专利名称：联合循环动力装置的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及联合循环动力装置，且更具体地，涉及具有提高的热传递表
面面积的热回收锅炉，以改进联合循环性能和经济性。本主题可应用于单轴联合循环动力
装置、多轴联合循环动力装置和共同发电(cogeneration)动力装置。此外，本主题还可应 用于构造成带有水平和/或竖直热传递管且燃气轮机排气沿水平方向或竖直方向流动的 自然循环式、强制循环式和直流式热回收锅炉。热回收锅炉管布置可为直列式或交错排列 式，且热回收锅炉可为非燃烧型或补充燃烧型。
背景技术：
联合循环动力装置将至少一个燃气轮机、至少一个蒸汽轮机和热回收锅炉结合使 用来发电和/或生产用蒸汽。动力装置布置成使得燃气轮机通过诸如热回收蒸汽发生器 ("HRSG")的热回收锅炉来热连接到蒸汽轮机和/或生产用蒸汽系统上。HRSG实质上是在 其中插入有装满水/蒸汽的热交换器管束的大型管道。给水进入节约器，且通过管束循环， 从而使得水在燃气轮机废气通过管道且经过管束时转化成蒸汽。联合循环动力装置通过将 从燃气轮机中排出的热用作蒸汽底循环(蒸汽轮机和/或生产用蒸汽)能量源来获得热效 率。HRSG的性能和经济性与燃气轮机废气(热侧)和管束(冷侧)中的水/蒸汽之间的热 传递效率直接相关。HRSG通常使用翅片类型管(实心的和锯齿状的)来提高从燃气轮机废 气传递到管束中的水/蒸汽的热传递率，但是，总的热传递受到位于HRSG的管道内的热传 递表面面积和保持合理的流动特性和燃气轮机废气的压降的需要的限制。
因此，期望提供构造成通过改进HRSG中的热传递而具有提高的性能和经济性的
联合循环动力装置。
发明内容
—种联合循环动力装置包括由热回收蒸汽发生器热连接的燃气轮机和蒸汽轮机。 热回收蒸汽发生器包括用于接收和限制来自燃气轮机的燃气轮机废气的管道。热传递管设 置在管道内，且热传递管具有与燃气轮机废气流体连通的外表面，以及与水和蒸汽循环流 体连通的内表面。多孔材料附连到热传递管的外表面上，且起提高从燃气轮机废气到水和 /或蒸汽的热传递的作用。 —种构造联合循环动力装置热回收蒸汽发生器的方法可包括将管道构造成接收 和限制燃气轮机废气的步骤。将构造成容纳水和/或蒸汽的一系列热传递管设置在管道 中，且将多孔材料施加于热传递管的外表面。
结合附图的以下详细描述中对根据优选的和示例性的实施例的本发明及其另外 的优点进行了更加具体的描述，其中 图1是体现本发明的单轴联合循环动力装置的示意4图2是图1的联合循环动力装置HRSG的热传递管的一部分的说明图； 图3是图2中示出的热传递管之一的放大视图4是图2中示出的金属泡沫段的放大视图5示出了图4的金属泡沫段的孔隙率对背压的关系；以及
图6是沿图3中的线6-6得到的截面图，该图示出了金属泡沫段的流动性能。 部件列表
10-联合循环动力装置 燃气轮机系统 蒸汽轮机 冷凝器 发电机 压縮机 燃烧器 多级涡轮 孤SG
12
14
15
16 18 20 22 24 28 30 32
34
35
36 38 40 42
44
45
46 52 54
-热燃烧废气
-热传递管
-给水
-水和/或蒸汽 给水泵
多孔延伸表面 金属泡沫段
内表面，金属泡沫翅片(fin) 轴向开口
外表面，金属泡沫翅片
外部表面，热传递管
尾流区域，金属泡沫翅片
具体实施例方式
现在参看附图，其中相同标号在附图中始终指示相同元件，图l显示了单轴联合 循环动力装置10的一个示例性实施例。联合循环动力装置包括燃气轮机系统12、蒸汽轮机 系统14和发电机16，发电机16由燃气轮机和蒸汽轮机驱动来发电。燃气轮机系统包括处 于串联式流动连通的多级轴向压縮机18、燃烧器20和多级涡轮22。燃气轮机系统12和蒸 汽轮机系统14通过HRSG 24热连接。HRSG 24是热交换器，其构造成包括用于接收和限制 离开多级涡轮22的燃气轮机废气30的管道28。热传递管束32设置在HRSG 24的管道28 内，且热传递管束32适于接收通过给水泵36在管中循环的给水34(来自蒸汽轮机冷凝器 15的冷凝物)。当给水34通过热传递管32时，通过HRSG管道28的来自燃气轮机废气30
5的热传递到水中，从而产生蒸汽。蒸汽通过主蒸汽管道系统38供应到蒸汽轮机14，并且驱 动蒸汽轮机14。此外，来自HRSG的蒸汽可供应到生产用蒸汽系统(未示出)。
在HRSG 24的管道28内，热传递管32的外部表示"热侧"表面区域，而热传递管 的内部，或湿侧，表示"冷侧"表面区域。提高HRSG的热侧表面区域和冷侧表面区域之间的 热传递将会提高联合循环动力装置10的性能和经济性。参看图2，显示了热传递管32的一 部分。在本发明的一个示例性实施例中，多孔材料，例如金属泡沫延伸表面40，包围热传递 管32。金属泡沫延伸表面由密度低、表面面积大且强度好的相对新型的材料构成。金属泡 沫延伸表面可由各种粉末金属制成，且可形成变化的孔隙率。 控制金属泡沫延伸表面40的材料属性和构造是本发明的一个重要方面，因为通 过HRSG管道28的燃气轮机废气30的压降在HRSG的设计中是一个考虑因素。热传递管束 32两端的高的压降将降低燃气轮机系统12的功率输出。如所示的图所指示的，研究显示 与压降直接有关的具有适当孔隙率和密度的金属泡沫可实现低压降。另外，由于金属泡沫 独特的结构特性，金属泡沫具有对减轻HRSG 24中的声学和振动问题有用的吸音和吸振特 性，而且金属泡沫还可允许减少或消除用于改善HRSG的声学特性的昂贵的消声器和声障 板。 参看图2、3和4，在示例性实施例中，金属泡沫延伸表面40由具有相对成盘形的构 造的一系列金属泡沫段42限定，金属泡沫段42分别具有轴向延伸的开口 45、内表面44和 外表面46。轴向延伸的开口具有直径"d"，构造成在其中容纳热传递管32。直径"d"与热 传递管32的外径紧密相配，从而使得当金属泡沫段42安装到管上时，在金属泡沫段的内表 面44和热传递管32的外部表面52之间接触的表面面积大。 一旦金属泡沫段42安装到热 传递管上，就使用适当的冶金接合技术，如铜焊、焊接、扩散结合或其它合适的方法，来使金 属泡沫段42连接。 金属泡沫延伸表面40的圆柱形金属泡沫段42起提高从通过HRSG管道28的燃气 轮机废气传递到在热传递管32中的循环的水/蒸汽35的热传递率的作用。同时，由燃气 轮机经受的废气背压可保持在可接受的水平上。例如，各个金属泡沫段42具有轴向高度 "h"，且优选地与相邻段隔开轴向距离"g"。已经发现当金属泡沫段高度"h"与段间隔"g" 的比率在大于0至大约50(即0 < h/g < 50)的范围内时，HRSG管道28内的背压落在合 乎需要的范围内。此外，当金属泡沫段外径"D"对段内径"d"的比率在约1.2至约IO(即 1. 2 < D/d < 10)的范围内时，热传递达到满意水平。 如所表明的，由于金属泡沫的大的表面面积，从燃气轮机废气30到水/蒸汽35的 总的热传递得到显著提高。另外，由于图6的金属泡沫段42的不平滑的表面特性，与传统 翅片型管相比，流过HRSG管道28的燃气轮机废气将产生较小的尾流区域54，这是由于延迟 的流分离的原因。较小的尾流区域54是直接邻近外表面46的湍流边界层的结果，且较小 的尾流区域54起降低通过HRSG 24的背压的作用。已经确定，当具有金属泡沫延伸表面的 热传递管32安装在HRSG 24的管道28中，从而使得热传递管32具有正面间隔"T"(横向 间距)对金属泡沫段外径"D"的比率在约1. 05至约2(即1. 05 < T/D < 2)的范围内，且 轴向间隔"L"(纵向间距)对金属泡沫段外径"D"的比率在约0. 2至约1. 5(即0. 2 < L/D < 1.5)的范围内时，可以获得延迟的流分离的益处。 虽然所描述的金属泡沫段42被大体描述为圆柱形构造，但是本发明还构想了许多形状和尺寸的段。构想的是金属泡沫段42的构造和间隔将被选择为将热有效地传递到 热传递管32，同时降低HRSG 24的管道28内的燃气轮机废气背压。此外，虽然已经描述了 具有单轴构造且具有单个燃气轮机、蒸汽轮机和发电机的联合循环动力装置IO，但是还构
想了任意个数的应用驱动的变型。例如，构想了本发明可类似地应用于多轴联合循环动力 装置和共同发电动力装置。可在构造为具有水平和/或竖直热传递管，且燃气轮机废气沿 水平和/或竖直方向流动的自然循环式、强制循环式和直流式HRSG中使用本发明。HRSG管 布置可为直列式和交错排列式中的任何一种，而且HRSG可为非燃烧型和补充燃烧型中的 任何一种。 书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域中的任何技术 人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明 的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果 这些其它实例具有无异于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果这些其它实例包括 具有与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其它实例意图处于 权利要求书的范围内。
权利要求
一种包括由热回收蒸汽发生器(24)热连接的至少一个燃气轮机(12)和至少一个蒸汽轮机(14)的联合循环动力装置(10)，所述蒸汽发生器包括构造成接收和限制来自所述至少一个燃气轮机(12)的燃气轮机废气(30)的管道(28)；热传递管(32)，所述热传递管(32)设置在所述管道(28)内，且具有用于与所述燃气轮机废气(30)流体连通的外表面和构造成用于与水和/或蒸汽(35)循环流体连通的内表面；以及多孔延伸表面(40)，所述多孔延伸表面(40)附连到所述热传递管(32)的所述外表面上，且可操作为提高从所述热燃烧废气(30)到所述水和/或蒸汽(35)的热传递。
2. 根据权利要求l所述的联合循环动力装置(IO)，其特征在于，所述多孔延伸表面 (40)包括一系列隔开的金属泡沫段(42)。
3. 根据权利要求2所述的联合循环动力装置(IO)，其特征在于，所述隔开的金属泡沫 段(42)之间具有轴向高度和轴向间隔，其中，所述隔开的金属泡沫段(42)之间的所述金属 泡沫段高度对所述轴向间隔的比率在大于0至约50的范围内。
4. 根据权利要求2所述的联合循环动力装置(IO)，其特征在于，所述隔开的金属泡沫段具有外径和内径，其中，所述金属泡沫段外径对所述金属泡沫段内径的比率在约1. 2至 约10的范围内。
5. 根据权利要求1所述的联合循环动力装置(IO)，其特征在于，所述热传递管(32)在 所述管道(28)中具有正面间隔(横向间距)，使得所述正面间隔对所述金属泡沫段外径的 比率在约1.05至约2的范围内。
6. 根据权利要求5所述的联合循环动力装置(IO)，其特征在于，所述热传递管(32)在 所述管道(28)中具有轴向间隔(纵向间隔)，使得所述轴向间隔对所述金属泡沫段外径的 比率在约0.2至约1. 5的范围内。
7. —种构造联合循环动力装置热回收蒸汽发生器(24)的方法，包括以下步骤 将管道(28)构造成接收和限制来自至少一个燃气轮机(12)的燃气轮机废气(30); 将一系列热传递管(32)设置在所述管道(28)中，使得所述热传递管(32)构造成将水和/或蒸汽(35)容纳在其中；以及将多孔材料(40)施加于所述热传递管(32)的外表面，使得当所述热传递管(32)暴露 于所述燃气轮机废气(30)时，所述多孔材料可操作为提高从所述燃气轮机废气到所述水 和/或蒸汽(35)的热传递。
8. 根据权利要求7所述的构造联合循环动力装置热回收蒸汽发生器(24)的方法，其特 征在于，所述方法还包括以下步骤将所述多孔材料构造成具有轴向延伸的开口 (45)的一系列的金属泡沫段(42)，用于 与所述热传递管(32)的所述外表面接合；以及以轴向地隔开的关系将所述一系列金属泡沫段(42)安装到所述热传递管(32)上。
9. 根据权利要求8所述的构造联合循环动力装置热回收蒸汽发生器(24)的方法，其特 征在于，所述方法还包括以下步骤将所述金属泡沫段(42)构造成具有轴向高度，使得所 述金属泡沫段轴向高度对所述金属泡沫段(42)之间的所述轴向间隔的比率在大于O至约 50的范围内。
10.根据权利要求8所述的构造联合循环动力装置热回收蒸汽发生器(24)的方法，其 特征在于，所述方法还包括以下步骤将所述金属泡沫段(42)构造成具有外径，使得所述 金属泡沫段(42)外径对所述轴向延伸的开口的所述直径的比率在约12至约10的范围内。
全文摘要
本发明涉及一种联合循环动力装置(10)，包括结合在一起来发电和/或产生生产用蒸汽的至少一个燃气轮机(12)、至少一个蒸汽轮机(14)和热回收锅炉(24)。热回收锅炉(24)具有用于接收和限制来自燃气轮机(12)的燃气轮机废气(30)的管道(28)。用于加热在底蒸汽循环(蒸汽轮机和/或生产用蒸汽)中所使用的水和蒸汽(35)的热传递管(32)设置在热回收锅炉(24)内，且具有与燃气轮机废气(30)流体连通的外表面，以及与水和/或蒸汽(35)循环流体连通的内表面。多孔材料(40)附连到热传递管(32)的外表面上，且起提高从燃气轮机废气(30)到水和/或蒸汽(35)的热传递的作用。
文档编号F01K23/10GK101737107SQ20091021226
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者C·U·哈德维克, S·A·莱奥纳, T·F·泰勒, 张华 申请人:通用电气公司