JP2009063205A - 貫流式排熱回収ボイラ - Google Patents

Abstract

【課題】ボイラ起動時のバイパス給水混入部でのウォーターハンマーを抑制できる貫流式排熱回収ボイラを提供する。
【解決手段】高圧二次蒸発器３と、高圧一次蒸発器７と、高圧二次蒸発器入口連絡管９と、高圧汽水分離器８と、高圧二次節炭器６を備えて、高圧二次節炭器６の出口側から高圧二次蒸発器入口連絡管９に向けて高圧バイパス系統１１を設けたことを特徴とする。
【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おいて大容量高効率化に好適な貫流式排熱回収ボイラに関するものである。

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６を参照して説明する。

ガスタービン１４で天然ガス等を燃焼させて発電を行い、高温のガスタービン排ガスＧは排熱回収ボイラ１５に送られる。排熱回収ボイラ１５では排ガスＧからの熱回収により供給した水が蒸気に変換され、発生した蒸気は蒸気タービン１６に送られて発電機１７にて発電を行う。

次に従来の貫流式排熱回収ボイラの概略構成について図７を参照して説明する。前述のガスタービン１４からの排ガスＧは、最初の熱交換部である高圧過熱器１、再熱器２、高圧二次蒸発器３、高圧一次蒸発器７・・・に順次送られる。

一方、給水は低圧節炭器４を経て高圧給水ポンプ１８で昇圧され高圧一次節炭器５、高圧二次節炭器６で予熱された後、高圧一次蒸発器７、高圧二次蒸発器３に導入、個々で過熱されて高圧汽水分離器８に送られた後、高圧過熱器１に供給される。

高圧一次蒸発器７と高圧二次蒸発器３の間に高圧二次蒸発器入口連絡管９が設置されて、ここで高圧二次蒸発器３の出口の過熱度は通常２０℃から５０℃程度になるように設計されている。運転時にはこの高圧二次蒸発器３の出口の過熱度を監視し、設定温度になるよう高圧給水調節弁１０を用いて給水流量を制御する。

排熱回収ボイラの起動初期においては節炭器及び蒸発器に水張りを行った後にガスタービンが点火され、排熱回収ボイラに排ガスＧが導入されて蒸発器内で蒸発を開始する。ガス流れ方向上流側に設置されている高圧二次蒸発器３で蒸発が始まった後、ガス流れ方向下流側に設置されている高圧一次蒸発器７で蒸発を開始する。

従って高圧二次蒸発器３にて変換された蒸気は高圧汽水分離器８に送られるが、高圧一次蒸発器７ではまだ蒸気に変換されない状態が存在することとなり、一時的に高圧二次蒸発器３の内部の保有水が減少し、排ガスＧの熱が高圧二次蒸発器３の内部の給水で冷やされない結果として、高圧二次蒸発器３を構成している伝熱管の温度が局部的に上昇し、最悪の場合は高圧二次蒸発器３を構成している伝熱管の焼損が起こる可能性がある。

また貫流式ではドラムのような大容量の保有水設備が無く、汽水分離器８でレベルを確認しながら汽水分離器ブローライン１９により系外または復水器へのブローが行われることになるが、汽水分離器８内でのレベル変動が大きく必要なブロー量も多い。

この問題を解決するため図７に示す系統構成においては、バイパス系統１１を設置し、起動時に高圧一次節炭器５の入口給水を高圧二次蒸発器３の入口にバイパスさせることで、高圧二次蒸発器３内の保有水の減少を補うとともに汽水分離器８でのレベル変動やブロー量を抑制していた。バイパス流量は、バイパス系統１１に設置した電動弁１２を用いて制御していた。

なお、この種の技術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

しかし図７に示す系統構成では、バイパスさせる給水と高圧一次蒸発器７から送られる二相流の温度差が大きく、バイパス水の混入により急激に冷やされるためウォーターハンマーが発生し、騒音だけでなく衝撃により連絡管９の変形や破損といった問題が起こる可能性がある。中圧系統においても同様な貫流式系統構成を採用した場合には、同様の問題が起こる可能性がある。

本発明の目的は、排熱回収ボイラ起動時における二次蒸発器管の焼損防止と、汽水分離器のレベル変動及びブロー量の抑制のために行われる二次蒸発器入口への給水バイパス運転時に起こる可能性があるバイパス給水混入部でのウォーターハンマーを抑制することにより、騒音や機器の破損が防止できる貫流式排熱回収ボイラ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、二次蒸発器と、その二次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された一次蒸発器と、その一次蒸発器の出口側と前記二次蒸発器の入口側を直列に接続する二次蒸発器入口連絡管と、前記二次蒸発器の出口側に接続された汽水分離器と、前記一次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された節炭器とを備えた貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記節炭器の出口側から前記二次蒸発器入口連絡管に向けてバイパス系統を設けた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、前記節炭器と前記一次蒸発器を直列に接続する一次蒸発器入口連絡管の途中に給水調節弁または圧力調節弁を付設し、その給水調節弁または圧力調節弁の入口側から前記二次蒸発器入口連絡管に向けて前記バイパス系統を設けた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、前記節炭器が二次節炭器と、その二次節炭器の排ガス流れ方向下流側に設置された一次節炭器とを有し、前記一次節炭器と二次節炭器を直列に接続する二次節炭器入口連絡管の途中に給水調節弁または圧力調節弁を付設し、その給水調節弁または圧力調節弁の入口側から前記二次蒸発器入口連絡管に向けて前記バイパス系統を設けた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、前記蒸発器が高圧蒸発器であって、前記節炭器が高圧節炭器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の手段において、前記蒸発器が中圧蒸発器であって、前記節炭器が中圧節炭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、高圧二次蒸発器と、その高圧二次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された高圧一次蒸発器と、その高圧一次蒸発器の出口側と前記高圧二次蒸発器の入口側を直列に接続する高圧二次蒸発器連絡管と、前記高圧二次蒸発器の出口側に接続された高圧汽水分離器と、前記高圧一次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された高圧節炭器とを有する高圧系統と、
中圧二次蒸発器と、その中圧二次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された中圧一次蒸発器と、その中圧一次蒸発器の出口側と前記中圧二次蒸発器の入口側を直列に接続する中圧二次蒸発器連絡管と、前記中圧二次蒸発器の出口側に接続された中圧汽水分離器と、前記中圧一次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された中圧節炭器とを有する中圧系統とを備えた貫流式排熱回収ボイラにおいて、
前記高圧節炭器の出口側から前記高圧二次蒸発器連絡管に向けて高圧バイパス系統を設けるとともに、前記中圧節炭器の出口側から前記中圧二次蒸発器連絡管に向けて中圧バイパス系統を設けたことを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第６の手段において、前記高圧節炭器と前記高圧一次蒸発器を直列に接続する高圧一次蒸発器入口連絡管の途中に高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁を付設し、その高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁の入口側から前記高圧二次蒸発器入口連絡管に向けて前記高圧バイパス系統を設けるとともに、
前記中圧節炭器と前記中圧一次蒸発器を直列に接続する中圧一次蒸発器入口連絡管の途中に中圧給水調節弁または中圧圧力調節弁を付設し、その中圧給水調節弁または中圧圧力調節弁の入口側から前記中圧二次蒸発器入口連絡管に向けて前記中圧バイパス系統を設けたことを特徴とするものである。

本発明の第８の手段は前記第６の手段において、前記高圧節炭器が高圧二次節炭器と、その高圧二次節炭器の排ガス流れ方向下流側に設置された高圧一次節炭器とを有し、前記高圧一次節炭器と高圧二次節炭器を直列に接続する高圧二次節炭器入口連絡管の途中に高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁を付設し、その高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁の入口側から前記高圧二次蒸発器入口連絡管に向けて前記高圧バイパス系統を設けるとともに、
前記中圧節炭器が中圧二次節炭器と、その中圧二次節炭器の排ガス流れ方向下流側に設置された中圧一次節炭器とを有し、前記中圧一次節炭器と中圧二次節炭器を直列に接続する中圧二次節炭器入口連絡管の途中に中圧給水調節弁または中圧圧力調節弁を付設し、その中圧給水調節弁または中圧圧力調節弁の入口側から前記中圧二次蒸発器入口連絡管に向けて前記中圧バイパス系統を設けたことを特徴とするものである。

本発明の第９の手段は前記第１ないし第８の手段において、前記バイパス系統に流量調節弁を設置し、当該貫流式排熱回収ボイラの起動時の負荷変化に応じた量の給水をバイパスすることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、バイパス給水混入部でのウォーターハンマーを発生させること無く、ボイラ起動時における二次蒸発器管の焼損防止と、汽水分離器のレベル変動及びブロー量の抑制を行うことができ、信頼性の高い貫流式排熱回収ボイラを提供することができる。

後述する本発明の実施形態において、バイパス給水の抽水元である高圧節炭器出口での給水温度は高圧蒸発器内を流れる二相流体の飽和温度と温度差が１０℃前後と小さいことから二相流流体に給水が混入することによるウォーターハンマーが発生する可能性は非常に小さい。そのため、バイパス給水混入部での騒音や機器の変形、破損を防止することが可能となる。また、中圧系を貫流式とした場合においてもバイパス給水温度と二次蒸発器入口流体温度の温度差が小さいという条件は変わらないことから同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態を図１とともに説明する。本実施形態の場合は同図に示すように、排ガス流れ方向上流側から下流側に向けて高圧過熱器１、再熱器２、高圧二次蒸発器３、高圧一次蒸発器７、高圧二次節炭器６、高圧一次節炭器５が順次設置されている。

高圧二次蒸発器３と高圧過熱器１を結ぶ管路の途中には高圧汽水分離器８が介在されており、高圧汽水分離器８の下部は汽水分離器ブローライン１９が接続されている。高圧一次蒸発器７と高圧二次蒸発器３は、高圧二次蒸発器入口連絡管９によって直列に接続されている。また高圧二次節炭器６と高圧一次蒸発器７は高圧一次蒸発器入口連絡管２０によって直列に接続され、その連絡管２０の途中には高圧給水調節弁または圧力調節弁１０が付設されている。さらに高圧一次節炭器５の入口側には、高圧給水ポンプ１８が設けられている。

本実施形態の場合は高圧過熱器１、高圧二次蒸発器３、高圧一次蒸発器７、高圧二次節炭器６、高圧一次節炭器５ならびに高圧汽水分離器８によって高圧系統が構成されている。この高圧系統の排ガス流れ方向下流側に中圧系統ならびに低圧系統が配置されているが、図面を簡略化するため図１では低圧系統の低圧節炭器４と低圧ドラム２１が図示され、他は省略されている。

前記高圧二次蒸発器入口連絡管９の途中には、高圧二次節炭器６の出口側と高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁１０の入口側の間から延びた高圧バイパス系統１１が接続され、高圧バイパス系統１１の途中には高圧バイパス流量調節弁１３が付設されている。

図２は、高圧系統（高圧過熱器１、高圧二次蒸発器３、高圧一次蒸発器７、高圧二次節炭器６、高圧一次節炭器５）における熱吸収量及び温度の変化を示す線図である。

この図から明らかなように、従来技術においては高圧一次節炭器５の入口給水を高圧二次蒸発器３の入口にバイパスさせるため、給水温度（約１５０℃）と蒸気温度（約２４０℃）の差は約１００℃あり、高圧二次蒸発器３の入口において二相流の蒸気相がバイパスされた給水により急激に冷やされるから、ウォーターハンマーが発生する可能性がある。

これに対して本実施形態では、高圧二次節炭器６の出口側の給水をバイパスさせ、その温度は約２３０℃であり、給水温度（約２３０℃）と蒸気温度（約２４０℃）の差は１０℃程度に抑えられるため、ウォーターハンマー発生の可能性は無い。

本実施形態では図１に示すように、高圧二次節炭器６の出口側に高圧給水調節弁（または高圧圧力調節弁）１０を設置し、その上流から前記バイパス給水の一部を抜出しているが、これによりバイパス系統１１の前後での差圧が十分に確保できるため、給水を確実にバイパスさせることができる。

また、バイパス系統１１に設置する止弁を調節弁１３にすることにより、起動時の負荷変化に合わせ適切な量の給水をバイパスすることで、高圧二次蒸発器管の焼損や汽水分離器８のレベル変動抑制を的確に行うことができ、過剰なバイパスによる性能低下、起動時間の遅れを防止することが可能となる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの概略構成図である。本実施形態の場合、高圧一次節炭器５と高圧二次節炭器６の間を結ぶ高圧二次節炭器入口連絡管２２の途中に高圧給水調節弁（または高圧圧力調節弁）１０を設置する。そしてこの高圧給水調節弁（または高圧圧力調節弁）１０の入口側と前記高圧二次蒸発器入口連絡管９の途中を結ぶ高圧バイパス系統１１が設置され、高圧バイパス系統１１の途中には高圧バイパス流量調節弁１３が付設されている。

図２より本実施形態では、バイパスさせる給水温度（約１９０℃）と蒸気温度（約２４０℃）の差は約５０℃となる。温度差は従来技術に比べ小さくなるため、ウォーターハンマー発生の可能性は低くなる。また高圧給水調節弁１０は高圧一次節炭器５と高圧二次節炭器６の中間に設置されるため、高圧二次節炭器６の設計圧力を低く設定できることから、コストについては前記第１の実施形態に比べ低く抑えることが可能となる。

図４は本発明の第３の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの概略構成図である。本実施形態の場合、排ガス流れ方向上流側から下流側に向けて高圧過熱器１、再熱器２、高圧二次蒸発器３、高圧一次蒸発器７、高圧二次節炭器６、高圧一次節炭器５、中圧二次蒸発器２３、中圧一次蒸発器２４、中圧二次節炭器２５、中圧一次節炭器２６、低圧蒸発器２７、低圧節炭器４が順次設置されている。

中圧二次蒸発器２３の出口側には中圧汽水分離器２８が接続され、その下部は汽水分離器ブローライン２９が接続されている。中圧一次蒸発器２４と中圧二次蒸発器２３は、中圧二次蒸発器入口連絡管３０によって接続されている。また中圧二次節炭器２５と中圧一次蒸発器２４は中圧一次蒸発器入口連絡管３１によって接続され、その連絡管３１の途中には中圧給水調節弁または圧力調節弁３２が付設されている。高中圧給水ポンプ３３の出口側は、中圧一次節炭器２６と高圧一次節炭器５の入口側にそれぞれ接続されている。

前記第１の実施形態と同様に、高圧給水調節弁（または高圧圧力調節弁）１０の出口側から高圧二次蒸発器入口連絡管９の途中に向けて高圧バイパス系統１１が接続されている。さらに本実施形態では、中圧給水調節弁（または中圧圧力調節弁）３２の出口側から中圧二次蒸発器入口連絡管３０の途中に向けて中圧バイパス系統３４が接続され、その途中に中圧バイパス流量調節弁３５が付設されている。

図５は本発明の第４の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの概略構成図である。本実施形態の場合、高圧一次節炭器５と高圧二次節炭器６を直列に接続する高圧二次節炭器入口連絡管２２に高圧給水調節弁（または高圧調節弁）１０を設けて、それの入口側から高圧二次蒸発器入口連絡管９の途中に向けて高圧バイパス系統１１を接続する。

さらに中圧一次節炭器２６と中圧二次節炭器２５を直列に接続する中圧二次節炭器入口連絡管３６に中圧給水調節弁（または中圧調節弁）３２を設けて、それの入口側から中圧二次蒸発器入口連絡管３０の途中に向けて中圧バイパス系統３４を接続している。

本実施形態では高圧バイパス系統１１と中圧バイパス系統３４を併設したが、中圧バイパス系統３４のみを設けることもできる。

前記実施形態では蒸発器を一次蒸発器と二次蒸発器の２つに分割したが、蒸発器を例えば一次蒸発器、二次蒸発器、三次蒸発器のように３つ以上に多分割して、その最終蒸発器（前述の例では三次蒸発器）の入口側または二次以上の蒸発器（前述の例では二次蒸発器と三次蒸発器）の入口側全てに節炭器から給水できるようにバイパス系統を接続することもできる。

本発明の第１の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの概略構成図である。 貫流式排熱回収ボイラにおける高圧系熱吸収量と温度の変化を示す線図である。 本発明の第２の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの概略構成図である。 本発明の第３の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの概略構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの概略構成図である。 コンバインドサイクル発電設備のプラント構成図である。 従来の貫流式排熱回収ボイラの概略構成図である。

符号の説明

１：高圧過熱器、２：再熱器、３：高圧二次蒸発器、４：低圧節炭器、５：高圧一次節炭器、６：高圧二次節炭器、７：高圧一次蒸発器、８：高圧汽水分離器、９：高圧二次蒸発器入口連絡管、１０：高圧給水調節弁（高圧圧力調節弁）、１１：高圧バイパス系統、１２：電動弁、１３：高圧バイパス流量調節弁、１４：ガスタービン、１５：排熱回収ボイラ、１６：蒸気タービン、１７：発電機、１８：高圧給水ポンプ、１９：汽水分離器ブローライン、２０：高圧一次蒸発器入口連絡管、２１：低圧ドラム、２２：高圧二次節炭器入口連絡管、２３：中圧二次蒸発器、２４：中圧一次蒸発器、２５：中圧二次節炭器、２６：中圧一次蒸発器、２７：低圧蒸発器、28：中圧汽水分離器、２９：汽水分離器ブローライン、３０：中圧二次蒸発器入口連絡管、３１：中圧一次蒸発器入口連絡管、３２：中圧給水調節弁（中圧圧力調節弁）、３３：高中圧給水ポンプ、３４：中圧バイパス系統、３５：中圧バイパス流量調節弁、３６：中圧二次節炭器入口連絡管、Ｇ：ガスタービン排ガス。

Claims (9)

1. 二次蒸発器と、その二次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された一次蒸発器と、その一次蒸発器の出口側と前記二次蒸発器の入口側を直列に接続する二次蒸発器入口連絡管と、前記二次蒸発器の出口側に接続された汽水分離器と、前記一次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された節炭器とを備えた貫流式排熱回収ボイラにおいて、
   前記節炭器の出口側から前記二次蒸発器入口連絡管に向けてバイパス系統を設けたことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
2. 請求項１に記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記節炭器と前記一次蒸発器を直列に接続する一次蒸発器入口連絡管の途中に給水調節弁または圧力調節弁を付設し、その給水調節弁または圧力調節弁の入口側から前記二次蒸発器入口連絡管に向けて前記バイパス系統を設けたことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
3. 請求項１に記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記節炭器が二次節炭器と、その二次節炭器の排ガス流れ方向下流側に設置された一次節炭器とを有し、前記一次節炭器と二次節炭器を直列に接続する二次節炭器入口連絡管の途中に給水調節弁または圧力調節弁を付設し、その給水調節弁または圧力調節弁の入口側から前記二次蒸発器入口連絡管に向けて前記バイパス系統を設けたことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
4. 請求項１に記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記蒸発器が高圧蒸発器であって、前記節炭器が高圧節炭器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に記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記蒸発器が中圧蒸発器であって、前記節炭器が中圧節炭器であることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
6. 高圧二次蒸発器と、その高圧二次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された高圧一次蒸発器と、その高圧一次蒸発器の出口側と前記高圧二次蒸発器の入口側を直列に接続する高圧二次蒸発器連絡管と、前記高圧二次蒸発器の出口側に接続された高圧汽水分離器と、前記高圧一次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された高圧節炭器とを有する高圧系統と、
   中圧二次蒸発器と、その中圧二次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された中圧一次蒸発器と、その中圧一次蒸発器の出口側と前記中圧二次蒸発器の入口側を直列に接続する中圧二次蒸発器連絡管と、前記中圧二次蒸発器の出口側に接続された中圧汽水分離器と、前記中圧一次蒸発器の排ガス流れ方向下流側に設置された中圧節炭器とを有する中圧系統とを備えた貫流式排熱回収ボイラにおいて、
   前記高圧節炭器の出口側から前記高圧二次蒸発器連絡管に向けて高圧バイパス系統を設けるとともに、前記中圧節炭器の出口側から前記中圧二次蒸発器連絡管に向けて中圧バイパス系統を設けたことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
7. 請求項６に記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記高圧節炭器と前記高圧一次蒸発器を直列に接続する高圧一次蒸発器入口連絡管の途中に高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁を付設し、その高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁の入口側から前記高圧二次蒸発器入口連絡管に向けて前記高圧バイパス系統を設けるとともに、
   前記中圧節炭器と前記中圧一次蒸発器を直列に接続する中圧一次蒸発器入口連絡管の途中に中圧給水調節弁または中圧圧力調節弁を付設し、その中圧給水調節弁または中圧圧力調節弁の入口側から前記中圧二次蒸発器入口連絡管に向けて前記中圧バイパス系統を設けたことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
8. 請求項６に記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記高圧節炭器が高圧二次節炭器と、その高圧二次節炭器の排ガス流れ方向下流側に設置された高圧一次節炭器とを有し、前記高圧一次節炭器と高圧二次節炭器を直列に接続する高圧二次節炭器入口連絡管の途中に高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁を付設し、その高圧給水調節弁または高圧圧力調節弁の入口側から前記高圧二次蒸発器入口連絡管に向けて前記高圧バイパス系統を設けるとともに、
   前記中圧節炭器が中圧二次節炭器と、その中圧二次節炭器の排ガス流れ方向下流側に設置された中圧一次節炭器とを有し、前記中圧一次節炭器と中圧二次節炭器を直列に接続する中圧二次節炭器入口連絡管の途中に中圧給水調節弁または中圧圧力調節弁を付設し、その中圧給水調節弁または中圧圧力調節弁の入口側から前記中圧二次蒸発器入口連絡管に向けて前記中圧バイパス系統を設けたことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記バイパス系統に流量調節弁を設置し、当該貫流式排熱回収ボイラの起動時の負荷変化に応じた量の給水をバイパスすることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。

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