JP2006017007A - 舶用蒸気タービンプラント - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、構造が簡素で、硫黄酸化物の凝縮を生じることなく排ガスからの熱回収が行える舶用蒸気タービンプラントを提供することを目的とする。
【解決手段】 タービンの出口蒸気等の熱源を用いて給水中の溶存ガスを分離除去するデアレータ１９と、舶用ボイラ３の排ガス通路３３に設けられた給水エコノマイザ２５と、が舶用ボイラ３への給水ライン１３中に備えられた舶用蒸気タービンプラント１において、排ガス通路３３における給水エコノマイザ２５の排ガス流れ方向下流側に、配設された熱交換器４１と、熱交換器４１の導入側４２とデアレータ１９とを連絡する水導入ライン４３と、熱交換器４１の出口側４４とデアレータ１９とを連絡する還流ライン４５と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、舶用蒸気タービンプラントに関するものである。

特許文献１に示すように、蒸気動力プラントでは、排ガスの熱量をエコノマイザにより回収してボイラへの給水を予熱することが一般に行われている。
また、蒸気タービンプラントでは、さらに熱効率を向上させるために、エコノマイザに加えてタービンから抽気した蒸気を熱源としてボイラへの給水を加温する加熱器を備えた給水再生方式がよく利用されている。
従来、舶用蒸気タービンプラントには、この給水再生方式がよく使われていた。この舶用蒸気タービンプラントは、例えば図２に示すように構成されている。
舶用ボイラ１０１で生成された過熱蒸気は、蒸気ドラム１０２から蒸気配管１０３を通って高圧タービン１０４と低圧タービン１０５とに順次導入されて、熱エネルギーが動力に変換される。低圧タービン１０５から排出される蒸気は、コンデンサ１０６にて復水され、給水ライン１０７を通って舶用ボイラ１０１に給水される。給水ライン１０７には、復水ポンプ１０８、低圧タービン１０５の抽気を熱源とする加熱器１０９、高圧タービン１０４の出口蒸気等を熱源として給水中の溶存ガスを分離除去するデアレータ１１０、主給水ポンプ１１１、高圧タービン１０４の抽気を熱源とする加熱器１１２、１１３およびボイラ１０１の排ガス通路に設けられた給水エコノマイザ１１４が備えられている。
このように、３台の加熱器１０９，１１２，１１３とデアレータ１１０とにおいて、蒸気の潜熱がボイラ給水へ回収され、かつ、エコノマイザ１１４でボイラ排ガスの熱量が給水に回収される、すなわち５段の給水加熱がなされるので、プラント全体の熱効率は高められる。この給水加熱の段数は、多い程効率が向上するが、反面プラントの構成が複雑になり、製作コストも高くなるので、一般的には加熱器１１２（さらには給水ポンプ１１１まで）を省略したものが採用されている。

特開平７−９１６４４号公報（段落［００１２］〜［００１４］，及び図１）

ところで、船舶では積荷スペースをできるだけ多く確保するため、舶用蒸気タービンプラントは小型にすることが求められている。しかしながら、図２に示される舶用蒸気タービンプラントでは、給水加熱のための加熱器および蒸気配管が複数必要であるので、プラントが大型で、複雑な構成となり、製造コストも高くなるという問題があった。
また、舶用蒸気タービンプラントでは、燃料として低質すなわち硫黄分の多いＣ重油を使用するので、排ガス中に含まれる硫黄酸化物の凝縮による煙道等の配管の腐食問題を考慮する必要がある。また、舶用蒸気タービンプラントでは、負荷変動が大きく、特に負荷の低い部分負荷の場合に、排ガス温度や給水温度が低下してエコノマイザ１１４の出口の排ガス温度が低下する傾向にある。そのため、図２に示すものは、部分負荷の場合に、エコノマイザ１１４の出口の排ガス温度が排ガス中に含まれる硫黄酸化物の凝縮しない温度になるように葉排ガスからの熱回収率を抑えた設計をする必要がある。したがって、定格運転時には、排ガスからの熱回収が不十分となる問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、構造が簡素で、硫黄酸化物の凝縮を生じることなく排ガスからの熱回収が行える舶用蒸気タービンプラント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、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる舶用蒸気タービンプラントは、タービンの出口蒸気等の熱源を用いて給水中の溶存ガスを分離除去するデアレータと、舶用ボイラの排ガス通路に設けられた給水エコノマイザと、が舶用ボイラへの給水ライン中に備えられた舶用蒸気タービンプラントにおいて、前記排ガス通路における前記給水エコノマイザの排ガス流れ方向下流側に、配設された熱交換器と、該熱交換器の導入側と前記デアレータとを連絡する水導入ラインと、前記熱交換器の出口側と前記デアレータとを連絡する還流ラインと、を備えたことを特徴とする。

このように、排ガス通路における給水エコノマイザの排ガス流れ方向下流側に、配設された熱交換器と、熱交換器の導入側とデアレータとを連絡する水導入ラインと、熱交換器の出口側とデアレータとを連絡する還流ラインと、が設けられているので、デアレータから水導入ラインを通って熱交換器に導入された水は、給水エコノマイザを通った排ガスにより昇温され蒸気となってデアレータに還流ラインを通って還流される。この還流された蒸気がデアレータの熱源となるので、デアレータにおける水の温度を上昇させる。これにより、排ガスからの排熱回収量が増加するので、舶用ボイラの効率を改善できる。したがって、舶用蒸気タービンプラントの熱効率を向上させることができる。
また、デアレータのところでの熱回収量が増加するので、従来デアレータと給水エコノマイザとの間に設けられていた蒸気タービンからの抽気を熱源とする複数の加熱器を省略できる。このように、加熱器を省略できるので、それらに伴う蒸気配管等が不要となり舶用蒸気タービンプラントの構造を簡素にでき、製造コストを安価にできる。

また、本発明にかかる舶用蒸気タービンプラントは、前記熱交換器の前記導入側を、前記出口側より排ガス流れ方向上流側に設けたことを特徴とする。

このように、熱交換器の導入側を、出口側より排ガス流れ方向上流側に設けたので、熱交換器を流れる水と蒸気は、排ガスと同じ方向に流れることになる。すなわち、熱交換される排ガスと水等とは、いわゆる並行流の関係になるので、排ガスの温度は熱交換器への給水温度ではなく昇温された出口温度に近づくように低下することになる。そのため、舶用蒸気タービンプラントは、負荷変動が大きく負荷が低い部分負荷時に給水温度が極端に低下する場合もあるが、そのような場合でも排ガスの温度は極端に低下しないので、排ガスが過冷却によって、硫酸等の腐食性水溶液を凝縮させることを防止できる。したがって、煙道ダクトの腐食問題を克服することができる。

さらに、本発明にかかる舶用蒸気タービンプラントは、前記水導入ラインまたは前記還流ラインに、内部圧力を調整する調節手段を備えたことを特徴とする。

このように、水導入ラインまたは還流ラインに、内部圧力を調整する調節手段を備えたので、圧力を調整することで、熱交換器の出口部の蒸気温度を調整することができる。
これにより、排ガスの出口温度が制御できるので、舶用ボイラ負荷の変動により排ガスの温度が変動しても腐食性水溶液の凝縮を防止できる。
また、舶用ボイラが低負荷で運転されて排ガスの温度が熱交換器のところでデアレータからの給水温度より低い場合、デアレータからの給水が加熱媒体となって排ガス温度を上昇させることができる。これにより、硫酸等の腐食性水溶液の凝縮を防止できる。

請求項１に記載の発明によれば、排ガス通路における給水エコノマイザの排ガス流れ方向下流側に、配設された熱交換器と、熱交換器の導入側とデアレータとを連絡する水導入ラインと、熱交換器の出口側とデアレータとを連絡する還流ラインと、が設けられているので、排ガスからの排熱回収量が増加して、舶用蒸気タービンプラントの熱効率を向上させることができる。
また、デアレータのところでの熱回収量が増加するので、従来デアレータと給水エコノマイザとの間に設けられていた蒸気タービンからの抽気を熱源とする複数の加熱器を省略できる。このように、加熱器を省略できるので、それらに伴う蒸気配管等が不要となり舶用蒸気タービンプラントの構造を簡素にでき、製造コストを安価にできる。

請求項２に記載の発明によれば、熱交換器の導入側を、出口側より排ガス流れ方向上流側に設けたので、排ガスが過冷却によって、硫酸等の腐食性水溶液を凝縮させることを防止できる。したがって、煙道ダクトの腐食問題を克服することができる。

請求項３に記載の発明によれば、水導入ラインまたは還流ラインに、内部圧力を調整する調節手段を備えたので、舶用ボイラ負荷の変動により排ガスの温度が変動しても腐食性水溶液の凝縮を防止できる。
また、舶用ボイラが低負荷で運転されて排ガスの温度が熱交換器のところでデアレータからの給水温度より低い場合、排ガスを加温することになるので、硫酸等の腐食性水溶液の凝縮を防止できる。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図１を用いて説明する。
図１は、本実施形態にかかる舶用蒸気タービンプラント１の全体概略構成を示すブロック図である。

舶用蒸気タービンプラント１には、過熱蒸気を生成する舶用ボイラ３と、過熱蒸気を供給する過熱蒸気配管５と、過熱蒸気の熱エネルギーを回転動力に変換する高圧タービン７と、低圧タービン９と、低圧タービン９から排出された蒸気を復水するコンデンサ１１と、復水された水を舶用ボイラ３に供給する給水ライン１３と、が備えられている。

舶用ボイラ３は、Ｃ重油を燃焼して水に熱エネルギーを与えて過熱蒸気を生成するものである。舶用ボイラ３には、生成した蒸気を水から分離して加熱蒸気配管５に供給する蒸気ドラム３１と、燃焼室の下流に連続した排ガスを案内する排ガス通路３３とが備えられている。

高圧タービン７および低圧タービン９は、過熱蒸気配管５に直列の関係に配置されており、それぞれ過熱蒸気の熱エネルギーを回転動力に変換して、減速機等を介してプロペラや各種補機を駆動するものである。

低圧タービン９から排出された蒸気は、コンデンサ１１に導入され、冷却水で冷却されて復水される。コンデンサ１１により復水された水は、給水ライン１３を通って舶用ボイラ３の蒸気ドラム３１に給水される。

次に、給水ライン１３の構成について説明する。
給水ライン１３には、コンデンサ１１側から順に、復水ポンプ１５と、低圧加熱器１７と、デアレータ１９と、主給水ポンプ２１と、給水エコノマイザ２５と、が備えられている。
復水ポンプ１５は、コンデンサ１１からの水をデアレータ１９に送るものである。低圧加熱器１７は、低圧タービン９からの抽気を熱源として給水ライン１３で送られる水を加温するもので、一段目の再生段を構成する。

デアレータ１９は、高圧タービン７の出口蒸気、後述する主給水ポンプタービン２３の出口蒸気、および過熱蒸気配管５から分岐され蒸気ドラム３１の水を加熱した後の蒸気を熱源として貯留された水を加温するもので、一段目の再生段を構成する。このように、水を加温することにより、水に含まれる溶存ガス特に酸素を分離除去するものである。

主給水ポンプ２１は、デアレータ１９に貯留された水を約８０Ｂａｒ（約８ＭＰa）に加圧して舶用ボイラ３に供給するものである。主給水ポンプ２１は、過熱蒸気配管５の高圧タービン７への入口より上流側で分岐した過熱蒸気の熱エネルギーを回転駆動力に変換する主給水ポンプタービン２３により、駆動されている。

主給水ポンプ２１で供給される水は、排ガス通路３３に配置された給水エコノマイザ２５を経由して蒸気ドラム３１に給水される。給水エコノマイザ２５のところでの給水の流れは、排ガス流れ方向と逆、すなわち対向した方向である。

デアレータエコノマイザ４０には、給水エコノマイザ２５の排ガス流れ方向下流側に配設された熱交換器４１と、熱交換器４１の導入側４２とデアレータ１９とを連絡する水導入ライン４３と、熱交換器４１の出口側４４とデアレータ１９とを連絡する還流ライン４５と、が備えられている。
熱交換器４１の導入側４２は、熱交換器４１の出口側４４より排ガス流れ方向上流側に設けられている。

水導入ライン４３には、供給ポンプ４７が設けられており、デアレータ１９の水を約３Ｂａｒ（約０．３ＭＰa）に昇圧して熱交換器４１へ供給する。還流ライン４５の出口側４４の近傍には、流量調節弁４９が設けられている。また、排ガス通路３３の熱交換器４１出口部近傍に、排ガスの温度を測定する温度測定器５１が設けられている。

以上、説明した本実施形態にかかる舶用蒸気タービンプラント１の動作について説明する。
舶用ボイラ３で生成された過熱蒸気は、過熱蒸気配管５を通って高圧タービン７次いで低圧タービン９に導入され過熱蒸気の熱エネルギーが回転動力に変換されて、船舶の駆動等に利用される。

低圧タービン９から排出された蒸気は、コンデンサ１１で冷却されて復水される。復水された水は、復水ポンプ１５によって、低圧加熱器１７を通ってデアレータ１９へ給水される。その時、低圧加熱器１７で、水は低圧タービン９から抽気された蒸気により加温される。

デアレータ１９に貯留された水は、供給ポンプ４７によって水導入ライン４３を通って熱交換器４１に供給され、熱交換器４１のところで排ガスから熱量を回収して飽和蒸気となり、還流ライン４５を通ってデアレータ１９に還流される。デアレータ１９に貯留された水は、この飽和蒸気により加温される。

このように、排ガスの熱量を回収するので、図２に示される従来の舶用蒸気タービンプラントで必要としていたタービンからの抽気を熱源とする加熱器を省略しても、熱効率は低下することはない。そのため、タービンからの抽気を運ぶ蒸気配管や加熱器等の装備が省略できるので、舶用蒸気タービンプラント１の構造が簡素にでき、製造コストも安価にできる。

デアレータ１９に貯留された水は、主給水ポンプタービン２３で駆動される主給水ポンプ２１によって、舶用ボイラ３の内部圧力に対抗できる圧力（約８ＭＰa）に加圧されて給水エコノマイザ２５に供給される。給水される水は、給水エコノマイザ２５のところで、排ガスから熱量を回収して加温された状態で、舶用ボイラ３の蒸気ドラム３１へ供給される。

給水エコノマイザ２５のところでの水の流れは、排ガスの流れと逆すなわち対向した方向になっているので、排ガスの温度は、給水エコノマイザ２５入口の水温度に近づくように低下する。反対に、水の温度は、給水エコノマイザ２５出口部の排ガス温度に近づくように昇温される。

次に、デアレータエコノマイザ４０の機能について説明する。
熱交換器４１の導入側４２は、熱交換器４１の出口側４４より排ガス流れ方向上流側に設けられているので、熱交換器４１を流れる水と蒸気は、排ガスと同じ方向に流れることになる。すなわち、熱交換される排ガスと水等とは、いわゆる並行流の関係になるので、排ガスの温度は熱交換器４１への給水温度ではなく昇温された熱交換器４１からの出口温度に近づくように低下することになる。すなわち、給水エコノマイザ２５のような対向流の熱交換に比べて温度変化が著しくない。そのため、舶用蒸気タービンプラント１は、負荷変動が大きく負荷が低い部分負荷時に給水温度が極端に低下する場合もあるが、そのような場合でも排ガスの温度は極端に低下しないので、排ガスが過冷却によって、硫酸等の腐食性水溶液を凝縮させることを防止できる。

また、流量調整弁４９の開閉を調整すると、熱交換器４１内の流量を調整することができる。このように、熱交換器４１内の流量を調整すると、熱交換器４１の圧力が調整できるので、圧力の関数である飽和温度が調整できる。したがって、熱交換器４１出口部近傍に設けられた温度測定器５１で、排ガスの温度を測定して、その測定値に応じて流量調整弁の開閉を調整して、熱交換器４１下流側の排ガス温度を一定に制御できる。

これにより、負荷変動が大きく、したがって排ガス温度が変動する舶用蒸気タービンプラント１において、負荷変動によらず排ガスの排出温度を一定に、すなわち効率を一定に保持することができる。
また、負荷が極端に下がった場合には、熱交換器４１で排ガスを暖めることもできる。

このように、排ガスの出口温度が一定温度、例えば１４０℃以上に制御できるので、硫酸等の腐食性水溶液の凝縮を防止でき、煙道ダクトの硫酸腐食の問題を克服できる。

なお、本実施例では、流量調整弁４７の開閉により、熱交換器４１内の圧力を制御しているが、これに限定されるものではなく、例えば、供給ポンプ４７の供給量を調整して圧力を制御してもよい。

以下、本実施形態にかかる舶用蒸気タービンプラントによれば、以下のような作用・効果を奏する。
このように、排ガス通路における給水エコノマイザ２５の排ガス流れ方向下流側に、配設された熱交換器４１と、熱交換器４１の導入側４２とデアレータ１９とを連絡する水導入ライン４３と、熱交換器４１の出口側４４とデアレータ１９とを連絡する還流ライン４５と、が設けられているので、デアレータ１９から水導入ライン４３を通って熱交換器４１に導入された水は、給水エコノマイザ２５を通過した排ガスにより昇温され飽和蒸気となってデアレータ１９に還流ライン４５を通って還流される。この還流された飽和蒸気がデアレータ１９の熱源となるので、デアレータ１９における水の温度を上昇させる。これにより、排ガスからの排熱回収量が増加するので、舶用ボイラ３の効率を改善できる。したがって、舶用蒸気タービンプラント１の熱効率を向上させることができる。
また、デアレータ１９のところでの熱回収量が増加するので、従来デアレータ１９と給水エコノマイザ２５との間に設けられていた蒸気タービンからの抽気を熱源とする複数の加熱器を省略できる。このように、加熱器を省略できるので、それらに伴う蒸気配管等も不要となり、舶用蒸気タービンプラント１の構造を簡素にでき、製造コストを安価にできる。

また、熱交換器４１の導入側４２を、出口側４４より排ガス流れ方向上流側に設けたので、熱交換器４１を流れる水と蒸気は、排ガスと同じ方向に流れることになる。すなわち、熱交換される排ガスと水等とは、いわゆる並行流の関係になるので、排ガスの温度は熱交換器４１への給水温度ではなく昇温した出口温度に近づくように低下することになる。そのため、舶用蒸気タービンプラント１は、負荷変動が大きく負荷が低い部分負荷時に給水温度が極端に低下する場合もあるが、そのような場合でも排ガスの温度は極端に低下しないので、排ガスが過冷却によって、硫酸等の腐食性水溶液を凝縮させることを防止できる。したがって、煙道ダクトの腐食問題を克服することができる。

さらに、還流ライン４５に、熱交換器４１内部の圧力を調整する流量調整弁４９を備えたので、圧力を調整することで、熱交換器４１の出口部４４の蒸気温度を調整することができる。
これにより、排ガスの出口温度が制御できるので、舶用ボイラ３負荷の変動により排ガスの温度が変動しても腐食性水溶液の凝縮を防止できる。
また、舶用ボイラ３が低負荷で運転されて排ガスの温度が熱交換器４１のところでデアレータ１９からの給水温度より低い場合、デアレータ１９からの給水が加熱媒体となって排ガス温度を上昇させることができる。これにより、硫酸等の腐食性水溶液の凝縮を防止できる。

なお、本実施形態では、水導入ライン４３は、デアレータ１９から供給ポンプ４７で水を熱交換器４１に供給するようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば、主給水ポンプ２１と給水エコノマイザ２５の間の給水ラインから分岐して減圧のためのオリフィスを有する水導入ラインを形成してもよい。

本発明の一実施形態の舶用蒸気タービンプラントの全体概略構成を示すブロック図である。 従来の舶用蒸気タービンプラントの全体概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 舶用蒸気タービンプラント
３ 舶用ボイラ
１３ 給水ライン
１９ デアレータ
２５ 給水エコノマイザ
４１ 熱交換器
４２ 導入側
４３ 水導入ライン
４４ 出口側
４５ 還流ライン

Claims (3)

1. タービンの出口蒸気等の熱源を用いて給水中の溶存ガスを分離除去するデアレータと、
   舶用ボイラの排ガス通路に設けられた給水エコノマイザと、
   が舶用ボイラへの給水ライン中に備えられた舶用蒸気タービンプラントにおいて、
   前記排ガス通路における前記給水エコノマイザの排ガス流れ方向下流側に、配設された熱交換器と、
   該熱交換器の導入側と前記デアレータとを連絡する水導入ラインと、
   前記熱交換器の出口側と前記デアレータとを連絡する還流ラインと、
   を備えたことを特徴とする舶用蒸気タービンプラント。
2. 前記熱交換器の前記導入側を、前記出口側より排ガス流れ方向上流側に設けたことを特徴とする請求項１に記載の舶用蒸気タービンプラント。
3. 前記水導入ラインまたは前記還流ラインに、内部圧力を調整する調節手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載された舶用蒸気タービンプラント。

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