(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力タンク（３９）を有するパワープラント（４０）用の空気冷却器（１０）であって、シリンダ状の中心管（２４）、この中心管（２４）を包囲している螺旋型の管束（２５）及びこの管束（２５）を包囲しているシリンダ状のケース（２６）から構成された同軸の配置（２４，２５，２６）が、前記圧力タンク（３９）内に格納されていて、この中心管（２４）は、前記同軸の配置（２４，２５，２６）の端部で前記管束（２５）に連結されていて前記ケース（２６）によって密閉されている第１空間（３３）内に外側に向かって合流し、空気が、前記圧力タンク（３９）の外側から空気流入部材（２３）を通じて前記管束（２５）に連結されている第２空間（３４）を通過し前記同軸の配置（２４，２５，２６）の他方の端部で前記中心管（２４）内にさらに流入可能であり、前記管束（２５）用の連結手段（３１，３２）が設けられていて、水が、これらの連結手段（３１，３２）によって前記同軸の配置（２４，２５，２６）の他方の端部から前記管束内に流入し、蒸気が、一方の端部でこの管束（２５）から取り出され得、前記第２空間（３４）は、空気流出部材（２９）を経由して外側へ通じている空気冷却器において、
前記管束（２５）及び前記第１空間（３３）を包囲している前記ケースが、前記圧力タンク（３９）から独立した内ケース（２６）として形成されていること、環状ギャップ（２７）を内ケース（２６）と外ケース（２８）との間に形成しつつ、この内ケース（２６）は、前記圧力タンク（３９）のシリンダ状の外ケース（２８）によって同軸状に包囲されていること、第３空間（３５）が、前記第１空間（３３）の外側でかつ前記圧力タンク（３９）の内側に形成されていて、この第３空間（３５）は、前記環状ギャップ（２７）を通じて前記第２空間（３４）に連結していること、及び、前記第２空間内の圧力（ｐ２）よりも低い圧力（ｐ３）が、運転の間に前記第３空間（３５）内で生じるように、この第３空間（３５）は、独立した連結手段（３０，３６，３８）を通じて前記空気流出部材（２９）に連結していることを特徴とする空気冷却器。
【請求項２】
前記独立した連結手段は、外側から前記第３空間（３５）内に合流している少なくとも１つの流出部材（３６）及び１つの連結管（３０）を有し、この連結管（３０）は、少なくとも１つの流出部材（３６）を前記空気流出部材（２９）に連結させることを特徴とする請求項１に記載の空気冷却器。
【請求項３】
前記連結管は、前記空気流出部材（２９）内でディフューザ（３８）に終端することを特徴とする請求項２に記載の空気冷却器。
【請求項４】
前記環状ギャップ（２７）を通じて流れるバイパスの空気流が、前記空気冷却器（１０）の全体を通じて流れる空気流の約１０％になるように、前記環状ギャップ（２７）及び前記独立した連結手段（３０，３６，３８）が寸法決めされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空気冷却器。
【請求項５】
前記管束（２５）の前記第２空間（３４）に面している側に連結している水流入室（３１）が、前記圧力タンク（３９）の前記第２空間（３４）の領域内に配置されていて、前記管束（２５）の前記第３空間（３５）に面している側に連結している蒸気流出室（３２）が、前記第３空間（３５）の領域内に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空気冷却器。
【請求項６】
前記空気冷却器（１０）は垂直に直立していること、及び、前記第２空間（３４）は下に配置されていて、前記第１空間（３３）及び前記第３空間（３５）は上に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の空気冷却器。
【請求項７】
前記空気冷却器（１０）は、コンビナートパワープラント（４０）内で圧縮機（１）から取り出される冷却空気（１１）を冷却するために使用され、水が、前記管束（２５）内に供給するために廃熱蒸気ボイラー（１５）から取り出され、この管束（２５）内で発生した蒸気が、前記廃熱蒸気ボイラー（１５）内に供給される請求項１に記載の空気冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワープラント技術に関する。本発明は、請求項１に記載の空気冷却器及びこの空気冷却器の使用に関する。
【０００２】
冒頭で述べた種類の空気冷却器は、例えばヨーロッパ特許出願公開第 0 773 349号明細書（図５及びその説明参照）から公知である。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンプラントの場合、圧縮機から取り出された空気が冷却空気としてタービンの冷却系に供給される前に、この空気を水の噴射又は外部の冷却器によって冷却することが一般に行われている。この場合、この熱は、この全冷却系からほとんど失われる。
【０００４】
これに対してコンビナートプラントの場合は、公知のように多くの場合に空気の水冷が、空気／水熱交換器内で実施され、冷気の冷却から生じた熱が再利用可能になる。水側の圧力は、蒸発を阻止するため給水ポンプによって飽和蒸気圧の上に上昇される。冷却器内で加熱された水が、後に低圧系内で膨張する。この水は、この低圧系内で蒸発し得る。別の手段では、熱交換器が、ガスタービングループに後続接続された廃熱蒸気ボイラーのエコノマイザーと同時に運転される。
【０００５】
空気冷却器が、制御ヒーターとしてコンビネーション・パワープラント内に組み込まれている。これによって、冒頭で述べたガスタービンプラントの冷却よりも簡単な制御及び高い効率が実現される。−冒頭で述べた明細書の図１に相当する−図１は、ガスタービングループ及び蒸気タービングループを有するコンビナート・パワープラント４０を示す。このガスタービングループは、圧縮機１，後続接続された燃焼室２及びこの燃焼室２の下流に配置されたガスタービン３から構成される。発電用の発電機４が、ガスタービン３に連結されている。圧縮機によって吸引された空気５が、圧縮後に圧縮空気６として燃焼室２内に送られ、そこで噴射された液体及び／又は気体の燃料７と混合される。発生した燃料／空気の混合物が燃焼される。引き続き燃焼室２から流れる高温ガス８が、出力下のガスタービン３内で膨張する。その後ガスタービン３の廃ガス９が、後続された蒸気循環系の廃熱蒸気ボイラー１５内で利用される。
【０００６】
燃焼室２とガスタービン３の熱負荷は非常に大きいので、熱的に負荷のかかる機械を可能な限り効率的に冷却する必要がある。このことは、螺旋型蒸気発生器である空気冷却器１０によって実施される。圧縮機１から取り出された既に強く加熱されている圧縮空気１１の一部が、この空気冷却器１０を貫流する。空気冷却器１０内の熱交換は、螺旋型蒸気発生器の管を貫流する水の部分流１２によって実施される。それ故に、圧縮空気１１が引き続き冷却空気１３として冷却すべき機械内に送られる場合、この圧縮空気１１は、一方の側で冷却される。図１中では、高圧冷却器が例として示されている。この高圧冷却器は、圧縮空気１１を圧縮機１の出口で完全に取り出す。この圧縮機１の冷却空気１３が、機械を冷却するために燃焼室２及びガスタービン３の最高圧の圧力段内で使用される。この代わりに、低圧の空気を圧縮機１の中間段から取り出してもよい。この中間段は、冷却目的でガスタービン３の対応する圧力段内で使用される。
【０００７】
他方の側では、水が蒸発するように、水の部分流１２が、空気冷却器１０内で強く加熱される。次いでこの蒸気１４は、図１にしたがって廃熱蒸気ボイラー１５の過熱部分内に送られる。この過熱部分は、生蒸気１６を増加させる。この生蒸気１６は、蒸気タービン１７に流入して全プラントの効率を向上させる。パワープラントのこの通常運転の場合、空気冷却器１０内で発生した蒸気１４がエネルギー技術において最適に利用される。蒸気１４を生蒸気１６に直接混合すること又は燃焼室２若しくはガスタービン３に送ることが同様に可能である。
【０００８】
まだ高カロリーの可能性を有するガスタービン３の廃ガス９が、廃熱蒸気ボイラー１５を貫流する。この廃熱蒸気ボイラー１５は、熱交換法によってこの廃熱蒸気ボイラー１５内に流入する給水１８を生蒸気１６に変換する。このとき、この生蒸気１６は、その他の蒸気循環系の作動媒体を作る。その後、カロリー消費された廃ガスは、煙ガス１９として戸外に流出される。蒸気タービン１７から発生するエネルギーは、もう１つの連結された発電機２０によって電力に変換される。図１中では、多軸式の配置が例として示されている。明らかに、一軸式の配置も選択され得る。これらの一軸式の配置の場合、ガスタービン３及び蒸気タービン１７が、１本の軸で回転して同じ発電機を駆動させる。蒸気タービン１７からの廃蒸気２１が、水冷式又は空冷式の凝縮器２２内で凝縮される。このとき、凝縮液が、図示しなかったポンプによって凝縮器２２の下流に配置された図１中に示さなかった給水タンク／脱気器内にポンプで揚げられる。引き続き、給水１８は、別のポンプによって廃熱蒸気ボイラー１５内に揚げられて新しい循環を作るか、又は、水の部分流１２が、示さなかった制御弁を通じて空気冷却器１０に供給される。
【０００９】
冒頭で述べたヨーロッパ特許出願公開第０  ７７３  ３４９  号明細書では、異なる種類の空気冷却器が、図２〜５及び付随する説明部分中で提唱されている。これらの空気冷却器は、図１のコンビナート・パワープラントでの使用に対して特に適する。これらの図２〜４の実施形の場合、垂直に直立している空気冷却器内の冷却すべき冷却空気が、圧力タンク内に配置された熱交換器の螺旋型管束の内側に沿って中心管内で下から上に流れ、管束の上で下に方向転換し、そして管束内で（下から上に）逆流している水蒸気に対して熱を放出しつつこの管束を上から下に貫流する。管束から下で発生した冷却された冷却空気は、新たに方向転換され、圧力容器内で管束の外側に沿って上に流れる。この冷却された冷却空気は、圧力容器から取り出される。空気冷却器のこの構造の場合、圧力タンクの外壁の内側が、既に冷却された冷却空気だけに曝されているので、この外壁は、比較的低い運転温度に仕様決定され得る。このことは、例えば必要な壁の厚さに関して非常に利点がある。これに対して、全ての空気流を上に方向転換する必要があること、より大きい環状流路がこの方向転換された全ての空気流に対して必要になること、及び上にある流出部材がタービンに適合しないことが欠点である。
【００１０】
これに対してヨーロッパ特許出願公開第 0 773 349号明細書の図５の実施形の場合、管束の出口での冷却空気の２回目の方向転換が省略され、冷却された空気が、管束の下で圧力タンクから直接取り出される。この圧力タンクは、同時に管束用のタンクも形成する。この実施の形態は、異なるプラント技術上の利点を有するものの、圧力タンクの壁が特に空気冷却器の上の領域内で圧縮機から来る未冷却の空気に直接曝されているので、この圧力タンクの壁が熱くなりすぎる欠点がある。
【特許文献１】ヨーロッパ特許出願公開第 0 773 349号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、最後に説明した空気冷却器のプラント技術上の利点を失うことなしにこの空気冷却器の欠点を排除したパワープラント用の空気冷却器を提供すること、及び、この空気冷却器の使用を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、請求項１及び７の特徴の全体によって解決される。本発明の要旨は、公知の両実施形の混成構造にある。この混成構造の場合、空気冷却器を流れる空気の大部分が、この空気冷却器の同じ端部で一定に取り出される。この場合、この空気は、（ヨーロッパ特許出願公開第0 773 349 号明細書の図５中のように）供給もされるものの、（ヨーロッパ特許出願公開第0 773 349 号明細書の図２〜４中のように）バイパス回路内では冷却された空気の僅かな部分を管束から出口に向かい管束と圧力タンクの外壁との間を流れ、そこで取り出す。こうして、圧力タンクの外壁が十分に冷却される。しかしながらそれにもかかわらず、冷却空気の主な回収は、（垂直に直立している）空気冷却器の下で実施される。
【００１３】
本発明の空気冷却器の好適な構造は、独立した連結手段が外側から第３空間内に合流している少なくとも１つの流出部材及び１つの連結管を有し、この連結管は少なくとも１つの流出部材を空気流出部材に連結させる点及び空気流出部材内部の連結管がディフューザ内で終端する点で優れている。このバイパスに属する流出部材は、第３空間内に突出され得る。１本の連結管に集められ得る多数の流出部材を設けてもよい。
【００１４】
環状ギャップを流れるバイパスの空気流が空気冷却器の全体を流れる空気流の約10％になるように、環状ギャップ及び独立した連結手段が寸法決めされている場合、最適な作用が、本発明の空気冷却器に対して得られる。
【００１５】
好ましくはさらに、管束の第２空間に面している側に連結している水流入室が、圧力タンクの第２空間の領域内に配置されていて、管束の第３空間に面している側に連結している蒸気流出室が、第３空間の領域内に配置されている。
【００１６】
さらに、空気冷却器が垂直直立していて、第２空間が下に配置されていて、第１空間及び第３空間が上に配置されていると目的に適する。
【００１７】
以下に、本発明を図面に関連する実施の形態に基づいて詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図２中には、本発明の好適な実施の形態による空気冷却器が縦断面で示されている。空気冷却器１０は、長くて垂直に直立してほぼシリンダ状の圧力タンク３９を有する。この圧力タンク３９は、その上下端部それぞれで湾曲した床部によって密閉されている。シリンダ状の中心管２４，この中心管２４を包囲している螺旋型の管束２５及びこの管束２５を包囲しているシリンダ状の内ケース２６から構成された空気冷却器１０の長手軸線に対して同軸の配置が、圧力タンク内部に格納されている。中心管２４は、同軸の配置２４，２５，２６の上端部で管束２５に連結されていて内ケース２６によって外側に対して密閉されている第１空間３３内に合流する。空気が、圧力タンク３９の外側から空気流入部材２３を通じて管束２５に連結されている第２空間３４を通過して同軸の配置２４，２５，２６の下端部で中心管２４内に流入可能である。管束２５及び第１空間３３を包囲しているこのケースは、圧力タンク３９から独立した内ケースとして形成されている。内ケース２６は、圧力タンク３９の外ケース２８と共に内ケース２６と外ケース２８との間に環状ギャップ２７を形成しつつ同心状に周囲を包囲している。第３空間３５が、第１空間３３の外側でかつ圧力タンク３９の内側でこの圧力タンク３９の上端部に形成されている。この第３空間３５は、環状ギャップ２７を通じて第２空間３４に連結している。
【００１９】
水を供給するため、水流入室３１が、下の第２空間３４の領域内に圧力タンク３９に接して配置されている。この水流入室３１は、（図２中では連結部分的にしか示さなかった）導管を通じて管束２５の下端部に連結されていて、制御弁３７を通じて外から水を受ける。管束２５内で発生した蒸気を取り出すため、蒸気流出室３２が、上の第３空間３５の領域内に配置されている。この蒸気流出室３２は、導管を通じて管束２５の上端部に連結されていて、蒸気によって管束２５から取り出され得る。第２空間３４は、空気流出部材２９を経由して外側へ通じている。第３空間３５は、独立した連結管３０を通じてバイパス方式でこの空気流出部材２９に連結されている。この連結管３０の入口側が、第３空間３５から敷設されている流出部材３６に連結されていて、その出口側が、リング状の空気流出部材２９内に同軸に配置されたディフューザ３８内で終端する。
【００２０】
空気が、空気冷却器１０の運転中に空気流入部材２３を通じて下から中心管２４内に送られる（図２中の貫通している二重矢印）。この空気は、管束２５の上で中心管２４から圧力ｐ１の第１空間３３内に流出し、図２中に示された湾曲した矢印にしたがって方向転換され、そして管束２５を下に向かって貫流する。この空気は、この経路上で管束２５を通じて熱をこの管束２５内で逆流している水に渡し、この管束２５の下端部から圧力ｐ２で第２空間３４内に流出する。管束内の圧力損失に起因して、圧力ｐ２は圧力ｐ１よりも小さい。第２空間内に存在する冷却された空気の大部分が、空気流出部材２９を通じて圧力タンク３９から流出し、例えば図１にしたがって特定のプラントの一部を冷却するために再利用される。
【００２１】
第２空間３４内に存在する冷却された空気の約10％のバイパス流が、内ケース２６と外ケース２８との間の環状ギャップ又はリング経路２７を通じて上方に第３空間３５内に流れ、このときに内ケース２６及び外ケース２８を冷却する。環状ギャップ２７の幅は、例えば20mmである。圧力ｐ３が、第３空間３５内で支配する。この圧力ｐ３は、環状ギャップ２７内の圧力損失に起因して圧力ｐ２よりも小さい。このバイパス流は、第３空間３５から流出部材３６，連結管３０及びディフューザ３８を通じて下に配置された空気流出部材２９内に流れ、そこでメイン空気流と混ざる。空気流出部材２９内の加速圧力の低下が、空気流出部材２９内の静圧をｐ２よりも小さい値に下げる。この動作圧の差（吸引作用）は、摩擦圧力及び曲げ圧力の低下を相殺するため及び環状ギャップ２７によるバイパスの空気流を実現するために利用される。希望のバイパスの空気流（例えば、空気流の全体の約10％）は、環状ギャップ２７、連結管３０及び連結管３０の管の端部の幾何構造（ディフューザ３８）の寸法決めによって調整され得る。環状ギャップ２７を流れる空気が、圧力タンク３９の外ケース２８を冷却するので、外ケース２８又は圧力シェルの壁の厚さが、より低い空気温度仕様に決定され得る。
【００２２】
以上により、本発明の空気冷却器は、以下の利点及び特性を特徴とする：
−外ケース２８及び湾曲された床の設計温度を低くすることができる。このことは、材料を節約する。
−より簡単な蒸気収集構造体の設置が可能になる；これによって、個々の管を外シェルを通じて敷設しないで済む。
−外ケース２８の直径が、上端部の空気流出部を有する空気冷却器（ヨーロッパ特許出願公開第0 773 349 号明細書の図２〜４）に比べて例えば 150mm程度減少する。したがって、外ケース２８の壁の厚さが薄くなる。
−冷却された空気流の再加熱が、全ての空気流による公知のケース冷却に比べて小さい（例えば、７Ｋの代わりに５Ｋ）。
−同じ管束２５及び空気流出部材２９の場合の全圧力損失は、全ての空気流による公知のケース冷却に比べて小さい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の空気冷却器の使用に適している空気冷却器を有するコンビナート・パワープラントの簡単なプラント図である。
【図２】本発明の好適な実施の形態による空気冷却器の縦断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  圧縮機
２  燃焼室
３  ガスタービン
４，２０  発電機
５  吸気
６，１１  圧縮空気
７  燃料
８  高温ガス
９  廃ガス
１０  空気冷却器
１２  部分流（水）
１３  冷却空気
１４  （空気冷却器からの）蒸気
１５  廃熱蒸気ボイラー（ＨＲＳＧ）
１６  生蒸気
１７  蒸気タービン
１８  給水
１９  煙ガス
２１  廃蒸気
２２  凝縮器
２３  空気流入部材
２４  中心管
２５  管束（螺旋管）
２６  内ケース
２７  環状ギャップ
２８  外ケース
２９  空気流出部材
３０  連結管（バイパス）
３１  水流入室
３２  蒸気流出室
３３，３４，３５  空間
３６  流出部材（バイパス）
３７  制御弁
３８  ディフューザ
３９  圧力容器
４０  パワープラント（コンビナートプラント）
【図１】
0004611969.tif 000002
【図２】
0004611969.tif 000003