(57)【要約】      （修正有）【課題】複合サイクル発電所の排熱回収ボイラの伝熱効率の向上。【解決手段】排熱回収ボイラは、ガスタービンからガスタービン排気ガスを受け取り封じ込めるよう構成されたダクトを有する。排熱回収ボイラ内には、蒸気ボトミングサイクル（蒸気タービン及び／又はプロセス蒸気）に供される水及び／又は蒸気３５を加熱するための伝熱管３２が設置される。伝熱管３２は、ガスタービン排気ガスと流体連通状態にある外面と、水及び／又は蒸気３５が循環し水及び／又は蒸気３５と流体連通状態にある内面とを有する。伝熱管３２の外面には、ガスタービン排気ガスから水及び／又は蒸気３５への伝熱効率が上昇するよう、多孔性拡張伝熱面４０が取り付けられる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排熱回収蒸気発生器（２４）により熱的に接続された１以上のガスタービン（１２）及び１以上の蒸気タービン（１４）を備える複合サイクル発電所（１０）であって、蒸気発生器が、
１以上のガスタービン（１２）から高温のガスタービン燃焼排気ガス（３０）を受け取り封じ込めるよう構成されたダクト（２８）と、
該ダクト（２８）内に配置されており、ガスタービン排気ガス（３０）と流体連通状態にある外面と、水及び／又は蒸気（３５）が循環し該水及び／又は蒸気（３５）と流体連通状態にある内面とを有する伝熱管（３２）と、
該伝熱管（３２）の外面に取り付けられており、ガスタービン排気ガス（３０）から水及び／又は蒸気（３５）への伝熱効率を上昇させる多孔性拡張伝熱面（４０）とを有する、複合サイクル発電所。
【請求項２】
多孔性拡張伝熱面（４０）が、離間配置された一連の金属フォームセグメント（４２）を有する、請求項１記載の複合サイクル発電所（１０）。
【請求項３】
離間配置された金属フォームセグメント（４２）が、軸方向高さ並びに相互間に軸方向間隔を有しており、金属フォームセグメント間の該軸方向間隔に対する金属フォームセグメントの該高さの比が、０よりも大きく約５０までの範囲内にある、請求項２記載の複合サイクル発電所（１０）。
【請求項４】
離間配置された金属フォームセグメントが、外径及び内径を有しており、金属フォームセグメントの該内径に対する金属フォームセグメントの該外径の比が、約１．２から約１０の範囲内にある、請求項２記載の複合サイクル発電所（１０）。
【請求項５】
伝熱管（３２）が、ダクト（２８）内に前方間隔（横方向ピッチ）を有しており、金属フォームセグメントの外径に対する該前方間隔の比が、約１．０５から約２の範囲内にある、請求項４記載の複合サイクル発電所（１０）。
【請求項６】
伝熱管（３２）が、ダクト（２８）内に軸方向間隔（長手方向間隔）を有しており、金属フォームセグメントの外径に対する該軸方向間隔の比が、約０．２から約１．５の範囲内にある、請求項５記載の複合サイクル発電所（１０）。
【請求項７】
複合サイクル発電所の排熱回収蒸気発生器（２４）を構成する方法であって、
１以上のガスタービン（１２）からガスタービン排気ガス（３０）を受け取り封じ込めるようダクトを構成するステップと、
水及び／又は蒸気（３５）を内部に受け取るよう構成された一連の伝熱管（３２）をダクト（２８）内に配置するステップと、
伝熱管（３２）がガスタービン排気ガス（３０）に曝される際にガスタービン排気ガスから水及び／又は蒸気（３５）への伝熱効率を上昇させるための多孔性材料（４０）を伝熱管（３２）の外面に取り付けるステップとを含む方法。
【請求項８】
多孔性材料を、伝熱管（３２）の外面に係合して軸方向に延在する開口（４５）を有する一連の金属フォームセグメント（４２）として構成するステップと、
該一連の金属フォームセグメント（４２）どうしを軸方向に離間させて伝熱管（３２）上に取り付けるステップとをさらに含む、請求項７記載の複合サイクル発電所の排熱回収蒸気発生器（２４）を構成する方法。
【請求項９】
金属フォームセグメント（４２）どうしの軸方向間隔に対する金属フォームセグメントの軸方向高さの比が、０よりも大きく約５０までの範囲内となる軸方向高さを有するよう、金属フォームセグメント（４２）を構成するステップをさらに含む、請求項８記載の複合サイクル発電所の排熱回収蒸気発生器（２４）を構成する方法。
【請求項１０】
軸方向に延在する開口（４５）の直径に対する金属フォームセグメント（４２）の外径の比が、約１．２から約１０の範囲内となる外径を有するよう、金属フォームセグメント（４２）を構成するステップをさらに含む、請求項８記載の複合サイクル発電所の排熱回収蒸気発生器（２４）を構成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合サイクル発電所に関し、特に、伝熱表面の面積を拡大することにより複合サイクルの性能及び経済性を改善した排熱回収ボイラに関する。本発明は、一軸型複合サイクル発電所、多軸型複合サイクル発電所、コジェネレーション発電所に適用できる。また、本発明は、ガスタービンからの排気を水平方向及び／又は垂直方向に流す水平伝熱管及び／又は垂直伝熱管を備える、自然循環式、強制循環式及び貫流式の排熱回収ボイラにも適用できる。排熱回収ボイラの管は、一直線状に配列されても、互い違いに配列されてもよく、排熱回収ボイラは、非燃焼式であっても追焚式であってもよい。
【背景技術】
【０００２】
複合サイクル発電所では、１以上のガスタービン、１以上の蒸気タービン、及び排熱回収ボイラを組み合わせて用い、電力及び／又はプロセス蒸気を生成する。発電所は、排熱回収蒸気発生器（「ＨＲＳＧ」）などの排熱回収ボイラを介して、ガスタービンを蒸気タービン及び／又はプロセス蒸気システムに熱的に接続するよう構成されている。ＨＲＳＧは実質的に、水／蒸気充填式熱交換管束がその内部に挿入された大型のダクトである。給水がエコノマイザに流入して管束を通って循環しているので、ガスタービンの排気ガスがダクトを通って管束上を通過すると、水が蒸気に変換される。複合サイクル発電所では、蒸気ボトミングサイクル（蒸気タービン及び／又はプロセス蒸気）用のエネルギ供給源としてガスタービンから放出された熱を利用することにより、熱エネルギを抽出する。ＨＲＳＧの性能及び経済性は、ガスタービン排気ガス（高温側）と管束内の水／蒸気（低温側）との熱伝達効率に左右される。ガスタービンの排気ガスの熱を管束内の水／蒸気へ伝達する効率を上昇させるために、ＨＲＳＧでは通常、フィン付き管（中実状及び鋸歯状）を使用するが、伝熱効率は全体として、ＨＲＳＧダクト内の伝熱表面の面積と、ガスタービンの排気ガスの流れ特性及び圧力降下を適切に維持する必要性とによって制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って、ＨＲＳＧ内の伝熱効率を上昇させることにより、複合サイクル発電所の性能及び経済性を改善することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例示的実施形態では、複合サイクル発電所を提供する。この複合サイクル発電所は、排熱回収蒸気発生器に熱的に接続されたガスタービン及び蒸気タービンを有する。排熱回収蒸気発生器は、ガスタービンからガスタービン排気ガスを受け取り封じ込めるためのダクトを備える。ダクト内には、伝熱管が配置されており、ガスタービン排気ガスと流体連通状態にある外面と、水及び蒸気と循環流体連通状態にある内面とを有する。伝熱管の外面には、多孔性材料が取り付けられており、これによって、ガスタービン排気ガスから水及び／又は蒸気への伝熱効率が改善される。
【０００５】
本発明の別の実施形態では、複合サイクル発電所の排熱回収蒸気発生器を構成する方法を提供する。この方法は、ガスタービン排気ガスを受け取り封じ込めるようダクトを構成するステップと、水及び／又は蒸気を受け取るように構成された一連の伝熱管をダクト内に配置するステップと、伝熱管の外面に多孔性材料を取り付けるステップとを含む。
【０００６】
これより、以下に説明する添付図面に対応した詳細な説明により、本発明を実施するための好ましい形態を例示しながら、その利点も含めて本発明をさらに詳説する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の例示的実施形態による一軸型複合サイクル発電所の概略図である。
【図２】図１の複合サイクル発電所ＨＲＳＧの伝熱管の一部を示す図である。
【図３】図２に示す伝熱管のうち１つの拡大図である。
【図４】図２に示す金属フォームセグメントの拡大図である。
【図５】図４の金属フォームセグメントの多孔率対背圧を示すグラフである。
【図６】金属フォームセグメントの流動性を示す、図３の６−６線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
同様の部品には同様の参照符号を付与した図面を参照されたい。図１は、一軸型複合サイクル発電所１０の例示的実施形態である。複合サイクル発電所は、ガスタービンシステム１２と、蒸気タービンシステム１４と、ガスタービン及び蒸気タービンにより駆動されて発電する発電機１６とを備える。ガスタービンシステムにおいて、多段軸流圧縮機１８と、燃焼器２０と、多段タービン２２とが、直列に配置されて流体連通している。ガスタービンシステム１２及び蒸気タービンシステム１４は、ＨＲＳＧ２４を介して熱的に接続されている。ＨＲＳＧ２４は熱交換器であり、多段タービン２２からのガスタービン排気ガス３０を受け取り封じ込めるダクト２８を含み構成されている。伝熱管３２の束が、ＨＲＳＧ２４のダクト２８内に配置されており、給水ポンプ３６から管を通り循環する給水３４（蒸気タービンコンデンサ１５からの凝縮液）を受け取るようになっている。給水３４が伝熱管３２を通ると、ＨＲＳＧダクト２８を通るガスタービン排気ガス３０からの熱が水に伝達されて、蒸気が発生する。この蒸気は、主蒸気配管３８を通り蒸気タービン１４へ送られ、蒸気タービン１４を駆動させる。加えて、ＨＲＳＧからの蒸気を、プロセス蒸気システム（図示せず）にも供給してもよい。
【０００９】
ＨＲＳＧ２４のダクト２８内において、伝熱管３２の外側を「高温側」表面領域とし、伝熱管の内側すなわち湿潤側を「低温側」表面領域とする。ＨＲＳＧの高温側表面領域と低温側表面領域との間の伝熱効率を上昇させると、複合サイクル発電所１０の性能及び経済性は向上すると考えられる。図２に、伝熱管３２の一部を示す。本発明の例示的実施形態では、多孔性材料が、例えば金属フォーム拡張伝熱面４０のような態様で伝熱管３２を包囲している。金属フォーム拡張伝熱面４０は、密度が低く、表面積が大きく、さらに、強度の高い比較的新しく開発された種類の材料を含む。金属フォーム拡張伝熱面の形成には、様々な多孔度の様々な粉末金属を用いることができる。
【００１０】
ＨＲＳＧダクト２８を通過するガスタービン排気ガス３０の圧力降下は、ＨＲＳＧの設計における懸案事項であるので、金属フォーム拡張伝熱面４０の材料特性及び形状の制御は、本発明における１つの重要な局面である。伝熱管３２の束の前後における圧力降下が大きいと、ガスタービンシステム１２からの出力が減少する。図示のように、圧力降下に直結する金属フォームの多孔度及び密度が適当なものにすることで圧力降下を低減できることが、研究からわかっている。また、金属フォーム固有の構造特性には、ＨＲＳＧ２４の騒音及び振動の問題を効果的に低減させる吸音特性及び防振特性があり、これにより、ＨＲＳＧの音響特性を変更するために用いる費用のかさむサイレンサ及び音響バッフルの削減又は排除が可能になる。
【００１１】
図２、図３及び図４の例示的実施形態では、金属フォーム拡張伝熱面４０は、軸方向に延在する開口４５、内面４４、及び外面４６を備えた概ねディスク形状の一連の金属フォームセグメント４２により画定される。軸方向に延在する開口は、その直径を「ｄ」し、その内部に伝熱管３２を収容するよう構成されている。直径「ｄ」は、伝熱管３２の外径と合致しているので、金属フォームセグメント４２を管上に設置した時、セグメントの内面４４と伝熱管３２の外面５２とが広い表面領域において接触する。金属フォームセグメント４２は、伝熱管上に位置決めされた後、ろう付け、溶接、拡散接合又はその他の適宜の方法といった適宜の金属接合技法により伝熱管に接合される。
【００１２】
金属フォーム拡張伝熱面４０の円筒形金属フォームセグメント４２により、ＨＲＳＧダクト２８を通るガスタービン排気ガスから伝熱管３２内を循環する水／蒸気３５への伝熱効率が上昇する。同時に、ガスタービンが受ける排気ガスの背圧を許容レベルに維持することもできる。例えば、各金属フォームセグメント４２は、軸方向高さ「ｈ」を有し、好ましくは隣接セグメントから軸方向距離「ｇ」だけ離間して配置されている。セグメントどうしの間隔「ｇ」に対する金属フォームセグメント高さ「ｈ」の比が０よりも大きく約５０までの範囲内（すなわち０＜ｈ／ｇ＜５０）にある場合、ＨＲＳＧダクト２８内の背圧が所望の範囲内になることがわかっている。加えて、金属フォームセグメントの内径「ｄ」に対するセグメントの外径「Ｄ」の比が約１．２から約１０の範囲内（すなわち１．２＜Ｄ／ｄ＜１０）にある時、十分な伝熱効率が得られる。
【００１３】
上述のように、金属フォームの表面積が大きいぶん、ガスタービン排気ガス３０から水／蒸気３５への伝熱効率が全体的に大きく上昇する。加えて、図６の金属フォームセグメント４２が非平滑な表面特性を有するので、ＨＲＳＧダクト２８を通って流れるガスタービン排気ガスの分流が遅延し、結果として生じる伴流領域５４は、従来型のフィン付き管による伴流領域よりも小さくなる。伴流領域５４が小さくなるのは、外面４６に直に接する乱流境界層によるもので、この伴流領域の縮小により、ＨＲＳＧ２４を通る背圧が低減される。金属フォーム拡張伝熱面を有する伝熱管３２をＨＲＳＧ２４のダクト２８内に、金属フォームセグメントの外径「Ｄ」に対する前方間隔「Ｔ」（横方向ピッチ）の比が約１．０５〜約２の範囲内（すなわち１．０５＜Ｔ／Ｄ＜２）であり、金属フォームセグメントの外径「Ｄ」に対する軸方向間隔「Ｌ」（長手方向ピッチ）の比が約０．２〜約１．５の範囲内（すなわち０．２＜Ｌ／Ｄ＜１．５）となるように設置することで、分流の遅延による効果が得られることがわかった。
【００１４】
全体的に、上述の金属フォームセグメント４２を円筒形状のものとして説明してきたが、本発明では、このセグメントに様々な形状及び寸法を適用することができる。金属フォームセグメント４２の形状及び間隔は、ＨＲＳＧ２４のダクト２８内のガスタービン排気の背圧を低下させつつ、伝熱管３２への伝熱が効率的になるように定められる。また、複合サイクル発電所１０を、単一のガスタービン、蒸気タービン、及び発電機を備える一軸型構造を有するものとして説明してきたが、用途に応じて多様な実施形態が可能である。例えば、本発明を、多軸型複合サイクル発電所にも、コジェネレーション発電所にも同様に適用することができる。本発明は、ガスタービン排気ガスが水平方向及び／又は垂直方向に流れる水平伝熱管及び／又は垂直伝熱管を備えて構成された、自然循環式、強制循環式、及び貫流式のＨＲＳＧに適用できる。ＨＲＳＧの管は、一直線状に配列されていても、互い違いに配列されていてもよく、また、ＨＲＳＧは非燃焼式であっても、追焚式であってもよい。
【００１５】
以上、最良と思われる実施形態を含めた例示的実施形態を用いて本発明を説明してきた。これを基に、当業者は、本発明に係る装置及びシステムを作製したり、これらの装置及びシステムの実施に関連する方法を実施したりできる。本発明の特許可能な範囲は、添付の特許請求の範囲に記載されており、当業者に想起可能なその他の実施形態もこれに含まれる。かかるその他の実施形態は、特許請求の範囲と文言上の差のない要素を有する限り、又は、特許請求の範囲に記載の文言と本質的に均等な要素を有する限り、本発明の実施形態であるとみなされる。
【符号の説明】
【００１６】
１０  複合サイクル発電所
１２  ガスタービンシステム
１４  蒸気タービン
１５  コンデンサ
１６  発電機
１８  圧縮機
２０  燃焼器
２２  多段タービン
２４  ＨＲＳＧ
２８  ダクト
３０  高温燃焼排気ガス
３２  伝熱管
３４  給水
３５  水及び／又は蒸気
３６  給水ポンプ
３８  蒸気配管
４０  多孔性拡張伝熱面
４２  金属フォームセグメント
４４  内面／金属フォームセグメント
４５  軸方向開口
４６  外面／金属フォームセグメント
５２  外面／伝熱管
５４  伴流領域、金属フォームセグメント
【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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