聯合循環發電站的制作方法

專利名稱：聯合循環發電站的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個具有燃氣輪機和廢熱鍋爐的聯合循環發電站(以下簡稱作發電站)。
本發明更具體地涉及一發電站，其中從燃氣輪機中釋放出來并提供給廢熱鍋爐的廢氣的流速分布幾乎是均勻的。
例如日本實用新型公開號100640/1988公開了一種使燃氣輪機廢氣流速分布均勻的現有技術。該公開出版物公布了燃氣輪機的排氣結構，其中在其后氣道中心體設有一個帶進氣口的空心支架。這種結構可使部分氣體進入空心支架并在后氣道中心體下游側沿中心軸方向噴射氣體，從而，防止了在排氣管道的中央部分出現低流速區域。
但是，在該出版物公開的技術中，沒有考慮在從燃氣輪機葉柵釋放出的廢氣的圓周方向上，有速度分量存在，也就是，沒有考慮到渦流。
本發明的目的是通過消除或減少燃氣輪機的廢氣渦流來向廢熱鍋爐提供廢氣從而改善廢熱鍋爐的熱回收效率。
本發明的一個發電站，設有一燃氣輪機和一廢氣鍋爐。在燃氣輪機與廢氣鍋爐之間設有環狀廢氣管道以便使從燃氣輪機釋放的廢氣從中流過。該管道包括裝在燃汽輪機下游側和外殼上的內筒。
燃氣輪機包括，用來吸入并壓縮空氣的壓縮器；用來燃燒由壓縮器提供的壓縮空氣和燃料的燃燒室以及由燃燒室提供的燃氣驅動的輪機葉柵。廢熱鍋爐通過流過管子的水與由燃氣輪機經上述管道提供的廢氣實現熱交換，并產生出蒸汽。最好將鍋爐產生的蒸汽導入蒸汽輪機。
該發電站可以是一個單軸發電站，其中燃氣機通過單軸與蒸汽輪機連接且二者共用一個發電機，也可以是一個多軸發電站，其中燃氣輪機和蒸汽輪機分別備有一個發電機。
上述管道具有軸向延伸的靜葉片。
因為廢氣從具有靜葉片和作為轉動葉片的動葉片的葉柵中流過，它便形成一個具有軸向分量和切線分量(渦流分量)的渦流。設置靜葉片的目的是為了控制廢氣的渦流分量。
最好在內筒的外表面裝有靜葉片，而且這一系列靜葉片為徑向設置的。
上述管道也可設置成包括一內筒，一個與內筒相連的后緣氣道中心體，一個外殼和與外殼相連的擴散器。此時，最好靜葉片設成從內筒的一部分延伸至后緣氣流中心體的一部分。
此外，最好在靜葉片在設置狹縫(流孔)用以讓廢氣從中流過；在靜葉片的側面在其切線方向上設有一系列狹縫，分布在軸向范圍內，并在管道的徑向上延伸(超過50～98％)。
后緣氣道中心體的設置應使其半徑沿下游側方向逐漸減小，而且，最好其設計應使其軸向長度比內筒(后緣氣道中心體與內筒相連的那部分)直徑大3至6倍。
再有，最好按下述方法決定靜葉片的數目和軸向長度—即n.x/D在5至20之間，其中n為靜葉片數目、x為其軸向長度、D為內筒直徑。
因為在本發明中，燃氣輪機廢氣中出現的渦流分量因受靜葉片的作用而向軸向分量偏斜，所以廢熱鍋爐可以在入口處幾乎消除掉渦流分量。
再有，由于設置了狹縫，就可以允許廢氣從靜葉片的極少被廢氣沖擊的一側，流向靜葉片的背面一側，也就是靜葉片被廢氣沖擊那一側。這就是說，由此可以使在廢氣流速較高的一側和在廢氣流速較低的一側產生的兩個靜態壓力幾乎相等。因此，就可以幾乎消除掉由靜態壓力差異所引起的、在各個靜葉片之間的廢氣流速分布的不均勻性。
再有，通過設置軸向延伸的開口(狹縫)，就可以逐漸降低從靜葉片的上游側至其下游側靜態壓力間的差異。因此，就可以幾乎消除掉在靜葉片下游側靜態壓力間的差異。此外，通過設置軸向延伸的狹縫，可以幾乎消除掉從管道中心至管道外側的靜態壓力間的差異。
后緣氣道中心體的設計呈使氣道中心體的半徑沿其下游方向逐漸減小，且廢除了管道截面的一個非連續延伸的部分，這是因為后緣氣道中心體軸向長度比其內筒直徑大出3至6倍。這樣，就可避免在內筒后緣的下游區域出現環流。
依照本發明，由于使用了消除燃氣輪機廢氣中所出現的渦流中渦流分量的方法，因而矯直了提供給鍋爐的廢氣的流動，廢熱鍋爐的熱回收效率就得到了改善。
再有，管道在內筒后緣處的突然膨脹引起的環流得到了消除，這是因為后緣氣道中心體補償了上述的突然膨脹。由此，就可以在流速分布幾乎均勻的條件下將廢氣引導至廢熱鍋爐。而且，壓降較小。
一般來說，為改善熱傳送效率，有必要改善熱通量。熱通量由廢氣流速決定。從經驗中知道，在廢熱鍋爐的一個管道中，流速較低的區域會使效率降低。因此，通過均勻流速分布就可消除低流速區域，內而改善發電站效率。
再有，本發明中的發電站裝備有蒸氣輪機及環狀廢氣管道，它由擴散器、內筒及一部分燃氣機外殼組成且上述三者都置于燃氣輪機下游側，還有廢熱鍋爐，它用從管道中引導來的燃氣機廢氣來產生蒸汽，以及由蒸汽驅動的蒸汽輪機。
再有，本發明中發電站具有可允許廢氣沿內筒圓周方向流動的靜葉片。
下面通過附圖及實施例詳細說明本發明，附圖中；

圖1為適用本發明的軸向流動廢氣發電站之方框圖；圖2a和2b所示為在鍋爐入口截面處之廢氣流速分布；圖3為使用本實施例的燃氣輪機的廢氣結構；圖4所示為不使用靜葉片和后緣氣道中心體時廢氣的流動模型；圖5所示為相應于負荷的渦流方向；圖6a和6b所示為靜葉片之軸向長度與渦流角之間的關系；圖7a和7b所示為有狹縫靜葉片與無狹縫靜葉片在流速分布和壓力方面的比較；圖8所示為燃氣輪機廢氣結構之另一實施例。
下面參照相應各圖描述本發明之一個實施例。
圖1所示為本實施例發電站之組成。
該發電站為一單軸發電站，其中幾乎在一條直線上配置著一發電機28、一蒸汽輪機29、一壓縮器25和一渦輪(燃氣輪機)30的葉柵。蒸汽輪機29和燃氣輪機30的轉動能(動能)由發電機28轉化成為電能。在燃氣輪機30之軸向上還設有廢熱鍋爐31。本發電站為所謂的軸向流動廢氣發電站，其中由燃氣輪機30釋放的廢氣30沿軸向流動且提供給廢熱鍋爐31。
燃燒室26燃燒燃料和壓縮空氣的混合物，壓縮空氣由吸入并壓縮空氣的壓縮器25提供。燃氣輪機30由燃燒室26提供的燃燒氣體驅動。從燃氣輪機30中釋放的廢氣35被引導至廢熱鍋爐31。然后，廢氣35與流經一流經一管道的水進行熱交換以產生出蒸汽。蒸汽輪機29由上述蒸汽驅動。從蒸汽輪機29釋放出的蒸汽在冷凝器33中冷凝并由送水泵34傳送至廢熱鍋爐31。廢熱鍋爐31中完成熱交換的廢氣從煙囪36中排放到大氣中。
在軸向流動廢氣發電站中，上述各單元均為緊湊地設置著且其安裝空間較小。
在軸向流動廢氣發電站中，因為燃氣輪機30和廢熱鍋爐31配置在幾乎同一條直線上，所以廢氣的漂移就會影響在廢熱鍋爐31中的熱交換。
圖2所示為圖1中所示的廢熱鍋爐31的傳熱管平面32(管平面32)(鍋爐入口處截面)上的廢氣35之流速(平均流速)分布。
圖2a所示為燃氣輪機負荷為100％時的狀態，圖2b所示為其負荷達50％時的狀態。如圖2a和2b可看出，流速分布在很大程度上決定于負荷。當負荷是100％時，廢氣向鍋爐下部的流入量較小。當負荷為50％時，廢氣向鍋爐右上角的流入量較小。
在氣體流速低的區域，傳熱系數較小。因此，在高溫廢氣和傳熱管中液體之間的熱交換量較小。從經驗可知，流速分布越均勻，廢氣熱量的回收得到有效的改善，整個鍋爐的熱交換量有所提高。
在軸向流動廢熱發電站中，燃氣輪機廢氣中所含之漂移并未經過矯直就到達鍋爐。因此，進入傳熱管平面32的氣體之流速，在管道截面上呈現出較大的立體分布。
在本實施例中，氣體流速的立體分布有所改善，且提高了軸向流動廢氣發電站的發電效率。也就是，當在廢氣中出現漂移時，漂移便被抑制從而防止了發電效率的降低。
現參照圖3描述抑制漂移的方法。
圖3所示為廢氣的排氣結構。
在前內筒5上裝有壓縮器25和燃氣輪機30之旋轉葉片。前內筒5在軸承27支撐下旋轉，并在界面7與后內筒6相互隔開。
在后內筒6的下游側裝有后緣氣道中心體8。在后內筒6和后緣氣道中心體8的表面裝有軸向延伸的靜葉片10。在后內筒6上沿其圓周方向裝有一系列靜葉片10，它們分離外殼(外筒)11、擴散器13以及在后內筒6與后緣氣道中心體8間形成的環狀管道的一部分。在靜葉片10上設有作為流動孔的狹縫9 。
后內筒6和后緣氣道中心體8由外殼11和支架12支撐。
支架12通過在外殼11上固定后內筒6從而保持著一定的機械強度。因此，雖然支架12的軸長度較小，也可以通過增加其軸向長度而使其成為靜葉片10的替代物。此外，支架12也可作為靜葉片10的一部分。
由后緣氣道中心體8和擴散器13圍成的環狀管道之截面，沿其向下游側方向的區域幾乎連續地增大。
在后內筒6上裝有用于冷卻動葉片的空氣(蒸汽)系統或類似系統，其所用空氣從支架12的內部提供。
擴散器13的設置應使上述管道的截面積幾乎連續地增大。其截面積的這種增大(偏折)就可以優化廢氣流速。較理想的偏角為近似11°；偏角現設定于7.5°至20°之間。
考慮到圖4中所示之現象，才決定了后緣氣道中心體8的形狀。
圖4有代表性地示出了在不設置后緣氣道中心體時廢氣在環狀管道中的流動模型。
圖4中所示的排氣結構包含了在后內筒6和外殼11及擴散器13之間形成的環狀管道22。從經驗中可知，在環狀管道22中形成了渦流21且在后內筒6的下游側形成了環流16。
當上述兩種渦流發生時，在由擴散器13形成的管道50中出現了復雜的流動模型，這是因為這些渦流會相互干擾。由此，在位于管道50下游側的鍋滬入口截面中，出現了一個較大的漂移。
導致燃氣輪機廢氣產生漂移的渦流21是由燃氣輪機之動葉片的旋轉造成的。在后內筒6之后緣處附近產生的環流16是由管道的突然擴大引起的。
靜葉片排除了渦流21而后緣氣道中心體排除了環流16。
此外，已知當非連續擴大部分(寬度)b出現在管道中時，就常會發生具有長度a的二次流動(環流)。環流有如下關系6＜a/b＜12。
在本實施例所示的排氣結構中，擴大部分b與后內筒6的半徑相對應。因此，較好的方案是，在考慮到與后內筒6(直徑D)關系的條件下，將圖3中所示之后緣氣道中心體8的長度L設定在3＜L/D＜6的范圍之內。通過設置上述這樣一個后緣氣道中心體，便可以幾乎消除環流16。
下面，參照圖5描述從氣輪機葉柵中釋放出來的廢氣的流動。
葉片4為沿箭頭17所指方向旋轉的動葉片。從靜止系統中看的廢氣之渦流矢量19是由葉片4流出之廢氣的流速矢量18與葉片4的轉速矢量17相加而成的。葉片4的轉速17是一個與燃氣輪機負荷無關的常量。
燃氣輪機與一發電機相連。燃氣輪機的轉數(轉速)直接代表了發電機輸出功率(負荷)的頻率。因此，以提供頻率為50HZ的電功率為例必須將燃氣輪機的轉速保持在3,000轉/分(rpm)。
根據燃氣輪機的負荷來控制進口導向葉片(IGV)，就可調整進入燃氣輪機的空氣量。因此，燃氣輪機所用的空氣量就相應于負荷而變化，而且，流速矢量18的方向雖然相同，但其大小各不相同。
所以，矢量19的角中便相應于負荷而變化。
從圖5中可以看出，在低負荷范圍發生向廢氣流動的下游側方向上的逆時針方向流動；在高負荷范圍發生的廢氣流動的下游側方向上的順時針方向流動。
從上述現象，便可以決定靜葉片10的軸向長度和數目。
下面參照圖6a描述決定靜葉片10軸向長度和數目的方法。
假設，在后內筒6周圍設置有n個靜葉片，且軸向長度為X。當渦流以角φ進入靜葉片時，消除渦流的條件可用無量綱參數α(≡nx/D)來表述，其中D為后內筒的直徑。
進入靜葉片10的渦流19逐漸減少其角φ，從而軸向分量會占據主要地位。
假設，消除渦流分量的距離比渦流到達靜葉片10的距離(外推值)大2倍，即可在無量綱參數α與角φ間建立圖6b所示之關系，也就是，α－2π/tanφ的關系成立。
因為，角φ的絕對值φ實用范圍為20°＜φ＜50°，因而相應的α的范圍可近似表述為5(5.3)＜α＜18(17.3)。參數α的值可達到20。當角φ總是小于或等于20°時，渦流分量較小，所以可以認為無需使用靜葉片。再有，從經驗可知角φ極少達50°或更大。
當靜葉片數目為4(n＝4)時，則X/D值的范圍是至5。因此，最好靜葉片軸向長度X應設定為比后內筒直徑D大出1至5倍。
因此，通過按上述方式選擇靜葉片的軸向長度和數目，就可以消除渦流分量。
但是，如果靜葉片的數目大于必需的數目，則廢氣管道的截面積便會有大幅度的降低且壓降增加。因此，從實際使用觀點看，固定葉片的數目最好為8或更少。
此外，角φ應總是設定得較小。例如，對于飛機的噴氣發動機所用之燃氣輪機來說，就可能不需要本實施例中的靜葉片。
但是，對于用于發電站的燃氣輪機來說，就有必要對應電力的需求來改變負荷。角φ也作相應的變化。因此，這樣的發電站就需要本實施例所示之靜葉片。
靜葉片可控制渦流。因此，有了靜葉片10就可以通過設置狹縫9來進一步改善流動矯直效果。
下面參照圖7a描述狹縫的功能。
圖7a示意地示出了后內筒上設置的靜葉片10。在靜葉片10上設置了狹縫9，且渦流19進入葉片10。在如圖7b所示的靜葉片上未設置狹縫的情況下，在渦流19沖擊的表面附近，流速24有所增加，而在其背面，則有所下降。圖7c所示為靜葉片10之平面圖。這種關系導致了下述現象，即在流速高的部分靜態壓力下降，在流速低的部分靜態壓力上升，這符合伯奴利定律。(見圖7c中的壓力分布22和流速分布21。)在這種情況下，當在靜葉片10上設置狹縫9后，廢氣便從靜葉片10靜態壓力高的表面向其靜態壓力低的表面流動。這樣，當廢氣向下游側移動時，便消除了不均勻的流速分布21，并且如圖7d所示，在靜葉片10后緣處附近形成了幾乎均勻的流速布。
考慮到靜葉片10的強度，最好狹縫9在徑向設置成橢圓形開口。
但是，只要狹縫起到了其應起的作用，它們就可以做成任何形狀，如圓形。
較好的方案是設置狹縫9以進一步改善位于排氣結構下游側的鍋爐的傳熱性能。
通過設置狹縫9，可以減小作用于靜葉片10上的流體力。因為，作用于靜葉片10上的力是由靜葉片前表面與其后面的壓力差形成的，而狹縫9減小了這種差壓，因此能夠減小作用于靜葉片10上的力。
圖8所示為使燃氣輪機廢氣渦流分量適度的另一種方法。如圖8所示，也可以順軸向進行分割以設置靜葉片10。在這種情況下，在渦流分量被完全消除以前，壓降有可能增加，因為在每個靜葉片的后緣附近形成了小的渦流。但是，可以減小對靜葉片的作用力。
本實施例提高了發電站的效率，其中在一個軸上設置了燃氣輪機和廢熱鍋爐，并且為矯直廢氣的流動而設置了排氣結構。
當然，即便是圖7中所示的未設置狹縫9的靜葉片10也可以徹底抑制渦流，因為沿渦流方向的速度分量可以偏折成為沿軸向的速度分量。
此外，由于引入了后緣氣道中心體使得管道面積逐漸增加，因此解決了環流和渦流的問題。因此，在后緣氣道中心體下游側的管道截面中，形成了一種具有均勻分布的流動。
對于改善同軸設置了燃氣輪機和廢熱鍋爐的軸向流動廢氣發電站的性能來說，本實施例尤其具有顯著的效果。
權利要求
1.一種聯合循環發電站，包括一燃氣輪機；一環狀廢氣管道，它由擴散器、內筒和燃氣輪機外殼之一部分構成；以上各單元均配置在燃氣輪機的下游側；一廢熱鍋爐；它通過使用經上述管道從燃氣輪機引導來的廢氣來產生蒸汽；以及一蒸汽輪機；它由蒸汽驅動，其中管道中設置有沿軸向及沿管道徑向延伸的靜葉片以抑制廢氣的渦流分量。
2.一種聯合循環發電站，包括一燃氣輪機；一環狀廢氣管道；它裝有在燃氣輪機下游側設置的內筒；與內筒相連接的后緣氣道中心體；燃氣輪機外殼；和與外殼相連接的擴散器；一廢熱鍋爐；它使用經上述管道從燃氣輪機引導來的廢氣來生產蒸汽；其中，至少內筒在其外周表面裝有沿軸向延伸的靜葉片以抑制廢氣的渦流分量。
3.按照權利要求1的聯合循環發電站，其特征在于所述的固定葉片上設置有開口以允許廢氣從中流過。
4.按照權利要求1的聯合循環發電站，其特征在于所述的氣道中心體之半徑，朝下游側方向逐漸減小且氣道中心體之軸向長度比內筒直徑大3至6倍。
5.按照權利要求1的聯合循環發電站，其特征在于所述的靜葉片的數目和軸向長度之確定方法如下，即n.x/D的取值范圍在5至20之間，其中n為靜葉片數目，x為靜葉片軸向長度，D為內筒直徑。
6.按照權利要求1的聯合循環發電站，其特征在于所述的靜葉片允許廢氣在內筒之圓周方向上流動。
全文摘要
一種聯合循環發電站，通過控制或減少燃氣輪機廢氣中所出現的渦流，使廢熱鍋爐中的熱交換效率有所提高。也就是，在后內筒表面沿其圓周方向設置了一系列靜葉片，以分割外殼和后內筒間形成的環狀管道。據此，在壓降較低的條件下使廢氣的流動均勻這一點就成為可能。
文檔編號F02C6/18GK1123879SQ9511557
公開日1996年6月5日 申請日期1995年8月18日 優先權日1994年8月23日
發明者宇多村元昭, 桐上清一 申請人:株式會社日立制作所