(57)【要約】【課題】複合サイクル発電プラントの熱回収蒸気発生器内での伝熱効率を改善する。【解決手段】複合サイクル発電プラントが、ガスタービンによって駆動される第１の発電機（２０）と、ガスタービンからの排気ガスを受け取るように配置された熱回収蒸気発生器（２０）を含む。熱回収蒸気発生器は、その中に水の流れを通す複数の管（４２）を持つ蒸発器（２２，２４）を含む。前記複数の管（４２）は排気ガスに露出されるように配置して、排気ガスの流れが該管（４２）の周りを通過し、もって、排気ガスからの熱が該管（４２）へ伝達され、これにより、水を蒸発させて蒸気にするのに充分な熱が該管の中を流れる水へ伝達されるようにする。前記複数の管（４２）の各々は、排気ガスから該管への伝熱を高めるために排気ガスの流れの中に乱流を導入するのに充分な複数の変形部（６８）が形成されている外面を持つ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの管（４２）を持つ、熱回収蒸気発生器（２０）の蒸発器（２２，２４）であって、
前記少なくとも１つの管は、ガスから該少なくとも１つの管（４２）への伝熱を高めるために該少なくとも１つの管（４２）の周りのガスの流れの中に乱流を導入するのに充分な複数の変形部（６８）が形成されている外面（６６）を持っていること、を特徴とする蒸発器（２２，２４）。
【請求項２】
前記変形部（６８）は窪み（６８）を有している、請求項１記載の蒸発器。
【請求項３】
前記変形部（６８）は所定のパターンで配列されている、請求項１記載の蒸発器。
【請求項４】
前記窪み（６８）は所定のパターンで配列されている、請求項１記載の蒸発器。
【請求項５】
熱回収蒸気発生器（２０）の少なくとも１つの管（４２）を持つ蒸発器（２２，２４）の建設方法であって、
前記少なくとも１つの管（４２）の外面（６６）に、ガスから該少なくとも１つの管へ（４２）の伝熱を高めるために該少なくとも１つの管（４２）の周りのガスの流れの中に乱流を導入するのに充分な複数の変形部（６８）を形成する段階を含んでいる、蒸発器（２２，２４）の建設方法。
【請求項６】
前記変形部（６８）は窪み（６８）を有している、請求項５記載の建設方法。
【請求項７】
前記変形部（６８）は所定のパターンで配列されている、請求項５記載の建設方法。
【請求項８】
前記窪み（６８）は所定のパターンで配列されている、請求項５記載の建設方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に云えば、複合サイクル発電プラントの熱回収蒸気発生器内の伝熱管による伝熱の改善に関するものである。より具体的には、本発明は、熱回収蒸気発生器内の圧力降下を低減させながら、熱回収蒸気発生器内での伝熱を高めるための伝熱管の外面における変形部に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複合サイクル発電プラントは、公知のように、蒸気タービンを駆動するための熱を発生するためにガスタービンの排気から熱を回収する熱回収蒸気発生器を含む。熱回収蒸気発生器は現在では複数の管を利用しており、これらの管は、ガスタービンの排気からの熱エネルギを管内の水／蒸気へ伝達して、これにより蒸気を発生させ又は蒸気温度を上昇させる。これらの管は、伝熱を促進させるために中実な鋸歯状のフィンを持つ。管内の水／蒸気は通過する排気ガスによって加熱されて、複合サイクル発電プラントの蒸気タービンを駆動するための蒸気又は過熱蒸気を発生する。しかしながら、熱回収蒸気発生器の空気側に圧力降下が生じ、これはガスタービンの性能に悪影響を及ぼす。管における伝熱をを改善するためにフィンの数を増やすと、その結果として圧力降下が望ましくないほどに増大することがある。この理由は、フィンにより単純に表面積を増大させることによって伝熱を高めようとするからであり、その結果、抗力が増大し、従って圧力降下が増大する。フィンを使用した伝熱係数の改善の殆どは、圧力降下の増大によって損なわれる。例えば、１０％の伝熱係数の増大を生じさせた鋸歯状フィンでは、圧力降下の損失は２５％にもなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６５２７６５４号
【特許文献２】米国特許第６８４６５７５号
【特許文献３】米国特許第６９１０６２０号
【特許文献４】米国特許第７１１４９１６号
【特許文献５】米国特許第７３５７１００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱回収蒸気発生器は複合サイクル発電プラントの全コストの内のかなりの部分を占める。熱回収蒸気発生器内での伝熱効率を改善することによって、複合サイクル発電プラントのコストを低減することが可能である。  
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一面によれば、熱回収蒸気発生器の蒸発器が少なくとも１つの管を含む。少なくとも１つの管は、ガスから該少なくとも１つの管への伝熱を高めるために該少なくとも１つの管の周りのガスの流れの中に乱流を導入するのに充分な複数の変形部が形成されている外面を持つ。
【０００６】
本発明の別の面によれば、熱回収蒸気発生器の少なくとも１つの管を持つ蒸発器のための建設方法が提供され、該方法は、少なくとも１つの管の外面に、ガスから該少なくとも１つの管への伝熱を高めるために該少なくとも１つの管の周りのガスの流れの中に乱流を導入するのに充分な複数の変形部を形成する段階を含む。
【０００７】
本発明の別の面によれば、複合サイクル発電プラントが、電気を発生するためにガスタービンによって駆動される第１の発電機を含む。ガスタービンの動作中、排気ガスが発生される。複合サイクル発電プラントは更に、ガスタービンからの排気ガスを受け取るように配置された熱回収蒸気発生器を含む。熱回収蒸気発生器は、その中に水の流れを通す少なくとも１つの管を持つ蒸発器を含む。少なくとも１つの管は排気ガスに露出されるように配置して、排気ガスの流れが該少なくとも１つの管の周りを通過するようにし、もって、排気ガスからの熱が該少なくとも１つの管へ伝達され、これにより、水を蒸発させて蒸気にするのに充分な熱が該少なくとも１つの管の中を流れる水へ伝達される。少なくとも１つの管は、排気ガスから該少なくとも１つの管への伝熱を高めるために排気ガスの流れの中に乱流を導入するのに充分な複数の変形部が形成されている外面を持つ。複合サイクル発電プラントはまた、電気を発生するために蒸気タービンによって駆動される第２の発電機を含む。蒸気タービンは、蒸気タービンを駆動するための熱回収蒸気発生器から蒸気を受け取る。
【０００８】
これらの及び他の利点及び特徴は、添付の図面を参照した以下の説明から一層明らかになろう。
【０００９】
発明と見なされる主題は、「特許請求の範囲」に具体的に指摘され且つ明瞭に主張されている。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の詳しい説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、複合サイクル発電プラントの概略図である。
【図２】図２は、熱回収蒸気発生器内の複数の管の斜視図であり、それらの管は、ガスタービン排気からの熱エネルギを該管内の水へ伝達して、それによって蒸気を発生するために、ガスタービン排気に露出されている。
【図３】図３は、従来技術による管の概略断面図であって、該管の周囲の空気流も例示する。
【図４】図４は、本発明による管の概略断面図であって、該管の周囲の空気流も例示する。
【図５】図５は、図３の管の周りの空気流の速度分布図である。
【図６】図６は、図４の管の周りの空気流の速度分布図である。
【図７】図７は、図４の管の周りの空気流の圧力降下の低減を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の詳しい説明では、例として図面を参照して、利点及び特徴と共に、本発明の様々な実施形態を説明する。
【００１２】
図１について説明すると、複合サイクル発電プラントが全体的に参照数字１０で示されている。複合サイクル発電プラント１０の第１のサイクルでは、ガスタービン１２が発電機１４に接続される。空気が空気取入れ口１６を介してガスタービン１２に取り込まれ、また燃料が取入れ口１８からガスタービンに供給される。燃料はガスタービン１２を駆動するために燃焼させられ、その結果の燃焼ガスは排出される。ガスタービン１２は発電機１４を駆動し、発電機１４は電気を発生する。単純サイクル発電プラントでは、高温の排気ガスは棄てられていたが、複合サイクル発電プラント１０では、それは第２のサイクルを駆動するために利用される。
【００１３】
複合サイクル発電プラント１０の第２のサイクルでは、高温排気ガスは捕捉されて熱回収蒸気発生器２０に送られる。熱回収蒸気発生器２０はハイパス蒸発器２２及びローパス蒸発器２４を利用し、これらの蒸発器は、ガスタービン１２からの高温排気ガスに露出される複数の管（図示せず）を持つ。これらの管には、以下に詳しく説明するように、水が供給される。排気ガスは管を加熱し、管は熱を水に伝達して、水を蒸発させて蒸気にする。この蒸気は蒸気タービン２８に送給されて蒸気タービン２８を駆動し、蒸気タービン２８は次いで発電機３０を駆動する。蒸気タービン２８を通過した蒸気は復水器３２へ送給され、そこで蒸気は凝縮して水に戻って、タンク２６へ送給される。タンク２６の水は冷却塔３３によって冷却され、その冷却された水は復水器３２へ送給されて、蒸気を凝縮して液体状態に戻す。復水器３２の水はまた熱回収蒸気発生器２０へ送給され、そこで管の中へ供給され、この水は冷却されない。
【００１４】
熱回収蒸気発生器２０は取入れダクト３４を持ち、この取入れダクト３４は、ガスタービン１２から排気ガスを受け取って、該排気ガスをハイパス蒸発器２２へ、次いでローパス蒸発器２４へ差し向ける。蒸発器は、その中を通過する液体の水を蒸発させて蒸気に変える複数の管（図示せず）を含む。排気ガスは、次いで、煙突４０へ放出される。
【００１５】
図２について説明すると、複数の管４２が取入れマニホルド４４と出口マニホルド４６との間に配列されてアレイを構成する。複数の管４２の各々は、そこから外向きに延在する複数の中実な鋸歯状フィン４７を持ち、これらは単純に表面積を増大することによって伝熱を促進しようとするものである。液体の水がパイプ４８によって取入れマニホルド４４に送給され、次いで該マニホルド４４によって複数の管４２へ分配される。排気ガス（線５０で表す）が複数の管４２の周りを通過し、これによって複数の管４２が加熱される。管４２内の液体の水は充分に加熱されたときに蒸気を生成し、該蒸気は出口マニホルド４６に入り、次いでパイプ４９を介して熱回収蒸気発生器２０から流出する。排気ガスから複数の管４２への伝熱を改善することが望ましい。前に述べたように、熱回収蒸気発生器２０は複合サイクル発電プラント１０の全体の効率及びコストに対する有意な寄与因子である。全体の伝熱効率は改善することができ、これによってプラントのコストを低減することができる。
【００１６】
図３について説明すると、従来技術による管４２’が示されており、該管は一般に滑らかな外面５２と前に述べたフィン（図示せず）とを持つ。排気ガス流（線５４で示す）が管４２’へ向かって動いて、管４２’の外面５２に達したとき、層流境界層（５６で表す）と接触する。層流境界層５６は、排気ガス流が剥離点（５８で表す）に達するまで、排気ガス流が管４２’の外面５２に突き当たってそれに従って流れる層である。剥離点で、排気ガス流は管４２’から離れたその経路に沿って継続する。次いで、排気ガス流は、剥離点５８の後に、複数の渦６２を有する伴流（６０で表す）を生成する。これらの渦６２は伴流６０内に低圧区域を生成し、これは伝熱の効率を悪くすると共に圧力降下の主要な寄与因子である。
【００１７】
ここで図４について説明すると、本発明による管４２”が示されている。管４２”は粗面化した外面６６と前に述べたフィン（図示せず）とを持つ。粗面化した外面６６は、穴又は窪み６８で外面を変形することによって形成される。これらの変形部、すなわち、穴又は窪み６８は、外面６６において所望の流れを達成するパターンで構成することができる。排気ガス流（線７０で示す）は管４２”へ向かって動いて、管４２”の外面６６に達したとき、層流境界層（７２で表す）と接触するようになる。層流境界層７２は、排気ガス流が剥離点（７４で表す）に達するまで、排気ガス流が管４２”の外面６６に突き当たってそれに従って流れる層である。剥離点で、排気ガス流は変形部６８と相互作用して、排気ガス流中に乱流を導入する。乱流は層流境界層７２から乱流境界層７６への遷移を促進する。乱流境界層７６は、最初の排気ガス流接触点から管４２”上の更に後方に配向された領域である。乱流境界層７６において、変形部６８は乱流を生成し、これは排気ガス流を管４２”の表面６６に留めるのに役立ち、従って、図３の管４２’に見られるような早期の剥離を防止する。排気ガス流は管４２”から離れてその経路に沿って継続する。排気ガス流は剥離点７４を越えると伴流（７８で表す）を生じ、これは複数の渦８０を有する。この結果、図３の管４２’によって生じるものよりもかなり小さい低圧区域又は領域が生じる。その結果として、圧力降下が低減し、且つ排気ガスと管４２”との間の伝熱が増大する。
【００１８】
図５について説明すると、管４２’の周りの空気流の速度分布図が示されている。この速度分布は、管４２’の外面５２における速度ベクトルが高いことを示しており、この場合、伝熱の効率が悪い。
【００１９】
図６について説明すると、管４２”の周りの空気流の速度分布図が示されている。この速度分布は、図５に示されている速度ベクトルと比較して、管４２”の外面５２における速度ベクトルがかなり低くなっていることを示しており、この場合、伝熱の効率がより高くなる。
【００２０】
ここで図７について説明すると、管４２”の周りの空気流の圧力降下の低減を描くグラフが一般的に示されており、この場合、ｙ軸はパスカル単位で表された圧力降下であり、またｘ軸はインチ単位で表された粗さである。線の傾斜は、変形部６８の寸法が大きくなるにつれて圧力降下がより小さくなることを表しており、これは排気ガスと管４２”との間の伝熱、従って、複合サイクル発電プラントの全体の効率にとって好ましい。
【００２１】
本発明を限られた数の実施形態のみについて詳しく説明したが、本発明がこのような開示した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、これまで記載されていないが、本発明の精神及び範囲に相応している任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を記述したが、本発明の様々な面はこれらの記述した実施形態の内の幾分かのみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は以上の説明によって制限されるものと見なすべきでなく、特許請求の範囲によって限定されるものである。
【符号の説明】
【００２２】
１０  複合サイクル発電プラント
１２  ガスタービン
１４  発電機
１６  空気取入れ口
１８  燃料取入れ口
２０  熱回収蒸気発生器
２２  ハイパス蒸発器
２４  ローパス蒸発器
２６  タンク
２８  蒸気タービン
３０  発電機
３２  復水器
３３  冷却塔
３４  取入れダクト
４０  煙突
４２  管
４４  取入れマニホルド
４６  出口マニホルド
４７  中実な鋸歯状フィン
４８  パイプ
４９  パイプ
５０  排気ガス
５２  滑らかな外面
５４  排気ガス流
５６  層流境界層
５８  剥離点
６０  伴流
６２  渦
６６  粗面化した外面
６８  変形部
７０  排気ガス流
７２  層流境界層
７４  剥離点
７６  乱流境界層
７８  伴流
８０  渦
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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