JP2012519830A - 貫流蒸発器 - Google Patents

Abstract

多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される第１の蒸気発生管（１３）を含む第１の蒸発伝熱面（８）と、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される別の第２の蒸気発生管（１４）を含む別の第２の蒸発伝熱面（１０）とを備え、第２の蒸発伝熱面（１０）が流れ媒体側において第１の蒸発伝熱面（８）に後置接続されている横置形構造の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器（１）は、特に簡単な構造でありながら特に高い運転上の安全性を有するものでなければならない。このために、全負荷運転時に生じる第１の蒸気発生管（１３）内の平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように、第１の蒸気発生管（１３）が設計される。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される第１の蒸気発生管を含む第１の蒸発伝熱面と、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される別の第２の蒸気発生管を含む別の第２の蒸発伝熱面とを備え、第２の蒸発伝熱面が流れ媒体側において第１の蒸発伝熱面に後置接続されている横置形構造の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器に関する。

ガス・蒸気タービン複合設備においては、ガスタービンからの膨張した作動媒体又は燃焼ガスに含まれる熱が、蒸気タービン用の蒸気を発生させるために利用される。熱伝達はガスタービンに後置接続された廃熱ボイラにおいて行われ、この廃熱ボイラには一般に、給水予熱用、蒸気発生用、蒸気過熱用の多数の伝熱面が配置されている。これらの伝熱面は蒸気タービンの水・蒸気回路中に接続されている。この水・蒸気回路は、一般に複数、例えば３つの圧力段を含み、各圧力段は１つの蒸発伝熱面を有することができる。

ガスタービンの燃焼ガス側に廃熱ボイラとして後置接続されたボイラに関しては、幾つかの選択可能な設計構想、即ち貫流ボイラとしての設計や、循環ボイラとしての設計が考慮される。貫流ボイラの場合、蒸発管として設けられた蒸気発生管の加熱によって、蒸気発生管内の流れ媒体は１回のみの貫流で蒸発させられる。これに対して、自然循環ボイラ又は強制循環ボイラの場合、循環される水が蒸発管を通り抜ける際に部分的にしか蒸発させられない。その際に蒸発しなかった水は、更なる蒸発のために、発生蒸気と分離された後に同じ蒸発管に再び導入される。

貫流ボイラは、自然循環ボイラ又は強制循環ボイラと異なって、圧力制限を受けない。高い生蒸気圧は熱効率を高め、従って化石燃料発電所のＣＯ₂放出を低減する。更に、貫流ボイラは循環ボイラに比べて簡単な構造を有するので、特に少ない費用で製造可能である。従って、簡単な構造でガス・蒸気タービン複合設備の総合効率を高めるためには、ガス・蒸気タービン複合設備の廃熱ボイラとして、貫流原理に基づいて設計されたボイラを使用するのが特に有利である。

廃熱ボイラとして設計される貫流ボイラは、基本的には選択可能な２つの構造形式の一方で、即ち、立て形構造か横置形構造かのいずれか一方で実施される。横置形構造の貫流ボイラは、加熱媒体又は燃焼ガス、例えばガスタービンからの排ガスがほぼ水平方向に貫流するように設計されている。これに対して、立て形構造の貫流ボイラは、加熱媒体がほぼ垂直方向に貫流するように設計されている。

横置形構造の貫流ボイラは、立て形構造の貫流ボイラとは異なり、特に簡単な手段と特に少ない製作・組立費用により製造可能である。しかし横置形構造の貫流ボイラでは蒸発伝熱面の蒸気発生管はその位置によっては著しく異なる加熱にさらされる。特に流れ媒体側において前置された蒸気発生管では不安定な流れが発生することがあり、廃熱ボイラの運転安全性を損なうおそれがある。それゆえ動的な安定化のために、例えば蒸気発生管の入口に絞りを設けたり、管径を入口から出口に向けて拡大したり、又は圧力平衡管や管寄せを使用することが提案された。しかしこの措置は横置形構造の廃熱ボイラの場合、有効でないか又は技術的に実施できないことがある。

従って、本発明の課題は、特に簡単な構造において特に高い運転安全性を有する上述の様式の廃熱ボイラを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、全負荷運転時に生じる第１の蒸気発生管における平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように、第１の蒸気発生管が設計されていることによって解決される。

本発明は、特に高い運転安全性が第１の蒸気発生管における流れの動的な安定化によって達成できるという考えから出発している。特に脈動的な振動を生ずる流れは回避しなければならない。この場合、この種の流れが特に、第１の蒸発伝熱面の燃焼ガス側の出口に位置して比較的僅かな加熱を受ける第１の蒸気発生管において生じるということが判明した。これらの管は比較的水成分の多い流れ媒体を含む。これらの管の流れ媒体の重量成分が多いためにこれらの管の貫流は部分的に停滞するまで減少する。このような作用を回避するために絞り又は圧力平衡管を設けることができるが、これらはしかし比較的高価な構造を意味するおそれがある。従って、流れの停滞を避けるとともに廃熱ボイラの特に簡単な構造を可能にするために、第１の蒸発伝熱面の蒸気発生管のパラメータを直接変更する必要がある。これは、全負荷時に生じる第１の蒸気発生管を通る平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように第１の蒸気発生管を設計することによって達成することができる。

所定の最小質量流量密度が１００ｋｇ／ｍ²ｓであると有利である。このように選定された質量流量密度を達成するための蒸気発生管の設計は、第１の蒸気発生管における流れの特に良好な動的安定化をもたらし、従ってボイラの特に安全な運転をもたらす。

管における流れの停滞は、蒸気発生管における比較的高い測地学的圧力損失によって引き起こされることが判明した。従って、質量流量密度を安定化するためには、全圧力損失における測地学的圧力損失の割合を減少することが必要である。これは、第１の蒸気発生管の内径を、第１の蒸気発生管における全負荷運転時に生じる平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように有利に選定し、これにより全圧力損失が摩擦圧力損失が高まることにより増大することによって達成することができる。

この場合、第１の蒸気発生管の内径が１５ｍｍと３５ｍｍとの間にあるのが有利である。というのは、この範囲内での内径の選定は、第１の蒸気発生管における容量を規定して、蒸気発生管における測地学的圧力損失が所定の最小質量流量密度を下回らないほど僅かとなり、即ち流れの停滞又は脈動がもはや発生しなくなるようにするからである。従って廃熱ボイラの特に安全な運転が保証される。

有利な実施態様においては、多数の第１の蒸気発生管が互いに燃焼ガス側において管列として直列に配置されている。これは、蒸発伝熱面のためにより多くの並列接続された蒸気発生管を使用することを可能にし、このことは拡張された表面積によって熱注入が改善されることを意味する。とりわけ、燃焼ガス流れ方向に直列に配置された蒸気発生管は加熱の度合いが異なる。特に、燃焼ガス出口側の蒸気発生管では流れ媒体が比較的弱く加熱される。しかし、蒸気発生管を上記のように設計することによって、これらの蒸気発生管においても流れの停滞を回避することができる。この動的な安定化によって簡単な構造で廃熱ボイラの特に安全な運転が得られる。

有利な実施態様においては、第１の蒸発伝熱面が燃焼ガス側において第２の蒸発伝熱面に後置されている。これは、流れ媒体側において後置接続され、従って既に蒸発させられた流れ媒体を更に加熱するように設計された第２の蒸発伝熱面が、燃焼ガス通路の比較的強く加熱される領域にも置かれるという利点をもたらす。

この種の貫流蒸発器は廃熱ボイラにおいて使用されるのが適切であり、またこの廃熱ボイラはガス・蒸気タービン複合設備において使用される。この場合ボイラが燃焼ガス側においてガスタービンに後置接続されているのが有利である。この接続の場合、ガスタービンの後方に燃焼ガス温度を高めるための追加燃焼装置を配置すると有利である。

本発明により得られる利点は、特に、全負荷運転時に生じる第１の蒸気発生管における平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように第１の蒸気発生管を設計することによって、流れの動的な安定化が達成され、従って廃熱ボイラの特に安全な運転が達成されることにある。蒸気発生管をこのように設計することによって、このような作用効果が別の高価な技術的手段を用いなくても達成でき、従って同時に廃熱ボイラもしくはガス・蒸気タービン複合発電所の特に簡単で費用を節減した構造が可能になる。

図１は横置形構造のボイラを簡略縦断面図で示す。

本発明の実施例を図面に基づいて更に詳細に説明する。図は横置形構造のボイラを簡略縦断面図で示す。

図による廃熱ボイラ２用の貫流蒸発器１は、詳しく示されていないガスタービンの排ガス側に後置接続されている。廃熱ボイラ２は囲壁３を有し、この囲壁３は、ガスタービンからの排ガスが矢印４で示されたほぼ水平な燃焼ガス方向に貫流することができる燃焼ガス通路５を形成している。燃焼ガス通路５内には貫流原理に従って設計された多数の蒸発伝熱面８，１０が配置されている。図による実施例には、それぞれ２つの蒸発伝熱面８，１０が示されているが、しかしそれより多い蒸発伝熱面が設けられてもよい。

図による蒸発伝熱面８，１０は、それぞれ管束の形で、燃焼ガス方向に直列配置された多数の管列１１もしくは１２を含む。更に、各管列１１，１２は、それぞれ燃焼ガス方向に並列配置された多数の蒸気発生管１３もしくは１４を含み、それらの蒸気発生管は各管列１１，１２についてそれぞれ１本しか示されていない。第１の蒸発伝熱面８におけるほぼ垂直に配置されかつ流れ媒体Ｗの貫流に対して並列接続された第１の蒸気発生管１３が、出口側において、共通な出口管寄せ１５に接続されている。第２の蒸発伝熱面１０における同様にほぼ垂直に配置されかつ流れ媒体Ｗの貫流に対して並列接続された第２の蒸気発生管１４が、同様に出口側において、共通な出口管寄せ１６に接続されている。第２の蒸発伝熱面１０の蒸気発生管１４は、第１の蒸発伝熱面８の蒸気発生管１３に、流れ技術的に降下管装置１７を介して後置接続されている。

蒸発伝熱面８，１０からなる蒸発器系には流れ媒体Ｗが供給され、この流れ媒体Ｗは、蒸発器系の１回の貫流時に蒸発させられ、第２の蒸発伝熱面１０から出た後は蒸気Ｄとして排出される。蒸発伝熱面８，１０からなる蒸発器系は、蒸気タービンの詳しく示されていない水・蒸気回路中に接続されている。蒸発伝熱面８，１０を含む蒸発器系に加えて、蒸気タービンの水・蒸気回路中には、図に概略的に示された多数の別の伝熱面２０が接続されている。これらの伝熱面２０は、例えば過熱器、中圧蒸発器、低圧蒸発器および／又は予熱器であってよい。

第１の蒸気発生管１３は、全負荷時において予め設定された１００ｋｇ／ｍ²ｓの最小質量流量密度を下回らないように設計されている。この場合に、その内径は１５ｍｍから３５ｍｍまでの間にある．これによって第１の蒸気発生管１３における流れの停滞が回避される。蒸気泡の形成による水柱の発生およびそれから生じる振動的な脈動の流れが阻止される。それによって、排熱回収廃熱ボイラ２の機械的な応力負荷が低減され、簡単な構造と同時に特に安全な運転が保証される。

１ 貫流蒸発器
２ 廃熱ボイラ
３ 囲壁
４ 燃焼ガス方向
５ 燃焼ガス通路
８ 第１の蒸発伝熱面
１０ 第２の蒸発伝熱面
１１ 管列
１２ 管列
１３ 第１の蒸気発生管
１４ 第２の蒸気発生管
１５ 出口管寄せ
１６ 出口管寄せ
１７ 降下管
２０ 別の伝熱面
Ｄ 蒸気
Ｗ 流れ媒体

Claims (8)

1. 多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される第１の蒸気発生管（１３）を含む第１の蒸発伝熱面（８）と、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される別の第２の蒸気発生管（１４）を含む別の第２の蒸発伝熱面（１０）とを備え、第２の蒸発伝熱面（１０）が流れ媒体側において第１の蒸発伝熱面（８）に後置接続されている横置形構造の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器（１）であって、全負荷運転時に生じる第１の蒸気発生管（１３）内の平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように、第１の蒸気発生管（１３）が設計されている貫流蒸発器（１）。
2. 所定の最小質量流量密度が、１００ｋｇ／ｍ²ｓである請求項１記載の貫流蒸発器（１）。
3. 第１の蒸気発生管（１３）の内径が、第１の蒸気発生管（１３）において全負荷運転時に生じる平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように選定されている請求項１又は２記載の貫流蒸発器（１）。
4. 第１の蒸気発生管（１３）の内径が１５ｍｍと３５ｍｍとの間にある請求項１から３の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
5. 燃焼ガス側において多数の第１の蒸気発生管（１３）が管列（１１）として互いに直列配置されている請求項１から４の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
6. 燃焼ガス側において第１の蒸発伝熱面（８）が第２の蒸発伝熱面（１０）に後置されている請求項１から５の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
7. 請求項１から６の１つに記載の貫流蒸発器（１）を備えた廃熱ボイラ（２）。
8. 燃焼ガス側においてガスタービンが前置接続されている請求項７記載の廃熱ボイラ（２）。

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