JP2006257963A - 予熱機能付きの熱交換装置およびその予熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器に対する熱応力の負荷を低減して熱交換器の長寿命化を実現する予熱機能付きの熱交換装置およびその予熱方法を提供する。
【解決手段】 再生サイクルガスタービンに用いられる予熱機能付きの熱交換装置であって、排ガスＥＧと圧縮空気Ａとの間で熱交換を行う熱交換器２１と、熱交換器２１の作動停止中に熱交換器２１を予備加熱するヒータ２２とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、再生サイクルガスタービンで用いられる熱交換装置に関し、詳しくは予熱機能付きの熱交換装置およびその予熱方法に関する。

再生サイクルガスタービンは、熱交換器（再生器）で排ガスと圧縮空気との間で熱交換し、熱交換によって高温となった圧縮空気を燃焼器に供給することで、燃焼に必要な燃料の低減を図り、ガスタービン全体の熱効率を高めることができる。

しかしながら、前記熱交換器は、運転中に５００℃以上の排ガスに曝され、運転停止中は常温となるため、運転と停止の繰り返しによって大きな熱応力が繰り返し作用する。これにより、細かいひび割れ（クラック）のような損傷が発生し、熱交換器の寿命を短くしていた。

なお、燃料電池発電プラントに付設される改質器の圧縮空気予熱器およびプロセスガス予熱器について、高温側流体と低温側流体との温度差により生じる繰り返し熱応力に対する寿命を延ばすように改良したものがあるが（例えば特許文献１参照）、運転と停止の繰り返しにより熱交換器（予熱器）に加わる熱応力については何ら考慮されていない。
特開平５―１０５４０２号公報

そこで、本発明は、再生サイクルガスタービンの熱交換器に対して簡易な構造を付加するだけで、熱交換器に対する熱応力の負荷を低減して熱交換器の長寿命化を実現する予熱機能付きの熱交換装置およびその予熱方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る予熱機能を備えた熱交換装置は、ガスタービンの排ガスと圧縮機からの圧縮空気との間で熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器の作動停止中に熱交換器を予備加熱するヒータとを備えている。

この構成によれば、熱交換器の作動停止中にヒータで熱交換器が加熱される、言い換えれば、熱交換器の作動開始時（ガスタービンの運転開始時）には熱交換器がヒータによって事前に加熱されて暖められた状態にあり、熱交換器に流入する排ガスと熱交換器との間の温度差が小さくなるので、排ガス流入時、熱交換器にかかる熱負荷が小さくなり、熱応力が低減される。これにより、熱交換器の長寿命化を図ることができる。

本発明の好ましい実施形態では、前記ヒータは熱交換器の外周に装着されている。

この構成によれば、ヒータが熱交換器の内周側でなく、外周側に位置するので、ヒータ取付作業および保守作業が行いやすくなって、作業性が向上する。

本発明の好ましい実施形態では、前記ヒータは前記熱交換器における排ガスの流入口付近に装着されている。

この構成によれば、熱交換器におけるコアへの排ガスの流入口付近が排ガス流入時に大きな熱負荷がかかって熱応力が集中するので、この流入口付近をヒータにより加熱することで、損傷の原因となる前記熱負荷を抑制して熱応力を低減することができる。また、ヒータは熱交換器の流入口から流出口にわたる全域ではなく、流入口付近にのみに装着されるので、ヒータの取付作業が行いやすく、かつコストも低く抑えることができる。

本発明の好ましい実施形態では、さらに、前記熱交換器の作動停止と作動開始のタイミングに基づいてそれぞれ前記ヒータをオフおよびオンするコントローラを備えている。

この構成によれば、ヒータのオン・オフ操作は、熱交換器の作動停止と作動開始のタイミングに基づいてコントローラにより自動的に行われるので、現場作業者が手動でヒータをオン・オフ操作する煩わしい作業が不要となる。しかも、タイミングを誤ることなく、適切なオン・オフ操作が行える。

本発明に係る予熱機能付き熱交換器の予熱方法は、本発明の熱交換装置における熱交換器の作動停止と作動開始のタイミングに合わせて、それぞれ前記ヒータをオフおよびオンする。

この構成によれば、ヒータが熱交換器の作動停止と作動開始のタイミングに合わせてそれぞれオフおよびオンされるので、ガスタービンの停止中にのみヒータを作動させて熱交換器を効率よく予熱できる。

本発明に係る予熱機能を備えた熱交換装置およびその予熱方法によれば、熱交換器の作動開始時には熱交換器が既に加熱されて暖まった状態にあるので、熱交換器への排ガス流入時に熱交換器にかかる熱負荷が小さくなり、熱応力が低減される。これにより、熱交換器の長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る予熱機能付きの熱交換装置を適用した再生サイクルガスタービンを示す系統図である。同図に示す再生サイクルガスタービンは、ガスタービン１と、これに付設されたレキュペレータ（再生器）と呼ばれる熱交換装置２とを備えている。

前記ガスタービン１は、外部から空気を吸引して圧縮空気Ａを生成する圧縮機３と、圧縮空気Ａに燃料Ｆを供給して燃焼させる燃焼器４と、燃焼器４からの燃焼ガスＧにより駆動されるタービン５とを有しており、負荷である例えば発電機７を駆動する。一軸型である場合、単一の回転軸６に圧縮機３、タービン５および発電機７が連結される。

前記熱交換装置２は、タービン５からの排ガスＥＧと圧縮機３からの圧縮空気Ａとの間で熱交換を行う熱交換器２１と、この熱交換器２１を加熱するヒータ２２とを備えている。ヒータ２２はコントローラ８により制御される。

前記熱交換器２１と圧縮機３とは空気導入通路１１Ａで接続されており、圧縮機３からの圧縮空気Ａが空気導入通路１１Ａを経由して熱交換器２１に送られる。タービン５と前記熱交換器２１とは排ガス導入通路１１Ｂで接続されており、タービン５からの排ガスＥＧが排ガス導入通路１１Ｂを経由して熱交換器２１に送られる。また、前記熱交換器２１と燃焼器４とは空気導出通路１１Ｃで接続されており、熱交換器２１で前記排ガスＥＧと熱交換されて高温となった圧縮空気Ａが、空気導出通路１１Ｃを経由して燃焼器４に送られる。一方、圧縮空気Ａと熱交換された後の排ガスＥＧは、例えば排熱ボイラに導入されて蒸気の生成に利用された後、大気中に放出される。

図２は熱交換器２１へのヒータ２２の装着状態を模式的に示す拡大斜視図である。同図に示すように、熱交換器２１は前面側に排ガスＥＧの流入開口２１ａ、後面側に排ガスＥＧの流出開口２１ｂが形成され、一方の側面側に圧縮空気Ａを流入させるためのヘッダタンク２１ｃ、他方の側面側に熱交換後の圧縮空気Ａを流出させるためのヘッダタンク２１ｄを有している。熱交換器２１は、例えば二点鎖線で示す直方体形状のコア６０を有し、このコア６０の前面に前記流入開口２１ａを形成する排ガス導入用の入口ダクト２１ｅが、後面に前記流出開口２１ｂを形成する排ガス導出用の出口ダクト２１ｆが、左右の側面にヘッダタンク２１ｃ，２１ｄが、それぞれ溶接により接合されている。

熱交換器２１のコア６０は、図３に示すように、複数のプレート６１とフィン６２を交互に積層したプレートフィン型熱交換器である。このコア本体６０は、その前面が排ガスＥＧの流入口６３、後面が排ガスＥＧの流出口６４となっており、前面から後面方向にかけて排ガスＥＧの通路６５が形成され、右側側から左側面方向にかけて圧縮空気Ａの通路６６が形成されている。前記コア６０の端部には強度部材として角柱６７が配置されている。

図２に示す熱交換器２１の外周側におけるコア６０の排ガス流入口６３付近には、細管ヒータのような長尺の電気式ヒータ２２が熱交換器２１の外周に第１ターミナル２３ａを始点とし、第２ターミナル２３ｂが終点となるように複数巻き（図示のものは３重巻き）に装着され、両ターミナル２３ａ，２３ｂが電源に接続されている。ヒータ２２を形成する１周目のヒータ巻線２２ａと２周目のヒータ巻線２２ｂおよび３周目のヒータ巻線２２ｃはいずれも、複数の固定具２４で熱交換器２１に固定されている。前記ターミナル２３ａ，２３ｂおよび固定具２４はいずれも耐熱性を有する材料で形成されている。ヒータ２２は、図１のスイッチ２５を介して電源に接続され、スイッチ２５がコントローラ８によりオン・オフ制御される。

つぎに、上記構成に係る予熱機能付きの熱交換装置の動作について図１を参照しながら説明する。まず、再生サイクルガスタービンにおいては、大気から空気を吸入し、圧縮機３でこの空気を圧縮する。圧縮空気Ａは空気導入通路１１Ａを経由して熱交換装置２の熱交換器２１に送られ、この熱交換器２１にて、排ガス導入通路１１Ｂ経由で送られるタービン５からの排ガスＥＧと熱交換されることで、昇温された圧縮空気Ａとなる。この圧縮空気Ａは、空気導出通路１１Ｃを経て燃焼器４に送られ、供給される燃料Ｆと混合されて燃焼することで、高温高圧のガスＧが発生する。このガスＧはタービン５に送られて、これを駆動し、タービン５に接続された発電機７のような負荷を駆動する。タービン５から排出された排ガスＥＧは、排ガス導入通路１１Ｂを通って熱交換器２１に導入されたのち、図示しない排熱ボイラを経て大気に放出される。

前記のようにして動作する再生サイクルガスタービンにおいて、特に、ガスタービンの起動時、まだ十分に暖まっていない熱交換器２１に対し、熱交換器２１のコア６０の流入口６３付近が流入口６３から熱交換器２１内に流入する高温の排ガスＥＧに曝されると、前記流入口６３付近が急激に昇温して大きな熱負荷がかかり、図３に示すプレート６１と角柱６７や、熱交換器１１とヘッダタンク２１ｃ，２１ｄとの溶接部に、熱応力に起因する細かいひび（クラック）のような損傷が発生し、コア６０の寿命、つまり熱交換器２１の寿命を短くするおそれがある。そこで、本発明では、図１のガスタービン１の起動に先立って、コントローラ８によって制御されたヒータ２２によって熱交換器２１の流入開口２１ａ付近を予熱して暖める。

前記ヒータ２２のオン・オフ自動切替え動作について具体的に説明する。図１に示す熱交換器２１が作動停止した場合（例えば、夜間におけるガスタービン１の運転停止時）に、その停止命令を受けたコントローラ８の制御によりヒータ２２が自動的にオンされ、次回（例えばガスタービン１の運転を再開する翌朝時）のガスタービン１の起動時に熱交換器２１が一定温度以上に暖まっているように、ガスタービン１の起動に先立って前記熱交換器２１をヒータ２２によって事前に予備加熱しておく。

このヒータ２２による予備加熱は、図４に示すように、ガスタービン１の運転を手動または自動で停止させたときに、その停止命令を受けて、コントローラ８（図１）の制御によって自動的にヒータオンとなり、符号Ｈで示すように、例えば夜間の間、継続してヒータ２２（図１）が作動する。ガスタービン１の運転を再開する翌朝に、ガスタービン１を起動させ、タービン回転数が例えば９５％に達して電源確立すると、コントローラ８（図１）の制御によって自動的にヒータオフとなる。このようにすることで、ガスタービン１の運転時には、図１の熱交換器２１は既に予熱によって暖まっており、高温の排ガスＥＧが流入口６３から熱交換器２１のコア６０内に流入しても、前記流入口６３と排ガスＥＧとの間の温度差が小さいので、流入口６３に大きな熱負荷がかからない。その結果、コア６０に対する熱応力の負荷が低減されるので、流入口６３付近の強度部材である、図３のプレート６１と角柱６７や、図２の熱交換器２１とヘッダタンク２１ｃ，２１ｄとの溶接部に、熱応力に起因する細かいひび割れ（クラック）のような損傷が発生するのを抑制できる。

このようなヒータ２２のオン・オフは、ガスタービン１の運転停止と運転中、つまり、熱交換器２１の作動停止と作動開始のタイミングに基づいてコントローラ８により自動的に行われるので、ガスタービン１の運転操作に携わる現場作業者は、ガスタービン１の運転に先立ち、早朝出勤してヒータ２２を手動でオンするような煩わしい作業から開放される。また、前記ヒータ２２は熱交換器２１の作動停止と作動開始のタイミングに合わせてそれぞれ自動的にオフおよびオンするので、タイミング時期を誤ることなく、適切なオン・オフ操作が行える。

さらに、前記ヒータ２２を外周側に装着するようにしたので、ヒータ２２の取付作業および保守作業が行いやすくなって、作業性が向上する。

なお、ヒータ２２は、コア６０の流入口６３から流出口６４にわたる全域に巻き付けて装着しても差し支えないが、図示するように、流入口６３付近にのみに装着することで熱交換器２１のコア６０に対する十分な予熱効果があり、熱交換器２１の外周側にヒータ２２が装着されることと合わせて、ヒータ２２の取付作業が向上し、かつコストも低く抑えることができる。

本発明に係る予熱機能付きの熱交換装置を適用した再生サイクルガスタービンを示す系統図である。 熱交換器へのヒータの装着状態を示す斜視図である。 熱交換器のコアを示す斜視図である。 ガスタービン運転状態とヒータのオン・オフの関係を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ ガスタービン
２ 熱交換装置
３ 圧縮機
４ 燃焼器
５ タービン
２１ 熱交換器
２２ ヒータ
８ コントローラ
６０ コア
６３ 流入口
Ａ 圧縮空気
ＥＧ 排ガス

Claims (5)

1. ガスタービンの排ガスと圧縮機からの圧縮空気との間で熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱交換器の作動停止中に熱交換器を予備加熱するヒータとを備えた予熱機能付きの熱交換装置。
2. 請求項１において、前記ヒータは熱交換器の外周に装着されている予熱機能付きの熱交換装置。
3. 請求項１または２において、前記ヒータは前記熱交換器におけるコアへの排ガスの流入口付近に装着されている予熱機能付きの熱交換装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、さらに、前記熱交換器の作動停止と作動開始のタイミングに基づいてそれぞれ前記ヒータをオフおよびオンするコントローラを備えた予熱機能付きの熱交換装置。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換装置を予熱する方法であって、
   前記熱交換器の作動停止と作動開始のタイミングに合わせて、それぞれ前記ヒータをオフおよびオンする熱交換装置の予熱方法。
   

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