние от конструктивной группы и труб 46 могло регулироваться. Это позволяет регулирование большего или меньшего рассеивания выхлопных струй по мере того, как они сталкиваются с трубами 46. Поскольку большее рассеивание выхлопного потока 14 приводит к более высокому встречному давлению, конструкция может быть интерактивно оптимизирована как в отношении встречного давления, так и рассеивания.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано со ссылкой на различные примерные варианты осуществления, оно будет понятно специалистам в данной области техники, которые могут выполнить различные изменения или могут использовать эквиваленты вместо его элементов, не выходя за рамки объема настоящего изобретения. Кроме того, могут быть выполнены многие модификации для приспосабливания конкретной ситуации или материала к идеям настоящего изобретения, не выходя, по существу, из объема настоящего изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается конкретным примером, раскрытым в качестве наилучшего варианта, предусмотренного для осуществления этого изобретения, но что настоящее изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, попадающие в объем приложенной формулы изобретения.

1. Система утилизации тепла, содержащая:

камеру теплоутилизационного парогенератора (HRSG) в сообщении по текучей среде с высокоскоростным выхлопным потоком из турбины;

впускную трубу для обеспечения высокоскоростного выхлопного потока из турбины в камеру HRSG;

множество труб, размещенных в камере HRSG, включающее трубы переднего ряда, верхние по потоку относительно направления высокоскоростного выхлопного потока; и

решетчатую конструктивную группу, включающую в себя по меньшей мере одну решетчатую панель, имеющую множество отверстий, размещенную в камере HRSG, выше по потоку от передних труб в камере HRSG, причем решетчатая конструктивная группа обеспечивает сопротивление для рассеивания и распределения выхлопного газа за счет обеспечения сопротивления для перенаправления части высокоскоростного выхлопного потока к секциям труб переднего ряда для улучшения распределения выхлопного газа в камере HRSG и причем решетчатая конструктивная группа позволяет оставшейся части высокоскоростного выхлопного потока проходить через отверстия по меньшей мере одной решетчатой конструктивной группы для образования множества более малых струй, которые частично рассеиваются до контактирования с передними трубами для уменьшения аэродинамической нагрузки на передние трубы.

2. Система утилизации тепла по п. 1, в которой решетчатая конструктивная группа размещена ниже по потоку от впускной трубы HRSG относительно направления высокоскоростного потока.

3. Система утилизации тепла по п. 1, в которой решетчатая конструктивная группа разнесена от выпуска впускной трубы.

4. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-3, дополнительно содержащая конструктивные опоры, расположенные в камере HRSG, и причем решетчатая конструктивная группа прикреплена к конструктивным опорам.

5. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-3, в которой по меньшей мере одна решетчатая панель содержит первое множество стержней, проходящее в одном направлении, и второе множество стержней, проходящее во втором направлении, для образования отверстий.

6. Система утилизации тепла по п. 5, в которой первое множество стержней проходит в основном горизонтально, а второе множество стержней проходит в основном вертикально.

7. Система утилизации тепла по п. 5, в которой первое множество стержней расположено выше по потоку от второго множества стержней или второе множество стержней расположено выше по потоку от первого множества стержней.

8. Система утилизации тепла по п. 5, в которой по меньшей мере одно из первого и второго множества стержней имеет прямоугольное поперечное сечение.

9. Система утилизации тепла по п. 5, в которой по меньшей мере одно из первого и второго множества стержней имеет U-образное поперечное сечение.

10. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-3, в которой конструктивная группа включает в себя множество решетчатых панелей.

11. Система утилизации тепла по п. 10, дополнительно содержащая по меньшей мере одну горизонтальную опору, расположенную между решетчатыми панелями для закрепления решетчатых панелей вместе.

12. Система утилизации тепла по п. 11, в которой по меньшей мере одна горизонтальная опора обеспечивает сопротивление для перенаправления части высокоскоростного выхлопного потока к секциям труб переднего ряда.

13. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-3, в которой струи, проходящие через решетчатую конструктивную группу, имеют диаметр приблизительно 1/10 расстояния между решетчатой конструктивной группой и множеством труб.

14. Система утилизации тепла по п. 4, в которой решетчатая конструктивная группа прикреплена с возможностью регулирования к конструктивным опорам для обеспечения регулирования расстояния между решетчатой конструктивной группой и передними трубами.

15. Система утилизации тепла по п. 14, дополнительно содержащая регулируемые опоры, взаимодействующие с решетчатой конструктивной группой и конструктивными опорами для регулирования расстояния между решетчатой конструктивной группой и передними трубами.

16. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-3, в которой турбина и камера HRSG размещены близко так, что высокоскоростной выхлопной поток обуславливает колебания, возбуждаемые потоком, которые привели бы к разрушению теплообменных труб.

17. Способ утилизации тепла от высокоскоростного выхлопного потока турбины, включающий:

обеспечение высокоскоростного выхлопного потока от турбины через выпускную трубу к камере теплоутилизационного парогенератора (HRSG), причем HRSG имеет множество труб, размещенных в нем; причем множество труб включает трубы переднего ряда, верхние по потоку относительно направления высокоскоростного выхлопного потока;

расположение решетчатой конструктивной группы в камере в HRSG, выше по потоку от передних труб относительно направления высокоскоростного потока, причем решетчатая конструктивная группа включает в себя по меньшей мере одну решетчатую панель, имеющую множество отверстий, причем решетчатая конструктивная группа обеспечивает сопротивление для рассеивания и распределения высокоскоростного выхлопного газа за счет обеспечения сопротивления для перенаправления части высокоскоростного выхлопного потока к секциям труб переднего ряда для улучшения распределения выхлопного газа в камере HRSG;

пропускание оставшейся части высокоскоростного выхлопного газа через отверстия по меньшей мере одной решетчатой конструктивной группы для образования множества более малых струй, которые частично рассеиваются до контактирования с передними трубами для уменьшения аэродинамической нагрузки на передние трубы.

18. Способ по п. 17, в котором решетчатая конструктивная группа размещена ниже по потоку от впускной трубы HRSG относительно направления высокоскоростного потока.

19. Способ по п. 18, в котором решетчатая конструктивная группа разнесена от выпуска впускной трубы.

20. Способ по любому из пп. 17-19, в котором решетчатая конструктивная группа прикреплена к конструктивным опорам в камере HRSG.

21. Способ по любому из пп. 17-19, в котором по меньшей мере одна решетчатая панель содержит первое множество стержней, проходящее в одном направлении, и второе множество стержней, проходящее во втором направлении, для образования отверстий.

22. Способ по п. 21, в котором первое множество стержней проходит в основном горизонтально, а второе множество стержней проходит в основном вертикально.

23. Способ по п. 21, в котором первое множество стержней расположено выше по потоку от второго множества стержней или второе множество стержней расположено выше по потоку от первого множества стержней.

24. Способ по п. 21, в котором по меньшей мере одно из первого и второго множества стержней имеет прямоугольное поперечное сечение.

25. Способ по п. 21, в котором по меньшей мере одно из первого и второго множества стержней имеет U-образное поперечное сечение.

26. Способ по любому из пп. 17-19, в котором конструктивная группа включает в себя множество решетчатых панелей.

27. Способ по п. 26, в котором решетчатые панели проходят во множестве разнесенных горизонтальных рядов.

28. Способ по п. 21, дополнительно включающий расположение по меньшей мере одной горизонтальной опоры между решетчатыми панелями для закрепления решетчатых панелей вместе.

29. Способ по п. 28, в котором указанная по меньшей мере одна горизонтальная опора обеспечивает сопротивление для перенаправления части высокоскоростного выхлопного потока к секциям труб переднего ряда.

30. Способ по любому из пп. 17-19, в котором струи, проходящие через решетчатую конструктивную группу, имеют диаметр приблизительно 1/10 расстояния между решетчатой конструктивной группой и передними трубами.

31. Способ по п. 20, в котором решетчатая конструктивная группа прикреплена с возможностью регулирования к конструктивным опорам для обеспечения регулирования расстояния между решетчатой конструктивной группой и передними трубами.

32. Способ по п. 31, дополнительно включающий обеспечение взаимодействия решетчатой конструктивной группы и конструктивных опор с регулируемыми опорами для регулирования расстояния между решетчатой конструктивной группой и передними трубами.

33. Способ по любому из пп. 17-19, в котором турбина и камера утилизации HRSG размещены близко так, что высокоскоростной выхлопной поток обуславливает колебания, возбуждаемые потоком, которые привели бы к разрушению теплообменных труб.