-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen-Abgasdiffusoren.
Insbesondere betrifft die Erfindung Systeme und Verfahren zum Integrieren
von Wärmetauscherelementen,
die normalerweise in Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugungs-(HRSG)-Systemen vorhanden
sind, in Komponenten von Gasturbinen-Abgasdiffusoren.
-
In
Kombinationszyklus-Energieerzeugungssystemen kann von Gasturbinen
ausgegebenes heißes
Abgas als eine Quelle von Wärme
genutzt werden, welche an eine Wasserquelle übertragen wird, um Heißdampf zu
erzeugen. Der Heißdampf
kann wiederum bei Dampfturbinen als eine Energiequelle verwendet
werden. Das heiße
Abgas kann dem HRSG-System unter anderem über einen Abgasdiffusor zugeführt werden,
welcher dazu beitragen kann, die kinetische Energie des die Gasturbine
verlassenden heißen
Abgases in potentielle Energie in der Form eines erhöhten statischen
Druckes umzuwandeln. Sobald es dem HRSG-System zugeführt ist,
kann das heiße
Abgas eine Reihe von Wärmetauscherelementen
wie z. B. Überhitzer,
Zwischenüberhitzer,
Verdampfer, Vorwärmer
usw. durchlaufen. Die Wärmetauscherelemente
können
zur Übertragung von
Wärme aus
dem heißen
Abgas an die Wasserquelle zum Erzeugen von Heißdampf verwendet werden. Sowohl
der Abgasdiffusor als auch der HRSG können eine große Menge
an Platz in der Kombinationszyklus-Energieerzeugungsanlage beanspruchen. Beispielsweise
kann der Abgasdiffusor in vielen Fällen so lang wie die Gasturbine
selbst sein. Zusätzlich kann
sich die Länge
des HRSG ebenfalls in derselben Größenordnung befinden. Daher
kann es sich als nützlich
erweisen, Auslegungsstrategien zur Verringerung der Gesamtbelegungsfläche zu implementieren,
die von diesen zwei größeren Komponenten der
Kombinationszyklus-Energieerzeugungsanlage benötigt werden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
In
einer Ausführungsform
wird ein System bereitgestellt. Das System beinhaltet ein Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugungssystem.
Das System beinhaltet auch einen Gasturbinen-Abgasdiffusor, in dem
mehrere Wärmetauscherelemente
des Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugungssystems
in einen Abgaspfad des Gasturbinen-Abgasdiffusors integriert sind.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
wird ein System bereitgestellt. Das System beinhaltet einen Gasturbinen-Abgasdiffusor.
Der Gasturbinen-Abgasdiffusor beinhaltet ein Wärmetauscherelement eines Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugungssystems.
-
In
noch einer weiteren Ausführungsform
wird ein Verfahren zum Erzeugen von Heißdampf bereitgestellt. Das
Verfahren beinhaltet die Ausgabe von heißem Abgas aus einer Gasturbine.
Das Verfahren beinhaltet auch die Führung des heißen Abgases durch
einen Abgaspfad der Gasturbine. Das Verfahren beinhaltet ferner
die Übertragung
von Wärme
aus dem heißen
Abgas an eine Wasserquelle zum Erzeugen von Heißdampf. Die Wärmeübertragung
erfolgt unter Verwendung eines Wärmetauscherelementes, das
in eine Komponente in dem Abgaspfad der Gasturbine integriert ist.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser verständlich,
wenn die nach stehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch
die Zeichnungen bezeichnen, wobei:
-
1 ein
schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Kombinationszyklus-Energieerzeugungssystems
mit einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einem HRSG ist;
-
2 eine
detaillierte Seitenansicht einer Ausführungsform der Gasturbine von 1 ist,
bei der Wärmetauscherelemente
des HRSG von 1 in Komponenten eines Abgasdiffusors
der Gasturbine integriert sind;
-
3 eine
detaillierte Seitenansicht einer Ausführungsform des Abgasdiffusors
von 2 ist, bei der Wärmetauscherelemente des HRSG
von 1 in dessen Komponenten integriert sind;
-
4 eine
Schnittansicht einer Ausführungsform
einer Auslassgehäusestrebe
ist, wie sie in dem Abgasdiffusor von 3 integriert
in Wärmetauscherelemente
des HRSG von 1 verwendet werden kann;
-
5 eine
detaillierte Seitenansicht einer Ausführungsform eines Abgasdiffusors
ist, bei dem mehrere Komponenten in Wärmetauscherelemente des HRSG
von 1 integriert sind; und
-
6 ein
Ablaufdiagramm einer Ausführungsform
eines Verfahrens zum Erzeugen von Heißdampf in dem Abgasdiffusor
der 2, 3 und 5 ist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Eine
oder mehrere spezifische Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem
Bemühen,
eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können nicht
alle Merkmale einer tatsächlichen
Implementation in der Beschreibung beschrieben werden. Es dürfte sich
verstehen, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen
Implementation wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt
zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden
müssen,
um die spezifischen Ziele des Entwicklers, wie z. B. Übereinstimmung
mit systembezogenen und geschäftsbezogenen
Einschränkungen
zu erzielen, welche von einer Implementation zur anderen variieren
können. Ferner
dürfte
erkennbar sein, dass eine derartige Entwicklungsanstrengung komplex
und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem ein Routineunternehmen
hinsichtlich Auslegung, Herstellung und Fertigung für den normalen
Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenlegung wäre.
-
Wenn
Elemente verschiedener Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel ”einer,
eines, eine”, ”der, die,
das” und ”besagter,
besagte, besagtes” die
Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden
sein kann. Die Begriffe ”aufweisend”, ”enthaltend” und ”habend” sollen
einschließend
sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente außer den
aufgelisteten Elementen vorhanden sein können. Alle Beispiele von Betriebsparametern
und/oder Umgebungsbedingungen schließen weitere Parameter/Bedingungen
der offengelegten Ausführungsformen
nicht aus.
-
In
bestimmten Ausführungsformen
beinhalten die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren die Integration
von Wärme tauscherelementen
in verschiedenen Komponenten eines Gasturbinen-Abgasdiffusors. In
verschiedenen Ausführungsformen können die
Wärmetauscherelemente
in Einlassumlenkschaufeln, Auslassgehäusestreben, Austrittsleitschaufeln,
zugeordnete Unterstützungsstrukturen und
andere Komponenten des Abgasdiffusors integriert sein. Zusätzlich können in
bestimmten Ausführungsformen
die Wärmetauscherelemente
in mehrere Komponenten nur eines Abgasdiffusors integriert sein.
Ferner können
in bestimmten Ausführungsformen
die Wärmetauscherelemente
in die Abgasdiffusorkomponenten in einem aerodynamischen Profil integriert
sein, welches sowohl die Wärmetauscherelemente
als auch die zugeordnete Komponente des Abgasdiffusors umgeben kann.
Die Verwendung von aerodynamischen Profilen kann dazu beitragen,
bestimmte aerodynamische Eigenschaften des heißen Abgases, das über die
Abgasdiffusorkomponenten strömt,
sicherzustellen.
-
1 ist
ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Kombinationszyklus-Energieerzeugungssystems 10 mit
einer Gasturbine, einer Dampfturbine und einem HRSG. Das System 10 kann
eine Gasturbine 12 zum Betreiben einer ersten Last 14 enthalten.
Die erste Last 14 kann beispielsweise ein elektrischer
Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie sein. Die Gasturbine 12 kann
eine Arbeitsturbine 16, eine Brennkammer oder einen Brennraum 18 und
einen Verdichter 20 enthalten. Das System 10 kann
auch eine Dampfturbine 22 zum Betreiben einer zweiten Last 24 enthalten.
Die zweite Last 24 kann ebenfalls ein elektrischer Generator
zum Erzeugen von elektrischer Energie sein. Jedoch können sowohl
die erste als auch die zweite Last 14, 24 andere
Arten von Lasten sein, die von der Gasturbine 12 und der
Dampfturbine 22 angetrieben werden können. Zusätzlich können, obwohl die Gasturbine 12 und
Dampfturbine 22 getrennte Lasten 14 und 24 antreiben
können,
wie es in der veranschaulichten Ausführungsform dargestellt ist,
die Gasturbine 12 und Dampfturbine 22 auch in
Reihe ge schaltet genutzt werden, um nur eine Last über nur
eine Welle anzutreiben. In der dargestellten Ausführungsform kann
die Dampfturbine 22 einen Niederdruckabschnitt 26 (LP
ST), einen Zwischendruckabschnitt 28 (IP ST) und einen
Hochdruckabschnitt 30 (HP ST) enthalten. Jedoch kann die
spezifische Konfiguration der Dampfturbine 22 sowie der
Gasturbine 12 implementationsspezifisch sein und kann jede
Kombination von Abschnitten enthalten.
-
Das
System 10 kann auch einen mehrstufigen HRSG 32 beinhalten.
Die Komponenten des HRSG 32 in der veranschaulichten Ausführungsform sind
eine vereinfachte Darstellung des HRSG 32 und sind nicht
als einschränkend
gedacht. Stattdessen ist der veranschaulichte HRSG 32 dafür dargestellt,
den allgemeinen Betrieb derartiger HRSG-Systeme wiederzugeben. Das
heiße
Abgas 34 aus der Gasturbine 12 kann in dem HRSG 32 transportiert
und zum Erwärmen
von Dampf verwendet werden, der für den Antrieb der Dampfturbine 22 genutzt
wird. Abdampf aus dem Niederdruckabschnitt 26 der Dampfturbine 22 kann
in einen Kondensator 36 geleitet werden. Kondensat aus
dem Kondensator 36 kann wiederum in einen Niederdruckabschnitt
des HRSG 32 mithilfe einer Kondensatpumpe 38 geleitet
werden.
-
Das
Kondensat kann dann durch einen Niederdruckvorwärmer 40 (ND-VORW.)
strömen,
welcher eine Vorrichtung ist, die dafür konfiguriert ist, Speisewasser
mit Gasen zu erwärmen.
Aus dem Niederdruckvorwärmer 40 kann
das Kondensat entweder in einen Niederdruckverdampfer 42 (ND-VERD.) oder
zu einem Zwischendruckvorwärmer 44 (ZD-VORW.)
geleitet werden. Dampf aus dem Niederdruckverdampfer 42 kann
an den Niederdruckabschnitt 26 der Dampfturbine 22 zurückgeführt werden.
Ebenso kann aus dem Zwischendruckvorwärmer 44 das Kondensat
entweder in einen Zwischendruckverdampfer 46 (ZD-VERD.)
oder zu einem Hochdruckvorwärmer 48 (HD-VORW.)
geführt
werden. Zusätzlich
kann Dampf aus dem Zwischendruckvorwärmer 44 an einen (nicht
dargestellten) Brennstoffgaserhitzer geführt werden, wo der Dampf dazu
genutzt werden kann, Brennstoffgas für die Verwendung in der Brennkammer 18 der
Gasturbine 12 zu erwärmen.
Dampf aus dem Zwischendruckverdampfer 46 kann zu dem Zwischendruckabschnitt 28 der
Dampfturbine 22 geführt
werden. Wiederum können
die Verbindungen zwischen den Vorwärmern, Verdampfern und der
Dampfturbine 22 über
den Implementationen variieren, da die dargestellte Ausführungsform
lediglich für
den allgemeinen Betrieb eines HRSG-Systems veranschaulichend ist,
das außergewöhnliche
Aspekte der vorliegenden Ausführungsformen
einsetzen kann.
-
Schließlich kann
Kondensat aus dem Hochdruckvorwärmer 48 in
einen Hochdruckverdampfer 50 (HD-VERD.) geführt werden.
Den Hochdruckverdampfer 50 verlassender Dampf kann in einen
primären
Hochdrucküberhitzer 52 und
in einen abschließenden
Hochdrucküberhitzer 54 geführt werden,
in welchem der Dampf überhitzt
wird und schließlich
an den Hochdruckabschnitt 30 der Dampfturbine 22 geführt wird.
Abdampf aus dem Hochdruckabschnitt 30 der Dampfturbine 22 kann
wiederum in den Zwischendruckabschnitt 28 der Dampfturbine 22 geführt werden,
und Abdampf aus dem Zwischendruckabschnitt 28 der Dampfturbine 22 kann
in den Niederdruckabschnitt 26 der Dampfturbine 22 geführt werden.
-
Ein
Zwischenstufenkühler 56 kann
zwischen dem primären
Hochdrucküberhitzer 52 und
dem abschließenden
Hochdrucküberhitzer 54 angeordnet sein.
Der Zwischenstufenkühler 56 kann
eine robustere Steuerung der Abdampftemperatur des Dampfes aus dem
abschließenden
Hochdrucküberhitzer 54 ermöglichen.
Insbesondere kann der Zwischenstufenkühler 56 dafür konfiguriert
sein, die Temperatur des den abschließenden Hochdrucküberhitzer 54 verlassenden
Dampfes durch Einspritzen eines Kühler- Speisewasserstrahls in den Heißdampfstrom stromaufwärts vor
dem abschließenden
Hochdrucküberhitzer 54 zu
steuern, sobald die Abgastemperatur des den abschließenden Hochdrucküberhitzers 54 verlassenden
Dampfes einen vorbestimmten Wert überschreitet.
-
Zusätzlich kann
Abdampf aus dem Hochdruckabschnitt 30 der Dampfturbine 22 in
einen primären
Zwischenüberhitzer 58 und
einen sekundären Zwischenüberhitzer 60 geführt werden,
wo er, bevor er in den Zwischendruckabschnitt 28 der Dampfturbine 22 geleitet
wird, zwischenerhitzt wird. Der primäre Zwischenüberhitzer 58 und sekundäre Zwischenüberhitzer 60 können auch
einen Zwischenstufenkühler 62 zur
Steuerung der Abdampftemperatur aus den Zwischenüberhitzern zugeordnet sein.
Insbesondere kann der Zwischenstufenkühler 62 dafür konfiguriert sein,
die Temperatur des den sekundären
Zwischenüberhitzer 60 verlassenden
Dampfes durch Einspritzen eines Kühler-Speisewasserstrahls in
den Heißdampfstrom
stromaufwärts
vor dem sekundären
Zwischenüberhitzer 60 zu
steuern, sobald die Abdampftemperatur des den sekundären Zwischenüberhitzers 60 verlassenden
Dampfes einen vorbestimmten Wert überschreitet.
-
In
Kombinationszyklussystemen, wie z. B. dem System 10, kann
heißes
Abgas aus der Gasturbine 12 strömen und den HRSG 32 passieren
und kann zum Erzeugen von Hochdruck/Hochtemperatur-Dampf verwendet
werden. Der durch den HRSG 32 erzeugte Dampf kann dann
durch die Dampfturbine 22 zur Energieerzeugung geführt werden.
Zusätzlich
kann der erzeugte Dampf auch beliebigen anderen Prozessen zugeführt werden,
bei denen Heißdampf
verwendet werden kann. Der Erzeugungszyklus der Gasturbine 12 wird
oft als der ”Vorschalt-Zyklus” bezeichnet,
während
der Erzeugungszyklus der Dampfturbine 22 oft als der ”Nachschalt-Zyklus” bezeichnet
wird. Durch Kombination dieser zwei Zyklen gemäß Darstellung in 1 kann
das Kombinationszyklus-Ener gieerzeugungssystem 10 zu größeren Wirkungsgraden
in beiden Zyklen gelangen. Insbesondere kann Abgaswärme aus
dem Vorschalt-Zyklus erfasst und zum Erzeugen von Dampf zur Verwendung
in dem Nachschalt-Zyklus genutzt werden.
-
Daher
ist ein Aspekt des Kombinationszyklus-Energieerzeugungssystems 10 die
Fähigkeit, Wärme aus
dem heißen
Abgas 34 unter Einsatz des HRSG 32 zurückzugewinnen.
Gemäß Darstellung
in 1 können
Komponenten der Gasturbine 12 und des HRSG 32 in
diskrete Funktionseinheiten getrennt sein. Mit anderen Worten, die
Gasturbine 12 kann das heiße Abgas 34 erzeugen
und das heiße
Abgas 34 dem HRSG 32 zuführen, welcher primär für die Rückgewinnung
der Wärme
aus dem heißen
Abgas 34 durch Erzeugen von Heißdampf verantwortlich ist. Der
Heißdampf
kann dann wiederum durch die Dampfturbine 22 als eine Energiequelle
genutzt werden. Das heiße
Abgas 34 kann an den HRSG 32 über eine Reihe von Rohrsystemen
zugeführt
werden, welche auf der Basis der spezifischen Auslegung des Kombinationszyklus-Energieerzeugungssystems 10 variieren
können.
-
Eine
detailliertere Veranschaulichung, wie die Gasturbine 12 funktioniert,
kann zur Veranschaulichung beitragen, wie das heiße Abgas 34 aus
der Gasturbine 12 an den HRSG 32 übertragen
werden kann. Demzufolge ist 2 eine detaillierte
Seitenansicht einer Ausführungsform
der Gasturbine 12 von 1, bei der
Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 von 1 in Komponenten eines Abgasdiffusors
der Gasturbine 12 integriert sind. Wie gemäß 1 beschrieben,
kann die Gasturbine 12 die Arbeitsturbine 16,
die Brennkammer 18 und den Verdichter 20 enthalten.
Luft kann durch einen Lufteinlass 64 eintreten und durch
den Verdichter 20 verdichtet werden. Anschließend kann
die verdichtete Luft aus dem Verdichter 20 in die Brennkammer 18 geleitet
werden, in welcher die verdichtete Luft mit Brennstoffgas vermischt
werden kann. Das Brennstoffgas kann in die Brennkammer 18 über mehrere Brennstoffdüsen 66 eingespritzt
werden. Das Gemisch aus verdichteter Luft und Brennstoffgas wird im
Wesentlichen in der Brennkammer 18 verbrannt, um ein Hochtemperatur/Hochdruck-Verbrennungsgas
zu erzeugen, das zum Erzeugen von Drehmoment in der Arbeitsturbine 16 verwendet
werden kann. Ein Rotor der Arbeitsturbine 16 kann mit einem Rotor
des Verdichters 20 gekoppelt sein, sodass eine Drehung
der Arbeitsturbine 16 auch eine Drehung des Rotors des
Verdichters 20 bewirken kann. Auf diese Weise treibt die
Arbeitsturbine 16 den Verdichter 20 sowie die
Last 14 an. Abgas aus dem Arbeitsturbinenabschnitt 16 der
Gasturbine 12 kann in einen Abgasdiffusor 68 geleitet
werden. In der Ausführungsform
von 2 kann der Abgasdiffusor 68 ein radialer
Abgasdiffusor sein, wodurch das Abgas durch Austrittsleitschaufeln 70 umgelenkt
werden kann, um den Abgasdiffusor 68 über eine 90-Grad-Wendung nach außen (d. h., radial) über einen
(nicht dargestellten) Abgassammelraum zu dem HRSG 32 hin
zu verlassen. In weiteren Ausführungsformen
kann der Abgasdiffusor 68 ein axialer Abgasdiffusor sein,
wodurch das Abgas aus dem Arbeitsturbinenabschnitt 16 dem
HRSG 32 axial (d. h., in einem einzigen direkten Pfad ohne
90 Grad-Wendung) geführt
werden kann.
-
Ein
weiterer Aspekt von bestimmten Komponenten des Abgasdiffusors 68,
zusätzlich
zur Führung
des heißen
Abgases 34 zu dem HRSG 32, kann die Sicherstellung
sein, dass gewisse aerodynamische Eigenschaften des heißen Abgases 34 erzielt werden.
Beispielsweise kann eine in 2 dargestellte
Auslassgehäusestrebe
mit einem um diese herum angeordneten aerodynamischen Profil versehen
sein. Die Auslassgehäusestrebe 72 kann
auch so gedreht sein, dass ein Drall des Abgases 34 minimiert
werden kann und die Strömung
des heißen
Abgases 34 im Wesentlichen axialer Art sein kann, bis sie
durch die Austrittsleitschaufeln 70 strömt. Zusätzlich können auch die Austrittsleitschaufeln 70 so
ausgelegt sein, dass, wenn das heiße Abgas 34 in einem Winkel
von 90 Grad zu dem Abgassammelraum umgelenkt wird, die Austrittsleitschaufeln 70 den
aerodynamischen Verlust minimieren, der durch die Wendung der Strömung um
90 Grad in radialer Richtung erzeugt wird. Daher kann eine korrekte
aerodynamische Auslegung der Auslassgehäusestrebe 72, der Austrittsleitschaufeln 70,
sowie weiterer Komponenten des Abgasdiffusors 68 in dem
Strömungspfad des
heißen
Abgases 34 ein Auslegungsgesichtspunkt sein.
-
Gemäß Darstellung
in den 1 und 2 kann eine erhebliche Anzahl
von Elementen in dem HRSG 32 und dem Abgasdiffusor 68 verwendet
werden. Ferner können
diese Komponenten eine große Menge
an Platz in dem Kombinationszyklus-Energieerzeugungssystem 10 belegen.
Die offenbarten Ausführungsformen
können
dazu beitragen, den Gesamtflächenbedarf
des HRSG 32 zu minimieren. Insbesondere kombinieren die
offengelegten Ausführungsformen
Funktionalitäten
bestimmter Komponenten des HRSG 32 und des Abgasdiffusors 68. Beispielsweise
können
viele von den Komponenten des HRSG 32 im Wesentlichen Wärmetauscherelemente
(z. B. Überhitzer,
Zwischenüberhitzer,
Verdampfer, Vorwärmer
usw.) sein, die Wärme
aus dem heißen
Abgas 34 an eine Wasserquelle zum Erzeugen von Heißdampf übertragen
können.
Somit tragen die offengelegten Ausführungsformen dazu bei, den Gesamtflächenbedarf
des HRSG 32 und des Abgasdiffusors 68 wenigstens
teilweise zu verringern, indem bestimmte von diesen Wärmetauscherelementen
in Abschnitte des Abgasdiffusors 68 verlagert werden, wobei
die Wärmetauscherelemente
ihre Austauschfunktionen in einer anderen Einheit (z. B. dem Abgasdiffusor 68 anstelle
des HRSG 32) ausführen.
Insbesondere ermöglicht
die Verlagerung von Wärmetauscherelementen
des HRSG 32 in den Abgasdiffusor 68 erhebliche
Größen-(z.
B. Längen)-Verringerungen des
HRSG 32, ohne (oder mit geringer) Größenzunahme des Abgasdiffusors 68.
-
Die
Integration des HRSG 32 und des Abgasdiffusors 68 kann
spezielle Auslegungsgesichtspunkte mit sich bringen. Ein Grund dafür ist, dass HRSG-Systeme,
wie z. B. der HRSG 32, oft als eigenständige Einheiten hergestellt
und installiert werden, die einige von den Wärmetauscherelementen enthalten,
die für
eine Verlagerung in den Abgasdiffusor 68 geeignet sind.
Daher kann sich eine Nachrüstung
bestehender Abgasdiffusoren 68 mit Wärmetauscherelementen des HRSG 32 als
etwas problematisch erweisen. Jedoch können die offengelegten Ausführungsformen
sowohl eine Nachrüstung
bestehender Systeme als auch die Herstellung kompletter Pakete mit
integrierten Merkmalen ermöglichen.
Obwohl Nachrüstbausätze derzeit
in Betracht gezogen werden, kann die Integration der Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 in den Abgasdiffusor 68 üblicher sein,
und die Auslegung, Herstellung und Installation des HRSG 32 und
des Abgasdiffusors 68 als ein integriertes Paket mit sich
bringen. In bestimmten Ausführungsformen
kann der HRSG 32 als ein integriertes Paket mit der Gasturbine 12 als
der Hauptkomponente ausgelegt, hergestellt und installiert werden.
-
Somit
kann das integrierte Paket eine Gasturbine 12 oder irgendeine
eine austauschbare oder nachrüstbare
Komponente (z. B. der Abgasdiffusor 68) sein, welches integrierte
Wärmetauscherelemente
zur Verwendung mit dem HRSG 32, der Dampfturbine 22 oder
irgendeinem anderen System enthält. Das
erste integrierte Paket kann alleine oder zusammen mit einem komplementären Paket,
wie z. B. dem HRSG 32, der Dampfturbine 22 usw.
verkauft werden. Das zweite Paket (z. B. der HRSG 32) kann
wenigstens teilweise von dem ersten Paket abhängen, da einige von den Wärmetauscherelementen
in dem ersten Paket integriert sind. Jedoch kann in einigen Ausführungsformen
das zweite Paket optionale Wärmetauscherelemente
haben, welche modulare/entfernbare Einheiten sein können, um
eine optionale Integra tion mit dem ersten Paket entweder zum Zeitpunkt
der Bestellung oder bei einem zukünftigen Datum zu ermöglichen.
-
3 ist
eine detaillierte Seitenansicht einer Ausführungsform des Abgasdiffusors 68 von 2, bei
dem Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 von 1 in seine Komponenten integriert
sind. Insbesondere stellt 3 einen
axialen Abgasdiffusor 68 dar, in welchem Wärmetauscherelemente
in eine Auslassgehäusestrebe 72 des
Abgasdiffusors 68 integriert sein können. Einlassdampfrohre 74 können in
die Auslassgehäusestrebe 72 eintreten
und Auslassdampfrohre 76 können aus der Auslassgehäusestrebe 72 austreten.
Demzufolge kann Dampf durch die Einlassstromrohre 74 eintreten,
durch zusätzliche innere
Dampfrohre 78 strömen
und über
Auslassdampfrohre 76 austreten. Der durch die Dampfrohre 74, 76, 78 strömende Dampf
kann durch das durch den Abgasdiffusor 68 strömende heiße Abgas 34 erhitzt
werden. Obwohl die dargestellte Ausführungsform die Einlass- und
Auslassdampfrohre 74, 76 durch einen oberen Abschnitt
des Abgasdiffusors 68 in die Auslassgehäusestrebe 72 eintretend
und austretend darstellt, können
die Einlass- und Auslassdampfrohre 74, 76 tatsächlich an
jeder geeigneten Stelle innerhalb des Abgasdiffusors 68 angeordnet sein.
Beispielsweise können
die Einlass- und Auslassdampfrohre 74, 76 auch
unterhalb oder auf einer Seite des Abgasdiffusors 68 angeordnet
sein. Jedoch können
unabhängig
von der Lage der Einlass- und Auslassdampfrohre 74, 76 die
Dampfrohre 74, 76, 78 so ausgelegt sein,
dass sie nicht nachteilig die Funktionalität der Auslassgehäusestrebe 72 beeinträchtigen.
Zusätzlich
zur Funktion als Stütze
des Außengehäuses 80 des
Abgasdiffusors 68, so wie hierin beschrieben, kann die
Auslassgehäusestrebe 72 auch zur
Sicherstellung beitragen, dass bestimmte aerodynamische Eigenschaften
des heißen
Abgases 34 erzielt werden.
-
4 ist
eine Schnittansicht einer Ausführungsform
einer Auslassgehäusestrebe 72,
wie sie in dem Abgasdiffusor 68 von 3 verwendet
werden kann, integriert in Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 von 1. Ein Hauptstrebenabschnitt 82 der
Auslassgehäusestrebe 72 kann
von einem aerodynamischen Profil 84 der Strebe umgeben
sein. Das aerodynamischen Profil 84 der Strebe kann gewisse aerodynamische
Eigenschaften zur Verbesserung oder Steuerung der Strömung des
heißen
Abgases 34 durch den Abgasdiffusor 68 beitragen.
Beispielsweise kann das aerodynamische Profil 84 der Strebe zur
Sicherstellung beitragen, dass das heiße Abgas 34 axial
durch den Abgasdiffusor 68 strömt.
-
Jedoch
können
in dieser Ausführungsform die
in Bezug auf 3 beschriebenen Dampfrohre 74, 76, 78 auch
in dem aerodynamischen Profil 84 der Strebe angeordnet
sein. In der dargestellten Ausführungsform
können
die Dampfrohre 74, 76, 78 in einem hinteren
Abschnitt 86 des aerodynamischen Profils 84 der
Strebe angeordnet sein. Jedoch können
in anderen Ausführungsformen
die Dampfrohre 74, 76, 78 an anderen
Abschnitten angeordnet sein, wie z. B. in einem vorderen Abschnitt 88 des
aerodynamischen Profils 84 der Strebe, um die Wärmeübertragungskapazitäten der
Dampfrohre 74, 76, 78 bezogen auf das über das
aerodynamische Profil 84 der Strebe strömende Abgas 34 zu
maximieren. Zusätzlich
ist die spezielle dargestellte Ausführungsform, in welcher die
Dampfrohre 74, 76, 78 in dem aerodynamischen
Profil 84 der Strebe angeordnet sein können, lediglich veranschaulichend
und nicht als Einschränkung
gedacht. Beispielsweise können
weitere Konstruktionen eingesetzt werden, wie z. B. die Anordnung
der Dampfrohre 74, 76, 78 an anderen
Stellen der Auslassgehäusestrebe 72.
Im Wesentlichen dient die dargestellte Ausführungsform wenigstens drei
Funktionen, welche die strukturelle Unterstützung, Aerodynamik und den
Wärmeaustausch
für ein externes
System (z. B. den HRSG 32) beinhalten. Somit ermöglicht die
Ausführungsform
von 4, wie dargestellt oder in weiteren geeigneten
Anordnungen, eine angemessene Wärmeübertragung
zwischen den Dampfrohren 74, 76, 78 und
dem heißen Abgas 34,
während
sie gleichzeitig der Auslassgehäusestrebe 72 ermöglicht,
in angemessener Weise ihre weiteren Funktionen (z. B. die Sicherstellung
bestimmter aerodynamischer Eigenschaften des heißen Abgases 34) zu
erfüllen.
Jedoch können
die Wärmetauscherelemente
in einer Vielfalt aerodynamischer oder nicht-aerodynamischer Komponenten, tragender
oder nicht-tragender Komponenten usw. integriert sein. Trotzdem
kann die Kombination mehrerer Funktionalitäten Kosten reduzieren, Platzbedarf reduzieren,
Betriebsverhalten verbessern und weitere Vorteile bereitstellen.
-
5 ist
eine detaillierte Seitenansicht einer Ausführungsform eines Abgasdiffusors 68,
bei dem mehrere Komponenten in Wärmetauscherelementen des
HRSG von 1 integriert sind. Insbesondere veranschaulicht 5 einen
radialen Abgasdiffusor 68 und mehrere unterschiedliche
Komponenten mit integrierten Wärmetauscherelementen
des HRSG 32. Insbesondere ist die detaillierter in den 3 und 4 beschriebene
Auslassgehäusestrebe 72 dargestellt.
-
Zusätzlich kann
das heiße
Abgas 34 vor dem Eintritt in den stromaufwärts befindlichen
Abschnitt 90 des Abgasdiffusors 68 Einlassumlenkschaufeln 92 passieren.
Diese Einlassumlenkschaufeln 92 können beispielsweise eine Reihe
von Schaufeln sein, die speziell dafür konfiguriert sind, den Drall
aus dem heißen
Abgas 34 zu beseitigen und dadurch eine Druckrückgewinnung
zu steigern. Diese Funktionalität ähnelt in
gewisser Weise der der in 4 beschriebenen
Auslassgehäusestrebe 72.
Jedoch können
die Einlassumlenkschaufeln 92 speziell für eine derartige
aerodynamische Funktionalität
ausgelegt sein, während
die Auslassgehäusestrebe 72 speziell für die Unterstützungs funktionalität ausgelegt
sein kann. Trotzdem können
die offengelegten Ausführungsformen
aerodynamische und Wärmetauscherelemente
zu der Auslassgehäusestrebe 72 hinzufügen, sodass
das aerodynamische Profil 84 der Strebe zur Reduzierung
des Dralls beitragen kann und die Dampfrohre 74, 76, 78 Wärme übertragen
können.
Ebenso können
die offengelegten Ausführungsformen
Wärmetauscherelemente
zu den Einlassumlenkschaufeln 92 hinzufügen, sodass die Einlassumlenkschaufeln 92 die
Strömung
steuern, den Drall verringern und Wärme über die Dampfrohre 74, 76, 78 übertragen.
Die Einlassumlenkschaufeln 92 können als solche mit größerer Schaufelanzahl
und dünnerer
Auslegung des aerodynamischen Profils als dem der Auslassgehäusestreben 72 gekennzeichnet sein.
Demzufolge können
in Ausführungsformen,
in welchen Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 in die Einlassumlenkschaufeln 92 integriert
sind, die in die Einlassumlenkschaufeln 92 integrierten
Wärmetauscherelemente
etwa kleiner und höher
in der Anzahl sein.
-
Zusätzlich können die
in 2 beschriebenen Austrittsleitschaufeln 70 ebenfalls
zur Integration in Wärmetauscherelemente
aus dem HRSG 32 verwendet werden. Das heiße Abgas 34 kann
durch den stromaufwärts
befindlichen Abschnitt 90 des Abgasdiffusors 68 und
dann durch den stromabwärts
befindlichen Abschnitt des Abgasdiffusors 68 geleitet werden.
Stromabwärts
von einer Austrittsebene des stromabwärts befindlichen Abschnittes 94 des
Abgasdiffusors 68 können
die Austrittsleitschaufeln 70 dazu genutzt werden, das
heiße
Abgas 34 in einer 90 Grad-Biegung zu einem Abgassammelraum 96 umzulenken,
welcher das heiße
Abgas 34 zu dem HRSG 32 führt. Die Austrittsleitschaufeln 70 können so
ausgelegt sein, dass sie eine Flächenausdehnung durch
den Abgassammelraum 96 steuern, statt eine plötzliche
Ausdehnung zuzulassen. Somit können die
Austrittsleitschaufeln 70 die Druckrückgewinnung verbessern. Gemäß Darstellung
können
die Austrittsleitschaufeln 70 etwas größer als die Einlassumlenkschaufeln 92 sein.
Daher können
in Ausführungsformen,
in welchen Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 in die Austrittsleitschaufeln 70 integriert sind,
die verwendeten Wärmetauscherelemente
in den Austrittsleitschaufeln 70 wiederum etwas größer als
die bei den Einlassumlenkschaufeln 92 verwendeten sein.
-
Zusätzlich kann
eine Unterstützungsstruktur 98,
wie z. B. Unterstützungsrohre
verwendet werden, um die Austrittsleitschaufeln 70 zu unterstützen und kann
auch dazu genutzt werden, um Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 in dem Abgasdiffusor 68 zu integrieren.
Insbesondere können
die Wärmetauscherelemente
in der Unterstützungsstruktur 98 angeordnet
werden. Ferner können
in bestimmten Ausführungsformen
Wärmetauscherelemente
sowohl innerhalb der Unterstützungsstruktur 98 als auch
den Austrittsleitschaufeln 70 in Verbindung miteinander
verwendet werden, da die Unterstützungsstruktur 98 in
direktem Kontakt mit den Austrittsleitschaufeln 70 stehen
kann. Daher können
sich in diesen Ausführungsformen
bestimmte Wärmetauscherelemente
durch die Unterstützungsstruktur 98 in
die Austrittsleitschaufeln 70 hinein und dann zurück durch
die Unterstützungsstruktur 98 erstrecken.
-
In
bestimmten Ausführungsformen
können Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 in mehrere Komponenten nur eines Abgasdiffusors 68 integriert sein.
Mit anderen Worten, in nur einem Abgasdiffusor 68 können Wärmetauscherelemente
beispielsweise in eine oder mehrere Einlassumlenkschaufeln 92, eine
oder mehrere Auslassgehäusestreben 72,
eine oder mehrere Austrittsleitschaufeln 70, eine oder mehrere
Unterstützungsstrukturen 98 oder
eine Kombination davon integriert sein. Der Umfang der Integration
von Wärmetauscherelementen
des HRSG 32 in mehrere Komponenten des Abgasdiffusors 68 kann
von den speziellen Kon struktionsbedingungen sowohl des Abgasdiffusors 68 als
auch des HRSG 32 abhängen.
-
Zusätzlich können, obwohl
die hierin diskutierten offengelegten Ausführungsformen die Integration
von Wärmetauscherelementen
des HRSG 32 in Einlassumlenkschaufeln 92, Auslassgehäusestreben 72,
Austrittsleitschaufeln 70 und Unterstützungsstrukturen 98 darstellen,
die offengelegten Ausführungsformen
auch auf weitere Komponenten des Abgasdiffusors 68 erweitert
werden. Tatsächlich
kann jede Komponente in einem Abgaspfad des Abgasdiffusors 68,
die Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 integrieren kann, die Verfahren der offengelegten Ausführungsformen
nutzen. Beispielsweise können Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 auch in die Außengehäuse 80 des Abgasdiffusors 68 integriert und
in einer solchen Weise ausgelegt sein, dass die integrierten Wärmetauscherelemente
die Strömung des
heißen
Abgases 34 durch den Abgasdiffusor 68 nicht nachteilig
beeinträchtigen
(sondern tatsächlich verbessern).
-
Obwohl
sich die hierin beschriebenen offengelegten Ausführungsformen im Wesentlichen
auf die Integration von Wärmetauscherelementen
des HRSG 32 in Komponenten eines Gasturbinen-Abgasdiffusors 68 beziehen,
sollte angemerkt werden, dass in bestimmten Ausführungsformen die Wärmetauscherelemente
in andere Komponenten in einem Abgaspfad der Gasturbine 12 integriert
werden können.
Beispielsweise können
Wärmetauscherelemente
des HRSG 32 auch in Komponenten stromabwärts von
dem Arbeitsturbinenabschnitt 16 der Gasturbine 12,
jedoch stromaufwärts
vor dem Abgasdiffusor 68 integriert werden. Zusätzlich können die
Wärmetauscherelemente
in die Komponenten stromabwärts von
dem Abgasdiffusor 68, aber stromaufwärts vor dem HRSG 32 integriert
werden. Ferner können
die Wärmetauscherelemente
tatsächlich
in Komponenten in einem Abgaspfad jedes Maschinentyps integriert
werden, welcher heißes
Abgas in dem Abgaspfad der Maschine abgibt.
-
Unabhängig von
den eingesetzten speziellen Konfigurationen (d. h., der Kombination,
in welche Komponenten mit Wärmetauscherelementen
des HRSG 32 integriert sind) können die Verfahren zum Erzeugen
von Heißdampf
unter Verwendung der in die Komponenten des Abgasdiffusors 68 integrierten Wärmetauscherelemente
im Wesentlichen ähnlich sein.
Insbesondere ist 6 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform
eines Verfahrens 100 zum Erzeugen von Heißdampf in
dem Abgasdiffusor 68 der 2, 3 und 5.
Bei dem Schritt 102 kann heißes Abgas 34 aus der
Gasturbine 12 ausgegeben werden. Wie vorstehend diskutiert,
kann das heiße Abgas 34 die
Wärme bereitstellen,
welche an eine Wasserquelle zum Erzeugen von Heißdampf übertragen wird. Bei dem Schritt 104 kann
das heiße
Abgas 34 durch den Abgasdiffusor 68 der Gasturbine 12 geführt werden.
Wie hierin diskutiert, können
mehrere von den Komponenten des Abgasdiffusors 68 eine Strömungssteuerung
dergestalt bereitstellen, dass das heiße Abgas 34 mit minimalem
Verlust durch den Abgasdiffusor 68 geleitet wird.
-
Bei
dem Schritt 106 kann Wärme
aus dem heißen
Abgas 34 an eine Wasserquelle zum Erzeugen von Heißdampf übertragen
werden, welcher beispielsweise durch den HRSG 32 zur letztlichen
Nutzung durch die Dampfturbine 22 geführt wird. Wie hierin unter
Bezugnahme auf die offenbarten Ausführungsformen diskutiert, kann
die Wärme
aus dem heißen
Abgas 34 an die Wasserquelle unter Verwendung von Wärmetauscherelementen übertragen
werden, die in Komponenten des Abgasdiffusors 68 integriert
sind. Diese Komponenten können
die Einlassumlenkschaufeln 92, die Auslassgehäusestreben 72,
die Austrittsleitschaufeln 70, die Unterstützungsstrukturen 98,
sowie beliebige weitere Kom ponenten des Abgasdiffusors 68 umfassen,
in die Wärmetauscherelemente
integriert werden können.
-
Schließlich kann
bei dem Schritt 108 der erzeugte Heißdampf an den HRSG 32 geliefert
werden, welcher den Heißdampf
als eine Energiequelle nutzt. Jedoch kann, obwohl sich die offenbarten
Ausführungsformen
im Wesentlichen auf Szenarien beziehen, in welchen der Heißdampf an
eine Dampfturbine durch den HRSG 32 geliefert wird, der
Heißdampf auch
an beliebige andere Prozesse innerhalb oder außerhalb des Kombinationszyklus-Energieerzeugungssystems 10 geliefert
werden, welche in der Lage sind, den Heißdampf als Wärme- oder
Energiequelle zu nutzen. Beispielsweise kann der Heißdampf unter
anderem zum Erwärmen
des Brennstoffgases verwendet werden, das in der Brennkammer 18 der
Gasturbine 12 genutzt wird. Mit anderen Worten, obwohl
die Wärmetauscherelemente
als charakteristischer Bestandteil des HRSG 32 in mehreren von
den hierin offengelegten Ausführungsformen
bezeichnet wurden, können
die Wärmetauscherelemente
auch in weitere externe Dampferzeugungsprozesse einbezogen sein.
-
Daher
ermöglichen
die offengelegten Ausführungsformen
die Integration von Wärmetauscherelementen
des HRSG 32 in verschiedene Komponenten des Abgasdiffusors 68,
wie z. B. in die Einlassumlenkschaufeln 92, die Auslassgehäusestreben 72,
die Austrittsleitschaufeln 70, die Unterstützungsstrukturen 98 usw.
Die Wärmetauscherelemente
können
mit den Komponenten des Abgasdiffusors 68 in jeder Weise
gekoppelt werden, welche die Verwendung des heißen Abgases 34 als
eine Wärmequelle zur Übertragung
an eine Wasserquelle zur Erzeugung von Heißdampf ermöglicht. Die Wärmetauscherelemente
können
auch mit Komponenten des Abgasdiffusors 68 in einer Weise
gekoppelt werden, die die Umwandlung der kinetischen Energie des
heißen
Abgases 34 in eine potentielle Energie in der Form eines
erhöhten
sta tischen Druckes ermöglicht. Wie
vorstehend diskutiert, kann ein Vorteil der offengelegten Ausführungsformen
in der Reduzierung der Gesamtlänge
des HRSG 32 durch eine Verlagerung bestimmter Wärmetauscherelemente
in die Komponenten des Abgasdiffusors 68 bestehen.
-
Obwohl
nur bestimmte Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und
beschrieben wurden, werden viele Modifikationen und Änderungen für den Fachmann
auf diesem Gebiet ersichtlich sein. Es dürfte sich daher verstehen,
dass die beigefügten Ansprüche alle
derartigen Modifikationen und Änderungen
abdecken sollen, soweit sie in den tatsächlichen Erfindungsgedanken
der Erfindung fallen.
-
Es
werden Systeme und Verfahren zum Integrieren von Wärmetauscherelementen 74, 76, 78 von HRSG-Systemen 32 in
Gasturbinen-Abgasdiffusoren 68 in den offengelegten Ausführungsformen
bereitgestellt. Die Systeme und Verfahren können die Integration von Wärmetauscherelementen 74, 76, 78, wie
z. B. Dampfrohre in verschiedene Komponenten 70, 72, 92, 98 eines
Abgasdiffusors 68 beinhalten. Beispielsweise können die
Wärmetauscherelemente 74, 76, 78 in
Einlassumlenkschaufeln 92, Auslassgehäusestreben 72, Austrittsleitschaufeln 70,
zugeordneten Unterstützungsstrukturen 98 und
andere Komponenten des Abgasdiffusors 68 integriert sein.
Zusätzlich
können
die Wärmetauscherelemente 74, 76, 78 in
mehrere Komponenten 70, 72, 92, 98 nur
eines Abgasdiffusors 68 integriert sein. Ferner können die Wärmetauscherelemente 74, 76, 78 in
die Komponenten 70, 72, 92, 98 des
Abgasdiffusors 68 in einem aerodynamischen Profil 84 integriert
sein, welches sowohl die Wärmetauscherelemente 74, 76, 78 als auch
die individuellen Komponenten 70, 72, 92, 98 des
Abgasdiffusors 68 umschließt. Die Verwendung von aerodynamischen
Profilen 84 kann zur Sicherstellung gewisser aero dynamischer
Eigenschaften des über
die Abgasdiffusorkomponenten 70, 72, 92, 98 strömenden heißen Abgases 34 beitragen.