JP2012202610A - 排熱回収ボイラおよび発電プラント - Google Patents

排熱回収ボイラおよび発電プラント Download PDF

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Abstract

【課題】排熱回収ボイラ内に複数箇所設置した助燃装置への燃料投入量を排熱回収ボイラの運転状況に応じて適切に分配できるようにする。
【解決手段】本発明の実施形態によれば、過熱器２８の上流側で排ガスを加熱する第１段目の助燃装置５０と、蒸発器３２の上流側で排ガスを加熱する第２段目の助燃装置５２と、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２に燃料を分配して供給する燃料供給系を設け、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２にそれぞれ投入する燃料の全燃料投入量に対する配分比を、全燃料投入量に応じてあらかじめ設定し、配分比にしたがって各助燃装置に投入する燃料の分配を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、助燃装置を有する排熱回収ボイラおよび発電プラントに関する。
近年の火力発電プラントでは、プラントの熱効率の向上を図るため、コンバインドサイクル発電が主流になりつつある。コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン、蒸気タービンに排熱回収ボイラを組み合わせた発電プラントである。ガスタービンには燃焼器から高温高圧の燃焼ガスが送られ、燃焼ガスの膨張によりガスタービンを回転させ発電機を回す。その後、排ガスは排熱回収ボイラに導入され、この排熱回収ボイラで排ガスのもつ熱エネルギーによって蒸気を発生させる。蒸気は蒸気タービンに送られ、ガスタービンとともに発電機を回すことになる。
一般に、排熱回収ボイラは、ガスタービンから排出される排ガスの熱に応じた蒸気を発生して蒸気タービンに蒸気を供給するボイラであるが、最近では、排気ガスを加熱する助燃装置を付加した排熱回収ボイラが増えている。これは、夏季にはガスタービンの出力が低下し排ガス量の減少に伴い排熱回収ボイラでの蒸気発生量低下を補填する必要があること、またコジェネレーションプラントや造水プラント等、蒸気タービン以外にも蒸気を供給するためである。
最近の排熱回収ボイラにおいては、蒸気供給量を増やすために助燃装置が大型化してきている。これに伴い排熱回収ボイラ内の排ガス温度が高くなり、ボイラ構成部材の耐久性・信頼性が下がるのを防止するために、助燃装置を複数箇所に設置することが行われている（例えば、特許文献１）。
特開２００１−１１６２０８号公報
助燃装置を設置した排熱回収ボイラでは、助燃装置を点火して排ガスを加熱した場合と、助燃装置を消火した場合とでは、排熱回収ボイラ内部の熱バランスが大きく異なってくる。とりわけ、助燃装置を複数箇所に設置した排熱回収ボイラでは、蒸発量が増大し過ぎて蒸気の過熱度が低下したり、逆に蒸気の過熱度を上昇させすぎたりすることがある。
このため、複数の助燃装置を備えた排熱回収ボイラでは、各助燃装置に供給する燃料を適切に分配する必要がある。ところが、蒸気量を増大させるため一方の助燃装置の燃料を増加させると、蒸気量の増大によりボイラ出口の蒸気温度が下がり、蒸気温度を上げるために他方の助燃装置への燃料も増加させると過熱し過ぎるというように、各助燃装置へ燃料を適切に分配するには、燃料投入量の制御が複雑になるという問題がある。
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、排熱回収ボイラ内に複数箇所設置した助燃装置への燃料投入量を排熱回収ボイラの運転状況に応じて適切に分配できるようにした排ガス回収ボイラを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、排熱回収ボイラ内に複数箇所設置した助燃装置への燃料投入量を排熱回収ボイラの運転状況に応じて適切に分配できるようにした排熱回収ボイラを備えた発電プラントを提供することにある。
前記の目的を達成するために、本発明の実施形態に係る排ガス回収ボイラは、ガスタービンから排出ガスの流れ方向にそって過熱器、蒸発器、節炭器からなる複数の熱交換器がダクト内に配置され、前記ガスタービンの排ガスを利用して蒸気を発生する排ガス回収ボイラにおいて、前記過熱器の上流側で前記排ガスを加熱する第１段目の助燃装置と、前記蒸発器の上流側で前記排ガスを加熱する第２段目の助燃装置と、前記第１段目の助燃装置と前記第２段目の助燃装置に燃料を分配して供給する燃料供給系と、前記第１段目の助燃装置と前記第２段目の助燃装置にそれぞれ投入する燃料の全燃料投入量に対する配分比が、全燃料投入量に応じてあらかじめ設定され、前記配分比にしたがって各助燃装置に投入する燃料の分配を制御する燃料分配制御手段と、を具備したことを特徴とする。
また、本発明に係る発電プラントは、高温、高圧の燃焼ガスによってタービンを回転駆動するガスタービンと、前記ガスタービンから排出ガスの流れ方向にそって過熱器、蒸発器、節炭器からなる複数の熱交換器がダクト内に配置され、前記ガスタービンの排ガスを利用して蒸気を発生する排ガス回収ボイラと、前記排ガス回収ボイラで発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、前記ガスタービンおよび前記蒸気タービンによって駆動される発電機と、を備え、前記排ガス回収ボイラは、前記過熱器の上流側で前記排ガスを加熱する第１段目の助燃装置と、前記蒸発器の上流側で前記排ガスを加熱する第２段目の助燃装置と、前記第１段目の助燃装置と前記第２段目の助燃装置に燃料を分配して供給する燃料供給系と、前記第１段目の助燃装置と前記第２段目の助燃装置にそれぞれ投入する燃料の全燃料投入量に対する配分比が、全燃料投入量に応じてあらかじめ設定され、前記配分比にしたがって各助燃装置に投入する燃料の分配を制御する燃料分配制御手段と、を具備したことを特徴とする。
本発明の一実施形態による排熱回収ボイラを備えた発電プラントの系統図である。 本発明の一実施形態による排熱回収ボイラを示す模式図である。 本発明の一実施形態による排熱回収ボイラにおける助燃装置への燃料分配の変化を示すグラフである。
以下、本発明による排熱回収ボイラおよび発電プラントの一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による排熱回収ボイラが適用されるコンバインドサイクル型の発電プラントの系統図である。
この図１において、参照番号１０は発電機を示し、１２は蒸気タービン、１４はガスタービンを示している。参照番号１６は、排熱回収ボイラを示す。
発電機１０は、蒸気タービン１２とガスタービン１４と同一の駆動軸１８によって連結されている。また駆動軸１８には空気圧縮機２０が連結されている。この空気圧縮機２０は、外部から吸入された空気Ａを高温高圧に圧縮して燃焼器２２に供給する。この燃焼器２２では、燃料系統２４から供給される燃料に圧縮された空気が混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスがガスタービン１４に送られる。この燃焼ガスが膨張仕事をすることによりガスタービン１４のタービンが回転駆動され、発電機１０は回転する。ガスタービン１４から排出された排ガス２５は排気ダクト２６を通って排熱回収ボイラ１６に導かれる。
図１に示されるように、排熱回収ボイラ１６のダクト２７の内部には、ガスタービン１４から排出された排ガス２５の流れ方向にそって上流側から順に高温過熱器２８、低温過熱器３０、蒸発器３２、節炭器３４といった４種類の熱交換器が設置されている。蒸発器３２には蒸気ドラム３６が設置されている。節炭器３４は、ボイラ給水を排ガス２５の熱で加熱してから蒸気ドラム３６に供給する。蒸気ドラム３６では、蒸発器３２で発生した飽和蒸気の気液分離を行うとともに、その内部を所定の水位に保つことで飽和蒸気とのバランスが保たれるようになっている。蒸気ドラム３６で気液分離された水は蒸発器３２に再導入される。
蒸気ドラム３６内部の飽和蒸気は、飽和蒸気管３８を通って低温過熱器３０に送られ、ここで過熱されてから、さらに高温過熱器２８に導かれ、ここで蒸気はさらに過熱される。低温過熱器３０と高温過熱器２８の間には、蒸気温度を調節するための減温器４０が設置されている。
高温過熱器２８のボイラ出口には出口配管４２が接続されており、高温過熱器２８で過熱された過熱蒸気は、出口配管４２を通って蒸気タービン１２に送られ、膨張仕事を行って蒸気タービン１２を回転させることになる。仕事を終えた蒸気は、復水器４３に導かれて水に戻され、復水ポンプ４６によって復水戻り配管４５を通って給水ポンプ４６で加圧されて節炭器３４に還流される。燃料系統２４からは、助燃装置５０、５２にそれぞれ燃料を供給する燃料供給配管５４、５５が分岐している。
本実施形態による排熱回収ボイラ１６では、次のように助燃装置５０、５２は２箇所に設置されている。
このうち、第１段目の助燃装置５０は、排ガス２５の流れ方向において最上流の位置に配置され、この実施形態の排熱回収ボイラ１６の場合、高温過熱器２８の上流側に設置されている。この第１段目の助燃装置５０には、複数のバーナ５１が下流側の高温過熱器２８に向けて設置されている。第１の燃料供給配管５４には、燃料調整弁５６と燃料遮断弁５７が配設されており、バーナ５１で燃焼させる燃料投入量を燃料調整弁５６の開度を調整することで制御している。バーナ５１を消火するときには燃料遮断弁５７が閉じるようになっている。
第２段目の助燃装置５２は、第１段目の助燃装置５０より下流位置、この実施形態の場合、蒸発器３２の上流側に配置されている。この第２段目の助燃装置５２には複数のバーナ５３が下流側の蒸発器３２に向けて設置されている。第２の燃料供給配管５５には、燃料投入量を調整する燃料調整弁５８とバーナ５３を消火するときに閉じる燃料遮断弁５９が配設されている。
図２において、参照番号６０は、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２の点火、消火および燃料投入量を制御する制御装置を示す。燃料系統２４を流れる燃料の流量は、流量計６２により検出され、制御装置６０に入力される。第１段目の助燃装置５０と、第２段目の助燃装置５２とについては、燃料投入量の分配比率が図３に示すようにあらかじめ設定されており、制御装置６０は、この燃料投入量の関係に基づいてそれぞれ燃料調整弁５６、５８の開度をそれぞれ調整して第１段目の助燃装置５０と、第２段目の助燃装置５２への燃料投入量を制御するようになっている。
本実施形態による排熱回収ボイラは、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。
まず、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２の排熱回収ボイラ１６における作用について説明する。
第２段目の助燃装置５２は、蒸発器３２の上流に設置されていることから、バーナ５３から噴き出される火炎で排ガス２５が加熱されると、主に、蒸発器３２での蒸発量を増大させることができる。
これに対して、第１段目の助燃装置５０は、高温過熱器２８、低温過熱器３０の上流に配置されていることから、バーナ５１から噴き出される火炎で排ガスが加熱されると、これら高温過熱器２８、低温過熱器３０で発生した蒸気の過熱度を上昇させることができる。
そこで、図３を参照しながら、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２への燃料分配制御について説明する。
図３において、横軸は第１段目の助燃装置５０および第２段目の助燃装置５２への燃料投入量の合計を表し、縦軸は各助燃装置５０、５２への燃料投入量を表している。そして折れ線Ａは第１段目の助燃装置５０への燃料投入量の変化を示し、折れ線Ｂは第２段目の助燃装置５２への燃料投入量の変化を示している。横軸が燃料投入量の合計であるため、折れ線Ａ、折れ線Ｂの傾きの値の和は１になる。
そこで、第１段目の助燃装置５０、第２段目の助燃装置５２には、燃料投入量が増加するに従って以下のように燃料を分配する。
図３において、この実施形態では、小投入量域、中間投入量域、大投入量域の３つの領域に分けてそれぞれ燃料投入量の配分の仕方を変えている。
まず、助燃装置５０、５２を点火せずに排熱回収ボイラ１６を運転していて蒸気量が足りなくなり、蒸気タービン１２に供給すべき蒸気量を増やすときには、最初に第２段目の助燃装置５２のバーナ５３に点火して、助燃装置５２への燃料投入量を増加させていく（直線ｂ１）。始動の段階から、第２段目の助燃装置５２と第１段目の助燃装置５０に同時に燃料を増加させたり、あるいは第２段目の助燃装置５２より先に第１段目の助燃装置５０を点火して燃料を増加させていくと、蒸発量が十分でない状態のまま高温の排ガスで高温過熱器２８、低温過熱器３０を過熱しすぎることになる。また、ボイラ出口での蒸気温度は、高温過熱器２８と低温過熱器３０の間に設置されている減温器４０によって制御されており、蒸気を過熱しすぎることで、減温器４０でのスプレー流量が過剰になったり、高温過熱器２８、低温過熱器３０へのウォーターインダクションが問題となる。このようなことから、第２段目の助燃装置５２への燃料投入を先に開始し、小投入量域では、第１段目の助燃装置５０は休止させておく。
図３の直線ｂ１に示されるように、小投入量域では、制御装置６０は、蒸気流量の増加に応じて、第２段目の助燃装置５２への燃料投入量を一定の割合で線形的に増加させていく。燃料投入量が増加していくと、バーナ５３の火力が増大していくので、バーナ５３で加熱された排ガスによって蒸発器３２で発生する蒸気量が増加する。蒸気は、蒸発器３２から低温過熱器３０、高温過熱器２８へと順次送られ、ここでガスタービン１４から排出されてくる排ガスによって蒸気は過熱されて蒸気タービン１２に送られることになる。
このとき第１段目の助燃装置５０は休止しているので、高温過熱器２８、低温過熱器３０で蒸気を過熱し過ぎることはなくなり、また、蒸気温度を制御する減温器４０でのスプレーが過剰になることなく、蒸気温度を適正に制御することできる。この運転段階にある排熱回収ボイラ１６では、蒸気タービン１２に供給する蒸気の増加量はそれほど大きくないので、第１段目の助燃装置５０を休止して第２段目の助燃装置５２だけを運転していても必要とされる蒸気増加量を十分に賄うことができる。
図３に示されるように、第２段目の助燃装置５２への燃料投入量が予め設定された投入量に達すると、次に中間投入量域での燃料投入量分配制御に移行する。
この中間投入量域では、第２段目の助燃装置５２に加えて第１段目の助燃装置５０も点火される。ただし、バーナ５１が着火してから、種火として燃焼させるのに必要な燃料投入量に達した後は、一定に維持される（直線ａ１）。同時に第２段目の助燃装置５２では、第１段目の助燃装置５０への燃料投入量が増加する間、一定の燃料が供給される。
蒸気タービン１２に供給すべき蒸気量を増やすときには、制御装置６０は第２段目の助燃装置５２への燃料投入量を一定の割合で線形的に増加させる（直線ｂ２）。この間、第１段目の助燃装置５０では、種火としてバーナ５１は燃焼を継続する。
この運転段階にある排熱回収ボイラ１６では、蒸発器３２で蒸発する蒸気の量は増大してくるが、第１段目の助燃装置５０による追い炊きなしで、高温過熱器２８、低温過熱器３０による蒸気の過熱も十分に行うことができる。発電プラントの運転状況によっては、ボイラ出口での蒸気温度が下がってくるような事態が想定される。蒸気の過熱度を上昇させる必要があるときには、第１段目の助燃装置５０のバーナ５１が種火の付いた状態になっているため、蒸気の過熱度を上昇させることが必要となる事態に迅速に対応することが可能である。
さらに、第２段目の助燃装置５２への燃料投入量が増加し予め設定された投入量に達すると、図３に示されるように、制御装置６０は大投入量域での燃料投入量分配制御に移行することになる。
この大投入量域では、蒸気タービン１２に供給すべき蒸気量を増やすときに、制御装置第６０は１段目の助燃装置５０、第２段目の助燃装置５２の両方に対して、燃料投入量を一定の割合で増加させる。
図３の直線ｂ３で示されるように、第２段目の助燃装置５２への燃料投入量の増大によって、蒸発器３２で発生する蒸気量が増えて、第１段目の助燃装置５０で加熱して排ガスの温度を上昇させないと、高温過熱器２８、低温過熱器３０での蒸気の過熱が十分でなくなり、ボイラ出口での蒸気温度が低下してしまうおそれがある。
そこで、ボイラ出口での蒸気温度を監視しながら、蒸気温度が低下した場合には、第１段目の助燃装置５０へは、直線ａ２で示すように一定の比率で燃料投入量を増加させバーナ５１の火力を大きくして排ガスの温度を上昇させる。これによって、温度高温過熱器２８、低温過熱器３０で蒸気の過熱度を高める。
この実施形態では、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２への燃料投入量の総量のうち、第１段目の助燃装置５０に投入する燃料の増加割合の方が第２段目の助燃装置５２に投入する燃料の増加割合よりも大きく設定されている。これにより、蒸発器３２での蒸気発生量の増大に蒸気の過熱度の上昇が追いつかないというようなことがなくなり、蒸気発生量とボイラ出口での蒸気温度の関係を適正に保つことができる。また、発電プラント全体としてみれば、ガスタービン１４の出力が低下するなどして、蒸気の発生量が低下した場合でも、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２への燃料投入量を増加させながら、適正な温度の蒸気量を必要なだけ円滑に供給することができる。なお、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２へのそれぞれ燃料投入量の増加割合（直線ａ２、直線ｂ３の傾き）は、一例であってこれに限定されるものではない。
しかも、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２への燃料投入量は、個別に制御されているのではなく、燃料投入量の総量を予め一定の比率で分配しているので、第１段目の助燃装置５０への燃料投入量が決まれば、第２段目の助燃装置５２への燃料投入も同時に蒸気発生量と蒸気温度の関係を適正する方向に制御されることになる。このようにして、第１段目の助燃装置５０と第２段目の助燃装置５２への燃料分配の制御を簡潔なシステムにすることができる。
以上、本発明による排熱回収ボイラについて、好適な実施形態を挙げて説明したが、実施形態は例示であり、発明の範囲はそれらに限定されない。本発明の排熱回収ボイラは、蒸気タービンだけに限らずに、例えば、造水プラント等に蒸気を供給するプラントにも適用することができる。
１０…発電機、１２…蒸気タービン、１４…ガスタービン、１６…排熱回収ボイラ、１８…駆動軸、２０…空気圧縮機、２２…燃焼器、２４…燃料系統、２８…高温過熱器、３０…低温過熱器、３２…蒸発器、３４…節炭器、３６…蒸気ドラム、４３…復水器、５０…第１段目の助燃装置、５２…第２段目の助燃装置、６０…制御装置

Claims (6)

  1. ガスタービンから排出ガスの流れ方向にそって過熱器、蒸発器、節炭器からなる複数の熱交換器がダクト内に配置され、前記ガスタービンの排ガスを利用して蒸気を発生する排ガス回収ボイラにおいて、
    前記過熱器の上流側で前記排ガスを加熱する第１段目の助燃装置と、
    前記蒸発器の上流側で前記排ガスを加熱する第２段目の助燃装置と、
    前記第１段目の助燃装置と前記第２段目の助燃装置に燃料を分配して供給する燃料供給系と、
    前記第１段目の助燃装置と前記第２段目の助燃装置にそれぞれ投入する燃料の全燃料投入量に対する配分比が、全燃料投入量に応じてあらかじめ設定され、前記配分比にしたがって各助燃装置に投入する燃料の分配を制御する燃料分配制御手段と、
    を具備したことを特徴とする助燃装置を有する排熱回収ボイラ。
  2. 前記燃料分配制御手段は、蒸気量増加に従って、まず前記第２段目の助燃装置への燃料投入量を増大させ、その後、前記第１段目の助燃装置への燃料投入量を増大させるように燃料の分配を制御することを特徴とする請求項１に記載の助燃装置を有する排熱回収ボイラ。
  3. 前記燃料分配制御手段は、前記過熱器での蒸気過熱度が十分な間、前記第１段目の助燃装置への燃料投入量は一定にして種火の状態を保持したまま、前記第２段目の助燃装置への燃料投入量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の排熱回収ボイラ。
  4. 高温、高圧の燃焼ガスによってタービンを回転駆動するガスタービンと、
    前記ガスタービンから排出ガスの流れ方向にそって過熱器、蒸発器、節炭器からなる複数の熱交換器がダクト内に配置され、前記ガスタービンの排ガスを利用して蒸気を発生する排ガス回収ボイラと、
    前記排ガス回収ボイラで発生した蒸気により駆動される蒸気タービンと、
    前記ガスタービンおよび前記蒸気タービンによって駆動される発電機と、を備え、
    前記排ガス回収ボイラは、
    前記過熱器の上流側で前記排ガスを加熱する第１段目の助燃装置と、
    前記蒸発器の上流側で前記排ガスを加熱する第２段目の助燃装置と、
    前記第１段目の助燃装置と前記第２段目の助燃装置に燃料を分配して供給する燃料供給系と、
    前記第１段目の助燃装置と前記第２段目の助燃装置にそれぞれ投入する燃料の全燃料投入量に対する配分比が、全燃料投入量に応じてあらかじめ設定され、前記配分比にしたがって各助燃装置に投入する燃料の分配を制御する燃料分配制御手段と、を具備したことを特徴とする発電プラント。
  5. 前記排ガス回収ボイラの燃料分配制御手段は、蒸気量増加に従って、まず前記第２段目の助燃装置への燃料投入量を直線的に増大させ、その後前記第１段目の助燃装置への燃料投入量を増大させることを特徴とする請求項４に記載の発電プラント。
  6. 前記排ガス回収ボイラの燃料分配制御手段は、前記過熱器での蒸気過熱度が十分な間、前記第１段目の助燃装置への燃料投入量は一定にして種火の状態を保持したまま、前記第２段目の助燃装置への燃料投入量を増加させることを特徴とする助燃装置を有する請求項４に記載の発電プラント。
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