JP2686264B2 - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はボイラから蒸気，高温給水等を自由な比率で
取出し得る排熱回収ボイラに関する。 〔従来の技術〕 第11図は従来技術を用いた排熱回収ボイラの制御シス
テムの一例を示す図である。なお本例ではガスタービン
の排熱回収ボイラにおいて、飽和蒸気を発生するシステ
ムを例示したが、熱源ならびに原動機はいかなる形式の
ものでもよく、また生成蒸気が過熱，再熱等いかなる条
件のものであってもよい。 ボイラへ投入する熱源ガス（GT排気）は蒸気，高温水
の利用施設U1,U2の消費量に見合うように、ボイラ入口
弁D1およびボイラバイパス弁D2の操作で調整する。ボイ
ラ出口弁D3はガスタービンGTのみを運転する場合に、D1
とともに閉止し、ボイラを遮断するために用いる。節炭
器ECO−01からのボイラ給水は給水制御弁V1によりボイ
ラレベル一定を保持する。蒸気利用施設U1の蒸気消費の
大小に応じて蒸気流量調整弁V2を操作するが、前記U1に
バックアップ蒸気源があるときは前記V2の入口圧制御
（一定）、バックアップ蒸気源がない場合は前記V2の出
口圧制御（一定圧）を行なうことにより流量調整機能を
持たせることもある。 第11図に示した従来例に固有の特徴は次のとおりであ
る。 （１） 蒸気圧・高に対しては蒸気圧力調整弁V3から蒸
気を消音器Ｓに放風する。ボイラ始動初期で、蒸気条件
が定格に至る前は、前記U1へ投入しないで前記V3から放
風する。 （２） 前記U1,U2の出口水（低温のもどり水）は低温
水槽Ｔ−02に再循環される。 （３） 低温水は、低温水供給ポンプＰ−02を介して節
炭器（NO2）ECO−02へ導き、所定温度の高温度にして高
温水槽Ｔ−01へ再循環する。高温水は高温水供給ポンプ
Ｐ−01で昇圧し、高温水量調整弁V6を介してU2に供給す
る一方、ECO−01の給水として用いる。前記ECO−01で
（ドラム内圧飽和温度−アプローチポイント温度差）ま
で昇温された給水はほとんどが蒸発器EVAで蒸気となる
が、一部はＴ−01の温度調整用熱源としてV5にて再循環
利用される。 （４） 前記U1で蒸気を消費する場合や、前記V3で放風
する場合ならびに高温水利用施設U2で高温水を消費する
場合は、低温水槽Ｔ−02の水位が低下するため、補給水
Ｗを弁V7を介して供給する。 （５） 前記ECO−02の出口水つまりＴ−01水温を厳密
に管理する場合は前記ECO−02のバイパス弁V12の温度調
整を併用する。 〔発明が解決しようとする問題点〕 第12図はボイラの熱回収状況を示す図である。GT排気
はTG1℃からTG2℃に熱回収する。給水は前記ECO−02でT
W1℃からTW2℃に昇温したのち前記Ｔ−02に全量を再循
環する。前記Ｔ−02からの払い出し水は前記U2に使用す
る高温水（熱量QW）以外に、ECO−01を経由してEVAでの
蒸気（熱量QS）をまかなう。ECO−01の出口水（TS−A
P）℃,GT排気温度はECO−01入口で（TS＋PX）℃となる
ように設計している。 従来システムの欠点は次のとおりである。 （１） 利用熱の蒸気，高温給水の配分が伝熱面積計画
で一義的に決まり、蒸気，高温給水の比率を自由に変更
できない。蒸発量はEVAの入口GT排気の温度流量に支配
されるためGT負荷，ボイラバイパス量で決定される量を
発生することになる。 （２） 蒸気，高温給水の比率を所定値に変更しようと
すると、過多の蒸気を放風し補給水の消費が増加する
（第13図（ａ）〜（ｃ）参照）、またECO−02での回収
熱量割合が低下し、煙突排気熱損失が増加する（第13図
（ｃ）参照）、さらにボイラバイパス量が増加する（第
13図（ｄ）参照）、等の熱損失を伴う。 その他に第14図に示すような助燃A1,A2が必要とな
る。 （３） 脱硝装置SCRを併用する場合はA2助燃以降に常
に反応温度（例えば400℃）の維持できる箇所を確保
し、そこに脱硝装置を配設する。ECO−01の出口排気温
度が低く、A2助燃が少ない場合、ECO−02の高温水が確
保されていても、反応温度まで余分にA2助燃をし、サイ
クル損失を増加せざるを得ない（第15図（ｂ）（ｃ）参
照）。 （４） 一方、A1助燃では蒸発器EVA付近に反応温度域
を確保でき問題ないが、A1助燃は蒸気，高温給水が同時
に増加するため、（ア）高温給水量のみを増加したい場
合は蒸気が余剰となり、（イ）蒸気量のみ増加させたい
場合にはECO−02回収量が相対的に少ないことから煙突
排気損失が増す（第13図（ｃ）参照）。 ところで、上記した従来技術の欠点について検討して
みると、次のような点に気がつく。 第13図（ａ）のようにU1の蒸気消費低下に対しては
ボイラ圧力を一定にする必要から、余剰蒸気を放風ａす
るとよい。ただし後述の（ｄ）の７のようにボイラバイ
パス＋A2助燃の方が実際的である。 第13図（ｂ）のように高温給水を増加する場合（そ
の１） A2助燃を行なうとき蒸気発生量は一定のため消費総熱
量を所定値に維持するには放風ａあるいはGT部分負荷が
必要である。 第13図（ｃ）の4aのように高温給水を増加する場合
（その２） A1助燃において余剰蒸気ａを放風しながら消費総熱量
を所定値におさめる。但し、上記（ｂ）の方が実際的で
ある。 第13図（ｃ）の4bのように蒸気量を増加する場合
（その１） A1の助燃においては、ECO−02回収熱量はECO−02バイ
パス弁V12とECO−02給水弁V11の作用で消費（蒸気＋高
温水）量に見合って制御されるため、回収可能熱量（例
えばボイラ出口排気100℃までの回収熱）より少なく回
収され、煙突排気温度（つまり排気損失）が高くなる。 第13図（ｄ）のように蒸気量を増加する場合（その
２） まずボイラバイパス５によってQS/QW比一定で（蒸気
／高温給水）を低減したのち、A1助燃６より蒸気増加
（高温給水増加率よりも大）を図る。 そこで本発明は次の事項を目的とする。 （１） 蒸気，高温水の熱回収割合を（設計値〜０）の
間で自由に制御でき、両極端においては本来のボイラと
温水ボイラの各性能を発揮できること。 （２） そのときどきの熱需要の総量（蒸気＋高温水）
でボイラ運転を制御すればよく、ボイラ排気は燃料中Ｓ
分に対する限界温度まで熱回収が可能のためサイクル効
率は最高値を維持できること。 （３） 従来方式のECO−02入口助燃が省略できるた
め、制御機器ならびに運用がシンプルである他、脱硝装
置の設置が最も経済的に一箇所に限定できること。 〔問題点を解決するための手段および作用〕 本発明は上記問題点を解決し、目的を達成するために
次のような手段を講じた。ボイラの蒸発器入口にボイラ
給水と低温給水との混合部を設け、前記ボイラのドラム
等の気水分離個所に排水管を設け、その下流に低温給水
との混合器を配設すると共に、前記蒸発器への低温給水
ラインには蒸気圧調整用の低温水供給弁を設け、前記排
水管には気水分離器の水位調整弁を設け、前記混合器に
はその出力側の温度を調節するための温度調整弁を設け
ることとした。 かくして前記目的を達成し得るものとなる。 〔実施例〕 第１図は基本構成を示す系統図である。 （１） ボイラの蒸発器入口にボイラ給水と低温給水の
混合部を設ける。混合部の具体的形状は各メーカ型式に
より千差万別のため、ここでは混合能力をもつ全ての構
造を請求範囲に含める。例えば第１図に示す水管ボイラ
（自然循環型）ではボイラ下部の管寄せ近傍が適当。 （２） ボイラのドラム等の気水分離箇所に排水管を設
け、その下流に低温給水との混合気Ｍを配設する。排水
管取出し箇所は蒸発機能に障害を起さないように決める
ことになり、メーカ型式により千差万別である。第１図
では蒸気ドラム下部からの取出しが可能であるが、取出
し口近傍に仕切りを設けてECO−水や気水分離に流体的
に影響を及ぼさない等の対策を必要に応じて盛込むもの
とする。 （３） 蒸発器低温給水ラインには蒸気圧調整用に低温
水供給弁V8,排水管にはドラム等の気水分離器の水位調
整弁V9,混合器Ｍには出口水（仕上り水）の温度調整弁V
10を各々設ける。 その他の設備は例えば第10図の従来技術と同じと想定
して説明を行なうが、とくに限定するものではない。 第２図および第３図は作用効果を示す図である。なお
便宜上、9Kg/cm²g飽和蒸気の発生状況を例にとって示し
ているが、あらゆる圧力，温度域で同様の効果が発揮さ
れる。 第２図（ａ）：ピンチポイント温度差（例えば10℃）で
節炭器ECO−01,ECO−02より投入される給水はドラム内
で飽和となり、下降管でボイラ下部の管寄せに導かれ
る。 第２図（ｂ）：飽和水（例えば179℃）は伝熱管外から
加熱源により加熱されて蒸気となり、上昇する際に循環
力が発生する。蒸気発生は伝熱管の内面のほぼ全面で起
こる。 第３図（ａ）：これに対してTm℃の混合水を伝熱管下部
から投入すると、伝熱域（第３図（ｂ））は飽和温度に
なるまでの昇温域と蒸気発生域とに二分され、蒸気発生
量が減少する。なお混合温度は混合割合により低温水
（Tc℃）〜飽和水（Ts℃）となる。 第３図（ｃ）：一方、混合割合が多くなると、蒸発を
伴わない温水ボイラとして作動し、昇温域のみとなる。 ドラムの水位は混合水により上昇するため、排水Ｘを
取出すがＸの水温Txは以下に示すケースがある。 第２図（ｂ）および第３図（ｂ）の場合はTx＝Ts（例
えば179℃）となり、第３図（ｃ）の場合はｔ＜Tx＜Ts
となる。なおｔは伝熱管出口水温である。 但し、Tc＜Tm＜Ts,（例えばTmは80℃）,t≦Tsであ
る。 第４図および第５図（ａ）（ｂ）に煙管ボイラでの蒸
気発生状況を示す。高温ガス（加熱源）が蒸発管内面を
流れ、蒸気が管外面で発生すること以外は第２図および
第３図と同じであり、ボイラ下部から投入する混合水の
温度Tmにより（蒸気発生域，昇温域）２領域と昇温域
（温水ボイラ）のみの二通りとなる。 第６図，第７図および第８図（ａ）（ｂ）にボイラで
の熱回収状況を示す。従来技術での熱回収（第６図）に
対して、低温水（例えば第10図Ｔ−02低温水）を使用す
ると、第７図の通り蒸発器EVAへはＴ−01から供給さ
れ、ECO−01で昇温された本来のボイラ給水と、ボイラ
下部混合用のＴ−02低温水が導入される。その結果、温
水側への熱回収量QWが増加する。ボイラからの排水Ｘが
低温水（この場合TW1℃）の増大に伴って増えていくと
第７図Ｘ′の段階に至り、伝熱量は全て高温水（Ｘ′と
Ｔ−01水）に回収され蒸気はゼロとなる。 その結果、第８図（ａ）の如くの蒸気，高温水比率の
設定が可能となる。 （１） そのときどきのボイラ入口熱量に対して、蒸
気，高温水の熱回収割合がQS/QW＝設計値〜０の間で自
由に設定できる。 （２） 蒸気，高温水の総利用熱量（ΣＱ＝QS＋QW）
は、GT負荷減→ΣＱ減と、ボイラバイパス増→ΣＱ減
と、助燃量増→ΣＱ増との組合わせで自由に行なえる。
但し、QS/QWは若干異なり、 GT負荷減→QS/QW＜設計値（ボイラ入口温度低下） ボイラバイパス増→QS/QW設計値（ボイラ入口温度同
じ） 助燃量増→QS/QW＞設計値（ボイラ入口温度増加） の違いがある。 一つの応用例として供給量増加の場合を第８図（ｂ）
に示す。 9a （A1助燃,ECO−02回収低減）→蒸気比率100％で供
給可能 9b （A1助燃）→蒸気比率０％で高温水のみ増量して供
給可能 次に第１図に示す基本構成例についての制御動作を説
明する。 通常の計画運転ではV1にてボイラ給水を行ない、ボイ
ラ水位制御（低位以上）を実施している。 （１） 蒸気利用施設U1での蒸気が少ない場合；蒸気圧
力PCが上昇するため、蒸気圧一定となるようV8を開弁
し、伝熱管での蒸気発生量を消費量に見合って減少させ
る。 V8からの低温水投入のタイミングによりV1はボイラ水
位制御からECO−01出口水温制御に切替える（制御器
Ａ）。 ボイラ水位制御（高位以下）をV9で行なう。V8からの
低温水投入によりボイラ水位が高くなるためボイラ水が
排出される。 ボイラ水が高温水（使用温度）よりも高温の場合に備
えてＭに低温水を投入し、所定の温度に制御する。 （２） 蒸気利用施設U1での蒸気がゼロの場合；低温水
の制御対象の蒸気圧がゼロとなった場合、V8は排水温度
制御に切替える（制御器Ｂ）。 （１），（２）により蒸気，高温水の熱回収割合を自
由に制御できる。 （３） 次に蒸気，高温水の総利用熱量を低減する場合
は下記の（ア）→（イ），増加する場合は（ア）→
（ウ）とする。 （ア） GT負荷を需要値に合わせる。もし部分負荷であ
れば、その分利用熱量が少なくなる。 （イ） ボイラバイパス弁D2を開け、またボイラ入口弁
D1を必要に応じて閉じることにより、GT背圧打が一定の
ままボイラ入熱を低減する。 （ウ） 第９図のA1で助燃する。 （４） 蒸気，高温水の熱回収割合が自由であるため、
V11、Ｔ−01の水位制御（低位以下）の他にボイラ出口
排気温調を加味して熱回収の徹底を図る（第９図の制御
器Ｃ）。例えば都市ガス13Aやメタノール,LNG気化ガス
などＳ分のないクリーン燃料で100℃まで,S分を含有す
る燃料では酸露点を回避する温度まで熱回収できる。 （５） 蒸気条件で高温の過熱蒸気（第９図SH,V13で温
調）あるいは再熱蒸気他が必要となった場合でも本技術
が適用できる。また複圧システムで高圧側あるいは低圧
側または両方に本技術を適用できる。つまり、あらゆる
蒸気条件に適用できる基本的な技術である。 第10図は第11図に示した従来技術に対応した適用例を
示す図である。 （ア） 混合器Ｍの仕上り水をＴ−01水温と同じにすれ
ばＴ−01へ再循環でき、システムは閉サイクルとなる。 （イ） あるいは高温水利用施設U2で必要とされる高温
水にＴ−01水以上の高温のものがある場合、Ｍの仕上り
水から必要量を制御し、U2へ供給することも可能であ
る。 脱硝装置を配置する場合は、第15図（ａ）の蒸発器と
伝熱管との間、蒸発器〜ECO−01の間が適当である。 上述した実施例における制御内容および操作内容につ
いての機能を示すと、表１の如くになる。なお表２は表
１に対応させて示した従来技術の機能である。 上表２中の、A2助燃については脱硝装置の設置が困難
である。 なお本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である
のは勿論である。 〔発明の効果〕 本発明によれば下記の効果を奏する。 （１） 蒸気，高温水の熱回収割合を（設計値〜０）の
間で自由に制御でき、両極端においては本来のボイラと
温水ボイラの各性能を発揮できる。 （２） そのときどきの熱需要の総量（蒸気＋高温水）
でボイラ運転を制御すればよく、ボイラ排気は燃料中Ｓ
分に対する限界温度まで熱回収が可能のためサイクル効
率は最高値を維持できる。 （３） 従来方式のECO−02入口助燃が省略できるた
め、制御機器ならびに運用がシンプルである他、脱硝装
置の設置が最も経済的に一箇所に限定できる。

【図面の簡単な説明】 第１図〜第10図は本発明の実施例を示す図で、第１図は
基本構成を示す系統図、第２図（ａ）（ｂ）および第３
図（ａ）（ｂ）（ｃ）は低温混合の効果説明図、第４図
および第５図（ａ）（ｂ）は煙管ボイラでの蒸気発生状
況を示す図、第６図〜第８図（ａ）（ｂ）はボイラでの
熱回収状況を示す図、第９図は応用技術例を示す図、第
10図は従来技術に対応したシステムへの適用例を示す図
である。第11図〜第15図（ａ）（ｂ）（ｃ）は従来技術
を示す図で、第11図は従来の制御システムを示す図、第
12図および第13図（ａ）〜（ｄ）はボイラの伝熱状況を
示す図、第14図は助燃状況を示す図、第15図（ａ）〜
（ｃ）は脱硝装置の位置を示す図である。 Ｇ……発電機、GT……ガスタービン、CP……圧縮機、CC
……燃焼器、Ｔ……タービン、GF……燃料系統、Ｗ……
補給水、Ｍ……混合器、A,B,C……制御器、EVA……蒸発
器、ECO−01……節炭器（NO1）、ECO−02……節炭器（N
O2）、U1……蒸気利用施設、U2……高温水利用施設、Ｔ
−01……高温水槽、Ｔ−02……低温水槽、Ｐ−01……高
温水供給ポンプ、Ｐ−02……低温水供給ポンプ、STCK…
…煙突、Ｓ……蒸気放風消音器、SH……過熱器、A1,A2
……助燃バーナ、V1……給水制御弁、V2……蒸気量調整
弁、V3……蒸気圧力調整弁、V4……蒸気復水弁、V5……
高温槽温度調整弁、V6……高温水量調整弁、V7……低温
水槽水位調整弁、V8……低温水供給弁、V9……蒸発器水
位調整弁、V10……高温水温度調整弁、V11……ECO−02
給水弁、V12……ECO−02バイパス弁、V13……SHバイパ
ス弁、TC……温度制御、PC……圧力、LC……水位、D1…
…ボイラ入口弁、D2……ボイラバイパス弁、D3……ボイ
ラ出口弁。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．ボイラの蒸発器入口にボイラ給水と低温給水との混
   合部を設け、前記ボイラのドラム等の気水分離個所に排
   水管を設け、その下流に低温給水との混合器を配設する
   と共に、前記蒸発器への低温給水ラインには蒸気圧調整
   用の低温水供給弁を設け、前記排水管には気水分離器の
   水位調整弁を設け、前記混合器にはその出力側の温度を
   調節するための温度調整弁を設けたことを特徴とする排
   熱回収ボイラ。