JP2019148377A

JP2019148377A - 既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント

Info

Publication number: JP2019148377A
Application number: JP2018033631A
Authority: JP
Inventors: 正志菱田; Masashi Hishida
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP7036622B2

Abstract

【課題】既設のボイラ設備を活用してＡ−ＵＳＣプラントを経済的に建設可能な既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラントを提供する。【解決手段】既設ボイラ１に、蒸気冷却壁２１、バーナ２２及び過熱器２３を備えた独立過熱器２を付設する。既設ボイラ１に備えられた１次過熱器１５の過熱蒸気出口１５ａと蒸気冷却壁２１の過熱蒸気入口２１ｂとを配管３１で接続する。蒸気冷却壁２１の過熱蒸気出口２１ａとボイラ１に備えられた２次過熱器１６の過熱蒸気入口１６ｂとを配管３２で接続する。ボイラ１に備えられた３次過熱器１７の過熱蒸気出口１７ａと独立過熱器２に備えられた過熱器２３の過熱蒸気入口２３ｂとを配管３３で接続する。過熱器２３の過熱蒸気出口２３ａと高圧蒸気タービン３の過熱蒸気入口３ｂとを配管３４で接続する。【選択図】図１

Description

本発明は、既設ボイラ設備を活かした高蒸気条件ボイラプラントに関する。

近年、発電プラントの技術分野においては、発電効率の更なる向上を図るため、先進超々臨界圧火力発電（Ａ−ＵＳＣ：Advanced-Ultra Super Critical）に向けた開発が進められている。

例えば、特許文献１には、主蒸気温度が６００℃程度であるＵＳＣプラントよりも高い主蒸気温度、再熱蒸気温度を目標としたＡ−ＵＳＣプラントが記載されている。

特開２０１３−１３０３７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明は、Ａ−ＵＳＣプラントを経済的に建設する点について考慮されておらず、この点に改善の余地がある。即ち、Ａ−ＵＳＣを実現するためには、蒸気タービンに供給される過熱蒸気の温度を現状よりも高める必要があり、従来の蒸気温度のボイラプラントに比較してより多くの伝熱面と、より高い温度に対応した高温材料が必要となるが、同時に総合経済性の観点から建設費の低減が求められる。高蒸気条件プラントの建設は、新たに建設する場合の他に、火炉、低温伝熱面、燃焼装置、鉄骨、ダクト、補機など、流用可能な部分が多いことから既設ボイラプラントを流用する場合が考えられるが、蒸気条件向上分の伝熱面を既設ボイラへ追加することは、スペースの節約や全体の熱吸収バランスの調整に制約があるために困難な場合が多く、いずれの場合にも建設費が経済性を圧迫し成立しがたい。

そこで、本発明は、既設のボイラ設備を活用してＡ−ＵＳＣプラントを経済的に建設可能な既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラントを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、既設ボイラの設備を極力流用しつつ蒸気条件の高温化を図る手段として、既設ボイラに別置きの独立過熱器を蒸気系統上で組み合わせ、過熱蒸気を相互交換するシステムとする。即ち、既設ボイラの低温蒸気の一部又は全量を抜き出し、独立過熱器の蒸気冷却壁を構成した後、既設ボイラへ戻す。更に、既設ボイラの最終過熱器もしくは最終再熱器の出口蒸気を、既設主配管材を流用して別置きの独立過熱機内の伝熱面に導入し、加熱高温化を図る。

具体的には、燃焼ガス通路内に複数段のボイラ側過熱蒸気系熱交換器が備えられたボイラと、前記ボイラから導入された第１の過熱蒸気により冷却される蒸気冷却壁で構成された火炉及び煙道、前記蒸気冷却壁に設けられて前記火炉内に燃料を噴射して燃焼するバーナ、並びに前記ボイラから導入されて前記第１の過熱蒸気よりも高温の第２の過熱蒸気を前記火炉及び前記煙道内の燃焼ガスと熱交換して更に過熱する独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器を備えた独立過熱器と、前記独立過熱器から導出される過熱蒸気によって駆動される蒸気タービンと、を備え、前記複数段のボイラ側過熱蒸気系熱交換器から選択される第１の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記蒸気冷却壁の過熱蒸気入口とを配管で接続すると共に、前記蒸気冷却壁の過熱蒸気出口と前記第１の過熱蒸気系熱交換器よりも蒸気温度が高い第２の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口とを配管で接続し、更には、前記第２の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口とを配管で接続したことを特徴とする。

本発明によれば、既設ボイラ設備を最大限生かし比較的簡単な構成で経済的にＡ−ＵＳＣを実現できる。また、高温化した蒸気を高圧蒸気タービンへ導く高温主配管は、高温強度の高い特殊な材料を使うので、経済性に大きく影響する。独立過熱器の設置位置は自由度が高く、高圧蒸気タービンとの間の超高温配管を最適に最短配置することができ、経済性改善に効果が大きい。更に、配管長の最短化により蒸気圧力損失を最小化できることから、発電効率向上にも有効である。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下に記載する実施形態の説明により明らかにされる。

第１実施例に係る発電プラントの構成図である。第２実施例に係る発電プラントの構成図である。

以下、本発明の実施形態について、実施例毎に図を参照して説明する。

［第１実施例］
図１に、第１実施例に係る発電プラント１Ａの構成を示す。この図から明らかなように、第１実施例に係る発電プラント１Ａは、ボイラ１と、独立過熱器２と、独立過熱器２から供給される過熱蒸気により駆動される高圧蒸気タービン３と、高圧蒸気タービン３により駆動される発電機４と、を備えている。

ボイラ１は、石炭焚きボイラ、油焚きボイラ、ガス焚きボイラ等のいわゆるコンベンショナルボイラであり、バーナ１１を備えた火炉１２と、火炉１２に続く排ガス通路１３とを有している。排ガス通路１３内には、節炭器１４、１次過熱器１５、２次過熱器１６、３次過熱器１７、１次再熱器１８、２次再熱器１９及び３次再熱器２０が所定の配列で配置されている。なお、本明細書においては、ボイラ１に備えられた１次過熱器１５、２次過熱器１６、３次過熱器１７、１次再熱器１８、２次再熱器１９及び３次再熱器２０を総称して、「ボイラ側過熱蒸気系熱交換器」という。

ボイラ１としては、既設のボイラが利用される。ボイラ１は、バーナ１１から噴射される石炭、油（重油又は軽油）、ガス等を火炉１２内で燃焼する。

火炉１２内に生じた燃焼ガスは、排ガス通路１３内に導かれ、２次過熱器１６、３次過熱器１７、１次再熱器１８、２次再熱器１９、１次過熱器１５及び節炭器１４内の過熱蒸気又は給水と熱交換した後、図示しない排煙処理設備に入って飛灰等が除去される。飛灰等が除去された排ガスは、図示しない煙突等を通って大気に放出される。

独立過熱器２は、ボイラ１から導入される第１の過熱蒸気により冷却される蒸気冷却壁２１で構成される火炉及び煙道と、火炉内に燃料を噴射して燃焼するバーナ２２と、煙道内に配置され、ボイラ１から導入された第２の過熱蒸気を煙道内の燃焼ガスと熱交換して更に過熱する独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器２３と、蒸気冷却壁２１内の熱を回収する熱回収部２４と、を備えている。第１実施例においては、独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器２３として、過熱器が備えられている。以下の説明においては、独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器２３を「独立過熱器側過熱器２３」という。

図１に示すように、第１実施例においては、ボイラ１に備えられた１次過熱器１５の過熱蒸気出口１５ａと、独立過熱器２を構成する蒸気冷却壁２１の過熱蒸気入口２１ｂと、が配管３１で接続され、蒸気冷却壁２１の過熱蒸気出口２１ａと、ボイラ１に備えられた２次過熱器１６の過熱蒸気入口１６ｂと、が配管３２で接続されている。また、ボイラ１に備えられた３次過熱器１７の過熱蒸気出口１７ａと、独立過熱器２に備えられた独立過熱器側過熱器２３の過熱蒸気入口２３ｂと、が配管３３で接続され、独立過熱器側過熱器２３の過熱蒸気出口２３ａと、高圧蒸気タービン３の過熱蒸気入口３ｂと、が配管３４で接続されている。さらに、節炭器１４に給水を供給する給水管３５と、独立過熱器２に備えられた熱回収部２４の給水入口２４ｂと、が配管３６で接続され、熱回収部２４の給水出口２４ａと、節炭器１４の出口配管３７と、が配管３８で接続されている。従って、独立過熱器側過熱器２３には、蒸気冷却壁２１に導入される第１の過熱蒸気よりも高温の第２の過熱蒸気が導入される。

独立過熱器２内に生じた燃焼ガスは、独立過熱器側過熱器２３内の過熱蒸気及び熱回収部２４内の給水と熱交換した後に、当該独立過熱器専用もしくはボイラ１に付設された図示しない排煙処理設備に入って飛灰等が除去され、飛灰等が除去された排ガスは、当該独立過熱器専用もしくはボイラ１に付設された図示しない煙突等を通って大気に放出される。なお、ボイラ１及び独立過熱器２は、排煙処理設備を共有化してもよい。

バーナ２２は、石炭、ガス又は油を燃料として燃焼する。この場合、ボイラ１及び独立過熱器２に備えられる燃料供給系の構成を簡素化するため、ボイラ１の燃料と独立過熱器２の燃料を共通化することが望ましい。即ち、ボイラ１が石炭焚きボイラである場合には、バーナ２２で石炭を燃焼し、ボイラ１がガス焚きボイラである場合には、バーナ２２でガスを燃焼し、ボイラ１が油焚きボイラである場合には、バーナ２２で油を燃焼する。燃料としてガスを用いた場合には、温度制御が容易となり、かつ高温腐食の問題も生じない。

独立過熱器側過熱器２３は、ボイラ１の３次過熱器１７から抜き出した第２の過熱蒸気を蒸気冷却壁２１内の燃焼ガスと熱交換してさらに過熱し、高圧蒸気タービン３に供給する。独立過熱器２は、ボイラ１とは独立した機器であるので、独立過熱器２の設置位置は自由度が高く、高圧蒸気タービン３との間の超高温配管を最適に最短配置することができる。よって、ボイラ１から導出された過熱蒸気を高圧蒸気タービン３に直接供給する場合に比べて、高価な材料を用いて製造される配管３４の配管長を最短化できて、既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラントの経済性改善に大きく貢献する。また、配管長の最短化により蒸気圧力損失を最小化できることから、発電効率向上にも有効である。

熱回収部２４は、独立過熱器側過熱器２３を過熱した後の蒸気冷却壁２１内の予熱を回収し、節炭器１４から火炉１２に供給される給水を加熱する。

第１実施例に係る発電プラント１Ａは、上記のように構成されているので、１次過熱器１５を通過した過熱蒸気は、配管３１を通って蒸気冷却壁２１に導入される。また、蒸気冷却壁２１を通過した過熱蒸気は、配管３２を通ってボイラ１の２次過熱器１６に導入され、２次過熱器１６及び３次過熱器１７で、排ガス通路１３内の排ガスと熱交換されて過熱される。さらに、ボイラ１の３次過熱器１７を通過した過熱蒸気は、配管３３を通って独立過熱器側過熱器２３に導入され、独立過熱器２内の燃焼ガスと熱交換されて更に過熱される。一方、節炭器１４に給水を供給する給水管３５内の給水は、その一部が配管３６を通って独立過熱器２の熱回収部２４内に導入され、独立過熱器２内の燃焼ガスと熱交換されて加熱される。熱回収部２４を通過した給水は、配管３８を通って節炭器１４の出口配管３７に導入される。

このように、第１実施例に係る発電プラント１Ａは、蒸気冷却壁２１を備えた独立過熱器２をボイラ１に付設し、ボイラ１の１次過熱器１５から抜き出した過熱蒸気を、独立過熱器２の蒸気冷却壁２１、ボイラ１の２次過熱器、ボイラ１の３次過熱器、独立過熱器２の独立過熱器側過熱器２３に順次導入して過熱するので、従来のボイラ装置に比べて、高圧蒸気タービン３に供給する過熱蒸気の蒸気温度を高めることができる。よって、第１実施例に係る発電プラント１Ａは、従来のボイラ装置を備えた発電プラントに比べて、発電効率を向上できる。

第１実施例に係る発電プラント１Ａによれば、既設のボイラ１を活かしたまま独立過熱器２を新設することによって、既設の発電プラントを活用したＡ−ＵＳＣを建設できる。従って、第１実施例に係る発電プラント１Ａは、既設のボイラ１を解体してＡ−ＵＳＣボイラを新設する場合に比べて、資源の有効利用が図れ、発電効率が高い発電プラントを低コストに構築できる。

［第２実施例］
図２に、第２実施例に係る発電プラント１Ｂの構成を示す。この図から明らかなように、第２実施例に係る発電プラント１Ｂは、独立過熱器２内に、独立過熱器側過熱器２３に代えて、再熱器５１が備えられると共に、高圧蒸気タービン３に代えて、低圧蒸気タービン５２が備えられている。第２実施例においては、独立過熱器２内に備えられた再熱器を「独立過熱器側再熱器５１」という。

そして、第２実施例に係る発電プラント１Ｂにおいては、蒸気冷却壁２１の過熱蒸気出口２１ａと、ボイラ１に備えられた１次再熱器１８の過熱蒸気入口１８ｂと、が配管３２で接続されている。また、ボイラ１に備えられた３次再熱器２０の過熱蒸気出口２０ａと、独立過熱器側再熱器５１の過熱蒸気入口５１ｂと、が配管５３で接続されると共に、独立過熱器側再熱器５１の過熱蒸気出口５１ａと、低圧蒸気タービン５２の過熱蒸気入口５２ｂと、が配管５４で接続されている。その他の構成については、第１実施例に係る発電プラント１Ａと同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して、説明を省略する。

第２実施例に係る発電プラント１Ｂは、このように構成されているので、低圧蒸気タービン５２に供給される過熱蒸気の温度を独立過熱器側再熱器５１によって高めることができ、発電効率の向上を図ることができる。

なお、本発明の範囲は、実施例１、２に記載の範囲に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施例１、２に記載した発明の構成要素に変更を加えたもの、実施例１、２に記載した発明の構成要素を周知の構成要素に置き換えたもの、及び実施例１、２を適宜組み合わせたものも含まれる。

例えば、実施例１においては、独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器として独立過熱器側過熱器２３を備え、実施例２においては、独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器として独立過熱器側再熱器５１を備えたが、蒸気冷却壁２１内に独立過熱器側過熱器２３及び独立過熱器側再熱器５１の双方を備える構成とすることもできる。また、実施例１、２においては、ボイラ１に、１次過熱器１５、２次過熱器１６及び３次過熱器１７と、１次再熱器１８及び２次再熱器１９を備えたが、ボイラ１に備えられる過熱器及び再熱器の数についてはこれに限定されるものではなく、適宜変更することができる。

１Ａ、１Ｂ…発電プラント、１…ボイラ、２…独立過熱器、３…高圧蒸気タービン、４…発電機、１１…バーナ、１２…火炉、１３…排ガス通路、１４…節炭器、１５…１次過熱器、１６…２次過熱器、１７…３次過熱器、１８…１次再熱器、１９…２次再熱器、２０…３次再熱器、２１…蒸気冷却壁、２２…バーナ、２３…独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器、２４…熱回収部、３１、３２、３３、３４、３６、３８…配管、３５…給水管、３７…節炭器の出口配管、４１…配管、４２…流量制御弁、５１…独立過熱器側再熱器、５２…低圧蒸気タービン、５３、５４…配管、６１…配管、６２…流量制御弁

Claims

燃焼ガス通路内に複数段のボイラ側過熱蒸気系熱交換器が備えられた既設ボイラと、
前記既設ボイラから燃焼ガス系統が独立し、前記既設ボイラから導入された第１の過熱蒸気により冷却される蒸気冷却壁で構成された火炉及び煙道、前記蒸気冷却壁に設けられて前記火炉内に燃料を噴射して燃焼するバーナ、並びに前記既設ボイラから導入されて前記第１の過熱蒸気よりも高温の第２の過熱蒸気を前記火炉及び前記煙道内の燃焼ガスと熱交換して更に過熱する独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器を備えた独立過熱器と、
前記独立過熱器から導出される過熱蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
を備え、
前記複数段のボイラ側過熱蒸気系熱交換器から選択される第１の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記蒸気冷却壁の過熱蒸気入口とを配管で接続すると共に、
前記蒸気冷却壁の過熱蒸気出口と前記第１の過熱蒸気系熱交換器よりも蒸気温度が高い第２の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口とを配管で接続し、
更には、前記第２の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口とを配管で接続したことを特徴とする既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
前記第１の過熱蒸気系熱交換器は１次過熱器であり、前記第２の過熱蒸気系熱交換器は前記１次過熱器よりも蒸気温度が高い他の過熱器であることを特徴とする請求項１に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
前記第１の過熱蒸気系熱交換器は１次再熱器であり、前記第２の過熱蒸気系熱交換器は前記１次再熱器よりも蒸気温度が高い他の再熱器であることを特徴とする請求項１に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
前記燃料は、石炭であることを特徴とする請求項１に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
前記燃料は、ガスであることを特徴とする請求項１に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
前記燃料は、油であることを特徴とする請求項１に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
前記既設ボイラの近傍に前記独立過熱器を新設して、前記既設ボイラと新設した前記独立過熱器とを必要な配管で接続したことを特徴とする請求項１に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
前記独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器の出口蒸気温度は、６５０℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。