JP2007183068A - 貫流式排熱回収ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】排熱回収ボイラにおける汽水分離器直前の高圧二次蒸発器入口の汽水混合割合及び高圧二次蒸発器出口の過熱度を広運用域で適正に維持すること。
【解決手段】排ガスの流れに沿って高圧二次蒸発器６と高圧一次蒸発器３を設置し、高圧一次蒸発器３出口の汽水混合流が導入された高圧二次蒸発器６の出口に汽水分離器７を設置した貫流式排熱回収ボイラにおいて、高圧一次蒸発器３の後流側に設けられた高圧節炭器２，１の出口、高圧節炭器の中間位置、または高圧節炭器の入口の給水の一部を高圧一次蒸発器３の出口にバイパスするバイパスライン１０を設置し、バイパスライン１０のバイパス流量を調整することにより、高圧二次蒸発器６入口での蒸気含有量と高圧二次蒸発器６出口での過熱度を適正値に維持する（または最適値にする）構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンバインドサイクル発電設備に係り、大容量で高効率化に好適な貫流式排熱回収ボイラに関する。

まず、一般的なコンバインドサイクル発電設備のプラント構成について、図５と図６を参照して説明する。図５は本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラが適用される一軸構成のプラント概要を示す図である。図６は本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラが適用される多軸構成のプラント概要を示す図である。

ガスタービン１３では天然ガス等の燃焼により発電を行い、高温のガスタービン排ガスは排熱回収ボイラ１４に送られる。排熱回収ボイラ１４では排ガスからの熱回収により給水が蒸気に変換され、発生した蒸気は蒸気タービン１５に送られて発電を行う。この際、図５に示すように、ガスタービン１３、蒸気タービン１５、発電機１６それぞれ１台が同軸で接続され、排熱回収ボイラ１４が１台設置された一軸システムが従来知られている。また、図６に示すように、２台以上のガスタービン１３及び排熱回収ボイラ１４に１台の蒸気タービン１５が組み合わされ、それぞれに発電機１６，１７が設置された多軸システムがある。多軸システムでは排熱回収ボイラ１４から蒸気タービン１５に送られる蒸気量がガスタービン負荷だけでなく運転台数によっても変化することから一軸システムに比べて、蒸気システムでの運用範囲が広くなる。

図７は従来の貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムを示すブロック図である（例えば、特許文献１を参照）。図８は図７に示す貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムの配置構成を示す図である。図７と図８において、排ガス前流側に高圧二次蒸発器６、後流側に高圧一次蒸発器３を設備し、高圧二次蒸発器６入口の汽水混合流を高圧二次蒸発器６に導入し、高圧二次蒸発器６の出口に汽水分離器７を設けている。高圧節炭器１，２で加熱された給水は高圧一次蒸発器３に送られ、一部が蒸気に変換される。汽水混合流体となった高圧一次蒸発器３出口の流体は分配器４、分配管５を経て高圧二次蒸発器６に送られ、全て蒸気へと変換され、汽水分離器１７を経由して高圧過熱器９へと送られる。貫流式排熱回収ボイラは急速起動や急速応答などに有効である。

排熱回収ボイラでは、助燃バーナ１２を設置し発生蒸気量を増やし蒸気タービン出力を増加させることがある。助燃バーナ１２を設置することにより排ガス温度を上昇させ、ほぼ同じ寸法及び伝熱面積の排熱回収ボイラを用いて蒸気の発生量を増やし、蒸気タービン出力を増加させることが可能となるため、電力のピーク需要への対応手段として有効である。

助燃バーナ１２は、通常、高圧蒸発器よりガス前流側の高圧過熱器９または再熱器の中間、あるいは排熱回収ボイラの入口に設置され、排ガス温度のみを上昇させる。そのため、蒸気量増加に伴い蒸気タービンの運用範囲が広がるだけでなく、排熱回収ボイラ内での排ガス特性が変化することから、二次蒸発器６入口での汽水混合割合や二次蒸発器６出口の過熱度の変化幅が大きく広がることとなる。なお、図８で汽水分離器７が２個図示されているが、前流側の汽水分離器は高圧系のものであり、後流側のそれは中圧系のものである。
特表２００１−５０５６４５号公報

従来技術として図７及び図８に示したような貫流式排熱回収ボイラにおいて、高圧一次蒸発器３及び高圧二次蒸発器６の分割に当たっては、高圧二次蒸発器６入口における汽水混合割合を通常５０％から７０％程度になるように設定し、高圧二次蒸発器６出口の過熱度は通常２０℃から５０℃程度になるように設計する。運転時には高圧二次蒸発器６出口の過熱度を監視し（図９における横軸の二次蒸発器入口側とその入口側での縦軸の過熱度を参照）、設定温度になるように給水流量を制御する。その際、高圧二次蒸発器６入口における汽水混合割合は設計の範囲内で運用されることとなる。

しかし、ガスタービン１３の負荷の高低に伴うガスタービンからの排ガスの流量と温度の傾向によっては、高圧二次蒸発器６入口における汽水混合割合及び高圧二次蒸発器６出口の過熱度は上述した適正値を外れる傾向となり、特に図６に示すような多軸システム及び図８に示すような助燃付の貫流式排熱回収ボイラでは、適正値を外れる傾向が一層顕著になる。

本発明の目的は、前記課題である高圧二次蒸発器入口における汽水混合割合及び高圧二次蒸発器出口の過熱度を広運用域で適正に維持する排熱回収ボイラを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
排ガスの流れに沿って高圧二次蒸発器と高圧一次蒸発器を設置し、前記高圧二次蒸発器の入口には前記高圧一次蒸発器出口の汽水混合流が導入され、前記高圧二次蒸発器の出口には汽水分離器が設置された貫流式排熱回収ボイラにおいて、
前記高圧一次蒸発器の後流側に設けられた高圧節炭器の出口、高圧節炭器の中間位置、または高圧節炭器の入口の給水の一部を前記高圧一次蒸発器の出口にバイパスするバイパスラインを設置し、
前記バイパスラインのバイパス流量を調整することにより、前記高圧二次蒸発器入口での蒸気含有量と前記高圧二次蒸発器出口での過熱度を適正値に維持する（または最適値にする）構成とする。

また、貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記高圧二次蒸発器の前流側に前記排ガスの熱量を補う助燃装置を設け、前記助燃装置の稼働によって、前記高圧二次蒸発器と前記高圧一次蒸発器における蒸発量を増加させる構成とする。さらに、貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記助燃装置の助燃量と前記排ガスの供給元であるガスタービンの負荷量とに基づいて、前記バイパスライン上の流量調整弁を制御する構成とする。

本発明によると、一次蒸発器出口に給水の一部をバイパスし調整することにより、二次蒸発器入口の蒸気含有率および二次蒸発器出口の過熱度を貫流式排熱ボイラに適切な割合に維持することができる。

本発明の実施形態に係る貫流式排熱式回収ボイラについて、図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１は本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムの構成例を示すブロック図である。図２は本実施形態に関する高圧一次蒸発器と高圧二次蒸発器における吸収熱量特性を示す図である。図３は本実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムの他の構成例を示すブロック図である。図４は本実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムの更に他の構成例を示すブロック図である。

また、図５は本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラが適用される一軸構成のプラント概要を示す図である。図６は本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラが適用される多軸構成のプラント概要を示す図である。図９は従来技術（給水流量制御）に関する高圧一次蒸発器と高圧二次蒸発器における吸収熱量特性を示す説明図である。

図面において、１は高圧節炭器、２は高圧節炭器、３は高圧一次蒸発器、４は分配器、５は分配管、６は高圧二次蒸発器、７は汽水分離器、８は汽水分離器ドレンタクンク、９は高圧過熱器、１０は給水バイパスライン、１１はバイパス給水調整弁、１２はダクトバーナ、１３はガスタービン、１４は排熱回収ボイラ、１５は蒸気タービン、１６は蒸気タービン発電機、１７はガスタービン発電機、をそれぞれ表す。

まず始めに、本発明の実施形態に係る貫流式排熱式回収ボイラについての沿革、概要及び機能を説明する。図５を参照すると、ガスタービン１３の排ガスから熱を回収し蒸気を発生しその蒸気で以って蒸気タービン１５を駆動して発電するいわゆるコンバインドサイクル発電設備において、ガスタービン１３の排ガスから熱を回収する設備として排熱回収ボイラ１４が設置されるが、コンバインド発電設備の特徴を生かし、急速起動停止運用による起動損失低減、蒸気条件の高級化による発電効率向上策として貫流式の排熱回収ボイラが採用される。また、大型のコンバインドサイクル発電設備ではこの排熱回収ボイラの蒸気系統を高圧系、中圧再熱系、低圧系の３系統で構成し排熱回収の効率向上を図っている。この様な再熱三重圧方式で貫流式を構成した場合、蒸発器の構成は貫流式の設計上、一次蒸発器と二次蒸発器の組み合わせとなる。

排ガス前流側に二次蒸発器、後流側に一次蒸発器を設備し、一次蒸発器出口の汽水混合流を二次蒸発器に導入し、二次蒸発器の出口に汽水分離器を設備する。その際、二次蒸発器の出口の温度については過熱度を一定の温度内で維持し続けることが求められる。また、二次蒸発器入口での蒸気含有率についても安定した管内流動を維持するため一定の範囲内で運用する必要がある。そこで、本実施形態では、高圧節炭器出口の給水の一部を高圧一次蒸発器出口にバイパスするラインを設置し、バイパス流量を調整することにより二次蒸発器入口での蒸気含有率を調整することを特徴の１つとする。バイパス流量の調整用給水の取り出し位置は高圧節炭器の中間位置または入口でも同様の効果が得られる。

このように、二次蒸発器入口での蒸気含有率を最適な値に調整可能とするとともに、二次蒸発器出口の過熱度を最適な値とすることができる。排熱回収ボイラとして貫流式を採用する場合、貫流式の利点から高圧系のみ、或いは高圧系と中圧系の２系統の場合が多い。本発明の実施形態は、プラント出力の運用範囲が比較的広い、または助燃付きの排熱回収ボイラ及び多軸方式のコンバインドサイクルプラントに対し特に有効である。

図１には本実施形態に関する排熱回収ボイラ高圧系システムの構成例を示す。ガスタービン１３からの排ガスは、熱交換部を形成する高圧過熱器９、高圧二次蒸発器６、高圧一次蒸発器３、高圧節炭器１および高圧節炭器２において熱交換される。高圧給水は高圧節炭器１，２で加熱された後、高圧一次蒸発器で５０％から７０％程度蒸気に変換される。その汽水混合流体は、連絡管で分配器４に供給され、分配器４で蒸気含有率を均等にされた後、分配管５を経由して高圧二次蒸発器６に導入され、過熱度２０℃から５０℃程度まで過熱されて汽水分配器７で汽水分離の後、高圧過熱器９に供給される。

ここで、高圧一次蒸発器３と高圧二次蒸発器６の出口の蒸気の状態は、上述した汽水混合比および過熱度の状態にあるのが好ましいが、ガスタービンの負荷あるいは助燃の量によっては運用全域において適切な状態にすることが困難になる場合がある。そこで、本実施形態では、高圧節炭器出口より給水の一部を抜出し高圧一次蒸発器出口に混入させるバイパスライン１０を設置し、ガスタービンの負荷、助燃量によってバイパスライン上のバイパス流量調整弁１１を操作することにより、高圧二次蒸発器６入口の蒸気含有率および高圧二次蒸発器６出口の過熱度を最適な値に制御する。

図２にガスタービン１００％負荷とさらに助燃をした場合の特性の例を示す。一方、本実施形態のようなバイパスライン１０を設けることなく給水バイパス調節によらない場合（従来技術）は、図９に示す特性となる。図９によると、助燃時において、二次蒸発器入口（横軸の中央部）の蒸気含有率は、非助燃時に比べて高くなっており、さらに、二次蒸発器出口（横軸の左端部）の過熱度は非助燃時に比べて高くなっている。これを改善するために図７に示す従来技術では給水流量を調整していた。

これに対して、図２に示すように本実施形態では、高圧節炭器２から高圧一次蒸発器３出口への給水バイパスにより、高圧二次蒸発器入口の蒸気含有率を非助燃時の状態近くに減じ（図２の破線を参照）、さらに高圧二次蒸発器出口の過熱度についても非助燃時の状態を維持することができる。図２によると、高圧一次蒸発器３の出口に高圧節炭器２からの水を、一次蒸発器６をバイパスして給水するので、助燃時においても高圧一次蒸発器３出口での汽水混合割合（蒸気含有率）が低減することを表している。同様に、高圧二次蒸発器６の出口における過熱度をみても、助燃時において設計範囲内に収まるようになる。また、中圧系システムについても上述した高圧系システムと同様である。低圧系システムでは貫流式の利点がないので自然循環式を採用するのが通常である。

また、図３は図１に示す構成例に対して、給水バイパスの抜出し位置を高圧節炭器の中間位置にしたものである。さらに、図４は前述の図３に示す給水バイパスの抜出し位置を高圧節炭器１の入口にする構成例である。

さらに、図６は本発明の実施形態に係る貫流式排熱式回収ボイラが、２軸で構成する多軸コンバインドサイクル発電設備に適用されたプラント構成例である。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る排熱回収ボイラでは、次のような構成を備え機能乃至作用を奏することを特徴とするものである。すなわち、排ガス前流側に高圧二次蒸発器、その後流側に高圧一次蒸発器を設備し、高圧一次蒸発器出口の汽水混合流を高圧二次蒸発器に導入し高圧二次蒸発器の出口に汽水分離器を設備した貫流式排熱回収ボイラにおいて、高圧節炭器出口の給水の一部を高圧一次蒸発器出口にバイパスするラインを設置し、バイパス流量を調整することで高圧二次蒸発器入口の蒸気含有率を最適な値に調整するとともに、二次蒸発器出口の加熱度を最適な値にする。また、高圧一次蒸発器出口にバイパスする給水の取り出し位置については、高圧節炭器中間あるいは高圧節炭器入口としてもよい。

このような構成を採用することによって、本実施形態においては、例えば、助燃によって高圧二次蒸発器と高圧一次蒸発器の吸収熱量の増加があった場合においても、高圧節炭器から給水の一部を高圧一次蒸発器出口にバイパスできるラインを設けてバイパス水量を調整することで、図２に示すように、高圧二次蒸発器入口での蒸気含有率および二次蒸発器出口の過熱度を最適な値（適正値）とすることができる。なお、二次蒸発器及び一次蒸発器に限らず、三次以上の最終ｎ次蒸発器を設けて、（ｎ−１）次蒸発器の出口にバイパスライン出口を接続しても良い。

本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムの構成例を示すブロック図である。 本実施形態に関する高圧一次蒸発器と高圧二次蒸発器における吸収熱量特性を示す図である。 本実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムの他の構成例を示すブロック図である。 本実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムの更に他の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラが適用される一軸構成のプラント概要を示す図である。 本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラが適用される多軸構成のプラント概要を示す図である。 従来の貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムを示すブロック図である。 図７に示す貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系システムの配置構成を示す図である。 従来技術（給水流量制御）に関する高圧一次蒸発器と高圧二次蒸発器における吸収熱量特性を示す説明図である。

符号の説明

１ 高圧節炭器
２ 高圧節炭器
３ 高圧一次蒸発器
４ 分配器
５ 分配管
６ 高圧二次蒸発器
７ 汽水分離器
８ 汽水分離器ドレンタクンク
９ 高圧過熱器
１０ 給水バイパスライン
１１ バイパス給水調整弁
１２ ダクトバーナ
１３ ガスタービン
１４ 排熱回収ボイラ
１５ 蒸気タービン
１６ 蒸気タービン発電機
１７ ガスタービン発電機

Claims (8)

1. 排ガスの流れに沿って高圧二次蒸発器と高圧一次蒸発器を設置し、前記高圧二次蒸発器の入口には前記高圧一次蒸発器出口の汽水混合流が導入され、前記高圧二次蒸発器の出口には汽水分離器が設置された貫流式排熱回収ボイラにおいて、
   前記高圧一次蒸発器の後流側に設けられた高圧節炭器出口の給水の一部を前記高圧一次蒸発器の出口にバイパスするバイパスラインを設置し、
   前記バイパスラインのバイパス流量を調整することにより、前記高圧二次蒸発器入口での蒸気含有量と前記高圧二次蒸発器出口での過熱度を適正値に維持する
   ことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
2. 排ガスの流れに沿って高圧二次蒸発器と高圧一次蒸発器を設置し、前記高圧二次蒸発器の入口には前記高圧一次蒸発器出口の汽水混合流が導入され、前記高圧二次蒸発器の出口には汽水分離器が設置された貫流式排熱回収ボイラにおいて、
   前記高圧一次蒸発器の後流側に設けられた高圧節炭器の中間位置の給水の一部を前記高圧一次蒸発器の出口にバイパスするバイパスラインを設置し、
   前記バイパスラインのバイパス流量を調整することにより、前記高圧二次蒸発器入口での蒸気含有量と前記高圧二次蒸発器出口での過熱度を適正値に維持する
   ことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
3. 排ガスの流れに沿って高圧二次蒸発器と高圧一次蒸発器を設置し、前記高圧二次蒸発器の入口には前記高圧一次蒸発器出口の汽水混合流が導入され、前記高圧二次蒸発器の出口には汽水分離器が設置された貫流式排熱回収ボイラにおいて、
   前記高圧一次蒸発器の後流側に設けられた高圧節炭器入口の給水の一部を前記高圧一次蒸発器の出口にバイパスするバイパスラインを設置し、
   前記バイパスラインのバイパス流量を調整することにより、前記高圧二次蒸発器入口での蒸気含有量と前記高圧二次蒸発器出口での過熱度を適正値に維持する
   ことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
4. 請求項１，２，または３において、
   前記高圧二次蒸発器の前流側に前記排ガスの熱量を補う助燃装置を設け、
   前記助燃装置の稼働によって、前記高圧二次蒸発器と前記高圧一次蒸発器における蒸発量を増加させる
   ことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
5. 請求項４において、
   前記助燃装置の助燃量と前記排ガスの供給元であるガスタービンの負荷量とに基づいて、前記バイパスライン上の流量調整弁を制御することを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
6. 請求項１，２，または３における前記高圧二次蒸発器、前記高圧一次蒸発器および前記高圧節炭器からなる高圧系蒸気系統に加えて、排ガスの流れに沿って中圧二次蒸発器と中圧一次蒸発器を設置し、前記中圧二次蒸発器の入口には前記中圧一次蒸発器出口の汽水混合流が導入され、前記中圧二次蒸発器の出口には汽水分離器が設置された貫流式排熱回収ボイラにおいて、
   前記中圧一次蒸発器の後流側に設けられた中圧節炭器出口、中圧節炭器の中間位置、または中圧節炭器入口の給水の一部を前記中圧一次蒸発器の出口にバイパスするバイパスラインを設置し、
   前記バイパスラインのバイパス流量を調整することにより、前記中圧二次蒸発器入口での蒸気含有量と前記中圧二次蒸発器出口での過熱度を適正値に維持する
   ことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
7. 排ガスの流れに沿って三次以上の高圧ｎ次蒸発器を順に複数の高圧蒸発器を設置し、前記高圧ｎ次蒸発器の入口には前記高圧（ｎ−１）次蒸発器出口の汽水混合流が導入され、前記高圧ｎ次蒸発器の出口には汽水分離器が設置された貫流式排熱回収ボイラにおいて、
   前記高圧一次蒸発器の後流側に設けられた高圧節炭器出口の給水の一部を前記高圧（ｎ−１）次蒸発器の出口にバイパスするバイパスラインを設置し、
   前記バイパスラインのバイパス流量を調整することにより、前記高圧ｎ次蒸発器入口での蒸気含有量と前記高圧ｎ次蒸発器出口での過熱度を適正値に維持する
   ことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
8. 請求項１ないし５のいずれか１つの請求項に記載の貫流式排熱回収ボイラに前記排ガスを供給する少なくとも２系統のガスタービンと、前記貫流式排熱回収ボイラで発生した蒸気を合流させて形成された単一の蒸気タービンと、を備えた多軸発電システム。

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