專利名稱：燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及燃氣復合循環(huán)系統(tǒng)，尤其涉及具有一燃氣透平和一回熱蒸汽發(fā)生器的系統(tǒng)。
在發(fā)電工作中，為提高效率而將燃氣透平、蒸汽發(fā)生器和蒸汽透平組合在一起的各種系統(tǒng)是已知的。一種這樣的系統(tǒng)采用了一個燃氣透平連同一個蒸汽發(fā)生器，其中，燃氣透平是利用廢熱發(fā)電的，它不僅產生電力，而且產生熱燃氣，熱燃氣然后用于回熱蒸汽發(fā)生器中。
當熱燃氣自燃氣透平進入回熱蒸汽發(fā)生器(HRSG)時，由于燃氣透平出口和HRSG的尺寸不同，該燃氣的速度必須降低10倍。這種速度降低是在擴壓管內完成的。傳統(tǒng)的擴壓管是不對稱的，它具有一個水平延伸的平壁和一個向上傾斜的擴張壁。在這種典型的擴壓管中，上壁的擴張角遠大于15°，此15°角能參許燃氣膨脹，而不使擴壓管內的燃氣分離與回流。采用具有大于15°擴張度的擴壓管的理由是出于經濟考慮，是為了使造價和所需空間最小。然而，不幸的是，存在由于采用了具有較大擴張度的擴壓管而引起的跟燃氣流分離有關的問題。首先，這種擴張導致了總的系統(tǒng)壓力損失增壓。其次，燃氣流分離導致流速分布比理想的差，這種理想分布是考慮了擴壓燃燒器和在該管內所采用的污染控制裝置。
對于流速分布差的問題的傳統(tǒng)解決方案一直是在擴壓管內采用流量控制器。這種控制器的缺點是昂貴，并使該系統(tǒng)內總的壓力損失增加。
上述這種傳統(tǒng)的燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)包括一個水平定向的燃氣透平，它將廢氣送入水平緊挨燃氣透平的回熱蒸汽發(fā)生器。在美國所使用和制造的HRSG在水側往往依靠自然循環(huán)。強迫循環(huán)系統(tǒng)也是已知的，在歐洲更為普遍使用。
本發(fā)明一個目的是提供一種具有擴壓管的燃氣透平復合系統(tǒng)，其中，基本上消除了擴壓管內的燃氣回流。
本發(fā)明的另一目的是提供具有改善了的流速分布的燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)。
本發(fā)明再一個目的是提供這樣一種用于燃氣透平復合系統(tǒng)的擴壓管，其中無須內部流量控制器。
本發(fā)明的又一個目的是提供這樣一種燃氣透平一蒸汽發(fā)生器復合系統(tǒng)，它只需較小的設備空間區(qū)。
本發(fā)明的還有一個目的是提供這樣一種燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)，它為垂直配置于燃氣透平和蒸汽發(fā)生器之間的對稱擴壓器的使用提供了方便。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有降低了的壓力損失的燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)。
本發(fā)明的再一目的是提供這樣一種透平一蒸汽發(fā)生器復合系統(tǒng)，它容許在蒸汽發(fā)生器上采用較短的排汽管。
本發(fā)明的還有一個目的是提供一種具有減少了傳熱表面的燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)。
參照下列相對于附圖所作的說明書，本發(fā)明的其它目的和特點將令變得明顯。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個排出燃氣的燃氣透平，一個接收燃氣的蒸汽發(fā)生器，一個處于燃氣透平和蒸汽發(fā)生器之間，用于降低燃氣在進入蒸汽發(fā)生器之前的流速的擴壓管，以及用于沿擴壓管擴張壁的內表面抽出燃氣以使擴壓管內的總壓降減至最小的邊界層負壓裝置。本發(fā)明的系統(tǒng)有利于燃氣在擴壓管中的完全膨脹，并改善燃氣進入蒸汽發(fā)生器的流速分布。
在本發(fā)明的一個特定的優(yōu)選實施例中，邊界層負壓裝置是一個燃氣抽出管，其進口端在擴壓管擴張壁內形成，其出口端連接于透平進口。在另一特定的優(yōu)選實施例中，燃氣抽出管的進口端是在擴壓管的壁內，而排出端連接蒸汽發(fā)生器。在該實施例中，包括用于將燃氣自進口端輸送至出口端的輸送裝置。在本發(fā)明第三個特定的優(yōu)選實施例中，該邊界層負壓裝置包括若干管子或導管，每一管子有一個在擴壓管壁內形成的進口端，在該進口端位置上，擴壓管內的壓力為P1;還有一個在擴壓管內形成的出口端，在該出口端位置上，擴壓管內的壓力小于P1;燃氣利用文德利效應經邊界層負壓裝置循環(huán)。本發(fā)明的擴壓管優(yōu)選提供的進口/出口廢氣速比至少為5-15，最好為9-11。所述擴壓管最好具有至少一個帶大約15-90°、最好約30-60°的擴張角的壁。在本發(fā)明的擴壓管內，廢氣基本上未經歷回流。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例是，燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)包括一個垂直定向的排出燃氣的燃氣透平;一個垂直定向的接收燃氣的蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器所處的垂直高度較透平的高，在水側或透平側為強制循環(huán);一個介于透平和蒸汽發(fā)生器之間用于降低燃氣在進入蒸汽發(fā)生器之前的流速的擴壓管。在這實施例中，擴壓管最好為大致對稱的結構形狀，蒸汽發(fā)生器將廢氣直接排入煙道。
本發(fā)明的再一個優(yōu)選實施例是一種減少燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)的擴壓管內燃氣流分離的方法。該方法包括利用邊界層負壓裝置沿擴壓管擴張部的內壁表面抽出燃氣并在上游或下游位置重新引入被抽出的燃氣。
本發(fā)明的還有一個實施例是組成燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)具有一個燃氣透平，一個蒸汽發(fā)生器和一個介于其間的擴壓管。該方法包括使燃氣透平，擴壓管和蒸汽發(fā)生器垂直定向，使蒸汽發(fā)生器的垂直高度高于燃氣透平的步驟。該方法還包括提供用于使水/蒸汽混合物在透平側，即水側利用強制循環(huán)經蒸汽發(fā)生器的循環(huán)裝置的步驟。
因此，在下面詳細說明中本發(fā)明包括若干步驟和這些步驟相對于其它各步驟的一種或多種關系，以及具有被列舉的構件的特點、性質與關系的產品。


圖1 簡明表示常規(guī)的燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng);
圖2 簡明表示未采用流量控制器的常規(guī)的燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)的擴壓管內的廢氣流型;
圖3 簡明表示本發(fā)明燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)的擴壓管的正視圖;
圖4 表示圖3擴壓管的頂視圖;
圖5 簡明表示本發(fā)明擴壓管的第二實施例;
圖6 簡明表示本發(fā)明的垂直定向燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)，包括擴壓管的第三實施例。
參照各附圖，尤其是圖1，其中表示了常規(guī)的透平-HRSG系統(tǒng)，并總的標以10。該系統(tǒng)包括一燃氣發(fā)生器12，一壓縮機13和一燃氣透平14，它們連成串連狀態(tài)。透平14有一進口21和出口22。廢氣自燃氣透平14流經一擴壓管16而進入回熱蒸汽發(fā)生器18的進口。HRSG18包括一過熱器30及在該過熱器下游的一排鍋爐32。因為透平出口22小于HRSG的入口，所以需要擴壓器16。擴壓器16是非對稱的，具有一水平底壁17，一個向上傾斜的擴張上壁19，一個入口23和一個出口25。該結構形狀便于透平14和HRSG18間的適當連接，無須將透平抬高。如果擴壓管16以對稱方式擴張的，它本來是需要抬高的。
當擴壓管相對于水平面的擴張角大于約15°時，且在擴壓管中不采用內部流量控制器時，經擴壓管的燃氣流可能具有類似于圖2所示的分布。如圖所示，沿擴壓管16的下部的燃氣流入HRSG18，而沿上壁的燃氣經歷一反向壓力梯度和導致回流的流量分離。該流型增加了整個系統(tǒng)的壓力降，從而使系統(tǒng)效率下降。該流型還使HRSG內傳熱面不能有效利用，這一點在下面還要詳細說明。
作為在以大于15°角擴張的擴壓管內采用內部流量控制器的替代方案，本發(fā)明的擴壓管16′采有一個諸如在圖3-6中所示的邊界層負壓系統(tǒng)，如在這些圖中所示的，邊界層燃氣自擴壓管的擴張部被抽出，然后在上游或下游位置再引入該系統(tǒng)內。這種抽出基本上防止了或至少減少了紊流和回流，這種紊流和回流在相反情況下會出現(xiàn)于擴壓管內的擴張部。
邊界層負壓可用多種方法來實現(xiàn)。如圖3和4所示，一種技術是應用文丘利效應，其中在擴壓管的低速區(qū)即具有較大橫截面區(qū)的燃氣被抽出，而在具有高速因而低壓的另一位置重新引入。如圖3所示，燃氣沿擴壓管16′的長度在三個等間隔位置上經窄管20a-20c被抽出。在本實施例中按文丘利效應工作的所有一套中的三個管20a-20c，每個管子具有一個連接于透平低壓出口22的出口端。
在圖3和4所示的非對稱擴壓管中，僅需沿壁的擴張部施加邊界層負壓?？刹捎萌魏螖?shù)量的管子20。管子數(shù)目和位置取決于運轉中的特定系統(tǒng)，包括燃氣透平和蒸汽發(fā)生器的尺寸，擴壓管的擴張角，以及經該管的燃氣的流量。
如圖5所示，可用管20a′-20c′來代替，將燃氣自擴壓管16′輸至下游位置。在該實施例中，借助于一個適當安裝于管20a′-20b′的風扇24，可沿邊界層施加負壓，以使負壓側自該管的擴張部抽氣，并在適當?shù)牟课恢匦聦⑷細庖際RSG18′。希望在低壓位置重新引入該燃氣。各種位置通常都是合適的。位置的選擇部分取決于熱負荷和性能要求，該領域內熟練的普通人員能作出適當?shù)倪x擇。
本發(fā)明的一個特定的優(yōu)選實施例示于圖6。在該實施例中，所述燃氣透平HRSG系統(tǒng)是垂直定向的以，10′來標注。該系統(tǒng)包括一個在下端的發(fā)生器12′，一個在發(fā)生器上方的壓氣機13′，和一個連于壓氣機上方下游端的燃氣透平，透平有一進口21。一對稱擴壓管16′″將燃氣自透平14′引入HRSG18′的出口。由于系統(tǒng)10垂直定向的結果，HRSG18能被方便地配置來按強制循環(huán)運轉。
在HRSG或任何蒸汽發(fā)生器水側的水-蒸汽混合物的強制循環(huán)保證了輸向蒸汽發(fā)生器的所有鍋爐管的最小混合氣流量。由于這種控制的改善，可以采用稍細的鍋爐管，因為這些管子的冷卻借助于內部質量流量而改善。對于低壓蒸汽，這些差別會縮小，同而無須強制循環(huán)。然而，隨蒸汽壓力增加，越需要強制循環(huán)。在圖6中簡示的強制循環(huán)系統(tǒng)內，利用泵36將水自蒸汽餾筒40的泄水管42泵入鍋爐組的下部加熱器38內。泵壓的選定考慮到要確保水流輸?shù)较录訜崞?8所有排出管子。隨著管子的吸熱，一些水沸騰形成蒸汽。泵的容積要選得確保蒸汽一水混合物始終保持在餾爐管內。
蒸汽一水混合物收集在蒸汽鍋筒40內的鍋爐的頂部。蒸汽鍋筒40是用來分離蒸汽和水的。蒸汽被送至鍋爐的過熱器作進一步加熱。泄水管42將水自鍋筒排入泵36的進口。
廢氣自HRSG經煙道26排出。由于垂直配置的結果，煙道本身短于水平系統(tǒng)的傳統(tǒng)煙道，這種水平系統(tǒng)具有和地面等距離的一些出口。
除了能方便地將強制循環(huán)系統(tǒng)安裝于蒸汽發(fā)生器內之外，系統(tǒng)10′的垂直定向的另一優(yōu)點是它能采用對稱的擴壓管16′″。如圖6所示，擴壓管具有若干管子20″，它們將燃氣自擴壓管引回至透平口21′。該透平14′由以28簡示的透平支承系統(tǒng)支承。其上裝有煙道的蒸汽發(fā)生器由HRSG重型鋼鐵支承系統(tǒng)29支承。
系統(tǒng)10′的垂直定向配置，使電站的平面面積減至最小。由于采用了對稱擴壓管，能減小該系統(tǒng)內的全壓降，從而擴壓管的長度可以縮短。擴壓管的改善和HBSG水側強制循環(huán)的綜合作用降低了傳熱要求。擴壓管的改善，改善了燃氣流量分布，后者又意味從鍋爐管系流出的氣流更加均勻，使這些管子表面更有效地利用。表面利用效率的改善意味著可用較少的平方尺表面來吸收同樣的熱量。如上指出，蒸汽一水混合物的強制循環(huán)便于鍋爐管內的混合物有較高的質量流，從而保證了所有管子的適當冷卻。這導致可采用略小的管子。從而該系統(tǒng)的總重量下降，使結構配置更經濟。
正如該技術領域內熟練的人員顯而易見的，上述結構的各種修改和變化不脫離機所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種燃氣渦輪復合循環(huán)系統(tǒng)，包括一個排出廢氣的燃氣透平；一個用于接收廢氣的蒸汽發(fā)生器；一個在燃氣透平和蒸汽發(fā)生器之間用于降低排氣在進入蒸汽發(fā)生器之前的流速的擴壓管，該擴壓管有一包括帶內壁表面的壁的擴張部；用于沿擴壓管的內壁表面抽出燃氣以使擴壓管內的總壓降最小的邊界層負壓裝置。
2.按權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于燃氣透平有一進口，而邊界層負壓裝置包括一個燃氣抽出管，抽出管具有一個在擴壓管壁內形成的進口端和一個連于該透平進口的出口端。
3.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于該邊界層負壓裝置包括一個在擴壓管壁內形成的進口端和一個連于該蒸汽發(fā)生器的出口端。
4.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于該邊界層負壓裝置包括至少一個管子，管子具有一個在擴壓管壁內在管內壓力至少為P1的區(qū)域形成的進口端和一個處于該系統(tǒng)內其壓力小于P1的區(qū)域的出口端，燃氣利用文德利效應經邊界層負壓裝置循環(huán)。
5.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于擴壓管具有一進口端和一出口端，在進口端的燃氣平均速度大約5-15倍于出口端的燃氣流速。
6.一種按權利要求1的系統(tǒng)，其特征在于該擴壓管有一進口端和一出口端，在進口端的燃氣平均速度大約9-11倍于出口端的燃氣平均速度。
7.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于擴壓管至少具有一個帶大約15°以上的擴張角的壁。
8.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于擴壓管至少具有一帶大約30-60°擴張角的壁。
9.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于邊界層負壓裝置的結構配置得使燃氣在擴壓管中基本上不經歷回流。
10.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于邊界層負壓裝置在多個離燃氣透平的不同距離點上將燃氣自擴壓管內抽出。
11.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于該燃氣透平，蒸汽發(fā)生器和擴壓管均垂直定向，蒸汽發(fā)生器所處的高度高于燃氣透平。
12.一種按權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于蒸汽發(fā)生器具有帶強制循環(huán)的水冷側。
13.一種按權利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于擴壓管具有普遍對稱的結構形狀。
14.一種按具權利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于蒸汽發(fā)生器將廢氣直接排入一煙道。
15.一種燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)，其特征在于包括一臺排出廢氣的垂直定向透平;一臺接收廢氣的垂直定向蒸汽發(fā)生器，該蒸汽發(fā)生器所處的垂直高度高于透平的高度，并具有帶強制循環(huán)的水側;一根處于透平和蒸汽發(fā)生器之間用于降低廢氣在進入蒸汽發(fā)生器之前的流速的擴壓管。
16.一種按權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于擴壓管具有普遍對稱的結構形狀。
17.一種按權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于蒸汽發(fā)生器將廢氣直接排入一煙道。
18.一種減少燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)的擴壓管中燃氣流分離的方法，該擴壓管具有一個包括帶內壁面的壁的擴張部，該方法包括采用邊界層負區(qū)裝置，沿擴壓管擴張部的內壁面抽出燃氣，并在某一上游或下游位置將抽出的氣體重新引入。
19.一種組成包括一臺燃氣透平、一臺在燃氣透平下游的具有水側的蒸汽發(fā)生器及一根處于燃氣透平與蒸汽發(fā)生器之間的擴壓管的燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)的方法，該方法包括使燃氣透平、擴壓管和蒸汽發(fā)生器垂直定向，蒸汽發(fā)生器的垂直位置高于燃氣透平;在蒸汽發(fā)生器的水側設置強制循環(huán)裝置。
全文摘要
一種在燃氣透平和蒸汽發(fā)生器之間具有一擴壓管的改善了的燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)。擴壓管具有邊界層負壓以防止燃氣流分離，因而減少了壓力損失，并改善擴壓管內的燃氣速度分布，同時省去了內部流量控制器。該燃氣透平復合循環(huán)系統(tǒng)能被垂直定向，以減少該系統(tǒng)的平面面積，并為采用對稱擴壓管及在蒸汽發(fā)生器的水側的強制循環(huán)提供方便。
文檔編號F01D25/30GK1110759SQ94119608
公開日1995年10月25日 申請日期1994年12月13日 優(yōu)先權日1993年12月30日
發(fā)明者C·R·波祖托, W·F·西達爾, J·D·比安卡 申請人:燃燒工程有限公司