JP2008082583A - 貫流式排熱回収ボイラおよびその運転方法、ならびに発電設備およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二次蒸発器入口における流体の均等な分配を行う。
【解決手段】排ガス流れ方向の下流に一次蒸発器2、上流に二次蒸発器7を設置し、一次蒸発器2から出た管内流体を二次蒸発器7に導入し、二次蒸発器7の出口側に二次汽水分離器8を設置したものにおいて、一次蒸発器2の上部出口から二次蒸発器7の下部入口へと延びる下降管4の上部に一次汽水分離器3を設け、一次汽水分離器3で分離した飽和水を下降管4を介して二次蒸発器7に導入し、一次汽水分離器3の蒸気排出側を二次汽水分離器8に接続するバイパス系統11を設けて飽和蒸気を二次汽水分離器8に導入する。
【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装備される排熱回収ボイラに係り、特に大容量高効率化に好適な排熱回収ボイラに関するものである。

ガスタービンの排ガスから熱を回収して蒸気を発生し、その蒸気で蒸気タービンを駆動して発電する、所謂、コンバインドサイクル発電設備において、ガスタービンの排ガスから熱を回収する設備として排熱回収ボイラが設置される。このコンバインド発電設備の特長を生かし、急速な起動・停止運用による起動損失の低減、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系統で構成して、排熱回収の効率向上を図っている。

このような排熱回収ボイラ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。排ガスの流れ方向上流側に二次蒸発器、下流側に一次蒸発器を設置し、一次蒸発器出口の気水混合流を二次蒸発器に導入して、二次蒸発器の出口に二次汽水分離器を設ける。その際、二次蒸発器の出口の蒸気温度については、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。

また亜臨界圧域では、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。

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、図６を用いて説明する。ガスタービン１３では天然ガス等のガス燃料の燃焼により発電を行い、高温のガスタービン排ガスＧ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Ｇ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のそれぞれ１台が同軸で接続され、排熱回収ボイラ１４も１台設置された一軸システムと、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に対して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が接続され、各排熱回収ボイラ１４で発生した蒸気を合流して１台の蒸気タービン１５に導入する多軸システムがある。

この多軸システムは、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。

従来の貫流式排熱回収ボイラの高圧系システムを図７に、概略側断面を図８に、それぞれ示す。排ガスＧの流れ方向上流側に高圧二次蒸発器７、下流側に高圧一次蒸発器２を設置し、その高圧一次蒸発器２から出た気水混合流を高圧二次蒸発器７に導入し、その高圧二次蒸発器７の出口側に二次汽水分離器８を接続している。

高圧節炭器１で加熱された給水は高圧一次蒸発器２に送られ、亜臨界圧では一部が飽和蒸気に変換される。高圧一次蒸発器２から出る流体が気水混合流体である場合には、高圧二次蒸発器７での安定した流動と伝熱状態を維持するとともに出口での過熱度が均等になるよう、高圧一次蒸発器２と高圧二次蒸発器７の間に分配器１８が設置されている。

そして高圧一次蒸発器２と分配器１８の間は下降管４によって接続され、分配器１８と高圧二次蒸発器７の間は多数本の分配管６によって接続されて (図７参照) 、前記気水混合流体が分配器１８を通して分配される。

高圧二次蒸発器７の入口へ分配される流体は流量だけでなく蒸気含有率も均等になるよう、特に注意が必要となる。そのため分配器１８を設置し流量及び蒸気含有率の均等化を図る必要がある。さらに流量のアンバランスが生じないような構成で配置された分配管６を経て高圧二次蒸発器７に送られ、全て蒸気へ変換され、二次汽水分離器８を経由して高圧過熱器９へと送られる。図７中の符号１０は、前記二次汽水分離器８に接続されたドレンタンクである。

図８に示されているように排熱回収ボイラでは助燃バーナ１９を設置することにより、その助燃バーナ１９によって排ガスＧの温度を上昇させて発生蒸気量を増やし、蒸気タービン１５の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１９は通常、高圧蒸発器２,７より排ガス流れ方向上流側の高圧過熱器９と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。そのため蒸気量の増加に伴い蒸気タービン１５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、高圧二次蒸発器７の入口での気水混合割合や高圧二次蒸発器７の出口の過熱度の変化幅が大きく広がる。

ここで高圧一次蒸発器２と高圧二次蒸発器７の分割に当たっては、亜臨界状態での高圧二次蒸発器７の入口における気水混合割合を通常５０％から７０％程度になるように設定し、高圧二次蒸発器７の出口における過熱度は通常２０℃から５０℃程度になるように設定する。

運転時には高圧二次蒸発器７の出口の過熱度を監視して、前述の設定温度になるよう給水流量を制御し、その際に高圧二次蒸発器７の入口における気水混合割合は前述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１３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７の入口における気水混合割合及び高圧二次蒸発器７の出口の過熱度は前述の適正範囲から外れる傾向がある。この傾向は、特に前述した多軸システム及び助燃バーナ１９を設置した貫流式排熱回収ボイラにおいて顕著である。

一方、超臨界圧では飽和状態での気水混合流体が存在しないことから、高圧一次蒸発器２の出口の流体は分配器１８の構造や分配管６の構成に大きな影響を受けることなく、高圧二次蒸発器７へ送られる。

この種のボイラに関しては、例えば下記のような特許文献を挙げることができる。
特表２００１-５０５６４５号公報

ところが図７に示す従来の貫流式排熱回収ボイラでは、分配器を用いても蒸気含有率の均等分配は難しく、従って二次蒸発器内での安定した流れ状態の維持、ならびに二次蒸発器出口における過熱度の適正維持が困難であるという問題を有している。

本発明の目的は、このような従来技の欠点を解消し、二次蒸発器入口における流体の均等な分配と、二次蒸発器出口の過熱度を広運用域で適正に維持できる貫流式排熱回収ボイラおよびその運転方法ならびに発電設備およびその運転方法を提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、排ガス流れ方向の下流側に一次蒸発器、上流側に二次蒸発器が設置され、前記一次蒸発器から出た管内流体を前記二次蒸発器に導入して、その二次蒸発器の出口側に二次汽水分離器を設置した貫流式排熱回収ボイラにおいて、
前記一次蒸発器の上部出口から前記二次蒸発器の下部入口へと管内流体を送る下降管の上部側に一次汽水分離器を設け、
その一次汽水分離器の飽和水排出側を前記下降管に接続して、前記一次汽水分離器で分離した飽和水を前記下降管を介して前記二次蒸発器に導入し、
前記一次汽水分離器の蒸気排出側を前記二次汽水分離器側に接続するバイパス系統を設け、前記一次汽水分離器で分離した蒸気を前記バイパス系統を介して前記二次汽水分離器側に導入することを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記バイパス系統の二次汽水分離器側接続先が前記二次汽水分離器であることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記バイパス系統の二次汽水分離器側接続先が前記二次蒸発器と前記二次汽水分離器を接続する配管部であることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１の手段において、前記バイパス系統の二次汽水分離器側接続先が前記二次汽水分離器の出口側配管部であることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第１ないし第４の手段において、前記一次蒸発器が高圧一次蒸発器または高圧一次蒸発器と中圧一次蒸発器、前記二次蒸発器が高圧二次蒸発器または高圧二次蒸発器と中圧二次蒸発器であることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１ないし第５の手段において、前記二次蒸発器の排ガス流れ方向上流側に排ガス温度を上昇させるための助燃バーナが設置されていることを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は、排ガス流れ方向の下流側に一次蒸発器、上流側に二次蒸発器が設置され、前記一次蒸発器から出た管内流体を前記二次蒸発器に導入して、その二次蒸発器の出口側に二次汽水分離器を設置した貫流式排熱回収ボイラの運転方法において、
前記一次蒸発器の上部出口から前記二次蒸発器の下部入口へと管内流体を送る下降管の上部側に一次汽水分離器を設け、
その一次汽水分離器の飽和水排出側を前記下降管に接続して、前記一次汽水分離器で分離した飽和水を前記下降管を介して前記二次蒸発器に導入し、
前記一次汽水分離器の蒸気排出側を前記二次汽水分離器側に接続するバイパス系統を設け、そのバイパス系統がバイパス蒸気管とそのバイパス蒸気管の途中に設けられたバイパス蒸気弁とを備え、
ボイラ起動時、ボイラ部分負荷時、超臨界圧のいずれかの運転状態のときに前記バイパス蒸気弁を開いて、前記一次汽水分離器で分離した蒸気を前記バイパス系統を介して前記二次汽水分離器側に導入することを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は、ガス燃料の燃焼により発電を行うガスタービンと、そのガスタービンから排出される排ガスを熱回収により給水を蒸気に変換する排熱回収ボイラと、その排熱回収ボイラで発生した蒸気を導入して発電を行う蒸気タービンとを備え、
前記ガスタービンと排熱回収ボイラの複数対に対して１台の前記蒸気タービンが設置されて、各排熱回収ボイラで発生した蒸気を合流して前記１台の蒸気タービンに導入する多軸システムの発電設備において、
前記排熱回収ボイラが前記第１ないし第６の手段の貫流式排熱回収ボイラであることを特徴とするものである。

本発明の第９の手段は、ガス燃料の燃焼により発電を行うガスタービンと、そのガスタービンから排出される排ガスを熱回収により給水を蒸気に変換する排熱回収ボイラと、その排熱回収ボイラで発生した蒸気を導入して発電を行う蒸気タービンとを備え、
前記ガスタービンと排熱回収ボイラの複数対に対して１台の前記蒸気タービンが設置されて、各排熱回収ボイラで発生した蒸気を合流して前記１台の蒸気タービンに導入する多軸システムの発電設備の運転方法において、
前記排熱回収ボイラの運転方法が前記第７の手段の貫流式排熱回収ボイラの運転方法であることを特徴とするものである。

本発明は前述のように一次蒸発器出口から二次汽水分離器側へ蒸気をバイパスする系統を設けることにより、運転状態の違いによる一次蒸発器出口の蒸気含有率の変化を考慮することなく、蒸発器の分割や二次蒸発器出口の過熱度の最適化を図ることができ、広範囲で安定した運転状態が維持できる。

本発明は前述のような構成になっており、例えば亜臨界状態での高圧一次蒸発器出口の気水混合流体のうち、蒸気は高圧二次蒸発器出口の二次汽水分離器へバイパスされ、飽和水のみが降水管へと送られることになる。そのため、分配器を用いた蒸気含有率の均等分配は不要となり流動安定性も増すことから、分配器は簡単な構造のマニホールドに置き換えることが可能となり、蒸気を含まない流体をより均等な状態で高圧二次蒸発器入口へと送ることができ、二次蒸発器内では安定した流れ状態が維持できる。

また、蒸発器の分割にあたっては高圧一次蒸発器出口での蒸気含有率の制約がなくなり、高圧二次蒸発器出口での過熱度設定の最適化のみを考慮すればよいため、広範囲な運用が考えられる前述の多軸システム、あるいは(ならびに)助燃システムの貫流式排熱回収ボイラに対して有効である。

さらに、二次汽水分離器のサイズも小さくすることができる。さらにまた、二次汽水分離器へのバイパス配管に設置した弁を開閉操作し、ボイラ起動時、ボイラ部分負荷時、超臨界圧といった運転状態に応じ蒸気バイパス系統を使用することで、より広範囲で安定した運用が可能となる。

次に本発明の実施形態を図とともに説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの高圧系システムを説明するための図である。

同図に示されているようにガスタービンからの排ガスＧは、熱交換部である高圧過熱器９、高圧二次蒸発器７、高圧一次蒸発器２、高圧節炭器１で熱交換される。一方、高圧給水は高圧節炭器１で加熱された後、高圧一次蒸発器２において亜臨界域では気水混合流体となり、下降管４の上部に設置された一次汽水分離器３に送られる。

気水分離されて飽和水のみとなった流体は下降管４を経てマニホールド５に供給され、分配管６を経由して高圧二次蒸発器６に導入、過熱度２０℃から５０℃程度まで過熱されて二次汽水分離器８へ送られる。

また一次汽水分離器３で気水分離された飽和蒸気は直接二次汽水分離器８へと送られ、これらは更に気水分離された後、高圧過熱器９に供給される。図中の１０はドレンタンク、１１はバイパス蒸気管、１２はバイパス蒸気管１１の途中に設けられたバイパス蒸気弁であり、前記バイパス蒸気管１１とバイパス蒸気弁１２によりバイパス系統が構成されている。

ボイラ起動時、ボイラ部分負荷時、超臨界圧のいずれかの運転状態のときには、前記バイパス蒸気弁１２を開いて、前記一次汽水分離器３で分離した飽和蒸気を前記バイパス系統を介して前記二次汽水分離器８側に導入する。

ここで高圧一次蒸発器２の気水混合比はガスタービン負荷あるいは助燃量により異なるが、蒸気は二次汽水分離器８へとバイパスされるため、高圧二次蒸発器７の入口は飽和水のみとなる。また高圧二次蒸発器７の出口での過熱度が一定となるよう給水制御が行われる。

図２に、亜臨界域における運転状態の異なる負荷Ａと負荷Ｂの特性の例を示す。高圧一次蒸発器２の出口からのバイパス系統がない場合は図９に示す特性となるのに対し、図２では高圧一次蒸発器２の出口での蒸気含有率に関係なく高圧二次蒸発器７の入口を飽和水状態とすることが可能となる。また給水流量制御により、高圧二次蒸発器７の出口の過熱度については運転状態に関係なく同等に維持することができる。

また、助燃バーナ１９による助燃時においても図９に示すような特性が図２に示すような特性となり、助燃による運用域拡大による影響を抑えることができる。

飽和での気液二相流状態が存在しない超臨界域においては、前記蒸気バイパス系統を使用することなく、すなわちバイパス蒸気弁１２を閉じて、均等な内部流体状態を維持したまま、高圧一次蒸発器２の出口から高圧二次蒸発器７へ送られる。

図３は、本発明の第２実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの高圧系システムを説明するための図である。本実施形態で前記第１実施形態と相違する点は、下降管４の上部にある一次汽水分離器３からのバイパス蒸気管１１の接続先を、高圧二次蒸発器７と二次汽水分離器８を接続する配管部とした点である。

図４は、本発明の第３実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの高圧系システムを説明するための図である。本実施形態で前記第１実施形態と相違する点は、下降管４の上部にある一次汽水分離器３からのバイパス蒸気管１１の接続先を、二次汽水分離器８の出口連絡管部とした点である。これら第２，第３実施形態においても前記第１実施形態と同様な効果が得られる。

前記各実施形態では高圧一次蒸発器２ならびに高圧二次蒸発器７を含む高圧系統について説明したが、本発明は中圧一次蒸発器ならびに中圧二次蒸発器を含む中圧系統にも適用可能である。なお、低圧系統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。高圧系統と中圧系統を備えた廃熱回収ボイラにおいては、高圧系統と中圧系統の両方に一次汽水分離器ならびに蒸気バイパス系統を設けるとよい。

本発明は、図５に示す一軸コンバインドサイクル発電設備ならびに図６に示す多軸コンバインドサイクル発電設備に適用可能であり、特に多軸コンバインドサイクル発電設備において優れた効果を発揮することができる。

本発明の第１実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの高圧系システムを説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの亜臨界域における運転状態の異なる負荷特性の例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの高圧系システムを説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの高圧系システムを説明するための図である。 一軸システムにおけるコンバインドサイクル発電設備の概略構成図である。 多軸システムにおけるコンバインドサイクル発電設備の概略構成図である。 従来技術による貫流式排熱回収ボイラの高圧系システムを説明するための図である。 従来技術による貫流式排熱回収ボイラの概略側断面図である。 従来技術による貫流式排熱回収ボイラの亜臨界域における運転状態の異なる負荷特性の例を示す図である。

符号の説明

１:高圧節炭器、２:高圧一次蒸発器、３:一次汽水分離器、４:下降管、５:マニホールド、６:分配管、７:高圧二次蒸発器、８:二次汽水分離器、９:高圧過熱器、１０:二次汽水分離器ドレンタクンク、１１:バイパス蒸気管、１２:バイパス蒸気弁、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、１８:分配器、１９:助燃バーナ、Ｇ：排ガス。

Claims (9)

1. 排ガス流れ方向の下流側に一次蒸発器、上流側に二次蒸発器が設置され、前記一次蒸発器から出た管内流体を前記二次蒸発器に導入して、その二次蒸発器の出口側に二次汽水分離器を設置した貫流式排熱回収ボイラにおいて、
   前記一次蒸発器の上部出口から前記二次蒸発器の下部入口へと管内流体を送る下降管の上部側に一次汽水分離器を設け、
   その一次汽水分離器の飽和水排出側を前記下降管に接続して、前記一次汽水分離器で分離した飽和水を前記下降管を介して前記二次蒸発器に導入し、
   前記一次汽水分離器の蒸気排出側を前記二次汽水分離器側に接続するバイパス系統を設け、前記一次汽水分離器で分離した蒸気を前記バイパス系統を介して前記二次汽水分離器側に導入することを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
2. 請求項１記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記バイパス系統の二次汽水分離器側接続先が前記二次汽水分離器であることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
3. 請求項１記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記バイパス系統の二次汽水分離器側接続先が前記二次蒸発器と前記二次汽水分離器を接続する配管部であることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
4. 請求項１記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記バイパス系統の二次汽水分離器側接続先が前記二次汽水分離器の出口側配管部であることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記一次蒸発器が高圧一次蒸発器または高圧一次蒸発器と中圧一次蒸発器、前記二次蒸発器が高圧二次蒸発器または高圧二次蒸発器と中圧二次蒸発器であることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記二次蒸発器の排ガス流れ方向上流側に排ガス温度を上昇させるための助燃バーナが設置されていることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
7. 排ガス流れ方向の下流側に一次蒸発器、上流側に二次蒸発器が設置され、前記一次蒸発器から出た管内流体を前記二次蒸発器に導入して、その二次蒸発器の出口側に二次汽水分離器を設置した貫流式排熱回収ボイラの運転方法において、
   前記一次蒸発器の上部出口から前記二次蒸発器の下部入口へと管内流体を送る下降管の上部側に一次汽水分離器を設け、
   その一次汽水分離器の飽和水排出側を前記下降管に接続して、前記一次汽水分離器で分離した飽和水を前記下降管を介して前記二次蒸発器に導入し、
   前記一次汽水分離器の蒸気排出側を前記二次汽水分離器側に接続するバイパス系統を設け、そのバイパス系統がバイパス蒸気管とそのバイパス蒸気管の途中に設けられたバイパス蒸気弁とを備え、
   ボイラ起動時、ボイラ部分負荷時、超臨界圧のいずれかの運転状態のときに前記バイパス蒸気弁を開いて、前記一次汽水分離器で分離した蒸気を前記バイパス系統を介して前記二次汽水分離器側に導入することを特徴とする貫流式排熱回収ボイラの運転方法。
8. ガス燃料の燃焼により発電を行うガスタービンと、そのガスタービンから排出される排ガスを熱回収により給水を蒸気に変換する排熱回収ボイラと、その排熱回収ボイラで発生した蒸気を導入して発電を行う蒸気タービンとを備え、
   前記ガスタービンと排熱回収ボイラの複数対に対して１台の前記蒸気タービンが設置されて、各排熱回収ボイラで発生した蒸気を合流して前記１台の蒸気タービンに導入する多軸システムの発電設備において、
   前記排熱回収ボイラが請求項１ないし６のいずれか１項記載の貫流式排熱回収ボイラであることを特徴とする発電設備。
9. ガス燃料の燃焼により発電を行うガスタービンと、そのガスタービンから排出される排ガスを熱回収により給水を蒸気に変換する排熱回収ボイラと、その排熱回収ボイラで発生した蒸気を導入して発電を行う蒸気タービンとを備え、
   前記ガスタービンと排熱回収ボイラの複数対に対して１台の前記蒸気タービンが設置されて、各排熱回収ボイラで発生した蒸気を合流して前記１台の蒸気タービンに導入する多軸システムの発電設備の運転方法において、
   前記排熱回収ボイラの運転方法が請求項７記載の貫流式排熱回収ボイラの運転方法であることを特徴とする発電設備の運転方法。

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