JP2753169B2 - 複圧式排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービン、ディーゼ
ル機関などの各種熱発生源から排出される高温の排ガス
より熱を回収し、蒸気を発生させる排熱回収ボイラに係
り、より詳しくは、複圧式の排熱回収ボイラで圧力の異
なる節炭器同士または節炭器と過熱器などの他の伝熱管
群とを並列に配置して構成される複圧式排熱回収ボイラ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン、ディーゼル機関などの各
種熱発生源から排出される排ガスの熱を回収して蒸気タ
ービン駆動用の蒸気を発生させる排熱回収ボイラは良く
知られており、たとえば特開平２−３３５０１号公報に
記載されたものがある。

【０００３】この排熱回収ボイラの実用化の経過をたど
ると、初期の頃はガスタービンの排ガス温度が低く、形
式は単圧式であって、発生蒸気圧力も４０〜５０ａｔａ
程度のものが主流であったが、ガスタービンの高温化の
進展に伴ない複圧式が主流となり、蒸気圧力も１００ａ
ｔａ以上となってきた。近年はガスタービンの高温化が
より進む中で再熱器を組込むものもあり、圧力も３圧力
のものが計画されている。

【０００４】従来の排熱回収ボイラは図６に示されるよ
うに、ケーシング１内を水平方向に排ガスが流れ、この
排ガスの流れの上流側から高圧第２過熱器２、第２再熱
器３、第１再熱器４、高圧第１過熱器５、高圧蒸発器
６、中圧過熱器７、高圧第１節炭器８、低圧過熱器９、
中圧蒸発器１０、中圧節炭器１１、高圧第１節炭器１
２、低圧蒸発器１３、低圧節炭器１４の順に各伝熱管群
がほぼ内部流体の温度の順に配置されて、排ガスの熱を
効率よく回収するようになっている。また、図７に示さ
れるように、ケーシング１の上部には高圧、中圧、低圧
の各蒸気ドラム１５、１６、１７が配置されている。

【０００５】低圧節炭器給水管１８を通して導かれる低
温の給水は、まず、低圧節炭器１４に流入し、低圧蒸気
の飽和温度近くまで温度上昇した後、一部が低圧蒸気ド
ラム１７に流入する。低圧蒸気ドラム１７に流入した低
圧給水は低圧蒸発器１３によって蒸気と水の混合流体と
なって上昇管１９を通って蒸気ドラム１７に流入する。
蒸気ドラム１７では気水が分離され、飽和蒸気は連絡管
２０を経て低圧過熱器９に流入し、加熱蒸気となって主
蒸気管２１を通して蒸気タービン（図示せず）に供給さ
れる。

【０００６】一方、低圧蒸気ドラム１７入口では分岐経
路によって中圧および高圧給水がそれぞれ中圧節炭器給
水管２２および高圧節炭器給水管２３に抽出される。こ
の中圧および高圧給水は中圧給水ポンプ２４、高圧給水
ポンプ２５で昇圧され、中圧節炭器１１、高圧第１節炭
器１２に流入する。中圧節炭器１１で飽和温度近くまで
昇温された中圧給水は中圧ドラム１６に流入し、中圧蒸
発器１０によって蒸気と水の混合体となって上昇管２６
を経て中圧蒸気ドラム１６に流入する。中圧ドラム１６
で気水分離された後、飽和蒸気は連絡管２７により中圧
過熱器７に流入し、過熱蒸気となって再熱蒸気と混合し
た後、主蒸気管２８を通して蒸気タービン（図示せず）
に供給される。

【０００７】また、高圧給水は高圧第１節炭器１２で一
度昇温された後、連絡管２９を介して高圧第２節炭器８
に流入し、飽和温度近くまで昇温された後、高圧蒸気ド
ラム１５に流入する。高圧蒸気ドラム１５に入った給水
は高圧蒸発器６によって蒸気と水の混合体となって上昇
管３０を通して高圧蒸気ドラム１５に流入し、気水分離
された後、飽和蒸気は連絡管３１により高圧第１過熱器
５に導かれ、さらに連絡管３２を経て高圧第２過熱器２
に導かれて過熱蒸気となり、主蒸気管３３を通して蒸気
タービン（図示せず）に供給される。蒸気温度、圧力条
件によっては高圧第１過熱器５と高圧第２過熱器２との
間に減温装置が設けられることもある。再熱サイクルに
おいては高圧第２過熱器２から蒸気タービンに導かれる
過熱蒸気は蒸気タービン内での膨張を経た後に第１再熱
器４および第２再熱器３において加熱される。すなわ
ち、蒸気は低温再熱蒸気管３４を通して第１再熱器４に
導かれ、さらに連絡管３５を通して第２再熱器３に導か
れて過熱となり、高温再熱蒸気管３６を経て蒸気タービ
ン（図示せず）に供給される。蒸気温度によっては第１
および第２再熱器４、３の間の連絡管３５に減温装置が
設置されることがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた従来技術に
よる排熱回収ボイラでは高圧、中圧、低圧の各圧力は効
率を最大にするために１１０ａｔａ、２６ａｔａ、６ａ
ｔａ程度に決められることが多く、また発生蒸気流量は
それぞれ２５０ton ／ｈ、５０ton ／ｈ、３０ton ／ｈ
程度となっている。このように計画された場合各節炭器
１４、１１、１２、８を通過する給水量は高圧節炭器１
２、８は２５０ton ／ｈ、低圧節炭器１４は高圧、中
圧、低圧のすべての水量の合計となるので３３０ton ／
ｈ程度となるが、中圧節炭器１１は５０ton ／ｈと高
圧、低圧に比較して非常に少ない流量となってしまう。

【０００９】給水は蒸気のように圧力による体積変化が
大きくないので、節炭器における流路断面積が同一の場
合、流速は非常に遅くなってしまい、熱伝達率の低下を
来したり、熱交換用の各伝熱管に流量が均等に配分され
なくなり、一部で過熱による節炭内での蒸発（スチーミ
ング）が発生してしまう。

【００１０】特に、低負荷域では発生蒸気量の減少によ
り流速が低下して来ると同時に、節炭器出口給水の温度
が飽和温度に接近してくるので、流量不均一により部分
的に節炭器内でスチーミングが始まり、流動不安定を引
き起こすなどの不具合がある。

【００１１】これを防止するためには中圧節炭器１１の
流路断面積を減少させることが考えられる。しかし、排
熱回収ボイラの幅は一定であること、中圧節炭器１１の
伝熱管群の部分のガス通路（ガスパス）幅を狭くしたり
すると、排ガス側の圧力損失が大きくなって効率が低下
してしまうことから、伝熱管群の幅を部分的に狭くする
ことはできない。また、同一パス内に一列の伝熱管群を
配置する方法を使って幅を広くしても一般的な２列配列
の２倍の流速にしか得られず、中圧節炭器１１と高圧節
炭器１２、８の５倍もの流量比を満足させるまでには至
らない。

【００１２】本発明はこのような従来技術の課題を解決
するためになされたもので、全運転負荷範囲において節
炭器で安定した流動が得られるようにした複圧式排熱回
収ボイラを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解決するために複圧式の排熱回収ボイラにおいて、高
圧節炭器を２分割して、高圧第２節炭器を高圧蒸発器ガ
ス下流側に配置し、高圧第１節炭器を中圧蒸発器ガス下
流側に配置し、さらに中圧蒸発器ガス下流側に配置した
高圧第１節炭器を幅方向に分割し、同一ガス温度域に中
圧節炭器と並列に配置して構成したものである。好まし
くは、本発明は高圧第１節炭器、中圧節炭器を同一の伝
熱管外径、同一の伝熱管ピッチ、同一の伝熱管列数で構
成する。

【００１４】また、上記課題を解決するための他の構成
として高圧節炭器を２分割して、高圧第２節炭器を高圧
蒸発器のガス下流側に配置し、高圧第１節炭器を中圧蒸
発器のガス下流側に配置し、さらに高圧蒸発器のガス下
流側に配置した高圧第２節炭器を幅方向に分割し、同一
ガス温度域に中圧過熱器と並列に配置し、さらに中圧蒸
発器のガス下流側に配置した高圧第１節炭器を幅方向に
分割し、同一ガス温度域に中圧節炭器と並列に配置して
構成したものである。

【００１５】好ましくは、本発明は高圧第２節炭器、中
圧過熱器を同一の伝熱管外径、同一の伝熱管ピッチ、同
一の伝熱管列数で構成し、前記高圧第１節炭器、中圧節
炭器を同一の伝熱管外径、同一の伝熱管ピッチ、同一の
伝熱管列数で構成する。

【００１６】

【作用】このように構成された排熱回収ボイラによれ
ば、給水量の相違により中圧節炭器の流速が極端に低下
することを防止できるので、すべての運転範囲において
安定した流動状態を保つことが可能である。

【００１７】また、並列に配置される伝熱管群が同一の
管外径、ピッチで構成されているので、各節炭器の吸収
熱量に合わせて伝熱管群を分割して伝熱面を配置すれ
ば、ガス側の入口、出口ガス温度、ガス圧損などを並列
管群で同一にすることができ、特にガス流路に仕切りを
設けなくとも良好なガス流動を得ることができる。さら
に、プロセス用の蒸気供給などで中圧の蒸気量が多く高
圧の蒸気量が少ない場合にも対応でき、全負荷範囲で安
定した流動状態を保つことができる。

【００１８】

【実施例】以下、図１ないし図３を参照して本発明の一
実施例について説明する。なお、各図において図６およ
び図７と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略
する。

【００１９】図１および図２において、高圧節炭器は第
１と第２とに分割され、高圧第２節炭器８は高圧蒸発器
６、中圧過熱器７のガス下流側に配置され、高圧第１節
炭器１２ａ、１２ｂは中圧蒸発器１０のガス下流側に配
置されている。

【００２０】高圧第１節炭器１２ａ、１２ｂは中圧節炭
器１１と同一のガス温度域に並列配置可能なように出口
の給水温度が中圧節炭器出口給水とほぼ同一となるよう
に伝熱面配置が決定されている。そして、高圧第１節炭
器１２ａ、１２ｂと中圧節炭器１１は同一の伝熱管外径
とピッチを有する伝熱管配列で構成されている。

【００２１】また、図３は本発明による排熱回収ボイラ
の中圧節炭器１１と高圧第１節炭器１２ａ、１２ｂの配
置を示す鳥瞰図である。この図に示すように中圧節炭器
１１はガスパスの中央部に設置された幅の狭い伝熱管群
であり、中圧給水ポンプ２４からの中圧給水管２２は上
部の入口ヘッダ３７に接続され、伝熱管群パネルは一般
的な２列の配列となっている。各伝熱管パネルは上部お
よび下部の節炭器連絡管３８で連結され、蛇行した流路
を形成している。給水はガスと熱交換した後、出口ヘッ
ダ３９から中圧蒸気ドラム１６に供給される。

【００２２】一方、高圧第１節炭器１２ａ、１２ｂは中
圧節炭器１１の両側に配置された４列の伝熱管群で構成
される。高圧給水ポンプ２５の出口からの高圧節炭器給
水管２３は内部配管で４つに分割された入口ヘッダ４０
に流入する。各伝熱管パネルは一般的な２列の配列とな
っている。各伝熱管パネルは上部および下部の節炭器連
絡管４１で連結され、蛇行した流路を形成している。給
水はガスと熱交換した後、出口ヘッダ４２から４つの集
合ヘッダ４３に集合され、連絡管２９を通って高圧第２
節炭器８に流入する。高圧第１節炭器１２ａ、１２ｂ、
中圧節炭器１１の各伝熱管群は先に説明したように同一
径の伝熱管で同一ピッチで構成されており、ガス流れ方
向の列数も全く同一に構成されている。また、中圧節炭
器１１の伝熱管群の幅と高圧第１節炭器１２ａ、１２ｂ
の伝熱管群の幅の合計は高圧第１節炭器１２ａ、１２ｂ
と中圧節炭器１１の吸収熱量の比となるように分割され
ている。

【００２３】次に、上記構成による作用を説明する。

【００２４】中圧給水ポンプ２４で昇圧された中圧給水
は中圧給水管２２を通して入口ヘッダ３７に導かれ、そ
こから中圧節炭器１１に流入する。中圧節炭器１１に流
入した中圧給水は蛇行状に形成された流路をながれ、ガ
スと熱交換しながら昇温して飽和温度近くまで温度上昇
し、出口ヘッダ３９から中圧蒸気ドラム１６に流入す
る。一方、高圧給水ポンプ２５で昇圧された高圧給水は
高圧給水管２３を通って高圧第１節炭器１２ａ、１２ｂ
の４つの入口ヘッダに分配され、それぞれの蛇行状の伝
熱管を流れてガスと熱交換を行い、出口ヘッダ４２から
集合ヘッダ４３に集合されて連絡管２９を通して高圧第
２節炭器８に送られる。

【００２５】中圧節炭器１１の入口給水温度と高圧第１
節炭器１２ａ、１２ｂの入口給水温度とは双方のポンプ
２４、２５による温度上昇分だけほんの僅かずれるが、
殆ど同一の温度であり、伝熱管群は同一管径、同一ピッ
チで構成されており、吸収熱量比で伝熱管群の幅を決め
ているので、中圧節炭器１１の出口給水温度と高圧第１
節炭器１２ａ、１２ｂの出口給水温度は殆ど同一にな
る。これにより双方の節炭器１１、１２ａ、１２ｂを出
るガス温度も殆ど同一温度となる。

【００２６】中圧節炭器１１の流路面積は伝熱管群の幅
の比になるので、給水の入口、出口の温度が殆ど同じ場
合には中圧節炭器１１および高圧第１節炭器１２ａ、１
２ｂの管内流速は殆ど同一で、低圧節炭器１４の管内流
速とほぼ同じ流速を保つことができる。

【００２７】かくして、上記構成からなる排熱回収ボイ
ラでは、給水量の少ない中圧節炭器１１の管内流速を他
の節炭器と同等に上昇させることができるので、流量の
均一分配が可能になり、低負荷時の流量の不均一により
生じるスチーミングをなくすことができ、これに伴う不
安定流動を防止することが可能になる。したがって、全
負荷範囲において安定したプラントの運転を実施でき
る。そして、管内の流速が早くなるので、管内の熱伝達
率が上昇し、コンパクトな排熱回収ボイラを提供でき
る。

【００２８】また、伝熱管群を同一径の伝熱管で同一ピ
ッチに構成することによりガスの圧力損失を同等に保つ
ことができ、伝熱管群間に仕切りを設けなくとも、並列
配置した伝熱管群後流のガス温度を同等にすることがで
き、ガス下流側の伝熱管群に殆ど影響を与えない等の効
果を奏する。

【００２９】本発明の他の実施例を図４および図５を参
照して説明する。上記の実施例のものと同一の構成には
同一の符号を付し、説明を省略する。

【００３０】本実施例は、たとえば蒸気タービン駆動用
の蒸気と同時にプロセス用の蒸気を供給する場合に適用
されるもので、中圧の蒸気量が高圧に比べて非常に大き
い場合のものである。このような高圧第１節炭器１２
ａ、１２ｂと中圧節炭器１１の伝熱管群の幅の比率は上
記の実施例の場合とは逆に中圧節炭器１１のほうが大き
くなる。高圧給水流量が少ないと、高圧第２節炭器の流
量が少なくなってしまうので、高圧第２節炭器８ａ、８
ｂは同程度の温度域にある中圧過熱器７の伝熱管群と並
列に配置する。

【００３１】高圧第２節炭器８ａ、８ｂの出口温度、中
圧過熱器７の出口温度を共に３１０℃程度になるように
すれば１１０ａｔａ、２６ａｔａ級の３圧力式排熱回収
ボイラに対応できる。高圧第２節炭器８ａ、８ｂの伝熱
管の径と中圧過熱器７の径は同一とし、ピッチも同一と
して伝熱管群を構成する。

【００３２】本実施例のように構成した排熱回収ボイラ
では、給水量の少ない高圧第１および第２節炭器１２
ａ、１２ｂ、８ａ、８ｂの管内流速を他の中圧節炭器１
１あるいは低圧節炭器１４と同等に上昇させることがで
きるので、流量の均一分配が可能になり、上記実施例同
様に低負荷時の流量の不均一により生じるスチーミング
をなくすことができ、これに伴う不安定流動を防止する
ことが可能になる。したがって、全負荷範囲において安
定したプラントの運転を実施できる。そして、管内の流
速が早くなるので管内の熱伝達率が上昇しコンパクトな
排熱回収ボイラを提供できる。

【００３３】また、伝熱管群を同一径の伝熱管で同一ピ
ッチに構成することによりガスの圧力損失を同等に保つ
ことができ、伝熱管群間に仕切りを設けなくとも、並列
配置した伝熱管群後流のガス温度を同等にすることがで
き、ガス下流側の伝熱管群に殆ど影響を与えない等の効
果を奏する。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば複圧
式の排熱回収ボイラにおいて、給水量の少ない中圧節炭
器の管内流速を他の節炭器と同等に上昇させることがで
きるので、流量の均一分配が可能になり、低負荷時のス
チーミングをなくすことができ、これに伴う不安定流動
を防止することが可能である。したがって、本発明によ
れば全負荷範囲において、安定したプラント運転を実施
できるという優れた効果を奏する。

【００３５】また、伝熱管群を同一径の伝熱管を用いて
同一ピッチに構成するならば、ガスの圧力損失を同等に
保つことができ、伝熱管群間に仕切りを設けなくとも、
並列配置した伝熱管群後流のガス温度を同等にでき、ガ
ス下流側の伝熱管群に殆ど影響を与えない等の効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による複圧式排熱回収ボイラの一実施例
を示す平面図。

【図２】図１の複圧式排熱回収ボイラの立面図。

【図３】本発明による複圧式排熱回収ボイラの高圧第１
節炭器と中圧節炭器の並列配置を示す鳥瞰図。

【図４】本発明の他の実施例を示す平面図。

【図５】図４の複圧式排熱回収ボイラの立面図。

【図６】従来の複圧式排熱回収ボイラの一例を示す平面
図。

【図７】従来の複圧式排熱回収ボイラの立面図。

【符号の説明】

１…ケーシング、２…高圧第２過熱器、３…第２再熱
器、４…第１再熱器、５…高圧第１過熱器、６…高圧蒸
発器、７…中圧過熱器、８ａ，８ｂ…高圧第２節炭器、
９…低圧過熱器、１０…中圧蒸発器、１１…中圧節炭
器、１２ａ，１２ｂ…高圧第１節炭器、１３…低圧蒸発
器、１４…低圧節炭器、１５…高圧蒸気ドラム、１６…
中圧蒸気ドラム、１７…低圧蒸気ドラム、２４…中圧給
水ポンプ、２５…高圧給水ポンプ、３７，４０…入口ヘ
ッダ、３９，４２…出口ヘッダ、４３…集合ヘッダ

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複圧式の排熱回収ボイラにおいて、高圧
   節炭器を２分割して、高圧第２節炭器を高圧蒸発器のガ
   ス下流側に配置し、高圧第１節炭器を中圧蒸発器のガス
   下流側に配置し、さらに該中圧蒸発器のガス下流側に配
   置した前記高圧第１節炭器を幅方向に分割し、同一ガス
   温度域に中圧節炭器と並列に配置したことを特徴とする
   複圧式排熱回収ボイラ。
2. 【請求項２】 前記高圧第１節炭器および前記中圧節炭
   器を同一の伝熱管外径、同一の伝熱管ピッチ、同一の伝
   熱管列数で構成したことを特徴とする請求項１記載の複
   圧式排熱回収ボイラ。
3. 【請求項３】 複圧式の排熱回収ボイラにおいて、高圧
   節炭器を２分割して、高圧第２節炭器を高圧蒸発器のガ
   ス下流側に配置し、高圧第１節炭器を中圧蒸発器のガス
   下流側に配置し、さらに該高圧蒸発器のガス下流側に配
   置した前記高圧第２節炭器を幅方向に分割し、同一ガス
   温度域に中圧過熱器と並列に配置し、さらに該中圧蒸発
   器のガス下流側に配置した前記高圧第１節炭器を幅方向
   に分割し、同一ガス温度域に中圧節炭器と並列に配置し
   たことを特徴とする複圧式排熱回収ボイラ。
4. 【請求項４】 前記高圧第２節炭器、中圧過熱器を同一
   の伝熱管外径、同一の伝熱管ピッチ、同一の伝熱管列数
   で構成し、前記高圧第１節炭器、中圧節炭器を同一の伝
   熱管外径、同一の伝熱管ピッチ、同一の伝熱管列数で構
   成したことを特徴とする請求項３記載の複圧式排熱回収
   ボイラ。