JP2865851B2 - 貫流蒸気発生器 - Google Patents

貫流蒸気発生器

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、特にガスタービンの高温ガスを排出する
排ガス流路に接続する垂直なガス道と、垂直なガス道の
中に蒸発器伝熱面とを備える貫流蒸気発生器に関する。
［従来の技術］ 蒸発器伝熱面が入口側管寄せと出口側管寄せとを有
し、この伝熱面の管群が部分域上端及び部分域下端を備
える上側の管部分域と、同様に部分域上端及び部分域下
端を備える下側の管部分域とを形成する貫流蒸気発生器
は、ドイツ連邦共和国特許出願公告第1122082号公報か
ら知られている。
この公知の貫流蒸気発生器では、ガス道の下端部に高
温ガスを排出する高温原子炉が接続されているので、こ
の高温ガスはガス道を下から上に向かって貫流する。
ガス道中に配置された蒸発器伝熱面の入口側管寄せは
ガス道の上端部に設けられ、出口側管寄せは蒸発器伝熱
面の上端部と下端部との間に設けられている。この蒸発
器伝熱面の上側管部分域の部分域下端の管は、管寄せを
中間接続することなく下側管部分域の部分域下端へ移行
する。この蒸発器伝熱面では蒸発ばかりでなく水の予熱
及び発生した蒸気の過熱が行われる。蒸発器伝熱面の管
群は、入口側管寄せから出口側管寄せへの上側管部分域
においてだけ、ガス道中の垂直に上へ向かう高温ガス流
に対し直交流／向流で貫流され、主として蒸発が行われ
る下側の管部分域は、これに反して高温ガス流に対し直
交流／並流で貫流される。それゆえに下側管部分入の部
分域上端の水蒸気と上に向かう高温ガス流との間の温度
差が比較的僅かにすぎないので、下側管部分域に対し水
蒸気の十分な予備過熱のための伝熱面積を非常に大きく
しなければならない。
高温ガスを排出する装置従って例えばガスタービンが
ほぼ海抜ゼロの地点に据え付けられると、この装置の高
温ガスのための排ガス流路を貫流蒸気発生器の垂直なガ
ス道の上端部にではなく下端部に接続することが極めて
経済的であるので、高温ガスは垂直なガス道を下から上
に向かって貫流する。
［発明が解決しようとする課題］ この発明の課題は、このような場合に対しても貫流蒸
気発生器を最適に構成することにある。
［課題を解決するための手段］ この課題は前記の種類の貫流蒸気発生器においてこの
発明に基づき、管群の上側の管部分域の部分域上端が下
側の管部分域の部分域上端へ移行することにより解決さ
れる。
［作用効果］ 蒸発ばかりでなく水の予備及び発生した水蒸気の過熱
をも行うことができるようなこの種の貫流蒸気発生器の
蒸発器伝熱面は、蒸発の進行した下側管部分域において
ガス道中を下から上に向かって貫流する高温ガスに対し
直交流／向流で貫流されるので、高温ガスと蒸発器伝熱
面の下側管部分域中の水／蒸気との間の温度差が比較的
大きく、従って蒸発器伝熱面の大きさを比較的小さく保
つことができる。しかし蒸発器伝熱面は上側管部分域で
は水／蒸気により高温ガスに対し直交流／並流で重力に
逆らう方向に貫流されるので、特に蒸発を開始し管中を
重力の方向へ流れなければならない水が引き起こすよう
な貫流障害がほぼ避けられる。
請求項２以下にはこの発明に基づく貫流蒸気発生器の
有利に実施態様が記載されている。
専門書「化石燃料用火力発電所（Fossilbeheizte Dam
pfkraftwerke）」レッシュ技術出版社、テーユーファウ
（ＴＶ）出版社、ラインラント、ケルン、1986年、第
250ページから垂直なガス道を備えた蒸気発生器が知ら
れているが、その下端部にはガスタービンの排ガス流路
が接続されているので、高温ガスのガス道は下から上に
向かって貫通される。しかしながらここで用いられてい
るのは貫流蒸気発生器ではなく、ガス道中に蒸発器伝熱
面を備えた強制循環形蒸気発生器であり、その入口側管
寄せは位置的に出口側管寄せより低いレベルを有する。
入口側管寄せばかりでなく出口側管寄せもドラムに接続
され、このドラムから水が蒸発器伝熱面の入口側寄せ
へ、そして一貫して高音ガス対し直交流／並流で下から
上に向かって蒸発器電熱面を通ってポンプで送られる。
［実施例］ 次にこの発明に基づく貫流蒸気発生器の複数の実施例
を示す図面により、この発明を詳細に説明する。
第１図に示す貫流蒸気発生器は方形断面を備えた垂直
なガス道２を有し、ガス道は鋼板から成る気密な壁を備
える。このガス道２の下端にはガスタービンの高温ガス
のための排ガス流路３が接続されるので、この高温ガス
は垂直なガス道２を矢印32の方向へ下から上に向かって
貫通する。
垂直なガス道２の内部には蒸発器伝熱面４が配置さ
れ、この蒸発器伝熱面は入口側管寄せ５と出口側管寄せ
６とをガス道２の外部にする。入口側管寄せ５は位置的
に出口側管寄せより高いレベルに設けられ、従って出口
側管寄せ６の上方に配置されている。
第１図には蒸発器伝熱面４の蛇行状に導かれたただ一
つの管が示されているにすぎない。実際はこの種の同一
に構成された多数の管が図の紙面に対し直角方向にすな
わちガス道２を横切って並べて配置され、入口側管寄せ
にばかりでなく出口側管寄せにも接続されている。管湾
曲部31では蒸発器伝熱面４の管をガス道２の壁を貫いて
外に向かって導出することもできるので、この管湾曲部
31はその場合ガス道２の外側に来る。
蒸発器伝熱面４の管群は三つの管部分域Ｉ、II、III
を形成する。上側管部分域IIは下側管部分域IIIの上方
に設けられ、補助的な管部分域Ｉは上側管部分域IIの上
方に設けられている。補助的な管部分域Ｉは部分域上端
７を有し、この上端は貫流に関して入口側管寄せ５に接
続されている。更にこの補助的な管部分域Ｉは部分域下
端８を有し、この下端はガス道２の外側で管寄せを中間
接続することなく、上側管部分域IIが有する部分域下端
９へ移行する。上側管部分域IIの部分域上端10はガス道
２の外側で管寄せを中間接続せずに、管部分域IIIが有
する部分域上端11へ移行する。下側管部分域IIIの部分
域下端12は貫流に関して出口側管寄せ６に接続されてい
る。
給水が入口側管寄せ５から蒸発器伝熱面４の中へ流入
すると、補助的な管部分域Ｉが流れ方向を矢印32で示し
た高温ガスに対して直交流／向流で貫流される。この補
助的な管部分域Ｉ中では水が予熱され、また既に蒸発を
開始することもできる。この補助的な管部分域Ｉは水に
より重力の方向へ貫流されるが、しかしその代わりに高
温ガスと水／蒸気との温度差も補助的な管部分域Ｉでは
比較的大きいので、補助的な管部分域Ｉの伝熱面を比較
的小さくすることができる。更に補助的な管部分域Ｉで
は比較的少ない蒸気が形成されるにすぎないので、貫流
障害は実際上発生しない。
上側管部分域IIは蒸発中の水により高温ガスの矢印32
の方向へ、従って直交流／並流で、従って重力に逆らっ
て貫流されるので、この上側管部分域II内では貫流障害
が避けられる。
最後に下側管部分域IIIはここでも高温ガスの矢印32
の方向とは逆に直交流／向流で貫流されるので、高温ガ
スと水／蒸気との温度差は下側管部分域IIIでは再び比
較的大きいので、下側管部分域IIIの伝熱面の大きさは
ここでも比較的小さくすることができる。下側管部分域
III中では蒸発ばかりでなく貫流する蒸気の過熱も行う
ことができる。管部分域Ｉ、II、IIIでは、一方では高
温ガスに対する直交流／向流の際に蒸気泡を伴なって流
れることを保証し、また他方では高温ガスに対する直交
流／並流の際に比較的小さい摩擦圧力損しか発生させな
いために、蒸発器伝熱面４の管は異なる内径を有し従っ
て異なるマスフロー密度を導くようにすることができ
る。
第２図では同じ部品に第１図と同じ符号が付けられて
いる。垂直なガス道２の中には第１図と同様に蒸発器伝
熱面４が配置され、しかしながらその管群は二つの管部
分域IV、Ｖだけを形成する。下側の管部分域Ｖの上方に
設けられた上側の管部分域IVは部分域上端13と部分域下
端14とを有し、下側管部分域Ｖは部分域上端15と部分域
下端16とを有する。上側管部分域IVの部分域上端13はガ
ス道２の外側で管寄せを中間接続することなく下側管部
分域Ｖの部分域上端15へ移行し、その部分域下端16は貫
流に関してガス道２の外側で出口側管寄せ６に接続され
ている。上側管部分域IVの部分域下端14は貫流に関して
蒸発器伝熱面４の入口側管寄せ５に接続され、この入口
側管寄せは同様にガス道２の外部に設けられ、かつ位置
的に出口側管寄せ６より高いレベルに配置されている。
入口側管寄せ５は水管路17を経てエコノマイザ伝熱面
19の出口側管寄せ18に結合され、エコノマイザ伝熱面19
はガス道２の上端部に蒸発器伝熱面４の上方に配置さ
れ、同じく入口側管寄せ20をガス道２の外側に有する。
水管路17中には昇圧ポンプ21を設けるのが有利であ
り、この昇圧ポンプは水を蒸発器伝熱面４の入口側管寄
せ５の方向へ送り、入口側管寄せ５の前に配置された弁
22は調節器として後置接続されている。
出口側管寄せ６を出発点として蒸気管路23は、ガス道
２の下端部に蒸発器伝熱面４の下方に配置された過熱器
伝熱面25の入口側管寄せ24へと通じる。この過熱器蒸発
面25はガス道の外側に位置的に出口側管寄せ６より低い
レベルに出口側管寄せ26を有する。蒸気管路23の中に
は、貫流蒸気発生器の始動を容易にし図示されていない
汽水分離装置を組み込むことができるので、有利であ
る。
エコノマイザ伝熱面19の出口側管寄せ18は汽水分離装
置を形成するのが有利であり、この汽水分離装置から更
に１本の蒸気管路27が出て、出口側管寄せ６から出る蒸
気管路23へ通じる。
蒸発器伝熱面４の下側管部分域Ｖでは、部分域上端15
と部分域下端16との間の一個所28で蒸発器伝熱面４のそ
れぞれの管から固有の接続管29が導出されるのが有利で
ある。この接続管29は垂直なガス道２の外部に設けられ
た圧力補整容器30へ導かれる。
上側管部分域IVの蒸発器伝熱面４の管の第３図による
縦断面が示すように、上側管部分域IVの蒸発器伝熱面４
の管には内面に螺旋形に配置されたリブ104が設けら
れ、それによりこれらの管から内部の蒸発中の水への改
善された伝熱が達成される。
第２図に示す貫流蒸気発生器の入口側管寄せ20からエ
コノマイザ伝熱面19へ流入する給水の蒸発を、既にエコ
ノマイザ伝熱面19の管中で開始することができる。エコ
ノマイザ伝熱面19は貫流に関して昇圧ポンプ21の前に接
続されているので、エコノマイザ伝熱面19の管の中での
蒸発を低い圧力で従って低い蒸発温度で行うことができ
る。それゆえにガス道２中の高温ガスの温度とエコノマ
イザ伝熱面19の管中の蒸発温度との差は比較的大きいの
で、エコノマイザ伝熱面19を比較的小さく構成すること
ができる。
昇圧ポンプ21により蒸発器伝熱面４の管の内部の圧力
損失を補償又は過補償することができる。
既にエコノマイザ伝熱面19中で発生した蒸気は、この
エコノマイザ伝熱面19の汽水分離装置で形成する出口側
管寄せ18の中で水から分離し、蒸気管路27を経て蒸発器
伝熱面４の出口側管寄せ６と過熱器伝熱面25の入口側管
寄せ24との間の蒸気管路23へ導くことができる。従って
昇圧ポンプ21は比較的少ない水流を搬送するだけでよ
い。
調節弁22により、蒸気が既に蒸発器伝熱面４中で過熱
されるように、蒸発器伝熱面４への供給を常に調節する
ことができる。更に蒸発器伝熱面４の管中の蒸発端を調
節弁22により変更することができ、それにより常に過熱
器伝熱面25の出口側管寄せ26中の所望の蒸気温度を貫流
蒸気発生器の負荷に応じて調節することができる。
圧力補整容器30により蒸発器伝熱面４の貫流に関して
並列に接続された管群の間の圧力補整が行われ、それに
よりこの蒸発器伝熱面４の個々の管中の流量差を低減す
ることができ、この流量差は高温ガスの局部的な温度差
による蒸発器伝熱面４の個々の管の加熱の差によって生
じる。
最後に過熱器伝熱面25からは過熱された蒸気が出口側
管寄せ26へ流れ込む。
第２図に示す貫流蒸気発生器のエコノマイザ伝熱面19
の入口側管寄せ20には、給水の供給を調節する調節弁を
貫流に関して前置換接続することができる。この調節弁
に従属する制御装置は制御量として、排ガス流路３を備
えたガスタービンへの燃料流及び／又はこのガスタービ
ンにより発電機で発生させられた出力及び／又はガスタ
ービンに従属する圧縮機が吸い込む空気温度を有する。
燃料又は発電機の出力が多いほど又は圧縮機により吸
い込まれる空気温度が低いほど、制御装置により給水供
給を調節する調節弁が一層大きく開かれる。
こうして高温ガスから貫流蒸気発生器中の水又は蒸気
へ放出される熱流と供給される給水流との間の関係を常
に所定の値に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第２図はそれぞれこの発明に基づく貫流蒸気
発生器の異なる実施例の回路図、第３図は第２図に示す
上側管部分域の管の縦断面図である。 ２……ガス道 ４……蒸気発生器伝熱面 ５、24……入口側管寄せ ６、18……出口側管寄せ ７、10、11、13、15……部分域上端 ８、９、12、14、16……部分域下端 17……水管路 19……エコノマイザ 21……昇圧ポンプ 22……調節器 23、27……蒸気管路 25……過熱器伝熱面 28……個所 29……接続管 30……圧力補整容器 104……リブ Ｉ〜Ｖ……管部分域
フロントページの続き (56)参考文献 欧州公開359735（ＥＰ，Ａ１) 独国特許1122082（ＤＥ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F22B 1/18 F22B 29/06

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高温ガスを排出する排ガス流路に接続する
    垂直なガス道（２）と、垂直なガス道（２）の中の蒸発
    器伝熱面（４）とを備え、この蒸発器伝熱面が入口側管
    寄せ（５）と出口側管寄せ（６）とを有し、この伝熱面
    の管群が部分域上端（10、13）及び部分域下端（９、1
    4）を備える上側の管部分域（II、IV）と、同様に部分
    域上端（11、15）及び部分域下端（12、16）を備える下
    側の管部分域（III、Ｖ）とを形成する貫流蒸気発生器
    において、管群の上側の管部分域（II、IV）の部分域上
    端（10、13）が下側の管部分域（III、Ｖ）の部分域上
    端（11、15）へ移行することを特徴とする貫流蒸気発生
    器。
  2. 【請求項２】垂直なガス道（２）の中の蒸発器伝熱面
    （４）の管群が上側管部分域（II）の上方に、部分域上
    端（７）及び部分域下端（８）を備える補助的な管部分
    域（Ｉ）を形成し、この管群の補助的な管部分域（Ｉ）
    の部分域下端（８）が上側管部分域（II）の部分域下端
    （９）へ移行することを特徴とする請求項１記載の貫流
    蒸気発生器。
  3. 【請求項３】蒸発器伝熱面（４）の管群の上側管部分域
    （IV）の部分域下端（14）が、貫流に関してこの蒸発器
    伝熱面（４）の入口側管寄せ（５）に接続され、入口側
    管寄せ（５）が水管路（17）を経て、貫流に関してガス
    道（２）内に配置されたエコノマイザ伝熱面（19）の出
    口側管寄せ（18）に接続されることを特徴とする請求項
    １記載の貫流蒸気発生器。
  4. 【請求項４】水管路（17）中に貫流に関して調節器（2
    2）を後置接続された昇圧ポンプ（21）が設けられるこ
    とを特徴とする請求項３記載の貫流蒸気発生器。
  5. 【請求項５】エコノマイザ伝熱面（19）の出口側管寄せ
    （18）が汽水分離装置を形成することを特徴とする請求
    項３記載の貫流蒸気発生器。
  6. 【請求項６】蒸発器伝熱面（４）の管群の下側管部分域
    （Ｖ）の部分域下端（16）が、貫流に関してこの蒸発器
    伝熱面（４）の出口側管寄せ（６）に接続され、蒸気管
    路（27）がエコノマイザ伝熱面（19）の出口側管寄せ
    （18）から、蒸発器伝熱面（４）の出口側管寄せ（６）
    とガス道（２）内に配置された過熱器伝熱面（25）の入
    口側管寄せ（24）との間の蒸気管路（23）へ導かれるこ
    とを特徴とする請求項５記載の貫流蒸気発生器。
  7. 【請求項７】蒸発器伝熱面（４）の少なくとも一つの管
    部分域中で、接続管（29）がこの管部分域の部分域上端
    と部分域下端との間のそれぞれの管の一個所（28）から
    導出されて、垂直なガス道（２）の外側に設けられた圧
    力補整容器（30）へ導かれることを特徴とする請求項１
    又は２記載の貫流蒸気発生器。
  8. 【請求項８】蒸発器伝熱面（４）の管群が一つの管部分
    域中で内面に螺旋形に配置されたリブ（104）を有する
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の貫流蒸気発生
    器。
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