JP2009222304A

JP2009222304A - 貫流式排熱回収ボイラ

Info

Publication number: JP2009222304A
Application number: JP2008067667A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiko Sugiyama; 達彦杉山; Yuzuru Yoshimoto; 譲吉元
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2009-10-01

Abstract

【課題】二次蒸発器で発生する熱伸びに対して、発生する応力を効果的に緩和させ、且つ排ガス流れ方向のスペースを最小限に収める簡易な形状の曲げ管を入口管寄せに接続する。
【解決手段】二次蒸発器入口管寄せ２１と二次蒸発器出口管寄せとの間に二次蒸発器曲げ管２３と二次蒸発器チューブ２５とから構成される二次蒸発器を設け、二次蒸発器曲げ管２３は、二次蒸発器入口管寄せ２１から、パネル幅方向２７に同寸法で並列に配置した複数本の二次蒸発器曲げ管を垂直上方に配設する二次蒸発器曲げ管垂直部３１と、二次蒸発器曲げ管垂直部３１に接続され排ガス流れ後流側へ傾斜した二次蒸発器曲げ管傾斜部３２と、からなり、二次蒸発器曲げ管傾斜部３２の上端部が二次蒸発器チューブ２５の下端部に接続される構成とする。
【選択図】図３

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排熱回収ボイラに係わり、特に、蒸発器の伝熱管に発生する熱応力緩和の構造に関する。

ボイラの管寄せと伝熱管との接合において熱交換効率と耐久性を考慮した従来技術は、例えば特許文献１に記載されている。これによると、火力発電プラントなどに適用される熱交換器において、伝熱管と管寄せの間に曲げ加工部を設け、その曲げ方向を管寄せ軸方向とし、伝熱管の端面での温度差とそれに伴う管寄せとの接合部の応力を緩和させることが開示されている。

また、排ガス流れ方向と直交する面に配列された複数の蒸発器チューブと管寄せに発生する熱応力を低減させるために、図４に示す構成例が提案されている。図４は先行技術として提案されている二次蒸発器の曲げ管形状を示す構成例である。図４に示す先行技術は、二次蒸発器曲げ管２３が二次蒸発器入口管寄せ２１から排ガス流れ２６の後流側へ傾斜した方向に抜き出され、続いて垂直方向へ曲げて二次蒸発器チューブ２５とする構造である。
特開平９−２７３８９０号公報

しかしながら、特許文献１に示す従来技術は、二次蒸発器の各チューブは高さ約２０ｍにも達する高さであり、二次蒸発器内の流体における流量および蒸気含有率のアンバランスによりパネル幅方向のチューブ間の熱伸び差が発生するが、その上下に設置された管寄せにより拘束されているため、この熱伸び差が大きく発生した場合には管寄せの管台部に過大な応力が発生し破損の虞がある。また、この曲げ管形状ではパネル幅方向（図３を参照）に広がることとなり、この曲げ管形状を蒸発器に適用する場合、伝熱管群の端部と両端のケーシング間に逃げ代を多くとる必要があるためケーシング間寸法が大になり、また、排ガスのガスパスを抑制するためには、より多くのガスパス防止板を設置することが必要となる。

また、図４に示す先行技術では、排ガス流れ２６方向への曲げ管形状を有しているが、応力緩和が十分でなく、管台部（伝熱管と管寄せの接合部）での割れ等の損傷を発生するおそれもある。

本発明は、パネル幅方向の蒸発器チューブ間に発生する熱伸び差に起因する管寄せの管台部への応力低減を図り、排ガス流れ方向のパネル間隔と伝熱管群の端部とケーシング間の間隔の両間隔を最小限に収めることのできる貫流式排熱回収ボイラを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
ガスタービンからの排ガスに対して前流側から順に二次蒸発器と一次蒸発器を配置し、前記二次蒸発器は、天井部に吊り下げられた二次蒸発器出口管寄せと複数の伝熱管を介して接続されて底部近傍に配置された前記二次蒸発器入口管寄せが前記排ガスの流れ方向に直交して設置された貫流式排熱回収ボイラであって、
前記二次蒸発器の伝熱管は、前記二次蒸発器入口管寄せに接続される曲げ管と、前記曲げ管と前記二次蒸発器出口管寄せに接続される長尺の二次蒸発器チューブと、から構成される二次蒸発器であり、
前記二次蒸発器曲げ管は、前記二次蒸発器入口管寄せから、前記排ガス流れ方向に直交する面の方向であるパネル幅方向に並列に配置し且つ垂直上方に配設する二次蒸発器曲げ管垂直部と、前記二次蒸発器曲げ管垂直部に接続され排ガス流れ後流側へ傾斜した二次蒸発器曲げ管傾斜部と、からなり、前記二次蒸発器曲げ管傾斜部の上端部が前記二次蒸発器チューブの下端部に接続される構成とする。

本発明によれば、二次蒸発器で発生する熱伸びに対し、発生する応力を効果的に緩和させ、且つ、排ガス流れ方向とその直交方向のスペースを最小限に収める簡易な形状の曲げ管を入口管寄せと二次蒸発器チューブに設置することにより、チューブ及び管寄せに作用する熱応力に対する製品信頼性を向上させることができるとともに、ボイラ全体構造のスペースファクタを改善することができる。

本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラについて、図１〜図３を参照しながら以下説明する。図１は一般的なコンバインドサイクル発電設備のプラント概略構成を示す図である。図２は本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの基本構成を示す図である。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二次蒸発器の具体的構成を示す図である。

図面において、１は過熱器、２は二次蒸発器、３は一次蒸発器、４は節炭器、５は汽水分離器、６は分配器、７は二次蒸発器入口連絡管、８は給水調節弁または圧力調節弁、９は給水ポンプ、１０は汽水分離器ブローライン、１１はガスタービン、１２は排熱回収ボイラ、１３は蒸気タービン、１４は発電機、２１は二次蒸発器入口管寄せ、２２は二次蒸発器入口連絡管、２３は二次蒸発器曲げ管、２５は二次蒸発器チューブ（図３ではフィン付きチューブを例として図示している）、２６は排ガス流れ、２７はパネル幅方向、２８はパネル間隔、３１は二次蒸発器曲げ管垂直部、３２は二次蒸発器曲げ管傾斜部、をそれぞれ表す。

図１において、ガスタービン１１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は排熱回収ボイラ１２に送られる。排熱回収ボイラ１２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１３に送られて発電機１４にて発電を行う。

図２において、給水ポンプ９により昇圧された給水は、節炭器４で加熱された後、一次蒸発器３へと送られる。一次蒸発器３で蒸発を開始した飽和温度の汽水混合流体は上部で合流した後に下降し、分配器６で複数の配管に分配され二次蒸発器２へと接続する。その汽水混合流体は二次蒸発器２で過熱蒸気へと変換され、汽水分離器５を経て過熱器１で更に過熱された後、蒸気タービンへと送られる。

ここで、一次蒸発器３出口から二次蒸発器２入口まで汽水混合流の内部流体は連絡管による合流、下降、分配が行われ二次蒸発器入口管寄せ２１（図３を参照）を経て二次蒸発器２に送られる。パネル幅方向２７（図３を参照）に複数本が同寸法で配置された二次蒸発器チューブ２５（図３を参照）に流入する汽水混合流体は、汽水混合流体であるために一次蒸発器３出口から分配器６間での合流、混合にもかかわらず、分配器６出口から複数の配管を介して各チューブ２５（図３を参照）へ流入する流量と蒸気含有率においてアンバランスを生じる。

二次蒸発器パネル（チューブの配列された面）では、排ガス流れ方向のチューブ２５各列に二次蒸発器入口管寄せ（２１，２１，…）を設置し、また、チューブ２５はパネル幅方向２７（図３を参照）に同寸法で並列に配置されているが、各チューブ２５へ流入する流体に流量や蒸気含有率のアンバランスがある場合には、排ガス流れに偏流がなく、各チューブでの熱吸収量が同じとしても、二次蒸発器２出口の過熱蒸気に温度差が生じ、パネル幅方向２７のチューブ２５間の熱伸び差が発生する。二次蒸発器２の各チューブ２５は約２０ｍの高さがあり、その上下に設置された入口管寄せ２１及び出口管寄せにより拘束されているため、このような熱伸び差が発生した場合には管寄せの管台部に過大な応力が発生し破損の虞がある。

上述したパネル幅方向２７のチューブ２５間での熱伸び差の課題に対して貫流式排熱回収ボイラの二次蒸発器２として、十分な応力緩和を可能とし且つシンプルな構造を採用することで、耐久性に優れた信頼性の高い、且つスペースファクタに優れた工夫ある構成が本発明の実施形態の主たる特徴であり、以下に説明する。

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二次蒸発器の工夫ある具体的構成を示したものである。図３において、二次蒸発器入口管寄せ２１（以下、入口管寄せ２１と記述する）は、その軸方向が排ガス流れ２６方向に直交するように配置され、且つ排ガス流れ２６方向に複数本設置される（図３の図示例では２本の入口管寄せ２１が例示されている）。入口管寄せ２１には、その軸方向に複数本の二次蒸発器入口連絡管２２が接続されていて、一次蒸発器３の出口から汽水混合流体が供給される。

本実施形態に関する二次蒸発器２は、主たる構成要素を形成する二次蒸発器チューブ２５（図３ではフィン付きチューブが例示）と二次蒸発器曲げ管２３とから構成される。ここで、二次蒸発器曲げ管２３は垂直部３１と傾斜部３２とからなる。図３に図示するように、二次蒸発器入口連絡管２２の接続された二次蒸発器入口管寄せ２１からパネル幅方向２７に同寸法で並列に配置した複数本の二次蒸発器曲げ管２３は、垂直上方へ向けた垂直部３１を形成するとともに、排ガス流れ２６の後流方向へ曲げて傾斜した傾斜部３２を形成している。二次蒸発器曲げ管２３の傾斜部３２に続いて再び垂直方向へ曲げて二次蒸発器チューブ２５を形成する。

ここで、二次蒸発器チューブ２５（チューブ２５と記述する）は不図示の出口管寄せで集められる構造であり、この出口管寄せが固定の天井壁又は梁に対して吊り下げ構造となっていて、この出口管寄せに加わる二次蒸発器と出口管寄せ及び入口管寄せ２１の重量で出口管寄せの高さ方向位置は所定位置に保持される。

図３で、二次蒸発器曲げ管２３の垂直部３１と傾斜部３２の結合部には角度が付けられ、さらに、傾斜部３２とチューブ２５にも角度が付けられて結合している。パネル幅方向２７のチューブ２５間の上下方向熱伸び差は上述した２つの結合部における角度が変化することによって吸収させることができる。なお、入口管寄せ２１は、地震による揺れで変位しないように上下方向と横方向の動きを僅少の範囲内で規制する支持構造となっている。したがって、チューブ２５間の上下方向熱伸び差は、二次蒸発器及び管寄せが吊り下げ構造であっても入口と出口の管寄せの上下変位で吸収するというのではなくて、上述した２つの結合部の角度変更で吸収することになる。

また、曲げ管２３に垂直部３１を設けることで、チューブ間の熱伸び差が結合部角度の外に、入口管寄せ２１に対してすべての垂直部３１（パネル幅方向のいずれの垂直部３１も）が上下方向の一定方向に加わることとなり、入口管寄せ２１に複雑な方向の応力が加わることはなく、隣接する入口管寄せ２１同士が接触するという虞が無い。さらに、本実施形態は２つの結合部（角度変位する曲げ箇所）を備えることによって、１つの曲げ箇所をもつ先行技術に比べて、同じ熱伸び差を吸収するのに排ガス流れ２６方向成分の長さを小さくすることができるので、スペースファクタの改善に繋げることができる。

二次蒸発器チューブ２５は、高さが約２０ｍにも及ぶ寸法であり、その端部が二次蒸発器出口管寄せ（不図示）に接続される。このように、二次蒸発器チューブ２５と入口管寄せ２１との間に、垂直部３１と傾斜部３２とからなるシンプルな二次蒸発器曲げ管２３を採用することで、応力の一層の低減を図ることができ、上下方向のチューブ間の熱伸び差を吸収することが可能となる。

また、図３に示す構造の二次蒸発器曲げ管２３を採用することで、排ガス流れ２６方向に隣接して配置された入口管寄せ２１同士の間隔は、先行技術を図示する図５の入口管寄せ同士の間隔（パネル間隔２８に対応する間隔）よりも狭くすることができ排ガス流れ２６方向のスペースファクタが改善される。すなわち、パネル間隔２８を大きく広げる必要が無い。

以上説明したように、本発明の実施形態は、次のような解決すべき課題と、課題達成のための構成と、当該構成を採用したことによる作用効果とを備えることを主たる特徴とするものである。すなわち、貫流式排熱回収ボイラは、蒸発器をガスタービン排ガス前流側から二次蒸発器と一次蒸発器の順に二分割としている。このうち二次蒸発器では飽和状態の気液二相流が過熱蒸気へと変換されるため、パネル幅方向に複数本のチューブが同寸法で配置された二次蒸発器チューブに流入する汽水混合流体の流量や蒸気含有率にアンバランスが生じる。その際にはチューブ出口でパネル幅方向の温度差が生じ、この温度差によるチューブ間での熱伸び差が発生する。各チューブは上下の管寄せにより固定されているため、この熱伸び差により発生する応力を緩和できなければ、管寄せのチューブ溶接部で割れ等が発生する虞がある。一方、排ガス流れ方向のチューブ列においても熱伸び差が大きくなると考えられるが、その緩和のために二次蒸発器チューブ各列に管寄せを設ける構成としている（複数の入口管寄せ２１，２１…の設置）。

そこで、本発明の実施形態では、二次蒸発器入口管寄せからパネル幅方向に同寸法で並列に配置した複数本の二次蒸発器曲げ管を垂直上方へ抜き出し、排ガス流れ後流側へ曲げた後に再び垂直方向へ曲げる形状としている。この構成の採用によって、排熱回収ボイラの寸法を変更することなく、パネル幅方向のチューブ列での熱伸び差により発生する応力を効果的に緩和する形状で且つ排ガス流れ方向のスペースを最小に収めることができる。

一般的なコンバインドサイクル発電設備のプラント概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラの基本構成を示す図である。本実施形態に係る貫流式排熱回収ボイラにおける二次蒸発器の具体的構成を示す図である。先行技術として提案されている二次蒸発器の曲げ管形状を示す構成例である。

符号の説明

１過熱器
２二次蒸発器
３一次蒸発器
４節炭器
５汽水分離器
６分配器
７二次蒸発器入口連絡管
８給水調節弁または圧力調節弁
９給水ポンプ
１０汽水分離器ブローライン
１１ガスタービン
１２排熱回収ボイラ
１３蒸気タービン
１４発電機
２１二次蒸発器入口管寄せ
２２二次蒸発器入口連絡管
２３二次蒸発器曲げ管
２５二次蒸発器チューブ
２６排ガス流れ
２７パネル幅方向
２８パネル間隔
３１二次蒸発器曲げ管垂直部
３２二次蒸発器曲げ管傾斜部

Claims

ガスタービンからの排ガスに対して前流側から順に二次蒸発器と一次蒸発器を配置し、前記二次蒸発器は、天井部に吊り下げられた二次蒸発器出口管寄せと複数の伝熱管を介して接続されて底部近傍に配置された前記二次蒸発器入口管寄せが前記排ガスの流れ方向に直交して設置された貫流式排熱回収ボイラであって、
前記二次蒸発器の伝熱管は、前記二次蒸発器入口管寄せに接続される曲げ管と、前記曲げ管と前記二次蒸発器出口管寄せに接続される長尺の二次蒸発器チューブと、から構成される二次蒸発器であり、
前記二次蒸発器曲げ管は、前記二次蒸発器入口管寄せから、前記排ガス流れ方向に直交する面の方向であるパネル幅方向に並列に配置し且つ垂直上方に配設する二次蒸発器曲げ管垂直部と、前記二次蒸発器曲げ管垂直部に接続され排ガス流れ後流側へ傾斜した二次蒸発器曲げ管傾斜部と、からなり、
前記二次蒸発器曲げ管傾斜部の上端部が前記二次蒸発器チューブの下端部に接続される
ことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。