JP2003294202A - 排熱回収ボイラ及びその運転起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービン等の排熱発生源を起動する際に
スチームハンマが生じるのを防止できる排熱回収ボイラ
を提供する。 【解決手段】 ガスタービン等の排熱発生源から排出さ
れる排熱を利用し、蒸気ドラムから供給されて多数の蒸
発器管３４内を流れる給水を加熱して蒸気を発生させる
排熱回収ボイラにおいて、運転起動時に給水Ｗを所望の
水位に調整する水位制御手段５１を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービン等か
ら排出される排気ガスの排熱を利用して蒸気を生成する
排熱回収ボイラ及びその運転起動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】排熱回収ボイラは、たとえばガスタービ
ン等と組み合わせて構成されるコンバインドサイクル発
電プラントに使用されている。コンバインドサイクル発
電プラントでは、ガスタービンによって発電機を駆動し
て発電し、さらに、ガスタービンから排出される排気ガ
スの排熱を利用して蒸気を発生させる。この蒸気を蒸気
タービンへ供給すれば発電機の駆動に利用することがで
きるので、蒸気タービンによっても発電することがで
き、従って、高効率で環境に優しい発電プラントとして
注目されている。

【０００３】このようなコンバインドサイクル発電プラ
ントにおいて、ガスタービン等の排熱発生源から排出さ
れる排熱を利用して蒸気を発生させる装置として、排熱
回収ボイラ（Heat Recovery Steam Generator）が知ら
れている。以下では、排熱回収ボイラの一例として、コ
ンバインド用三圧再熱自然循環排熱回収ボイラ（以下で
は、「ＨＲＳＧ」と略す）を図４に示して簡単に説明す
る。

【０００４】同図に示す従来のＨＲＳＧ１０は、下方か
ら上方に向かって排気ガスＧを導くケーシング１１内
に、排気ガスＧの流れ方向である下から上に向かって順
番に、高圧蒸発器１２、中圧蒸発器１３及び低圧蒸発器
１４が配置されている。高圧蒸発器１２は、高圧蒸気ド
ラム１５から供給されて多数の蒸発器管１６内を流れる
給水をガスタービン排気Ｇで加熱して高圧蒸気ＳＨを生
成する。この場合の給水は、後述する中圧蒸発器１３の
給水Ｗ１から分岐させてケーシング１１内を通過する給
水管１７を流れ、ガスタービン排気Ｇの排熱で予熱され
たものが使用される。

【０００５】中圧蒸発器１３は、中圧蒸気ドラム１８か
ら供給されて多数の蒸発器管１９内を流れる給水Ｗ１を
ガスタービン排気Ｇで加熱して中圧蒸気ＳＩを生成す
る。なお、給水Ｗ１の給水管２０はケーシング１１内を
通過しており、従って、ガスタービン排気Ｇで予熱され
た給水が使用される。低圧蒸発器１４は、低圧蒸気ドラ
ム２１から供給されて多数の蒸発器管２２内を流れる給
水Ｗ２をガスタービン排気Ｇで加熱して高圧蒸気ＳＨを
生成する。なお、給水Ｗ２の給水管２３はケーシング１
１内を通過しており、従って、ガスタービン排気Ｇで予
熱された給水が使用される。

【０００６】さて、上述した高圧蒸発器１２、中圧蒸発
器１３及び低圧蒸発器１４について標準的な系統模式図
を図３に示す。なお、図中の符号３０は蒸発器、３１は
蒸気ドラム、３２は降水管、３３は蒸発器入口管寄せ、
３４は蒸発器管、３５は蒸発器出口管寄せ、３６Ｌは左
側蒸発器出口連絡管、３６Ｒは右側蒸発器出口連絡管、
３７は給水管、３８は飽和蒸気管、Ｗは給水である。

【０００７】この蒸発器３０では、給水管３７を介して
蒸気ドラム３１内に給水Ｗの供給を受ける。この給水Ｗ
は、左右一対の降水管３２から蒸発器入口管寄せ３３へ
流出し、さらに、蒸発器入口管寄せ３３から多数の蒸発
器管３４へ分配される。蒸発器管３４は、一端が蒸発器
入口管寄せ３３に接続され、他端が蒸発器出口管寄せ３
５に接続されたＵ字状の管である。給水Ｗは、蒸発器管
３４内を流れることによって蒸発器管３４の周囲を下か
ら上へ上昇していく高温のガスタービン排気Ｇに加熱さ
れ、蒸気及び水の二相流となって蒸発器出口管寄せ３５
へ流入する。

【０００８】この後、蒸気及び水の二相流は、左側蒸発
器出口連絡管３６Ｌ及び右側蒸発器出口連絡管３６Ｒに
分流して蒸気ドラム３１へ戻る。蒸気ドラム３１では、
飽和蒸気管３８を通って飽和蒸気が流出し、水は降水管
３２から流出する給水Ｗと合流して再循環する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した構
成の排熱回収ボイラにおいては、メンテナンス等で運転
停止させたガスタービンを再起動する時、蒸気ドラム３
１内の通常運転水位まで給水が溜まっているので、蒸発
器３０の給水循環系統内には外気温度程度まで温度低下
した低温の給水Ｗが存在している。この状態でガスター
ビンを起動すると、ガスタービン排気Ｇの温度が徐々に
上昇するにつれて蒸発器管３４で蒸気を発生する。この
蒸気は、左側蒸発器出口連絡管３６Ｌ及び右側蒸発器出
口連絡管３６Ｒに分流して蒸気ドラム３１へ流れようと
するが、この時、蒸発器出口管寄せ３５及び左右の蒸発
器出口連絡管３６Ｌ，３６Ｒ内で低温の給水Ｗによって
急激に冷却されて凝縮する。

【００１０】このようにして蒸気が凝縮すると、急激な
体積の減少によって周辺の給水Ｗに流れが生じるので、
周辺の給水Ｗが衝突して異音や振動を発生するスチーム
ハンマと呼ばれる現象の発生が懸念される。なお、スチ
ームハンマとは、蒸気配管系において、凝縮水が残留し
ていたり、凝縮水と蒸気が逆流しているような場合に、
蒸気と凝縮水が衝突して、ウォータハンマに似た騒音と
振動を発生する現象のことである。

【００１１】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、ガスタービン等の排熱発生源を起動する際にスチ
ームハンマが生じるのを防止できる排熱回収ボイラ及び
その運転起動方法の提供を目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、以下の手段を採用した。請求項１に記載の
排熱回収ボイラは、ガスタービン等の排熱発生源から排
出される排熱を利用し、蒸気ドラムから供給されて多数
の蒸発器管内を流れる給水を加熱して蒸気を発生させる
蒸発器を備えた排熱回収ボイラにおいて、運転起動時に
前記給水を所望の水位に調整する水位制御手段を設けた
ことを特徴とするものである。

【００１３】このような排熱回収ボイラによれば、運転
起動時に給水を所望の水位に調整する水位制御手段を設
けたので、運転起動時に発生した蒸気が低温の給水に流
れ込まないよう水位を調整して、蒸気の凝縮によるスチ
ームハンマの発生を防止することができる。

【００１４】請求項２に記載の排熱回収ボイラの運転起
動方法は、ガスタービン等の排熱発生源から排出される
排熱を利用し、蒸気ドラムから供給されて多数の蒸発器
管内を流れる給水を加熱して蒸気を発生させる蒸発器を
備えた排熱回収ボイラの運転起動方法であって、前記給
水を通常運転水位より低い運転起動水位以下に下げる運
転起動準備を完了した後、前記排熱発生源の運転を開始
して所定時間経過後、あるいは前記給水が所定温度に達
した後に前記給水を通常運転水位まで上げることを特徴
とするものである。

【００１５】このような排熱回収ボイラの運転起動方法
によれば、給水を通常運転水位より低い運転起動水位以
下に下げる運転起動準備を完了した後、排熱発生源の運
転を開始して所定時間経過後、あるいは給水が所定温度
に達した後に給水を通常運転水位まで上げるようにした
ので、給水が運転水位以下にある状態で発生した蒸気は
温度の低い給水と接触することなく蒸気ドラムへ導か
れ、蒸気が凝縮して発生するスチームハンマを防止する
ことができる。この場合、前記運転起動水位は、蒸発器
管から蒸気を集めて蒸気ドラムへ導く蒸発器出口管寄せ
より低く設定されていることが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る排熱回収ボイ
ラ及びその運転起動方法の一実施形態を図面に基づいて
説明する。なお、以下の各実施形態では、従来例として
図３に示した蒸発器３０の系統模式図に対応する図面に
基づいて説明するが、上述した従来例と同様の構成部材
には同じ符号を付してある。

【００１７】＜第１の実施形態＞図１において、図中の
符号３０は蒸発器、３１は蒸気ドラム、３２は降水管、
３３は蒸発器入口管寄せ、３４は蒸発器管、３５は蒸発
器出口管寄せ、３６は蒸発器出口連絡管、３７は給水
管、３８は飽和蒸気管、３９はドレン弁、４０は給水ポ
ンプ、５０は制御部、５１は水位制御手段、Ｗは給水で
ある。

【００１８】この蒸発器３０では、給水管３７を介して
蒸気ドラム３１内に給水Ｗの供給を受ける。この給水Ｗ
は、降水管３２から蒸発器入口管寄せ３３へ流出した
後、さらに、蒸発器入口管寄せ３３から多数が平行に並
べられている蒸発器管３４へ分配される。蒸発器管３４
は、一端が蒸発器入口管寄せ３３に接続され、他端が蒸
発器出口管寄せ３５に接続されたＵ字状の管である。蒸
発器入口管寄せ３３及び蒸発器出口管寄せ３５は共に水
平に設置されており、蒸発器出口管寄せ３５が蒸発器入
口管寄せ３３より高いレベルに位置している。

【００１９】給水Ｗは、蒸発器管３４内を流れることに
よって蒸発器管３４の周囲を下から上へ上昇していく高
温のガスタービン排気Ｇに加熱され、蒸気及び水の二相
流となって蒸発器出口管寄せ３５へ流入する。この後、
蒸気及び水の二相流は、蒸発器出口管寄せ３５に接続さ
れた蒸発器出口連絡管に導かれて蒸気ドラム３１へ戻
る。蒸気ドラム３１では、飽和蒸気が飽和蒸気管３８を
通って蒸気タービン等の次工程へ流出し、水は降水管３
２から流出する給水Ｗと合流して蒸発器管３４へ再循環
する。

【００２０】このようにして、蒸発器ドラム３１、降水
管３２、蒸発器入口管寄せ３３、蒸発器管３４、蒸発器
出口管寄せ３５、及び出口連絡管３６よりなる凝縮器３
０の給水循環系内を給水Ｗが循環する過程において、蒸
気ドラム３１内の飽和蒸気が飽和蒸気管３８から流出
し、この流出分を補うようにして給水管３７から給水Ｗ
が補給されて所定の水位を保ちながら連続した運転が継
続される。

【００２１】給水Ｗを供給する給水管３７の系統には、
給水ポンプ４０が設置されている。そして、給水ポンプ
４０の運転を含めた排熱回収ボイラ全体の各種運転制御
を行うために、制御部５０が設けられている。制御部５
０は、運転起動時等に給水Ｗの水位制御を行うために設
けた水位制御手段５１と接続されている。この水位制御
手段５１は、給水Ｗを所望の水位に調整する機能を有す
るもので、たとえばレベルスイッチや流量計などがあ
る。

【００２２】さて、上述した構成の排熱回収ボイラにお
いては、以下に説明する手順によって運転起動を行う。
排熱回収ボイラの運転起動を行う場合、最初にドレン弁
３９を全開として給水Ｗを排水する。この後、ドレン弁
３９を閉じ、給水ポンプ４０を起動して所望の水位まで
給水Ｗを供給する。この時の水位は、蒸気ドラム３１内
に設定されている通常運転水位より低い運転起動水位と
なり、好適な運転起動水位は蒸発器出口管寄せ３５より
低い水位となる。

【００２３】このような運転起動水位の調整は、水位制
御手段５１から制御部５０に入力される信号によって給
水ポンプ４０の運転を制御して行われる。具体的には、
水位制御手段５１として設けたレベルスイッチが所望の
水位を検出した信号、あるいは水位制御手段５１として
設けた流量計が所望の給水量を検知した信号が制御部５
０へ入力されるまで給水ポンプ４０の運転を継続して給
水Ｗの供給を行う。

【００２４】こうして蒸発器３０の系内が運転起動水位
になると、給水ポンプ４０の運転を停止してガスタービ
ン等排熱発生源の運転起動準備が完了する。この時点で
は、スチームハンマの発生が懸念される蒸発器出口管寄
せ３５と蒸気ドラム３１との間を連結している蒸発器出
口連結管３６には給水Ｗがなく、空の状態となってい
る。また、蒸発器管３４についても、レベルの高いＵ字
管の上部には給水Ｗがない空の状態にある。

【００２５】この状態でガスタービンを起動すると、す
なわち極低レベル起動を行うと、徐々に温度上昇する高
温のガスタービン排気Ｇが蒸発器管３４の周囲を上昇し
ながら加熱する。この加熱を受けた蒸発器管３４では、
内部の給水Ｗが蒸発して蒸気と水の二相流となり、蒸発
器出口管寄せ３５及び蒸発器出口連結管３６を通って蒸
気ドラム３１へ流れ込む。この時、多数の蒸発器管３４
から集めた高温の蒸気が流れていく流路である蒸発器出
口管寄せ３５及び蒸発器出口連結管３６には低温の給水
Ｗが存在していないため、蒸気が急激に冷却されて凝縮
するようなことはなく、従って、スチームハンマの発生
を防止することができる。

【００２６】こうしてガスタービンを所定時間運転した
り、あるいは、ガスタービン排気Ｇや給水Ｗが所定の温
度まで上昇した場合には、制御部５０が給水ポンプ４０
を起動して給水Ｗの供給を再開し、給水Ｗを通常運転水
位まで上昇させて通常運転を継続する。なお、これまで
の説明では、いったん給水Ｗの全量を排水してから運転
起動水位に調整するものとして説明したが、ドレン弁３
９から排水して運転起動水位まで下がったことを水位制
御手段５１で検知して調整するようにしてもよい。

【００２７】＜第２の実施形態＞図２に示す実施形態で
は、運転起動水位を目視で確認する液面計５５を系内の
適所に設けて給水Ｗの水位を調整する。図示の例では、
蒸気ドラム３１と蒸発器入口管寄せ３３との間を連結す
る降水管３２に液面計５５を設けて、給水Ｗが運転起動
水位にあることを目視で確認できるようにしてある。

【００２８】上述した構成の排熱回収ボイラにおいて
も、運転起動を行う際には、最初にドレン弁３９を全開
として給水Ｗを排水する。この後、ドレン弁３９を閉
じ、給水ポンプ４０を起動して所望の水位まで給水Ｗを
供給する。この時の水位は、蒸気ドラム３１内に設定さ
れている通常運転水位より低い運転起動水位となる。こ
のような運転起動水位の調整は、給水ポンプを運転して
給水Ｗを蒸発器３０に供給し、液面計５５から目視で水
位を監視することによって行われる。

【００２９】あるいは、運転起動水位の調整は、ドレン
弁３９を開いて給水Ｗを系外へ排水する際、液面計５５
から目視で水位を監視することによって行われ、所望の
運転起動水位になった時点でドレン弁３９を閉じるよう
にしてもよい。

【００３０】こうして蒸発器３０の系内が運転起動水位
になると、給水ポンプ４０の運転を停止してガスタービ
ン等排熱発生源の運転起動準備が完了する。この時点で
は、スチームハンマの発生が懸念される蒸発器出口管寄
せ３５と蒸気ドラム３１との間を連結している蒸発器出
口連結管３６には給水Ｗがなく、空の状態となってい
る。また、蒸発器管３４についても、レベルの高いＵ字
管の上部には給水Ｗがない空の状態にある。

【００３１】この状態でガスタービンを起動すると、す
なわち極低レベル起動を行うと、徐々に温度上昇する高
温のガスタービン排気Ｇが蒸発器管３４の周囲を上昇し
ながら加熱する。この加熱を受けた蒸発器管３４では、
内部の給水Ｗが蒸発して蒸気と水の二相流となり、蒸発
器出口管寄せ３５及び蒸発器出口連結管３６を通って蒸
気ドラム３１へ導かれる。この時、多数の蒸発器管３４
から集めた高温の蒸気が流れていく流路である蒸発器出
口管寄せ３５及び蒸発器出口連結管３６には低温の給水
Ｗが存在していないため、蒸気が急激に冷却されて凝縮
するようなことはなく、従って、スチームハンマの発生
を防止することができる。

【００３２】こうしてガスタービンを所定時間運転した
り、あるいは、ガスタービン排気Ｇや給水Ｗが所定の温
度まで上昇した場合には、制御部５０が給水ポンプ４０
を起動して給水Ｗの供給を再開し、給水Ｗを通常運転水
位まで上昇させて通常運転を継続する。

【００３３】以上説明したように、本発明の排熱回収ボ
イラ及びその運転起動方法によれば、運転起動時に給水
Ｗの水位を運転起動水位まで下げる極低レベル起動を行
うようにしたので、蒸気と低温の給水Ｗとが接触して急
激に凝縮することに起因するスチームハンマの発生を防
止することができる。

【００３４】なお、本発明の構成は上述した実施形態に
限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範
囲内において適宜変更することができる。

【００３５】

【発明の効果】上述した本発明の排熱回収ボイラ及びそ
の運転起動方法によれば、以下の効果を奏する。請求項
１に記載の発目によれば、運転起動時に給水を所望の水
位に調整する水位制御手段を設けたので、運転起動時に
発生した蒸気が低温の給水に流れ込まないよう水位を自
動的に調整して、蒸気の凝縮によるスチームハンマの発
生を容易に防止することができる。

【００３６】請求項２に記載の発明によれば、給水を通
常運転水位より低い運転起動水位以下に下げる運転起動
準備を完了した後、排熱発生源の運転を開始して所定時
間経過後、あるいは給水が所定温度に達した後に給水を
通常運転水位まで上げるようにしたので、給水が運転水
位以下にある状態で発生した蒸気は温度の低い給水と接
触することなく蒸気ドラムへ導かれ、蒸気が凝縮して発
生するスチームハンマを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る排熱回収ボイラの蒸発器につい
て、第１の実施形態を示す標準的な系統模式図である。

【図２】 本発明に係る排熱回収ボイラの蒸発器につい
て、第２の実施形態を示す標準的な系統模式図である。

【図３】 排熱回収ボイラの蒸発器について、従来例を
示す標準的な系統模式図である。

【図４】 排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の一例として、
コンバインド用三圧再熱自然循環排熱回収ボイラの概略
構成を示す図である。

【符号の説明】

３０ 蒸発器 ３１ 蒸気ドラム ３２ 降水管 ３３ 蒸発器入口管寄せ ３４ 蒸発器管 ３５ 蒸発器出口管寄せ ３６ 蒸発器出口連結管 ４０ 給水ポンプ ５０ 制御部 ５１ 水位制御手段 ５５ 液面計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊地 洋 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 永井 雅明 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 藤田 真 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 Ｆターム(参考） 3L021 AA02 BA03 DA07 FA03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスタービン等の排熱発生源から排出
   される排熱を利用し、蒸気ドラムから供給されて多数の
   蒸発器管内を流れる給水を加熱して蒸気を発生させる蒸
   発器を備えた排熱回収ボイラにおいて、 運転起動時に前記給水を所望の水位に調整する水位制御
   手段を設けたことを特徴とする排熱回収ボイラ。
2. 【請求項２】 ガスタービン等の排熱発生源から排出
   される排熱を利用し、蒸気ドラムから供給されて多数の
   蒸発器管内を流れる給水を加熱して蒸気を発生させる蒸
   発器を備えた排熱回収ボイラの運転起動方法であって、 前記給水を通常運転水位より低い運転起動水位以下に下
   げる運転起動準備を完了した後、前記排熱発生源の運転
   を開始して所定時間経過後、あるいは前記給水が所定温
   度に達した後に前記給水を通常運転水位まで上げること
   を特徴とする排熱回収ボイラの運転起動方法。
3. 【請求項３】 前記運転起動水位が、前記蒸発器管か
   ら蒸気を集めて前記蒸気ドラムへ導く蒸発器出口管寄せ
   より低く設定されていることを特徴とする請求項２記載
   の排熱回収ボイラの運転起動方法。