JP2005002819A - 耐熱衝撃熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化率が高く、急激な温度変化を受けても、発生する熱応力が小さく、高い伝熱性能を維持することができる耐熱衝撃熱交換器を提供する。
【解決手段】高温ガス（タービン排ガス１０）が通過するガス流路２２と、該ガス流路内に設置され高温ガスと内部を流れる低温ガス（空気）とで熱交換する主熱交換器５と、主熱交換器の上流側のガス流路内に設置され高温ガスと内部を流れる低温ガスとで熱交換する補助熱交換器２０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度変化率が高く、急激な温度変化を受けても、発生する熱応力が小さく、高い伝熱性能を維持する耐熱衝撃熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、再生ガスタ−ビンサイクルの構成図である。なお本発明の熱交換器は、ガスタービン専用の用途にあらず、高温流体と低温流体の熱交換に用い、高温流体側の著しい温度・流量変化を伴うプロセス部に汎用として用いるものである。
再生ガスタ−ビンサイクルは、熱交換器５を用いて燃焼器４に供給する空気を予熱するものであり、圧縮機１で加圧した空気８を熱交換器５においてタービン２の排気ガス１２と熱交換することで、空気１１を予熱して燃焼器４に導き燃料７を燃焼させるものである。再生ガスタ−ビンサイクルは、熱交換器５を用いない単純サイクルよりも熱効率が上昇することが知られている。
【０００３】
図７は、実際のガスタービンの起動から停止までのタービン回転数と熱交換器ガス入口温度を模式的に示したものである。この図において、タービン回転数を右側の縦軸、熱交換器ガス入口温度を左側の縦軸で示す。横軸は起動から停止までの時間経過である。以下、再生ガスタ−ビンサイクルの起動・停止手順を説明する。
【０００４】
起動時において、連結する電動機兼用発電機３に電力を供給し、タービン２を回転駆動し、燃料７を噴射して着火する（１３）。次いで、電動機兼用発電機３のアシストなく自立運転しアイドリング状態（１４）になった後、燃料流量を増加し出力を上昇させる（１５）。
また、停止時には、タービン回転数をアイドリング回転数まで低下させ（１７）、回転数、温度、流量、圧力などの諸量が安定したところで、燃料の供給を停止し、消火して運転を停止する（１８）。
【０００５】
上述したガスタービンの起動・停止サイクルにおいて、着火に必要な空気は、別系統の空気源より起動・自立に足る流量圧力の空気６を圧縮機１の入口部から供給し、燃焼器４の燃料着火に用いる。この着火の際の、燃焼器出口温度の温度上昇の速さは極めて大きく、タービン２を介した熱交換器ガス入口部９の温度上昇も、非常に大きなものとなる。仮にタービン２が回転していれば、その仕事によってタービン出口温度すなわち熱交換器ガス入口温度は低下するが、着火時であるため、タービン２は回転しておらず、その効果は望めない。その結果、図２の実例によると、その熱交換器ガス入口温度の温度変化（１６）は１００℃／秒以上に達している。
【０００６】
また、停止時、特に消火時に、燃料供給パイプのコーキングによる詰まりを防ぐために、消火と同時に燃料パイプ内に不活性ガスを注入しパージすることが一般的に行われる。こうすることで、１９のように温度が急降下し、温度変化率としては起動着火時より大きい場合が多い。
【０００７】
また、例えばエンジンにトラブルが発生した場合、急激に出力・回転数を低減する必要がある。この場合にも、熱交換器入口部でのガス温度は極めて大きく動揺するため、熱交換器５は大きな温度変化を受ける。例えば、仮に１００℃／秒の温度変化があった場合、熱交換器における熱膨張差は、激しい箇所では１５〜２０ｍｍ／秒に達し、通常の金属製熱交換器の場合、熱膨張差を吸収しきれずに破損に至るおそれもある。
【０００８】
そのため、従来は、熱交換器の強度設計時のマージンを大きくとるか、タービン側の運転方法を、再生サイクルガスタービン用として、試行錯誤して、燃焼着火手順や構造、制御を含めてその運転プロファイルを作り直していた。
また、同様の問題を解決するため、特許文献１、特許文献２、等が提案されている。
【０００９】
特許文献１の「熱交換器の保護装置」は、図８に示すように、低温流体配管系５１及び高温流体配管系５２に接続し、前記配管内を流れる流体間で熱交換をさせる熱交換器５３と、低温流体配管系に接続し熱交換不要時には熱交換器５３に流す低温流体を迂回させるバイパス弁５４と、熱交換器５３の出口側の高温流体配管系に接続して熱交換不要時には熱交換器に高温流体を流さないようにする調節弁５５と、調節弁の前後に接続し熱交換不要時にも所定量の高温流体を流す開閉弁５６と、熱負荷状態を監視し、熱交換不要時にはバイパス弁及び開閉弁を開放すると共に調節弁の開閉を制御する制御回路５７とを備えたものである。なお、図５において、５８はボイラ、５９はタービンである。この構成により、熱交換器を熱交換不要時にも暖機するようになっている。
【００１０】
特許文献２の「バイパス付き熱交換器とこれを用いたガスタービン装置」は、図９に示すように、筒形のケーシング６１の内方に低温の第１流体Ａと高温の第２流体Ｅの間の熱交換を行うコア６２が収納され、第１流体Ａはコアの側面から導入および導出され、第２流体はコアにその前端面から導入されて後端面から導出され、コアの中心部に第２流体を通過させるバイパス通路６３が設けられ、さらに、バイパス通路の開度を調整する調整弁６４を備え、熱交換器出口での高温の流体の温度を調整するものである。
【００１１】
【特許文献１】
特公昭６０−１７９９７号公報
【特許文献２】
特開２００２−９８００１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
熱交換器の性能設計として、一般的には、限られたスペースに収まり、かつ排気ガスの圧力損失及び空気圧力損失を許容範囲内に収めつつ、与えられた空気及びガス入口条件から、それぞれの要求仕様に適合する出口条件を見い出す計算を行う。また、強度設計として、定常運転条件で構造強度計算を行い、破壊に至らない構造及び許容応力以下の部材を適用すると共に、起動停止時の非定常温度変化および流量・圧力変化をしている際の強度評価をする必要がある。
熱交換器の強度計算において設計マージンを大きく採ると、ガスタービンなどの熱機関や各種プラントの起動停止をより急激に行っても熱交換器が破壊しないことになるが、強度補強による重量増、コスト高、製造の困難さ、加えて例えば伝熱管の厚さ増加は伝熱性能の低下につながり熱交換器の大型化など悪循環となる。そのため、プラント運転制御への温度変化の緩和を求めなければならないが、着火時などの燃焼温度制御は極めて難しく、特に、圧縮機・タービンなどの高速回転体への負担を要求することは、高速回転体破壊の危険性と、技術的困難さが伴う。
【００１３】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、温度変化率が高く、急激な温度変化を受けても、発生する熱応力が小さく、高い伝熱性能を維持することができる耐熱衝撃熱交換器を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、高温ガスが通過するガス流路と、該ガス流路内に設置され前記高温ガスと内部を流れる低温ガスとで熱交換する主熱交換器と、該主熱交換器の上流側のガス流路内に設置され前記高温ガスと内部を流れる低温ガスとで熱交換する補助熱交換器と、を備えたことを特徴とする耐熱衝撃熱交換器が提供される。
【００１５】
上記本発明の構成によれば、補助熱交換器が主熱交換器の上流側に設置され、高温ガスと内部を流れる低温ガスとで熱交換するので、主熱交換器に流入する高温ガスのピ−ク温度を緩和することができる。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスで回転駆動するタービンとを有するガスタ−ビン設備に用いる耐熱衝撃熱交換器であって、
前記高温ガスはタービン排ガスであり、前記低温ガスは圧縮した空気であり、前記主熱交換器は、タービン排ガスと圧縮空気との間で熱交換する熱交換器であり、前記補助熱交換器は主熱交換器より上流側のタービン排ガスと圧縮空気との間で熱交換する熱交換器である。
【００１７】
この構成により、主熱交換器に流入するタービン排ガスのピ−ク温度を緩和することができる。
【００１８】
前記補助熱交換器は、伝熱管の許容熱膨張量が大きく、耐熱性能の高い管型熱交換器である、ことが好ましい。
この構成により、補助熱交換器に生じる熱応力を小さく抑え、かつ主熱交換器に流入する高温ガスのピ−ク温度を緩和することができる。
【００１９】
本発明の好ましい第１実施形態によれば、低温ガスが補助熱交換器と主熱交換器に並行して流れるように低温ガスの配管が並列に配置される。
この構成により、補助熱交換器と主熱交換器に流す低温ガスの流量比を自由に調整でき、それぞれ最適化が可能となる。
【００２０】
本発明の好ましい第２実施形態によれば、低温ガスが補助熱交換器、主熱交換器の順で流れるように低温ガスの配管が直列に配置される。
この構成により、補助熱交換器に最も低温の低温ガスが流れるため、補助熱交換器における高温側と低温側の温度差が大きく、小さい伝熱面積で大きな熱交換を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２２】
図１は、本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備の第１実施形態図であり、図２は図１のフロー図である。
図１及び図２において、本発明の耐熱衝撃熱交換器は、高温ガス（タービン排ガス１０）が通過するガス流路２２と、このガス流路内に設置され高温ガスと内部を流れる低温ガス（空気）とで熱交換する主熱交換器５と、主熱交換器５の上流側のガス流路内に設置され高温ガスと内部を流れる低温ガスとで熱交換する補助熱交換器２０とを備える。
【００２３】
図１及び図２において、このガスタービン設備は、圧縮機１、タービン２、発電機３（電動機兼用発電機）、燃焼器４、及び再生熱交換器５（主熱交換器）を備えた再生サイクルガスタービン装置である。この再生サイクルガスタービン装置は、再生熱交換器５の高温排気ガス入口上流に補助的な熱交換器２０を先に設置し、主にガスタービンの起動時および停止時の急激な温度流量変化時において、その変化を緩和させる役目をになわせる。なお、以下、温度変化を緩和させることを主目的に設置した熱交換器を「補助熱交換器２０」、これまでの再生熱交換器を「主熱交換器５」と呼称する。
【００２４】
図３は図１及び図２の再生サイクルガスタービン装置におけるガスタービンの起動から停止までのタービン回転数と熱交換器各部の温度を示したものである。この図において、Ａはタービン回転数（右側の縦軸）、Ｂはタービン出口温度、Ｃは補助熱交換器出口排ガス温度、Ｄは補助熱交換器表面温度である。各温度は左側の縦軸で示す。横軸は起動から停止までの時間経過である。
図３に示すように、起動時には、一般的には圧縮機１、タービン２、主熱交換器５、補助熱交換器２０、およびケーシングや配管などは外気温前後の温度で静定している。燃焼器の点火によってきわめて短い時間の間に急激に温度上昇する排気ガス１０はタービン２を出た後、主熱交換器５に達する前に、配置した補助熱交換器２０を通過しなくてはならない。そのため、補助熱交換器２０を通過する排気ガス２１は、補助熱交換器２０に熱を取られ、ピーク温度が低下する。補助熱交換器の目的は高温ガスの温度ピークカットであり、それにより破壊して信頼性を落としてはならないから、熱膨張の吸収構造など伝熱性能より耐熱構造に重点を置く。
【００２５】
停止時には、一般的にはタービン２、熱交換器５、およびケーシング、配管などは定常運転時の温度で静定しているが、ここからアイドリング回転数に落とし、燃焼器４の消火を行うと、タービン出口の急激なピーク温度変化が起こる。しかし、補助熱交換器２０があるため、温度低下した排気ガス１０は補助熱交換器２０を冷やすために費やされ、結果として主熱交換器５へ入る排気ガス温度２１のピーク温度は緩和される。
【００２６】
補助熱交換器２０の配置方法であるが、主熱交換器５へ流入する排気ガスの急激な温度変化の緩和を最も効果的に実施するためには、排気ガス流路を補助熱交換器でできるだけ覆いきることによる排気ガスのバイパス防止が効果的である。また補助熱交換器の温度ピークの低減という目的から、急速な熱交換能力を要求されるので、高い熱伝達率で小さい熱容量が望ましい。そうなると補助熱交換器の構造は複雑になるため、信頼性とコストの面から、適当な設計点を選択する必要がある。また補助熱交換器の圧力損失は予熱空気側排気ガス側とも小さい方がエンジン全体の効率低下になるため、やはり適当な設計点を決めなければならない。
【００２７】
図１及び図２の第１実施形態において、エンジン起動時、燃焼器４が着火し、タービン２から高温のタービン排ガス１０が流量と同時に温度も急激に増加して排気されてくる。それらのタービン排ガス１０は、主熱交換器５に直接流入する前に、補助熱交換器２０に衝突する。高温のタービン排ガス１０は、補助熱交換器２０に強制対流熱伝達によって熱を奪われ、温度の急激なピークを平坦化させられる。そのため補助熱交換器２０から排気されるガス温度２１は、入口温度の変化に比べて、図３のＣで示すように緩やかな温度上昇カーブを描くことになる。したがって主熱交換器５に流入する際には、主熱交換器に急激な熱膨張を起こさせることなく起動を完了させることができる。
【００２８】
停止時および何らかのトラブルによって燃焼器４が停止した際には、これとはまったく別の現象が起こる。すなわち、主熱交換器５および補助熱交換器２０が定常あるいはアイドリングによって十分加熱されている状態で、流量と温度が停止シーケンスを始める。特に流量はタービンなどの回転体で慣性で回転しているので急激には減少しない。一方温度も、タービンなどの持つ熱容量により、急に下がり続けないものの失火の衝撃により一時的に急激な温度変化を生じる。しかしながら補助熱交換器２０に温度低下したタービン排ガス１０が当ると、熱伝達により補助熱交換器２０は熱交換し、温度変化の初期には自らの熱容量、内部空気より周囲排ガス温度が下がると熱交換によって、排ガス温度の変化の急激な低下を抑える。
【００２９】
図４に補助熱交換器の構成例を示す。（Ａ）はＵ字管を伝熱管とする熱交換器であり、（Ｂ）は二重管を伝熱管とする熱交換器である。（Ｃ）は（Ｂ）の二重管の模式図である。
図４ＡのＵ字管（Ｕ字チューブ式）では、熱膨張をＵ字方向に自由に逃すことができる。また安価に製作できる。必要に応じて層状に重ねたり、対向あるいは交互に配置することができる。
図４Ｂ、Ｃの二重管（バヨネット式）では、内管２３から冷却空気が外管２４内に流れ熱交換を行う。この二重管（バヨネット式）も熱膨張を長さ方向に自由にとることができる。また積層も交互から設置することで排気ガスのバイパスを小さくすることができる。
【００３０】
図２の第１実施形態では、低温ガス（空気６）が補助熱交換器２０と主熱交換器５に並行して流れるように低温ガスの配管が並列に配置されている。また、２つの空気流量調整バルブ２５を備え、補助熱交換器２０と主熱交換器５のそれぞれに供給する空気流量を調節できるようになっている。
この構成により、空気フローは、主熱交換器とパラレル配置になっているため、主熱交換器５と補助熱交換器２０に流す空気流量比を各空気流量調整バルブ２５を調整することで、性能低下を防ぐことができる。また温度ピークが過ぎた後に、補助熱交換器への空気の導入を停止させることができるため、主熱交換器に伝熱性能を任せ、補助熱交換器に温度ピークカットの役目を徹底させることができることになり、それぞれの熱交換器の役割の応じた最適設計が可能となる。
【００３１】
図５は、本発明の第２実施形態を示す図２と同様の図である。この第２実施形態では、低温ガス（空気６）が補助熱交換器２０、主熱交換器５の順で流れるように低温ガスの配管が直列に配置される。また、補助熱交換器２０をバイパスするラインを備え、このバイパスラインに空気流量調整バルブ２５を備えている。この構成により、補助熱交換器２０に最も低温の低温ガスが流れるため、補助熱交換器における高温側と低温側の温度差が大きく、小さい伝熱面積で大きな熱交換を行うことができる。
【００３２】
上述したように、本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備では、ガスタービン起動、停止、トラブル時の、熱交換器への急激な過熱冷却が低減でき、熱交換器の信頼性が向上する。また、熱交換器設計時の安全係数を小さくできるため、伝熱部も薄くでき、熱交換性能の向上が望める。更に、熱交換器設計時に構造強度の基準を緩めることができ、材料の低減、製作時間の減少、などコストダウンができる。また、熱交換器の寿命が延び、メンテナンス期間を長くとることができる。従って、従来のガスタービンの運転制御方法に大幅な変更を加えることなく、再生サイクル式に適用することができ、信頼性の維持とコストダウンを図ることができる。
【００３３】
なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備について詳述したが、本発明はガスタービン設備に限定されず、高温ガスと低温ガスの間で熱交換するあらゆる熱交換器に適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように、本発明の耐熱衝撃熱交換器は、温度変化率が高く、急激な温度変化を受けても、発生する熱応力が小さく、高い伝熱性能を維持することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備の第１実施形態図である。
【図２】図１のフロー図である。
【図３】図１及び図２の再生サイクルガスタービン装置におけるガスタービンの起動から停止までのタービン回転数と熱交換器各部の温度を示す図である。
【図４】補助熱交換器の構成例を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す図２と同様の図である。
【図６】再生ガスタ−ビンサイクルの構成図である。
【図７】実際のガスタービンの起動から停止までのタービン回転数と熱交換器ガス入口温度を模式的に示す図である。
【図８】特許文献１の「熱交換器の保護装置」の模式図である。
【図９】特許文献２の「バイパス付き熱交換器とこれを用いたガスタービン装置」の模式図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機、２ タービン、３ 発電機（電動機兼用発電機）、
４ 燃焼器、５ 主熱交換器（再生熱交換器）、７ 燃料、
６，８，１１ 空気、９ 燃焼ガス、１０ タービン排ガス、
１２ 排気ガス、２０ 補助熱交換器、２１ 排気ガス、
２２ ガス流路、２３ 内管、２４ 外管、
２５ 空気流量調整バルブ

Claims (6)

1. 高温ガスが通過するガス流路と、該ガス流路内に設置され前記高温ガスと内部を流れる低温ガスとで熱交換する主熱交換器と、該主熱交換器の上流側のガス流路内に設置され前記高温ガスと内部を流れる低温ガスとで熱交換する補助熱交換器と、を備えたことを特徴とする耐熱衝撃熱交換器。
2. 工業炉などに用いる空気を予熱し、その空気によって効率を高めるための耐熱衝撃熱交換器であって、
   前記低温ガスは空気であり、前記主熱交換器は、高温ガスと空気との間で熱交換する熱交換器であり、前記補助熱交換器は主熱交換器より上流側の高温ガスと空気との間で熱交換する熱交換器である、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。
3. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスで回転駆動するタービンとを有するガスタ−ビン設備に用いる耐熱衝撃熱交換器であって、
   前記高温ガスはタービン排ガスであり、前記低温ガスは圧縮した空気であり、前記主熱交換器は、タービン排ガスと圧縮空気との間で熱交換する熱交換器であり、前記補助熱交換器は主熱交換器より上流側のタービン排ガスと圧縮空気との間で熱交換する熱交換器である、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。
4. 前記補助熱交換器は、伝熱管の許容熱膨張量が大きく、耐熱性能の高い管型熱交換器である、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。
5. 低温ガスが補助熱交換器と主熱交換器に並行して流れるように低温ガスの配管が並列に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。
6. 低温ガスが補助熱交換器、主熱交換器の順で流れるように低温ガスの配管が直列に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。

Images