用于提高燃气轮机功率输出的排气道及发电系统.pdf

本发明涉及用于提高燃气轮机功率输出的排气道及发电系统。提供了一种具有接合管和通气管的排气道。通气管具有消音器部、会聚管道部、管状部以及发散扩散器部。消音器部与接合管流体连通。消音器部具有第一液压平均截面流径，管状部具有小于或等于第一液压平均截面流径的第二液压平均截面流径。会聚管道部连接在消音器部与管状部之间。发散扩散器部连接到管状部的、与会聚管道部相反的一端上，以使得流过接合管、消音器部、会聚管道部、管状部以及发散扩散器部的排气具有减小的总体压降，其至少部分地是因为发散扩散器部及因为第二液压平均截面流径小于或等于第一液压平均截面流径。

1.  一种排气道(30)，其包括：
接合管(44)；以及
通气管(46)，其具有消音器部(48)、会聚管道部(50)、管状部(52)以及发散扩散器部(54)，所述消音器部(48)与所述接合管(44)流体连通，所述消音器部(48)的至少一部分具有第一截面尺寸，所述管状部(52)的至少一部分具有小于或等于所述第一截面尺寸的第二截面尺寸，所述会聚管道部(50)连接在所述消音器部(48)与所述管状部(52)之间，所述发散扩散器部(54)连接到所述管状部(52)的、与所述会聚管道部(50)相反的一端上，以使得流过所述接合管(44)、消音器部(48)、会聚管道部(50)、管状部(52)以及发散扩散器部(54)的排气具有减小的总体压降，其至少部分地是因为所述发散扩散器部(54)以及因为所述第二截面尺寸小于或等于所述第一截面尺寸。

2.  根据权利要求1所述的排气道(30)，其特征在于，所述消音器部(48)构造成使排气具有第一平均速度，所述第一平均速度大致等于所述管状部(52)中的排气的第二平均速度的一半。

3.  根据权利要求1所述的排气道(30)，其特征在于，所述接合管(44)具有顶面(56)和底面(58)，所述顶面(56)以约90度至约135度的角度自所述消音器部(48)的外表面(60)延伸，所述底面(58)以约45度至约90度的角度自所述消音器部(48)的所述外表面(60)延伸，以使得排气贯穿所述通气管(46)具有大致均匀的速度分布。

4.  根据权利要求1所述的排气道(30)，其特征在于，所述排气道还包括流动导向件(268)，其构造成自所述接合管(44)的底面(58)延伸，并且跨越所述消音器部(48)，从而导致流入所述消音器部(48)以及所述发散扩散器部(54)中的排气具有大致均匀的速度分布。

5.  根据权利要求4所述的排气道(30)，其特征在于，所述流动导向件(268)包括偏离所述通气管(46)的横向轴线(272)至少约20度的板。

6.  根据权利要求4所述的排气道(30)，其特征在于，所述流动导向件(268)包括具有平坦表面与凹面其中之一的板。

7.  根据权利要求1所述的排气道(30)，其特征在于，所述发散扩散器部(54)构造成以约5度至约15度范围内的预定发散角自所述管状部(52)发散。

8.  一种排气道(400)，其包括：
接合管(402)；以及
通气管(404)，其具有第一管状部(406)、第一发散扩散器部(408)、消音器部(410)、会聚管道部(412)、第二管状部(414)以及第二发散扩散器部(416)，所述第一管状部(406)与所述接合管(402)流体连通，所述第一管状部(406)的至少一部分具有第一截面尺寸，所述消音器部(410)的至少一部分具有第二截面尺寸，所述第一截面尺寸小于或等于所述第一截面尺寸，所述第一发散扩散器部(408)连接在所述第一管状部(406)与所述消音器部(410)之间，所述第二管状部(414)的至少一部分具有小于或等于所述第二截面尺寸的第三截面尺寸，所述会聚管道部(412)连接在所述消音器部(410)与所述第二管状部(414)之间，所述第二发散扩散器部(416)连接到所述第二管状部(414)的、与所述会聚管道部(412)相反的一端上，以使得流过所述接合管(402)、第一管状部(406)、第一发散扩散器部(408)、消音器部(410)、会聚管道部(412)、第二管状部(414)以及第二发散扩散器部(416)的排气具有减小的总体压降，其至少部分地是因为所述第二发散扩散器部(416)以及因为所述第三截面尺寸小于或等于所述第二截面尺寸。

9.  根据权利要求8所述的排气道(400)，其特征在于，所述第一管状部(406)构造成使排气具有第一平均速度，所述消音器部(410)构造成使排气具有第二平均速度，且所述第二管状部(414)构造成使排气具有第三平均速度，以使得所述第一平均速度等于所述第二平均速度与所述第三平均速度的平均值。

10.  根据权利要求9所述的排气道(400)，其特征在于，所述第三平均速度小于或等于所述第二平均速度的两倍。

用于提高燃气轮机功率输出的排气道及发电系统
技术领域
本发明大致涉及燃气轮机，更具体地涉及构造成用于提高燃气轮机的功率输出的排气道以及发电系统。
背景技术
联合循环发电设备(CCPP)包括燃气轮机、热回收蒸汽发生器(HRSG)、蒸汽轮机以及排气道。燃气轮机包括构造成用于响应排气的膨胀而产生转动功率输出的涡轮。HRSG构造成用于从燃气轮机中接收排气，并用该排气的热量产生蒸汽。蒸汽轮机构造成用于响应蒸汽的膨胀而产生转动功率输出。排气道构造成用于将排气从HRSG通至大气。
燃气轮机包括压缩机、燃烧区域以及涡轮。压缩机构造成用于压缩流入的空气。燃烧区域构造成用于接收被压缩的空气，燃烧被压缩空气与燃料的混合物，并且产生高温、高压排气。涡轮构造成用于接收排气并响应排气的膨胀而转动。因而，涡轮的转动功率输出与排气的膨胀以及内在压降成比例。
因此，期望提供一种排气道，其构造成用于减小贯穿于排气道的局部压降，以使得排气在燃气轮机内的膨胀增加，从而提高燃气轮机的功率输出。
发明内容
根据本发明的一个示范性实施例，提供了一种排气道。该排气道包括接合管。该排气道还包括通气管，其具有消音器部、会聚管道部、管状部以及发散扩散器部。消音器部与接合管流体连通。消音器部的至少一部分具有第一液压平均截面流径，管状部的至少一部分具有小于或等于第一液压平均截面流径的第二液压平均截面流径。会聚管道部连接在消音器部与管状部之间，发散扩散器部连接到管状部的、与会聚管道部相反的一端上，以使得流过接合管、消音器部、会聚管道部、管状部以及发散扩散器部的排气具有减小的局部压降，其至少部分地是因为发散扩散器部及因为第二液压平均截面流径小于或等于第一液压平均截面流径。
根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种发电系统。该发电系统包括具有压缩机、燃烧区域以及涡轮的燃气轮机。压缩机构造成用于对空气进行压缩。燃烧区域构造成用于接收来自压缩机的被压缩空气，并燃烧该被压缩空气与燃料的混合物，这将产生排气。涡轮构造成用于接收来自燃烧区域的排气，并且响应该排气的膨胀而转动，以使得排气的压力随着排气在涡轮中膨胀而降低。发电系统还包括热回收蒸汽发生器，其构造成用于接收排气，并用该排气中的热量产生蒸汽。发电系统还包括具有接合管和通气管的排气道。接合管构造成用于接收来自热回收蒸汽发生器的排气。通气管具有消音器部、会聚管道部、管状部以及发散扩散器部。消音器部与接合管流体连通。消音器部的至少一部分具有第一液压平均截面流径，且管状部的至少一部分具有小于或等于第一液压平均截面流径的第二液压平均截面流径。会聚管道部连接在消音器部与管状部之间。发散扩散器部连接到管状部的、与会聚管道部相反的一端上，以使得流过接合管、消音器部、会聚管道部、管状部以及发散扩散器部的排气具有减小的局部压降，其至少部分地是因为发散扩散器部及因为第二液压平均截面流径小于或等于第一液压平均截面流径。排气道中的减小的局部压降增大了越过涡轮的排气的总体压差，从而提高了燃气轮机的功率输出。
根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种排气道。该排气道包括接合管。该排气道还包括具有第一管状部、第一发散扩散器部、消音器部、会聚管道部、第二管状部以及第二发散扩散器部的通气管。第一管状部与接合管流体连通。第一管状部的至少一部分具有第一液压平均截面流径，且消音器部的至少一部分具有第二液压平均截面流径。第一液压平均截面流径小于或等于第二液压平均截面流径。第一发散扩散器部连接在第一管状部与消音器部之间。第二管状部的至少一部分具有小于或等于第二液压平均截面流径的第三液压平均截面流径。会聚管道部连接在消音器部与第二管状部之间。第二发散扩散器部连接到第二管状部的、与会聚管道部相反的一端上，以使得流过接合管、第一管状部、第一发散扩散器部、消音器部、会聚管道部、第二管状部以及第二发散扩散器部的排气具有减小的局部压降，其至少部分地是因为第二发散扩散器部及因为第三液压平均截面流径小于或等于第二液压平均截面流径。
根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种发电系统。该发电系统包括具有压缩机、燃烧区域以及涡轮的燃气轮机。压缩机构造成用于对空气进行压缩。燃烧区域构造成用于接收来自压缩机的被压缩空气，并燃烧该被压缩空气与燃料的混合物，这就产生排气。涡轮构造成用于接收来自燃烧区域的排气，并且响应该排气的膨胀而转动，以使得排气的压力随着排气在涡轮中膨胀而降低。发电系统还包括热回收蒸汽发生器，其构造成用于接收排气，并用该排气中的热量产生蒸汽。该发电系统还包括具有接合管和通气管的排气道。接合管构造成用于接收来自热回收蒸汽发生器的排气。通气管具有第一管状部、第一发散扩散器部、消音器部、会聚管道部、第二管状部以及第二发散扩散器部。第一管状部与接合管流体连通。第一管状部的至少一部分具有第一液压平均截面流径。消音器部的至少一部分具有第二液压平均截面流径。第一液压平均截面流径小于或等于第一液压平均截面流径。第一发散扩散器部连接在第一管状部与消音器部之间。第二管状部的至少一部分具有小于或等于第二液压平均截面流径的第三液压平均截面流径。会聚管道部连接在消音器部与第二管状部之间。第二发散扩散器部连接到第二管状部的、与会聚管道部相反的一端上，以使得流过接合管、第一管状部、第一发散扩散器部、消音器部、会聚管道部、第二管状部以及第二发散扩散器部的排气具有减小的总体压降，其至少部分地是因为第二发散扩散器部及因为第三液压平均截面流径小于或等于第二液压平均截面流径。
附图说明
图1是根据一个示范性实施例的、具有排气道的联合循环发电系统的示意图；
图2是图1所示的排气道的透视图；
图3是图2所示的排气道的流动分布图；
图4是图2所示的排气道的截面视图；
图5是图2所示的排气道的发散扩散器部的放大截面视图；
图6是根据另一示范性实施例的排气道的截面视图，其显示了接合管的、以约90至约135度范围内的角度从消音器部延伸出的顶面，和接合管的、以约22.5至约67.5度范围内的角度从消音器部延伸出的底面；
图7是根据又一示范性实施例的排气道的截面视图，其显示了接合管的、以约90至约135度范围内的角度从消音器部延伸出的顶面，接合管的、以约22.5至约67.5度范围内的角度从消音器部延伸出的底面，和具有平坦表面的、定位成与排气道的横向轴线272成约22.5至约67.5度范围内的角度的流动导向件；
图8是根据另一示范性实施例的排气道的截面视图，其显示了接合管的、以约90至约135度范围内的角度从消音器部延伸出的顶面，接合管的、以约22.5至约67.5度范围内的角度从消音器部延伸出的底面，以及具有凹面的流动导向件；所述凹面以约22.5至约67.5度范围内的角度从排气道的横向轴线延伸；以及
图9是根据另一示范性实施例的排气道的截面视图。
部件列表
10   循环发电站               64    第一端
12   燃气轮机发电机           66    第二端
14   蒸汽轮机发电机           130   排气道
16   燃气轮机                 144   接合管
18   第一输出轴               146   通气管
20   第一发电机               148   消音器部
22   压缩机                   150   会聚管道部
24   燃烧区域                 152   管状部
28   热回收蒸汽发生器         154   发散扩散器部
30   排气道                   156   顶面
32   蒸汽轮机                 158   底面
34   第二输出轴               160   外表面
36   第二发电机               230   排气道
38   冷凝器                   244   接合管
40   冷却塔                   246   通气管
42   泵                       248   消音器部
44   接合管                   250   会聚管道部
46   通气管                   252   管状部
48   消音器部                 254   发散扩散器部
50   会聚管道部               256   顶面
52   管状部                   258   底面
54   发散扩散器部             260   外表面
56   顶面                     262   封闭端
58   底面                     268   流动导向件
60   外表面                   270   腔
62   封闭端                   272   横向轴线
330    排气道             400    排气道
344    接合管             402    接合管
346    通气管             404    通气管
348    消音器部           406    第一管状部
350    会聚管道部         408    第一发散扩散器部
352    管状部             410    消音器部
354    发散扩散器部       412    会聚管道部
356    顶面               414    第二管状部
358    底面               416    第二发散扩散器部
360    外表面             462    封闭端
362    封闭端             468    流动导向件
368    流动导向件         470    腔
370    腔                 472    横向轴线
具体实施方式
本发明的示范性实施例涉及排气道，其构造成用于提高联合循环发电设备(CCPP)燃气轮机的功率输出。然而，可以预期排气道也能提高整合在其它合适的发电系统中的燃气轮机的功率输出。在这些示范性实施例中，排气道构造成用于减小排气道中的压降，以便增加燃气轮机中与排气的膨胀相关联的压降，使得增加的气体膨胀提高了燃气轮机的功率输出。
参考图1，CCPP10包括燃气轮机发电机12和蒸汽轮机发电机14。燃气轮机发电机12构造成用于产生电力并生成排气。蒸汽轮机发电机14构造成用于接收来自燃气轮机发电机12的排气，并用该排气的废热产生额外的电力。
燃气轮机发电机12包括燃气轮机16、第一输出轴18以及第一发电机20。燃气轮机16具有压缩机22、燃烧区域24以及涡轮26。压缩机22构造成用于压缩流入的空气。燃烧区域24构造成用于接收来自压缩机22的被压缩空气，并燃烧该被压缩空气与燃料的混合物，这将产生高温、高压排气。涡轮26构造成用于接收来自燃烧区域24的排气，并且响应该排气的膨胀而转动。涡轮26通过第一输出轴18可操作地连接到第一发电机20上，以用于向第一发电机20提供转动功率并产生电力。涡轮26还被构造成用于将排气通至蒸汽轮机发电机14。
蒸汽轮机发电机14包括HRSG 28和排气道30。HRSG 28构造成用于接收来自燃气轮机16的排气，并用该排气的废热产生蒸汽。排气道30构造成用于将来自HRSG 28的排气通至大气，并且减小排气道中排气的局部压降，从而增大越过涡轮的总体压差，具体于下文中描述。
蒸汽轮机发电机14还包括蒸汽轮机32、第二输出轴34、第二发电机36、冷凝器38、冷却塔40以及泵42。蒸汽轮机32构造成用于接收来自HRSG 28的蒸汽，并响应该蒸汽的膨胀而转动。蒸汽轮机32通过第二输出轴34可操作地连接到第二发电机36上，以用于向第二发电机36提供转动功率并产生电力。然而，可以预期在单轴的配置下，蒸汽轮机32也可改为通过第一输出轴18可操作地连接到第一发电机20上。冷凝器38构造成用于接收来自蒸汽轮机32的蒸汽，并将其冷凝成水。特别地，冷凝器38构造成用于接收来自冷却塔40的水，并且将蒸汽中的热量传递到水中，从而将蒸汽冷凝成水。可以预期，冷凝器38也可改为构造成用于将热量传递到来自湖、河、海或其它合适的不作为限制的实例的水中。泵42构造成用于将水从冷凝器38泵送到HRSG 28中。
参考图2至图5，排气道30包括接合管44和通气管46。接合管44构造成与HRSG 28流体连通。通气管46包括消音器部48、会聚管道部50、管状部52以及发散扩散器部54。消音器部48构造成与接合管44流体连通。消音器部的至少一部分具有第一液压平均截面流径，而管状部52的至少一部分具有小于或等于第一液压平均截面流径的第二液压平均截面流径。会聚管道部50连接在消音器部48与管状部52之间。发散扩散器部54连接到管状部52的、与会聚管道部50相反的一端上。因此，流过接合管44、消音器部48、会聚管道部50、管状部52以及发散扩散器部54的排气具有减小的总体压降，其至少部分地是因为发散扩散器部54及因为第二液压平均截面流径小于或等于第一液压平均截面流径。
参考图4，接合管44具有从消音器部48的外表面60延伸出的顶面56和底面58，从而使得接合管44将均匀的流动分布提供到消音器部48中，以减小进入消音器部的局部压降。特别地，顶面56从消音器部48的外表面60以135度延伸出，而底面58从外表面60以45度延伸出。因此，接合管44引导排气以大致均匀的流动分布通过消音器部48并朝向会聚管道部50，以减小消音器部中的压降。在这点上，接合管44还减小了消音器部48的封闭端62处的转向损失，增强了发散扩散器部54中的压力恢复。
可以预期，接合管44的顶面56与底面58能够以各种合适的角度从消音器部48的外表面60延伸出，如图6至图9中的实施例所示。
参考图5，发散扩散器部54构造成自管状部52发散，使得发散扩散器部54恢复了出口压力损失。发散角α的实例包括5度、15度以及在其范围内的合适角度，以便对于约18至约22米/秒范围内速度，恢复约1.5至2.0厘米水范围内的压力。可以预期，利用合适的压力恢复装置，发散角可以大于或小于该范围。
发散扩散器部54还包括直径为6米的第一端64和直径为9米的第二端66。可以了解，第一端64和第二端66的直径分别可以大于或小于6米和9米。发散扩散器部54从第一端64到第二端66具有15米的长度。然而，发散扩散器部54可以具有大于或小于15米的长度。
参考图6，具有接合管144和通气管146的排气道130大致类似于图1至图4中所示的具有接合管44和通气管46的排气道30，其中通气管146带有消音器部148、会聚管道部150、管状部152以及发散扩散器部154，而图1至图4所示的通气管46带有消音器部48、会聚管道部50、管状部52以及发散扩散器部54。然而，接合管144具有以约90至约135度范围内的角度从消音器部148的外表面160延伸出的顶面156。另外，接合管144具有以约22.5至约67.5度范围内的角度从外表面160延伸出的底面158。
参考图7，具有接合管244和通气管246的排气道230大致类似于图1至图4中所示的分别具有接合管44和通气管46的排气道30，其中通气管246带有消音器部248、会聚管道部250、管状部252以及发散扩散器部254，而图1至图4中所示的通气管46带有消音器部48、会聚管道部50、管状部52以及发散扩散器部54。然而，接合管244具有以约90至约135度范围内的角度从外表面260延伸出的顶面256。此外，接合管244具有以约22.5至约67.5度范围内的角度从外表面260延伸出的底面258。另外，通气管246还包括流动导向件268，其构造成用于降低消音器部248的封闭端262处的转向损失，并且在扩散器部254与消音器部248的上游提供大致匀速流动分布。流动导向件268是具有平坦表面的板，该平坦表面自接合管244的底面258延伸且跨越消音器部248的腔270。流动导向件268的平坦表面定位成与排气道246的横向轴线272成约22.5度至约67.5度范围内的角度。在这点上，排气的相当一部分被引导离开消音器部248的封闭端262并朝向会聚管道部250。
消音器部248构造成允许排气膨胀并降低排气的速度和湍流，以使得高能量的噪声耗散在消音器部248中。消音器部248构造成使得流过其中的排气具有第一平均速度，而管状部252构造成使得流过其中的排气具有第二平均速度。第一平均速度等于第二平均速度的至少一半。
参考图8，具有接合管344和通气管346的排气道330大致类似图1至图4中所示的具有接合管44和通气管46的排气道30，其中通气管346带有消音器部348、会聚管道部350、管状部352以及发散扩散器部354，而图1至图4所示的通气管46带有消音器部48、会聚管道部50、管状部52以及发散扩散器部54。然而，接合管344具有以约90至约135度范围内的角度从消音器部348的外表面360延伸出的顶面356。此外，接合管344具有以约22.5至约67.5度范围内的角度从外表面360延伸出的底面358。另外，通气管346还包括流动导向件368，其构造成用于降低消音器部348的封闭端362处的转向损失，并且在消音器入口段与扩散器入口段提供大致均匀的速度分布，以确保最大程度的压力恢复。流动导向件368是具有凹面的板，该凹面自接合管344的底面358延伸且跨越消音器部348的腔370。该凹面的曲率半径等于消音器部48的第一直径的一半。然而，该凹面也可以改为具有其它合适的曲率半径。流动导向件368定位成与排气道346的横向轴线372成约22.5度至约67.5度范围内的角度。
参考图9，排气道400构造成将排气的压降限制到大约0.5英寸水压。特别地，排气道400包括接合管402和通气管404。接合管402与HRSG 28流体连通并构造成用于接收来自HRSG 28的蒸汽。通气管404包括第一管状部406、第一发散扩散器部408、消音器部410、会聚管道部412、第二管状部414以及第二发散扩散器部416。第一管状部406与接合管402流体连通。第一管状部406具有第一液压平均截面流径，消音器部410具有第二液压平均截面流径。第一液压平均截面流径小于或等于第二液压平均截面流径。第一发散扩散部408连接在第一管状部406与消音器部410之间。第二管状部414具有小于或等于第二液压平均截面流径的第三液压平均截面流径。会聚管道部412连接在消音器部410与第二管状部414之间。第二发散扩散器部416连接到第二管状部414的、与会聚管道部412相反的一端上，以使得流过接合管402、第一管状部406、第一发散扩散器部408、消音器部410、会聚管道部412、第二管状部414以及第二发散扩散器部416的排气具有减小的总体压降，其至少部分地是因为第二发散扩散器部及因为第三液压平均截面流径小于或等于第二液压平均截面流径。减小的局部排气道压降增大了穿过燃气轮机16的排气的总体压差且提高了燃气轮机16的功率输出。
第一管状部406、消音器部410以及第二管状部414分别构造成使流过其中的排气具有第一、第二以及第三平均速度。第一平均速度至少等于第二平均速度与第三平均速度的平均值。另外，第二平均速度等于第三平均速度的至少一半。消音器部410还被构造成允许排气膨胀并减小排气的速度和湍流，以使得高能量的噪声耗散在消音器部410中。
通气管404还包括流动导向件468，其构造成用于降低消音器部410的封闭端462处的转向损失，并且在扩散器段与消音器段的上游提供大致匀速流动分布。流动导向件468是具有平坦表面的板，该平坦表面自消音器部410的底面462延伸且跨越消音器部410的腔470。流动导向件468定位成与排气道404的横向轴线472成约22.5度至约67.5度范围内的角度。
本文所描述的排气道以及方法提供了远胜过其他装置和方法的优势。特别地，排气道提供了减小排气的压降并提高燃气轮机的功率输出量的技术效果。在一个示范性实施例中，用语“液压平均截面流径”是指流径的中值截面尺寸或平均截面尺寸。
虽然已经参考示范性实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改变并且可以用等效物替换其元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行各种修改，以使得特定的环境或材料适于本发明的教导。因此，本发明意指并不局限于本文所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附的权利要求范围内的所有实施例。