JP2005069518A - 熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エコノマイザの伝熱面積を限界まで上げることが可能であり、かつ廃ガス供給源の負荷変動が大きい場合にも沸騰の問題が生じることなく正確に制御できる熱回収装置を提供する。
【解決手段】 廃ガス供給源から廃熱を受けて蒸気を生成する廃熱ボイラ１と、廃熱ボイラ１への給水を予備加熱するエコノマイザ２と、生成された蒸気に対応して廃熱ボイラ１へ給水を補給する補給水制御部３と、エコノマイザ２の熱交換動作を実現させる給水制御部４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エコノマイザを備えた廃熱ボイラに関し、特に、エコノマイザの伝熱面積を大きくとっても給水ラインでの沸騰の問題が生じない熱回収装置に関するものである。

廃熱ボイラは、ガスタービンなどから排出される廃ガスを利用して、給水ラインから供給される給水を沸騰させて、蒸気を発生させる装置である。この廃熱ボイラには、給水ラインにエコノマイザを配置して、廃ガスによって給水を予備加熱するものが存在する。このような場合には、エコノマイザでの熱交換の結果、もし給水ラインで沸騰が生じる（スチーミング現象）と、場合によっては、給水ラインの一部又は全部が蒸気で満たされる為、廃熱ボイラへの給水が不可能となり廃熱ボイラが焼損するなどの事故が起こったり、沸騰により生じた蒸気の急激な凝縮による衝撃（ハンマーリング現象）が発生し、廃熱ボイラやエコノマイザおよび配管機器の寿命低下が起こる。そこで、一般的には、廃ガス供給源が低負荷状態でのエコノマイザの給水出力部（以下、給水出力部という）の水温が、廃熱ボイラの常用圧力（例えば５Ｋｇ／ｃｍ²）での沸騰温度を下回るように伝熱面積を設計していた。

しかし、このような設計では、廃ガス供給源の負荷変動が大きい場合には伝熱面積を小さくせざるを得ず、そのため廃ガス供給源が高負荷状態での熱回収率が悪いという問題がある。このような問題を解決するシステムとして、廃熱ボイラの高効率熱回収システムがある（特許文献１）。特許文献１の発明は、特許文献１の図２に示すように、廃熱ボイラ（１）での熱交換後の廃ガス温度を計測する温度センサ（１４）と、エコノマイザ（３）の出口部に設けられた圧力調整バルブ（８）とを備えている。

そして、給水圧力を廃熱ボイラ（１）の常用圧力よりも高く設定して、供給水の沸騰を防止すると共に、伝熱面積を大きくしてエコノマイザ（３）での熱回収量を増加させている。ここで、カッコ付きの数字符号は、特許文献１における部材番号であり、本発明の実施例における部材番号とは無関係である（以下の記載でも同じ）。
特開平７−２６０１０３号

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、フィードバック制御を持つことなく、一方向の制御によって圧力調整バルブ（８）を動作させているので、供給水の沸騰を確実に防止できるとは限らない。すなわち、特許文献１の発明では、給水ポンプ（５）は、缶体（１ａ）の水位制御装置の信号によって駆動されており、例えば廃ガス供給源の負荷が大きく変動したような場合には、圧力調整バルブ（８）によって所定の給水圧を実現できるか不明であり、したがってエコノマイザ（３）の伝熱面積を限界まで大きくする設計はできない。

また、特許文献１の発明では、廃熱ボイラ（１）での熱交換後の廃ガス温度を温度センサ（１４）で計測して、この計測値がエコノマイザ（３）の出口部の温度に一致すると仮定しているが、例えば廃熱ボイラ（１）への給水量が増加したような場合には必ずしも両者は一致せず、したがって予定した通りの正確な動作を実現できるとは限らない。

本発明は、上記の問題点に着目してなされたものであって、エコノマイザの伝熱面積を限界まで上げることが可能であり、かつ廃ガス供給源の負荷変動が大きい場合にも沸騰の問題が生じることなく正確に制御できる熱回収装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、廃ガス供給源から廃熱を受けて蒸気を生成する廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラへの給水を予備加熱するエコノマイザと、生成された蒸気量に対応して前記廃熱ボイラへ給水を補給する補給水制御部と、前記エコノマイザの熱交換動作を実現させる給水制御部とを備えている。

ここで、給水制御部は、対向流と並行流とを適宜に切換えてエコノマイザの熱交換動作を実現させれば足りるが、好適には、エコノマイザの出力部の水温に基づいて、エコノマイザの熱交換動作を切換えて、対向流と並行流とを選択的に実行させている。

この場合、第１基準温度を上回ると、対向流から並行流に切換え、第２基準温度を下回ると、並行流から対向流に切換えるのが好適である。なお、第１と第２の基準温度Ｔ１，Ｔ２は同一でも良いが、実施例のようにＴ１＞Ｔ２としても良い。

また、請求項２に係る発明は、廃ガス供給源から廃熱を受けて蒸気を生成する廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラへの給水を予備加熱するエコノマイザと、生成された蒸気量に対応して前記廃熱ボイラへ給水を補給する補給水制御部と、前記エコノマイザの熱交換動作を実現させる給水制御部とを備え、前記給水制御部は、前記エコノマイザの出口部に配置された温度センサ及び圧力センサと、前記エコノマイザへ給水を供給する給水ポンプと、前記温度センサの検出を受け、前記圧力センサから飽和圧力以上の圧力が得られるように前記給水ポンプを駆動する駆動制御部とを備えている。この請求項２に係る発明でも、給水制御部は、好適には、対向流と並行流とを切換えてエコノマイザの熱交換動作を実現させている。

上記各発明において、給水制御部は、好適には、前記エコノマイザの出口部に配置された温度センサと、前記エコノマイザのバイパス流路に設けられた循環ポンプ及び第１バルブ部材と、前記温度センサの検出に基づき、必要時には前記循環ポンプと第１バルブ部材とを連動させて、前記エコノマイザの対向流動作を並行流動作に切換える流路制御部とを備えている。第１バルブ部材は、ＯＮ／ＯＦＦ動作する開閉弁が好適であるが、流通量を調整可能なコントロール弁としても良い。

また、前記補給水制御部は、好適には、前記エコノマイザの下流側に設けられた第２バルブ部材と、前記廃熱ボイラの水位を検出する水位検出部と、生成された蒸気量を検出する蒸気流量検出部と、前記各検出部の検出結果に応じて前記第２バルブ部材の動作を制御する制御部とを備えて構成されている。前記水位検出部は、缶水の水位を検出する水位計が典型的である。

また、第２バルブ部材は、流通量を適宜に制御できるコントロール弁が好適である。この場合、コントロール弁は、必ずしも単体で流通量が調整可能なものである必要はなく、複数個のバルブ部材を使用して流通量を制御しても良い。

以上説明したように、本発明によれば、エコノマイザの伝熱面積を限界まで上げることが可能となる。しかも、廃ガス供給源の負荷変動が大きい場合にも沸騰の問題が生じることなく正確に制御できる熱回収装置を実現することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、実施例に係る熱回収装置ＥＱＵの構成を示すブロック図である。図示の通り、この熱回収装置ＥＱＵは、ガスタービンＴＵからの燃焼廃ガスを熱交換部１ｂで受ける一方、その蒸発部１ａから蒸気を生成する廃熱ボイラ１と、廃熱ボイラ１への給水を予備加熱するエコノマイザ２と、生成された蒸気量に対応して廃熱ボイラ１へ給水を補給する補給水制御部３と、対向流又は並行流によってエコノマイザ２の熱交換動作を実現させる給水制御部４とを中心に構成されている。

ここで、対向流による熱交換動作とは、廃熱ボイラ１から排出される燃焼廃ガスの流通方向に対して、給水を対向して流通させるエコノマイザ２の熱交換動作であり、熱回収効率に優れている。一方、並行流による熱交換動作とは、廃熱ボイラ１から排出される燃焼廃ガスの流通方向に対して、給水を並行して流通させる熱交換動作であり、対向流の場合より熱回収効率に劣っている。

図２は、廃ガス供給源たるガスタービンＴＵの負荷変動と、エコノマイザ２の出口側の水温との関係を図示したものである。図示の通り、熱回収効率に劣る並行流では、タービン負荷に拘わらず、対向流に比べて前記出口側の水温が低くなる。そこで、本装置ＥＱＵでは、定常的には対向流の動作を採用するが、ガスタービンＴＵが低負荷状態となった場合には、あえて並行流の動作を採用するようにしている。

そのため、エコノマイザ２の伝熱面積を高く設計して、例えばガスタービンＴＵの定格負荷時の熱回収量を限界レベルまで増加させた場合でも、低負荷時には、それほどの加圧を要することなく給水の沸騰を防止することができる。すなわち、ガスタービンＴＵが低負荷状態となると、廃熱ボイラ１での吸熱量が減少する分だけ廃熱ボイラ１への給水の流量も減少し、給水のエコノマイザ２での滞留時間が長い分だけ出口側給水ラインＥＸの水温が上昇するが、本装置ＥＱＵでは、このような場合には並行流で動作しているので出口側給水ラインＥＸの水温の上昇が抑制される。

図１に戻って説明を続けると、補給水制御部３は、廃熱ボイラ１の蒸発部１ａの水位を検出する液面計５と、廃熱ボイラ１から生成される蒸気の流量を計測する流量計６と、蒸発部１ａへの補給水量を調整するコントロール弁７と、コントロール弁７の動作を制御する調節計８とで構成されている。そして、このコントロール弁７の動作によって、蒸発部１ａの水位が所定の範囲に維持されている。具体的には、ガスタービンＴＵが高負荷状態となって廃熱ボイラ１での吸熱量が増加すると、その分だけ廃熱ボイラ１への給水の流量が増加し、逆にガスタービンＴＵが低負荷状態となって廃熱ボイラ１での吸熱量が減少すると、その分だけ廃熱ボイラ１への給水の流量が減少する。

なお、本装置ＥＱＵでは、蒸発部１ａの水位を液面計５で検出すると共に、流量計６によって蒸気発生量を把握して、この２つの情報に基づいてコントロール弁７を制御しているので、優れた制御性能を実現することができる。例えば、流量計６によって缶水の減少速度を把握し、給水が急速に減少しているような場合には、コントロール弁７の開度をより高めることが考えられる。また、本装置ＥＱＵでは、特許文献１の場合とは異なり、エコノマイザ２を介在させることなく廃熱ボイラ１の水位が制御されるので簡易であり、制御系の配線その他も簡略化される。

給水制御部４は、図１に示すように、エコノマイザ２を経由する本来の給水ラインとは別に、エコノマイザ２のバイパス流路ＶＲを設け、エコノマイザ２を経由して給水を循環させることで、並行流によるエコノマイザ２の熱交換動作を実現している。

すなわち、給水制御部４は、エコノマイザ２の並行流動作時にＯＮ（開弁）状態に変化する開閉弁９と、開閉弁９がＯＮ（開弁）動作するのに連動して給水を循環させる循環ポンプ１０と、エコノマイザ２の出口側給水ラインＥＸの水温を計測する温度センサ１１と、前記出口側給水ラインＥＸの圧力を計測する圧力センサ１２と、エコノマイザ２へ給水する給水ポンプ１３と、給水ポンプ１３の回転数を制御するインバータ１４と、開閉弁９及び循環ポンプ１０をＯＮ／ＯＦＦ動作させると共に、インバータ１４を制御する調節計１５とで構成されている。

本装置ＥＱＵでは、前記出口側給水ラインＥＸの圧力は、前記出口側給水ラインＥＸの水温に対応する飽和蒸気圧力以上になるように決定されており、具体的には調節計１５（及びインバータ１４）の指令に基づいて給水ポンプ１３が運転され、前記出口側給水ラインＥＸの給水が沸騰しない圧力に常に維持されている。より詳細に説明すると、調節計１５は、水が沸騰を開始する飽和温度と、飽和圧力の関係を記憶した管理テーブル（図３（ｂ）参照）を参照して動作しており、インバータ１４を経由して給水ポンプ１３の回転数を調整することによって、前記出口側給水ラインＥＸを常に飽和圧力以上の目標圧力に維持している。

このように、本装置ＥＱＵでは、直接的に計測された前記出口側給水ラインＥＸの水温に基づいて給水ポンプ１３を動作させ、前記出口側給水ラインＥＸが目標圧力に達するまで加圧している。言い換えると、本装置ＥＱＵでは、フィードバック制御によって前記出口側給水ラインＥＸが確実に飽和圧力以上に維持されるので、正確な制御動作が実現される。

また、調節計１５は、前記出口側給水ラインＥＸの水温を検出する温度センサ１１からの検出信号に基づいて、エコノマイザ２の熱交換動作を対向流動作とするか並行流動作とするかの切換え制御を行っている。具体的には、調節計１５は、ガスタービンＴＵが高負荷の定常状態では、開閉弁９をＯＦＦ（閉弁）状態とし循環ポンプ１０を停止状態とするが、図２に示すように、ガスタービンＴＵの負荷が下がり前記出口側給水ラインＥＸの水温が第１基準値Ｔ１を上回ると、開閉弁９をＯＮ（開弁）状態とすると共に、循環ポンプ１０を運転状態にして並行流の動作に切換えている（図２におけるａ→ｂ→ｃへの移行）。

一方、並行流の状態で動作している場合に、ガスタービンＴＵの負荷が上がり、前記出口側給水ラインＥＸの水温が第２基準値Ｔ２を下回ると、調節計１５は、開閉弁９をＯＦＦ（閉弁）状態とすると共に、循環ポンプ１０を停止状態にして対向流の動作を再開する（図２におけるｄ→ｅ→ｆへの移行）。

このように、本装置ＥＱＵでは、フィードバック制御による前記出口側給水ラインＥＸの加圧制御だけでなく、対向流と並行流の切換え制御を行っている。そのため、エコノマイザ２の伝熱面積を大きく設計して、ガスタービンＴＵの高負荷時の熱回収量を増加させても、ガスタービンＴＵの低負荷時には、特段の加圧制御を施すことなく出口側給水ラインＥＸの沸騰を防止することができる。

図３（ａ）は、廃熱ボイラ１からエコノマイザ２へ供給される廃ガス温度（３５０℃〜８００℃）と、前記出口側給水ラインＥＸの水温との関係について、エコノマイザ２を対向流で動作させた場合の実験結果を図示したものである。

エコノマイザ２の伝熱面積を特定値に設計した場合、ガスタービンＴＵの負荷が変動してエコノマイザ２の入口部の廃ガス温度が低下すると、図３（ａ）における縦軸と平行な破線で示すように、前記出口側給水ラインＥＸの水温が上昇する。ここで、前記出口側給水ラインＥＸの水温が飽和温度を上回ると沸騰状態となるが、本装置ＥＱＵでは、図３（ｂ）に示すような管理テーブルにしたがい、前記出口側給水ラインＥＸの圧力を常に飽和圧力以上に制御しているので、前記出口側給水ラインＥＸで沸騰が生じることがない。しかも、第１基準値Ｔ１を超えた場合には、対向流動作から並行流動作に切換わるので、それに応じて前記出口側給水ラインＥＸの水温も降下することになり、特段の加圧動作を要することなく前記出口側給水ラインＥＸの沸騰を防止できる。

以上、本発明の実施例について具体的に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。例えば、実施例では、ＯＮ／ＯＦＦ動作をする開閉弁９を使用したが、これに代えて、流通量を調整可能なコントロール弁を使用しても良いのは勿論である。また、実施例では、液面計５と流量計６の情報を総合して精密な液面制御を実施しているが、簡易的には液面計５のみの情報によってコントロール弁７を動作させても良い。更に簡易的には、液面計５の情報によってＯＮ／ＯＦＦ動作する開閉弁を使用しても良い。

また、実施例では、コントロール弁７を使用して、液面の変化に連動して連続的な制御を実施しているが、例えば図４のような構成によって段階的な制御を実施しても良い。図４は、ＯＮ／ＯＦＦ弁を複数個並列に接続した実施例であり（Ｖ１，Ｖ２，・・・Ｖｎ）、液面計５からの情報に基づき、順次、ＯＮ／ＯＦＦ弁をＯＮ（開弁）状態にすれば給水の供給量を段階的に増加させることができる。

実施例の熱回収装置を説明するブロック図である。 対向流と並行流による熱交換動作を説明する図面である。 前記出口側給水ラインの水温と伝熱面積の関係を示す図面及び管理テーブルを示す図面である。 制御方法についての別の実施例を説明する図面である。

符号の説明

ＥＱＵ 熱回収装置
ＴＵ 廃ガス供給源（ガスタービン）
１ 廃熱ボイラ
２ エコノマイザ
３ 補給水制御部
４ 給水制御部

Claims (4)

1. 廃ガス供給源から廃熱を受けて蒸気を生成する廃熱ボイラ１と、前記廃熱ボイラ１への給水を予備加熱するエコノマイザ２と、生成された蒸気量に対応して前記廃熱ボイラ１へ給水を補給する補給水制御部３と、前記エコノマイザ２の熱交換動作を実現させる給水制御部４とを備えることを特徴とする熱回収装置。
2. 廃ガス供給源から廃熱を受けて蒸気を生成する廃熱ボイラ１と、前記廃熱ボイラ１への給水を予備加熱するエコノマイザ２と、生成された蒸気量に対応して前記廃熱ボイラ１へ給水を補給する補給水制御部３と、前記エコノマイザ２の熱交換動作を実現させる給水制御部４とを備え、前記給水制御部４は、
   前記エコノマイザ２の出口部に配置された温度センサ１１及び圧力センサ１２と、
   前記エコノマイザ２へ給水を供給する給水ポンプ１３と、
   前記温度センサ１１の検出を受け、前記圧力センサ１２から飽和圧力以上の圧力が得られるように前記給水ポンプ１３を駆動する第１制御部１４，第２制御部１５とを備えることを特徴とする熱回収装置。
3. 前記給水制御部４は、
   前記エコノマイザ２の出口部に配置された温度センサ１１と、
   前記エコノマイザ２のバイパス流路ＶＲに設けられた循環ポンプ１０及び第１バルブ部材９と、
   前記温度センサ１１の検出に基づき、必要時には前記循環ポンプ１０と第１バルブ部材９とを連動させて、前記エコノマイザ２の対向流動作を並行流動作に切換える第１制御部１４，第２制御部１５とを備えている請求項１又は２に記載の熱回収装置。
4. 前記補給水制御部３は、前記エコノマイザ２の下流側に設けられた第２バルブ部材７と、前記廃熱ボイラ１の水位を検出する水位検出部５と、生成された蒸気量を検出する蒸気流量検出部６と、前記各検出部５，６の検出結果に応じて前記第２バルブ部材７の動作を制御する第３制御部８とを備えて構成されている請求項１〜３の何れかに記載の熱回収装置。

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