JP5400539B2

JP5400539B2 - ガスタービン排気ディフューザと排熱回収ボイラシステムとの一体化

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Publication number: JP5400539B2
Application number: JP2009209872A
Authority: JP
Inventors: ガンナー・レイフ・サイデン; ジョナサン・グレン・ルードキ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: DE102009044073A1; US20100071342A1; JP2010071282A; CN101684748A; CN101684748B; US8146341B2

Description

本発明は概して、ガスタービン排気ディフューザに関し、特に、典型的には排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）システムの熱交換要素をガスタービン排気ディフューザの部品と一体化させるシステム及び方法に関する。

複合サイクル発電システムにおいて、ガスタービンから排出される加熱排気ガスを、ＨＲＳＧシステムにより熱源として用い、この熱を水源に伝達させて過熱蒸気を発生させることができる。更に、この過熱蒸気を、蒸気タービンの動力源として用いることもできる。加熱排気ガスは多くの場合、排気ディフューザを介してＨＲＳＧシステムに送られ、これにより、ガスタービンから排出される加熱排気ガスの運動エネルギを位置エネルギに変換し、静圧を増大させることが容易になる。加熱排気ガスは、ＨＲＳＧシステムに送られた後、過熱器や再熱器、蒸発器、エコノマイザ等の一連の熱交換要素を通過する。これらの熱交換要素を用いて、加熱排気ガスの熱を水源に伝達し、過熱蒸気を発生させる。

米国特許第６８９６４７５号明細書

Chase et al.; "GE Combined-Cycle Product Line and Performance," GER-3574G Bulletin, October 2000 Eldrid, et al.; "The 7FB: The Next Evolution of the F Gas Turbine," GER-4194 Bulletin, April 2001

排気ディフューザとＨＲＳＧは両方、複合サイクル発電設備において多大な空間を占めることがある。例えば、排気ディフューザは、ガスタービンそのものと同程度の長さを有することが多い。加えて、ＨＲＳＧも同程度の長さを有することがある。従って、複合サイクル発電設備の全体的な設置面積を小さくする設計ストラテジーを、これら２つの主要部品に適用することが有利なことが理解されよう。

本発明の一実施形態では、排熱回収ボイラシステムを含むシステムを開示する。このシステムは更に、排熱回収ボイラシステムの複数の熱交換要素をガスタービン排気ディフューザの排気経路に一体的に有するガスタービン排気ディフューザを含む。

その他の実施形態では、ガスタービン排気ディフューザを含むシステムを開示する。このガスタービン排気ディフューザは、排熱回収ボイラシステムの熱交換要素を含む。

更に他の実施形態では、過熱蒸気を発生させる方法を開示する。この方法は、加熱排気ガスをガスタービンから排出するステップを含む。この方法は更に、加熱排気ガスをガスタービンの排気経路を介して案内するステップを含む。この方法は更に、加熱排気ガスの熱を水源に伝達して過熱蒸気を発生させるステップを含む。この熱伝達は、ガスタービンの排気経路内の部品と一体化された熱交換要素を用いて行われる。

添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、本発明の以上の又はその他の特徴、態様、利点を、更に理解できよう。なお、全図面を通して、同様の部品には同様の参照符号が付与されている。

本発明に係る、ガスタービンと蒸気タービンとＨＲＳＧとを有する複合サイクル発電システムの例示的実施形態の概略流れ図である。図１のＨＲＳＧの熱交換要素を自身の排気ディフューザの部品と一体的に有する図１のガスタービンの例示的実施形態の詳細側面図である。図１のＨＲＳＧの熱交換要素を自身の部品と一体的に有する図２の排気ディフューザの部品の詳細側面図である。図１のＨＲＳＧの熱交換要素と一体化された、図３の排気ディフューザに適用される排気フレーム支柱の例示的実施形態の断面図である。図１のＨＲＳＧの熱交換要素と一体化された、多数の部品を有する排気ディフューザの例示的実施形態の詳細側面図である。図２、図３及び図５の排気ディフューザにおいて過熱蒸気を発生させる、本発明に係る方法の例示的実施形態の流れ図である。

本発明の実施形態を以下に例示する。これらの実施形態の説明において、説明を簡潔にするため、全ての特徴を詳細に説明しない場合もある。こうしたいかなる実使用における形態の開発形態についても、あらゆる技術又は設計プロジェクトと同様、システム関連及び事業関連の制約事項に準拠する等の、実施条件により様々である開発者の特定の目標を達成するために、実施条件特有の数多くの決定を行わなければならないことを理解するべきである。また、このような開発努力は、手間と時間がかかることであるが、それでもやはり、本開示を利用することができる当業者にとっては、設計、製作及び製造という定常作業の一環であることを理解するべきである。

本発明の様々な実施形態の部品を示す場合、「１つの」、「この」及び「前記」という用語は、その部品が１つ以上あることを意味することを意図している。「を備える」、「含む」及び「有する」という用語は、包括的な意味において用いられており、列挙された部品以外の追加の部品が存在する可能性を含んでいる。動作パラメータのいかなる例も本発明の実施形態のその他のパラメータが存在する可能性を排除するものではない。

本発明に係るシステム及び方法の一実施形態では、熱交換要素とガスタービン排気ディフューザの様々な部品との一体化が含まれる。様々な実施形態では、熱交換要素が、排気ディフューザの入口案内翼、排気フレーム支柱、出口案内翼、関連支持構造及びその他の部品と一体化される。熱交換要素は加えて、一実施形態では、単一の排気ディフューザの多数の部品と一体化される。熱交換要素は更に、一実施形態では、熱交換要素と排気ディフューザの関連部品との両方を含み得る翼形部で排気ディフューザ部品と一体化される。翼形部を用いることにより、排気ディフューザ部品を通過する加熱排気ガスの空力特性の確保が容易になる。

図１は、ガスタービンと蒸気タービンとＨＲＳＧとを有する複合サイクル発電システム１０の例示的実施形態の概略流れ図である。このシステム１０は、第１の負荷１４を駆動させるガスタービン１２を含む。第１の負荷１４は、例えば発電を行う発電機である。ガスタービン１２は、タービン１６と、燃焼器又は燃焼室１８と、圧縮機２０とを含む。システム１０は更に、第２の負荷２４を駆動させる蒸気タービン２２を含む。第２の負荷２４も発電を行う発電機であってよい。しかし、第１及び第２の負荷１４、２４の両方が、ガスタービン１２及び蒸気タービン２２により駆動可能なその他の種類の負荷であってもよい。加えて、ガスタービン１２と蒸気タービン２２とは、図示の実施形態のように、負荷１４及び２４を別個に駆動させてもよいが、ガスタービン１２と蒸気タービン２２とを直列に配置して、単一の軸を介して単一の負荷を駆動させてもよい。図示の実施形態では、蒸気タービン２２は、１つの低圧部２６（ＬＰＳＴ）と、１つの中圧部２８（ＩＰＳＴ）と、１つの高圧部３０（ＨＰＳＴ）とを含む。しかし、かかる構成は、本発明の特定の実施形態によるものに過ぎず、蒸気タービン２２及びガスタービン１２の構成は、いかなる要素の組み合せによるものであってもよい。

システム１０は更に、多段ＨＲＳＧ３２を含む。図示のＨＲＳＧ３２は、一実施形態のＨＲＳＧ３２の部品を簡略化したものに過ぎず、ＨＲＳＧ３２の実施形態を限定するものではない。むしろ、図示のＨＲＳＧ３２は、かかるＨＲＳＧシステムの典型的な動作を示すためのものである。ガスタービン１２からの加熱排気ガス３４は、ＨＲＳＧ３２内に送り込まれ、蒸気タービン２２を動力駆動させる蒸気の加熱に用いられる。蒸気タービン２２の低圧部２６からの排気は、コンデンサ３６に導入される。コンデンサ３６からの復水が更に、復水ポンプ３８を用いてＨＲＳＧ３２の低圧部に導入される。

この復水はその後、ガスを用いて給水を加熱するよう構成された、復水加熱用の装置である低圧エコノマイザ４０（ＬＰＥＣＯＮ）を通って流れる。復水は、低圧エコノマイザ４０から、低圧蒸発器４２（ＬＰＥＶＡＰ）内へ、或いは、中圧エコノマイザ４４（ＩＰＥＣＯＮ）に導入される。低圧蒸発器４２からの蒸気は、蒸気タービン２２の低圧部２６に戻る。同様に、復水は、中圧エコノマイザ４４から、中圧蒸発器４６（ＩＰＥＶＡＰ）内へ、或いは、高圧エコノマイザ４８（ＨＰＥＣＯＮ）に導入される。加えて、中圧エコノマイザ４４からの蒸気は、燃料ガス加熱器（図示せず）に送られ、この蒸気を用いてガスタービン１２の燃焼室１８内で用いられる燃料ガスが加熱される。中圧蒸発器４６からの蒸気は、蒸気タービン２２の中圧部２８に送られる。この場合も、図示の実施形態は、本発明の特定の実施形態を用いてＨＲＳＧシステムの典型的な動作を例示するものに過ぎず、エコノマイザと蒸発器と蒸気タービン２２との接続形態は様々であってよい。

最後に、高圧エコノマイザ４８からの復水が、高圧蒸発器５０（ＨＰＥＶＡＰ）に導入される。高圧蒸発器５０から排出される蒸気は、一次高圧過熱器５２及び最終高圧過熱器５４に導入されて過熱され、最終的に蒸気タービン２２の高圧部３０に送られる。更に、蒸気タービン２２の高圧部３０からの排気は、蒸気タービン２２の中圧部２８に導入され、蒸気タービン２２の中圧部２８からの排気は、蒸気タービン２２の低圧部２６に導入される。

一次高圧過熱器５２と最終高圧過熱器５４との間に、段間過熱低減器５６が配置される。この段間過熱低減器５６により、最終高圧過熱器５４からの蒸気の排気温度を更にロバスト制御することができる。特に、段間過熱低減器５６を、最終高圧過熱器５４から排出される蒸気の排気温度が所定値を上回る場合は常に、最終高圧過熱器５４の上流において、過熱された蒸気中に低温の給水噴霧を噴射することにより、最終高圧過熱器５４から排出される蒸気の温度を制御するように構成してもよい。

加えて、蒸気タービン２２の高圧部３０からの排気が、一次再熱器５８及び二次再熱器６０に導入され、これにより排気は、再加熱されてから蒸気タービン２２の中圧部２８に導入される。更に、一次再熱器５８と二次再熱器６０とが、これらの再熱器からの排気温度を制御する段間過熱低減器６２と関連付けられていてもよい。特に、段間過熱低減器６２を、二次再熱器６０から排出される蒸気の排気温度が所定値を上回る場合は常に、二次再熱器６０の上流において、過熱された蒸気中に低温の給水噴霧を噴射することにより、二次再熱器６０から排出される蒸気の温度を制御するように構成してもよい。

システム１０のような複合サイクルシステムでは、高温の排気がガスタービン１２からＨＲＳＧ３２を通過し、この排気を用いて高圧かつ高温の蒸気を発生させることができる。ＨＲＳＧ３２から生じた蒸気はその後、蒸気タービン２２を通過し、発電に用いられる。加えて、発生した蒸気を更に、過熱蒸気を利用可能なその他任意の工程に供給してもよい。ガスタービン２２の発電サイクルは、しばしば「トッピングサイクル」と称され、また、蒸気タービン２２の発電サイクルは、しばしば「ボトミングサイクル」と称される。これらの２つのサイクルを図１のように組合せることにより、複合サイクル発電システム１０を、いずれのサイクルにおいてもより高い効率で動作させることができる。特に、トッピングサイクルからの排熱を回収し、これを利用して、ボトミングサイクルで用いる蒸気を発生させることができる。

従って、複合サイクル発電システム１０の特徴の１つとして、ＨＲＳＧ３２を用いて、加熱排気ガス３４から熱を回収できることが挙げられる。図１に示すように、ガスタービン１２及びＨＲＳＧ３２との部品は、それぞれの機能単位毎に分離されていてもよい。換言すれば、ガスタービン１２において、加熱排気ガス３４が発生し、この加熱排気ガス３４がＨＲＳＧ３２の方へ案内され、ＨＲＳＧ３２により主に、過熱蒸気が発生し、加熱排気ガス３４から熱が回収される。この過熱蒸気を更に、蒸気タービン２２の動力源として用いてもよい。加熱排気ガス３４は、一連の管路を介してＨＲＳＧ３２に送られる。なお、この一連の管路は、複合サイクル発電システム１０の設計に応じて様々であってよい。

ガスタービン１２が如何に機能するかを詳説することにより、加熱排気ガス３４が如何にガスタービン１２からＨＲＳＧ３２に送られるかが理解できよう。そこで、図２に、図１のＨＲＳＧ３２の熱交換要素を自身の排気ディフューザの部品と一体的に有する図１のガスタービン１２の実施形態の詳細側面図を示す。図１に関して説明したように、ガスタービン１２は、タービン１６と燃焼室１８と圧縮機２０とを含んでよい。空気は、吸気口６４から流入し、圧縮機２０により圧縮される。次に、圧縮機２０からの圧縮空気は燃焼室１８に導入され、圧縮空気と燃料ガスが混合される。燃料ガスは、複数の燃料ノズル６６を用いて燃焼室１８内に噴射される。圧縮空気と燃料ガスとの混合物は典型的に、燃焼室１８内で燃焼して高温の高圧燃焼ガスが発生し、これにより、タービン１６のトルクが生じる。タービン１６のロータを圧縮機２０のロータと結合し、タービン１６のロータを回転させることにより圧縮機２０のロータが回転するよう構成することができる。タービン１６はこのようにして、圧縮機２０と負荷１４とを駆動させる。ガスタービン１２のタービン１６部からの排気ガスは、排気ディフューザ６８に導入される。図２の実施形態では、排気ディフューザ６８は放射流排気ディフューザであり、排気ガスは出口案内翼７０により再誘導されて、排気ディフューザ６８から外方（即ち半径方向）に９０度方向転換し、排気プレナム（図示せず）を介してＨＲＳＧ３２の方へと排出される。その他の実施形態では、排気ディフューザ６８は軸流ディフューザであってもよく、タービン１６部からの排気ガスが、ＨＲＳＧ３２の方へと軸方向に（即ち外方に９０度方向転換することなく単一の直接経路で）案内される。

排気ディフューザ６８に用いる部品によるその他の特徴として、加熱排気ガス３４をＨＲＳＧ３２に導入した上で、加熱排気ガス３４の空力特性を確保できることが挙げられる。例えば、図２の排気フレーム支柱７２が上反りになっており、その周りには、翼形部を巻き付けてもよい。更に、排気フレーム支柱７２を回転させてもよく、これにより、加熱排気ガス３４の旋回流を最小限に抑えつつ、出口案内翼７０を通過するまで加熱排気ガス３４を本質的により軸流状に近づけることができる。加えて、出口案内翼７０が、加熱排気ガス３４を排気プレナムの方へと９０度の角度で方向転換させるにあたり、出口案内翼７０により流れを半径方向に９０度方向転換させる際に生じる空力学的損失を最小限に抑えるように設計されていてもよい。従って、排気フレーム支柱７２と、出口案内翼７０と、加熱排気ガス３４の流路内の排気ディフューザ６８のその他の部品とを空力学的に適切に設計することが、設計上重要である。

図１及び図２に示すように、ＨＲＳＧ３２及び排気ディフューザ６８内に多数の部品が用いられ得る。これらの部品は更に、複合サイクル発電システム１０内の空間の大部分を占めることがある。本発明の実施形態は、ＨＲＳＧ３２の全体的な設置面積を最小限に抑えるのに有用である。特に、本発明の実施形態では、ＨＲＳＧ３２と排気ディフューザ６８との部品の機能を組合せて用いる。例えば、ＨＲＳＧ３２の部品の多くは本質的に、加熱排気ガス３４から水源に熱を伝達して過熱蒸気を発生させる熱交換要素（例えば過熱器、再熱器、蒸発器、エコノマイザ等）である。このため、本発明の実施形態は、少なくとも部分的に、これらの熱交換要素を排気ディフューザ６８部分に再配置し、異なる装置（例えばＨＲＳＧ３２の代わりに排気ディフューザ６８）内において熱交換要素の熱交換機能を利用することにより、ＨＲＳＧ３２及び排気ディフューザ６８の全体的な設置面積を縮小することができる。特に、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素を排気ディフューザ６８内に再配置することによって、排気ディフューザ６８の大きさを全く（又は殆ど）増大させることなく、ＨＲＳＧ３２の大きさ（例えば長さ）をかなり減少させることができる。

ＨＲＳＧ３２と排気ディフューザ６８とを一体化するにあたり、特有の設計上の問題を伴うことがある。その理由の１つとして、ＨＲＳＧ３２のようなＨＲＳＧシステムは多くの場合、排気ディフューザ６８内への再配置に適する幾つかの熱交換要素を含む独立型の装置として製造され、設置されることが挙げられる。従って、既存の排気ディフューザ６８にＨＲＳＧ３２の熱交換要素を後付けすることには、多少問題がある場合がある。その一方、本発明の実施形態では、既存のシステムを後付けすることも、一体化された特徴を有する完全なパッケージを製造することも、両方可能である。現在は、後付けキットを企図しているが、典型的にはＨＲＳＧ３２と排気ディフューザ６８とを一体化されたパッケージとして設計・製造し、設置することで、排気ディフューザ６８内にＨＲＳＧ３２の熱交換要素を一体的に組み込むこともできる。一実施形態では、ＨＲＳＧ３２は、主要部品となるガスタービン１２と共に一体化パッケージとして設計・製造され、設置されてよい。

このように、第１の一体化パッケージは、ガスタービン１２、又はＨＲＳＧ３２、蒸気タービン２２又はその他のシステムと共に用いられる一体化された熱交換要素を含む、何らかの交換可能な又は後付け可能な部品（例えば排気ディフューザ６８）であってよい。この第１の一体化パッケージは、単独で販売されても、ＨＲＳＧ３２又は蒸気タービン２２等の第２の補完パッケージと一緒に販売されてもよい。実施形態によっては、第２のパッケージ（例えばＨＲＳＧ３２）が、一部の熱交換要素が第１のパッケージに一体化されるため、少なくとも部分的に第１のパッケージに準ずる。しかし、いくつかの実施形態では、第２のパッケージが、モジュール式／取外し式の装置の任意の熱交換要素を有し、これにより、任意で、購入時又は将来的に第１のパッケージとの一体化が可能となるよう構成されていてもよい。

図３は、図１のＨＲＳＧ３２の熱交換要素を自身の部品と一体的に有する図２の排気ディフューザ６８の実施形態の詳細側面図である。図３に、特に、熱交換要素が排気ディフューザ６８の排気フレーム支柱７２と一体化された軸流排気ディフューザ６８を示す。入口蒸気管７４は、排気フレーム支柱７２に入り込んでいてもよく、出口蒸気管７６は、排気フレーム支柱７３から張り出していてもよい。従って蒸気は、入口蒸気管７４から流入し、追加の内部蒸気管７８を通過し、出口蒸気管７６から排出される。これらの蒸気管７４、７６、７８を通る蒸気は、排気ディフューザ６８を通る加熱排気ガス３４により加熱される。図示の実施形態には、排気ディフューザ６８の上部分から排気フレーム支柱７２に入り込んだ入口蒸気管７４、及び、この支柱７２から張り出した出口蒸気管７６として入口及び出口蒸気管７４、７６を示しているが、入口及び出口蒸気管７４、７６は実使用において、排気ディフューザ６８内のいかなる場所にも適宜配置されてよい。例えば、入口及び出口蒸気管７４、７６を、排気ディフューザ６８の下部又は側部に配置してもよい。その一方、入口及び出口蒸気管７４、７６の位置にかかわらず、蒸気管７４、７６、７８を、排気フレーム支柱７２の機能性に悪影響を及ぼさないように設計することができる。本発明の開示によると、排気フレーム支柱７２は、排気ディフューザ６８の外側ケーシング８０の支持体として機能するだけでなく、加熱排気ガス３４の空力特性が確実に得られるよう機能する。

図４は、熱交換要素と一体化された、図３の排気ディフューザ６８に適用する排気フレーム支柱７２の例示的実施形態の断面図である。排気フレーム支柱７２の主要支柱部分８２は、支柱翼形部８４で囲繞されている。支柱翼形部８４により、排気ディフューザ６８を介した加熱排気ガス３４の流れに空力特性を付加し、この流れを改善したり制御したりできる。例えば、支柱翼形部８４により、加熱排気ガス３４を、排気ディフューザ６８を介して、より確実に軸方向に流すことができる。

しかし、この実施形態では、図３に関して説明した蒸気管７４、７６、７８も支柱翼形部８４内に配置されていてよい。図示の実施形態では、蒸気管７４、７６、７８が、支柱翼形部８４の後側部分８６に配置されている。しかし、他の実施形態では、蒸気管７４、７６、７８を、支柱翼形部８４の前側部分８８等のその他の部分に配置し、支柱翼形部８４上を流れる加熱排気ガス３４に対して、蒸気管７４、７６、７８の熱伝達能力を最大限に高めるようにしてもよい。加えて、蒸気管７４、７６、７８が支柱翼形部８４内に配置されている図示の実施形態は、例示的なものに過ぎず、本発明の実施形態はこれに限定されない。例えば、蒸気管７４、７６、７８を排気フレーム支柱７２のその他の位置に配置するといった、その他の設計も可能である。図示の実施形態は概して、構造的支持、空力特性、及び外部システム（例えばＨＲＳＧ３２）用の熱交換を含めた、少なくとも３つの機能が得られる。これを受け、図４の実施形態では、図示の構成又はその他の適宜の構成において、加熱排気ガス３４から蒸気管７４、７６、７８へ適切に熱が伝達され、且つ、排気フレーム支柱７２のその他の機能（例えば加熱排気ガス３４の空力特性を確保すること）が適宜発揮される。しかし、熱交換要素を、様々な空力学的部品又は非空力学的部品、或いは、構造的部品又は非構造的部品等と一体化させてもよい。それでもやはり、多数の機能を組合せることにより、費用を削減し、占有空間を縮小しつつ、性能が向上し、更なる利点を得ることができる。

図５は、図１のＨＲＳＧ３２の熱交換要素と一体化された多数の部品を有する排気ディフューザ６８の実施形態の詳細側面図である。図５には特に、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素と一体化された放射流排気ディフューザ６８と、幾つかの異なる部品とを示す。例えば、図３及び図４においてより詳細に説明した排気フレーム支柱７２が示されている。

加えて、加熱排気ガス３４を、入口案内翼９２を通過させてから、排気ディフューザ６８の上流部分９０に流入させてもよい。これらの入口案内翼９２は例えば、加熱排気ガス３４中の旋回流を除去することによって圧力回復を促進するよう特に構成された一連の翼であってよい。この機能は、図４に関して説明した排気フレーム支柱７２の機能にやや類似する。しかし、入口案内翼９２を特に、かかる空力学的機能を果たすように設計し、排気フレーム支柱７２を特に、支持機能を果たすように設計してもよい。それでもやはり、本発明の実施形態では、支柱翼形部８４により旋回流を減少させつつ、蒸気管７４、７６、７８が熱を伝達できるように、空力特性と熱交換要素とを排気フレーム支柱７２に付加することができる。同様に、本発明の実施形態では、入口案内翼９２により流れを制御し、旋回流を減少させつつ、蒸気管７４、７６、７８を介して熱が伝達するように熱交換要素を入口案内翼９２に付加することができる。入口案内翼９２が、排気フレーム支柱７２よりも多数の翼と薄い翼形部を有するよう設計されていてもよい。従って、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素が入口案内翼９２と一体化される実施形態では、入口案内翼９２内に一体化される熱交換要素の大きさを幾分縮小することで、熱交換要素を多く許容することができる。

加えて、図２に関して説明した出口案内翼７０を用いて、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素を一体化することもできる。加熱排気ガス３４は、排気ディフューザ６８の上流部分９０を通り、その後、排気ディフューザ６８の下流部分９４を通過する。排気ディフューザ６８の下流部分９４の出口面の下流において、出口案内翼７０を用いて、加熱排気ガス３４を９０度方向転換させることにより、加熱排気ガス３４をＨＲＳＧ３２へと案内する排気プレナム９６の方へと再誘導することができる。この出口案内翼７０の領域は、突然拡大するのではなく、排気プレナム９６を通じて制御されるよう設計されてよい。このように、出口案内翼７０により、圧力回復を改善することができる。図示のように、出口案内翼７０は、入口案内翼９２より幾分大きくてもよい。従って、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素が出口案内翼７０と一体化される実施形態では、出口案内翼７０内に適用される熱交換要素もまた、入口案内翼９２内に適用されるものよりも幾分大きくてもよい。

加えて、支持管等の支持構造９８を用いて、出口案内翼７０を支持し、排気ディフューザ６８内においてＨＲＳＧ３２の熱交換要素を一体化させてもよい。具体的には例えば、これらの熱交換要素が、支持構造９８内に配置される。更に、一実施形態では、支持構造９８と出口案内翼７０とを直接接触させてもよいため、支持構造９８内の熱交換要素と出口案内翼７０内の熱交換要素の両方が相互に関連付けられる。従って、かかる実施形態では、熱交換要素を、支持構造９８を介して出口案内翼７０内へと延在させ、その後、再び支持構造９８を介して戻すことができる。

一実施形態では、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素が、単一の排気ディフューザ６８の多数の部品と一体化される。換言すれば、熱交換要素は、単一の排気ディフューザ６８内で、例えば１つ以上の入口案内翼９２、１つ以上の排気フレーム支柱７２、１つ以上の出口案内翼７０、１つ以上の支持構造９８又はこれらを組合せたものと一体化されてよい。ＨＲＳＧ３２の熱交換要素と排気ディフューザ６８の部品との一体化の程度は、排気ディフューザ６８及びＨＲＳＧ３２の個々の設計条件により異なる。

加えて、本発明の例示的実施形態では、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素と入口案内翼９２、排気フレーム支柱７２、出口案内翼７０及び支持構造９８とが一体化されているが、本発明による一体化は更に、排気ディフューザ６８のその他の部品にも適用可能である。実使用において、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素の一体化が可能な、排気ディフューザ６８の排気経路内のあらゆる部品に、本発明は適用可能である。例えば、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素を、排気ディフューザ６８の外側ケーシング８０に一体化させ、一体化された熱交換要素が、排気ディフューザ６８を通る加熱排気ガス３４の流れに悪影響を及ぼさない（又は実際に流れを改善する）ように設計してもよい。

本発明の実施形態は概して、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素とガスタービン排気ディフューザ６８の部品との一体化に関するが、一実施形態として、これらの熱交換要素を、ガスタービン１２の排気経路内のその他の部品と一体化してもよいことに注意されたい。例えば、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素を、ガスタービン１２のタービン１６部よりも下流であるが排気ディフューザ６８よりも上流の部品と一体化させてもよい。加えて、熱交換要素を、排気ディフューザ６８よりも下流であるがＨＲＳＧ３２よりも上流の部品と一体化させてもよい。更に、熱交換要素を、実際に、加熱排気を自身の排気経路内に排気するあらゆる種類のエンジンの排気経路内の部品と一体化させてもよい。

本発明による排気ディフューザ６８の部品と一体化される熱交換要素を用いて過熱蒸気を発生させる方法は、適用する構成（即ちどのような組合せの部品がＨＲＳＧ３２の熱交換要素と一体化されるか）にかかわらず、実質的に同様である。図６に特に、図２、図３及び図５の排気ディフューザ６８内で過熱蒸気を発生させる方法１００の例示的実施形態の流れ図を示す。ステップ１０２において、加熱排気ガス３４は、ガスタービン１２から排出される。上述のように、この加熱排気ガス３４により、水源に伝達されて過熱蒸気を発生させる熱が供給される。ステップ１０４において、加熱排気ガス３４が、ガスタービン１２の排気ディフューザ６８を介して案内される。上述のように、排気ディフューザ６８の部品の幾つかにより、流れを制御し、加熱排気ガス３４が、損失を最小限に抑えつつ、排気ディフューザ６８を介して案内される。

ステップ１０６において、加熱排気ガス３４から水源に熱が伝達されて、例えばＨＲＳＧ３２を介して案内され、最終的に蒸気タービン２２において用いられる過熱蒸気を発生させる。本発明の実施形態では、熱は、排気ディフューザ６８の部品と一体化される熱交換要素を用いて、加熱排気ガス３４から水源に伝達される。これらの部品には、入口案内翼９２、排気フレーム支柱７２、出口案内翼７０、支持構造９８及び熱交換要素と一体化可能な排気ディフューザ６８のあらゆるその他の部品が含まれる。

最後に、ステップ１０８において、発生した過熱蒸気が、この過熱蒸気を動力源として用いるＨＲＳＧ３２に送られる。なお、本明細書においては、過熱蒸気がＨＲＳＧ３２を介して蒸気タービン２２に送られる場合を例示しているが、過熱蒸気を、この過熱蒸気を熱源として、又は動力源として用いる複合サイクル発電システム１０の内部又は外部の、その他任意の工程に供してもよい。例えば、過熱蒸気を特に、ガスタービン１２の燃焼室１８内で用いる燃料ガスの加熱に用いてもよい。換言すれば、本明細書に開示の幾つかの実施形態では、熱交換要素がＨＲＳＧ３２の一部分となっているが、これらの熱交換要素を、その他の外部蒸気発生工程に供してもよい。

従って、本発明の実施形態では、ＨＲＳＧ３２の熱交換要素を、入口案内翼９２、排気フレーム支柱７２、出口案内翼７０、支持構造９８等の排気ディフューザ６８の様々な部品と一体化させることができる。熱交換要素を、加熱排気ガス３４を熱源として用い、水源に伝達させ、過熱蒸気を発生させることができるよう、熱交換要素と排気ディフューザ６８の部品とを如何様に結合してもよい。更に、熱交換要素を用いて、加熱排気ガス３４の運動エネルギを位置エネルギに変換し、静圧を増大させられるよう、熱交換要素を排気ディフューザ６８の部品と如何様に結合してもよい。上述のように、本発明の実施形態の利点の１つは、熱交換要素を排気ディフューザ６８の部品内に再配置することにより、ＨＲＳＧ３２の全体的な長さを縮小できることであると言えよう。

本明細書に記載した本発明の特徴は、その一部に過ぎず、当業者には、これらの様々な修正形態及び改変形態が想起可能であろう。従って、添付の特許請求の範囲は、かかる修正形態及び改変形態も本発明の範囲に含まれるものとして網羅していることを理解されたい。

Claims

排熱回収ボイラシステム（３２）と、
前記排熱回収ボイラシステム（３２）の複数の熱交換要素（７４、７６、７８）を自身の排気経路（３４）内に一体的に有するガスタービン排気ディフューザ（６８）と
を備え、
前記熱交換要素（７４、７６、７８）の少なくとも１つが、前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）の入口案内翼（９２）と一体化されている、
システム。
前記複数の熱交換要素（７４、７６、７８）が、過熱器（５２、５４）、再熱器（５８、６０）、蒸発器（４２、４６、５０）、エコノマイザ（４０、４４、４８）又はこれらの組合せにより構成された蒸気管を備える、請求項１記載のシステム。
ガスタービン（１２）から排出される加熱排気ガス（３４）が、前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）の前記排気経路（３４）を介して流れ、
前記複数の熱交換要素（７４、７６、７８）が、前記加熱排気ガス（３４）から、前記複数の熱交換要素（７４、７６、７８）を介して流れる蒸気に、熱を伝達させるよう構成されている、請求項１または２に記載のシステム。
前記入口案内翼（９２）が、前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）の前記排気経路（３４）内に配置されている、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
前記熱交換要素（７４、７６、７８）の少なくとも１つが、前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）の排気フレーム支柱（７２）と一体化されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
前記熱交換要素（７４、７６、７８）の少なくとも１つが、前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）の出口案内翼（７０）と一体化されている、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
前記熱交換要素（７４、７６、７８）の少なくとも１つが、前記排気ディフューザ（６８）の支持構造（９８）と一体化されており、
前記支持構造（９８）が、前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）の出口案内翼（７０）を支持するように構成された、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
前記熱交換要素（７４、７６、７８）の少なくとも１つが、前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）の部品（７０、７２、９２、９８）と一体化されており、
前記熱交換要素（７４、７６、７８）と前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）の前記部品（７０、７２、９２、９８）との両方を翼形部（８４）が囲繞している、請求項１乃至７のいずれかに記載のシステム。
前記排熱回収ボイラシステム（３２）に結合された蒸気タービン（２２）を含む、請求項１乃至８のいずれかに記載のシステム。
前記ガスタービン排気ディフューザ（６８）に結合されたガスタービン（１２）を含む、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。