JP2012521529A - 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、特に高寿命でありながら特に簡単な構造を可能にするものでなければならない。このために、第２の蒸気発生管（１４）に流れ媒体側に絞り系（２２）が後置接続される。
【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。特に流れ媒体側において後置された第２の蒸発伝熱面の蒸気発生管では、各個別管列内において蒸気発生管への流れ媒体の不均一な分配が発生することがあり、この不均一な分配は温度勾配をもたらし、そして異なる熱膨張によって機械的な応力をもたらす。従って、廃熱ボイラの損傷を回避するために、これまでは、例えば、これらの応力を補償するための伸縮湾曲管が設けられていた。しかし、この措置は、横置形構造の廃熱ボイラの場合、技術的にかなり費用がかかることがある。

従って、本発明の課題は、特に高い寿命において特に簡単な構造を可能にする上述の様式の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、第２の蒸気発生管に流れ媒体側に絞り系を後置接続することによって解決される。

本発明は、廃熱ボイラもしくは貫流蒸発器の特に簡単な構造が、従来では通例の伸縮湾曲管を省略することによって達成できるという考えから出発している。しかし、各個別管列の並列接続された蒸気発生管における温度勾配によって引き起こされる機械的な応力は他の方法で低減されなければならない。これらの機械的な応力は、特に、水・蒸気混合物を供給される第２の蒸発伝熱面において発生する。温度勾配は、管列の個別管の流れ側入口において水と蒸気の割合が異なり、その結果として生じるこれらの管の流量が異なることによって引き起こされる。各管におけるこのような異なる質量流量密度は、蒸気発生管における測地学的圧力損失に比べて少ない摩擦圧力損失によって引き起こされることが判明した。即ち、蒸気成分の多い流れ媒体の流れは、摩擦圧力損失が少ない場合、比較的速やかに個々の蒸気発生管を通流し、これに対し水成分の多い流れは、質量により引き起こされるその高い測地学的圧力損失によって不利な影響を受けて停滞しやすい。従って、流量を一様にするためには、摩擦圧力損失を高めなければならない。これは、第２の蒸気発生管に流れ媒体側に絞り系を後置接続し、このような付加的な摩擦圧力損失を引き起こすことによって達成することができる。

絞り系は個々の第２の蒸気発生管に配置された多数の絞りを含むと有利である。絞りをこのように分散的に配置することにより各蒸気発生管においては別々に、十分な付加的な摩擦圧力損失が生じ、流れの静的な安定化と従って温度勾配の平衡とを図ることが保証される。

この摩擦圧力損失は管の形状、燃焼ガス通路の寸法および温度比などの他の運転パラメータに基づいて相応に規定すべきである。その場合各絞りの絞り開口は、絞り系を介して流れ媒体の所定の摩擦圧力損失が生じるように選定されると有利である。従って温度勾配の回避がより改善される。

各絞りは絞り開口として１０と２０ｍｍとの間の直径を待つ孔を有すると有利である。このような選択は即ち第２の蒸気発生管における流れの特に良好な静的安定化と従って第２の伝熱面の個々の管列における並列接続された蒸気発生管における温度の特に良好な平衡をもたらす。

絞り系の更にフレキシブルな形態を達成するには、流れ媒体側に直列接続された多数の絞りを有するようにすべきである。それによって温度分布の更なる均等化が達成可能となる。

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、燃焼ガス入口側の蒸気発生管では流れ媒体が比較的強く加熱される。しかし、上記のように絞り系を後置接続することによって、これらの蒸気発生管においてもその加熱に適合した貫流を達成することができる。これによって簡単な構造で廃熱ボイラの特に長い寿命が得られる。

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、絞り系を後置接続することによって、流れの静的な安定化が達成され、従って並列接続された第２の蒸気発生管の間における温度差とその結果として生じる機械的応力との低減が達成されることにある。それによって廃熱ボイラの寿命が特に長くなる。絞り系を相応に配置することによって、伸縮湾曲管のような他の高価な技術的手段が省略可能であり、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。 図２は絞り系を配置しない場合の伝熱管入口における管温度と蒸気量との関係を示すグラフである。 図２は絞り系を配置した場合の伝熱管入口における管温度と蒸気量との関係を示すグラフである。

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。同一部分は全図において同じ符号が施されている。

図１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１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１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。両蒸発伝熱面８，１０において比較的もっと高価な管寄せ装置が設けられていてもよい。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２の蒸気発生管１４には絞り系２２が後置接続されており、この系は個々の蒸気発生管に配置された絞り２３を有する。絞り２３の孔は、蒸気発生管１４における流れ媒体Ｗの摩擦圧力損失が、管列１１内における均等な貫流を保証するように高くなるように選定される。これによって温度勾配は減少される。絞り２３はそのため１０と２０ｍｍとの間の直径を有する。

温度差に対する絞り系２２の作用効果は図２および図３に示されている。図はそれぞれ流れ媒体の蒸気量ＤＡに関する平均管壁温度２５と管出口壁温度２７のグラフを示す。その場合図２は絞り系２２が配置されていない状況を示す。ここでは、蒸気量ＤＡに関して平均管壁温度２５は約４６０℃と３６０℃との間で、管出口壁温度２７は４８０℃と３７０℃との間で変化する。図３にはこの変化が４４０℃から３９０℃もしくは４７０℃から４０５℃に減少することが示されている。異なる蒸気量における管の温度差は従って明らかに減少される。

流れ側の入口における異なる蒸気量における管の温度差の減少によって、廃熱ボイラ２の機械的な応力負荷が低減され、従来通例の伸縮湾曲管の省略による簡単な構造と同時に特に長い寿命が保証される。

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
２２ 絞り系
２３ 絞り
２５ 平均管壁温度
２７ 管出口壁温度
Ｄ 蒸気
Ｗ 流れ媒体

Claims (9)

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、第２の蒸気発生管（１４）に流れ媒体側に絞り系（２２）が後置接続されている貫流蒸発器（１）。
2. 絞り系（２２）が個々の第２の蒸気発生管（１４）に配置された多数の絞り（２３）を有する請求項１記載の貫流蒸発器（１）。
3. 各絞り（２３）の絞り開口が、絞り系（２２）を介して流れ媒体の所定の摩擦圧力損失が生じるように選定される請求項１又は２記載の貫流蒸発器（１）。
4. 各絞り（２３）が絞り開口として１０と２０ｍｍとの間の直径を有する孔を有する請求項１から３の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
5. 絞り系（２２）が流れ媒体側に直列接続された絞り（２３）を有する請求項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多数の第２の蒸気発生管（１４）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５の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
7. 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６の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
8. 請求項１から７の１つに記載の貫流蒸発器（１）を備えた廃熱ボイラ（２）。
9. 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８記載の廃熱ボイラ（２）。

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