JP2908085B2

JP2908085B2 - 排熱回収ボイラ

Info

Publication number: JP2908085B2
Application number: JP26915391A
Authority: JP
Inventors: 恒夫鈴木; 武史河野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1999-06-21
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: JPH05106805A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえばガスタービン
からの排ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボイ
ラにおいて、ガスタービンの起動特性を阻害することな
く起動することのできる排熱回収ボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンバインドサイクルプラント
は、高効率化および大容量化等の対応から、ガスタービ
ン入口ガス温度が高温化され、これに伴って排熱回収ボ
イラへ流入する排気温度も高温化してきている。この排
気の高温化により排熱回収ボイラの出口蒸気温度（主蒸
気温度）も高くなる傾向にある。しかし、排熱回収ボイ
ラで発生した蒸気が供給される蒸気タービンは、高圧の
蒸気を使用するためケーシングが厚肉であること、ロー
タも高温蒸気に曝されることなどの条件から出力に応じ
て最適な蒸気条件が存在する。現状、蒸気タービン入口
における主蒸気温度の最高値は５３８〜５６６℃程度で
ある。したがって、主蒸気温度がこの値を越えるような
運転状態が発生する場合には、負荷に関係なく、排熱回
収ボイラの発生蒸気温度の上限値を設定して、この温度
以下に蒸気温度を制御しているのが一般的である。従来
技術について、図６を参照して説明する。図６は複圧式
排熱回収ボイラの構成を示した図である。

【０００３】図６において、ガスタービン（図示せず）
からの排ガスは排熱回収ボイラ１内に配置された高圧第
２過熱器２、高圧第１過熱器３、高圧蒸発器４、高圧節
炭器５、低圧過熱器６、低圧蒸発器７、低圧節炭器８を
順次経て熱交換した後に煙突（図示せず）より大気に放
出される。また、排熱回収ボイラ１の内部の適切な温度
域には排ガス中に含まれる有害な窒素酸化物を除去する
ための脱硝装置９が設けられている。

【０００４】一方、蒸気タービン（図示せず）で仕事を
した蒸気は復水器（図示せず）で冷却されて復水とな
り、復水器ホットウエル（図示せず）に貯えられる。ホ
ットウェルに溜まった復水は復水ポンプ（図示せず）で
抽出され、低圧給水管１０を介して低圧節炭器８に供給
される。低圧節炭器８では既に他の熱交換器での熱交換
で低温になった排ガスとの熱交換で給水を加熱する。低
圧節炭器８で加熱された給水は低圧連絡管１１および低
圧給水調節弁１２を介して低圧蒸気ドラム１３へ供給さ
れる。低圧蒸気ドラム１３に供給された給水は缶水と共
に低圧蒸発器７に導入され、ここで排気ガスとの熱交換
を行い、蒸気を発生した後に低圧蒸気ドラム１３に戻
る。ここで発生した蒸気は低圧蒸気ドラム１３で湿分を
除去された後、低圧蒸気連絡管１４を介して低圧過熱器
６に導かれ、排ガスと熱交換して過熱蒸気となって蒸気
タービン（図示せず）の低圧段落へ供給される。

【０００５】また、低圧節炭器８出口において給水の一
部は低圧連絡管１１から分岐した高圧給水ポンプ吸込管
１５を介して高圧給水ポンプ１６に導かれ、ここで昇圧
された後、高圧給水管１７を介して高圧節炭器５へ供給
される。高圧節炭器５で排ガスと熱交換し、昇温した給
水は高圧連絡管１８および高圧給水調節弁１９を介して
高圧蒸気ドラム２０に供給される。高圧蒸気ドラム２０
に供給された給水は缶水と共に高圧蒸発器４に導入さ
れ、排ガスとの熱交換を行い、蒸気を発生した後に高圧
蒸気ドラム２０に戻る。ここで発生した蒸気は高圧蒸気
ドラム２０で湿分を除去された後、高圧蒸気連絡管２１
を介して高圧第１過熱器３に供給され、排気ガスと熱交
換して過熱蒸気となる。高圧第１過熱器３を出た蒸気は
減温器２２を通った後に高圧第２過熱器２に入り、さら
に過熱された後、蒸気タービン（図示せず）の高圧段落
へ供給される。

【０００６】一般に、排熱回収ボイラで発生する蒸気の
温度は入口排ガス温度、排ガス量、蒸気量、伝熱面積等
の特性決定条件により定まる。一方、蒸気タービンへ供
給される主蒸気の温度は蒸気タービンの材料等によって
許容温度が存在する。このため、高圧第２過熱器２出口
における蒸気温度は運転状態に拘らず、この許容温度以
下に制御しなければならない。この蒸気温度制御方法と
しては過熱器伝熱面を分割し、分割された伝熱面間を接
続する連絡管に減温器２２を設け、高圧第２過熱器２出
口における蒸気温度に応じて減温器２２へ注入されるス
プレー水の流量を蒸気温度調節弁２４で調節して給水す
るものが一般的である。また、スプレー水の水源として
は蒸気圧力より高い圧力を有し、スプレー水量の変化に
十分に対応できなければならない。図６の例では高圧給
水間１７から分岐して減温水供給管２３を介して減温器
２２へスプレー水を供給する方法を示してある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来技術による主蒸気
温度制御は、たとえば特開昭６３−１８３３０４号公報
に示されるように、負荷に関係なく設定温度を一定にし
ておく一定値制御を採用している。

【０００８】一方、昨今のガスタービンの大容量化およ
び環境対策を考慮した運転方法の採用により、ガスター
ビンの排ガス温度が高くなると共に温度上昇率も高くな
る傾向にある。特に、助燃装置を設置していない排熱回
収ボイラにあっては入口排ガス温度、排ガス量、蒸気
量、伝熱面積等の特性決定条件により過熱器出口におけ
る蒸気温度が定まる。安定した負荷状態では従来技術の
一定値制御でも蒸気温度制御は可能である。しかし、起
動時のように排ガス流量が少なく、かつ、排ガス温度の
上昇率が大きい場合には蒸気発生量が少ないために過熱
器出口の蒸気温度の上昇率も排ガス温度のそれに近くな
るが、一定値制御では蒸気温度上昇率を制限することが
できない。このため、特に過熱器出口管寄せ等の厚肉の
耐圧部においては厚さ方向に大きな温度差が生じ、大き
な熱応力が発生する。さらに蒸気タービンでの温度上昇
率も大きくなるために蒸気タービンのロータ等で発生す
る熱応力が異常に大きくなり、寿命に影響を及ぼすよう
な不都合が生じる。このような不都合は今後予想される
コンバインドサイクルプラントの大容量化およびプラン
ト効率の向上を狙った蒸気系の高圧力化が進むにつれて
プラントの急速起動や柔軟な負荷追従性を実現する上で
のより大きな障害になると考えられる。

【０００９】このような不都合を解消するにはある定め
られた温度上昇率で過熱器出口蒸気温度の設定値を変化
させ、蒸気温度を制御する方法がある。しかし、この温
度制御をスプレー水量の調節のみで行う場合はスプレー
水が水滴の状態で過熱器内に流入しないよう、減温器出
口における蒸気の過熱度を３０〜５０℃以上に保つ必要
がある。この減温器出口における蒸気過熱度の制限か
ら、主蒸気温度を設定値に制御するのに必要なスプレー
水流量を減温器２２にて噴射できない場合があり、結果
として主蒸気温度が設定値を越え、また、温度上昇率も
初期の目標より高くなってしまうことになる。

【００１０】本発明の目的はガスタービンの起動特性、
負荷追従性を阻害せずに主蒸気温度および温度上昇率を
排熱回収ボイラや蒸気タービンの許容範囲内に収められ
るようにした排熱回収ボイラを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、熱源として導かれる排ガスの流動方向に沿
って順次設けられた少なくとも１組の過熱器、蒸発器お
よび節炭器を有し、各伝熱面で排ガスと隔てられた給水
が前記節炭器を経て加熱された後に、蒸気ドラムに回収
され、そこから前記蒸発器を通して加熱され、さらに得
られた蒸気が前記過熱器を経て過熱させられるようにし
た排熱回収ボイラにおいて、前記過熱器の排ガス上流側
経路に当該過熱器よりも低温側に位置する過熱器あるい
は蒸発器あるいは節炭器の管群の一部を設置したことを
特徴とするものである。

【００１２】

【作用】排ガスを熱源として蒸気を発生する排熱回収ボ
イラにおいて、過熱器の排ガス上流側にガス冷却器とな
る蒸発器や節炭器などの伝熱管群を設置することによ
り、起動時等における過熱器入口での排ガス温度の上昇
率を緩和することができ、排熱回収ボイラで発生する蒸
気の温度上昇率を緩和できるため、排熱回収ボイラの耐
圧部や蒸気タービンのロータ等に発生する熱応力を低減
することが可能である。

【００１３】

【実施例】以下、図１に基づいて本発明の一実施例につ
いて説明する。なお、図６に示される構成要素と同じも
のについては同一の符号を付し、説明を省略する。

【００１４】本実施例による排熱回収ボイラ１では排ガ
ス流の上流側からプレ蒸発器２５、高圧第２過熱器２、
高圧第１過熱器３、高圧蒸発器４、高圧節炭器５、低圧
過熱器６、低圧蒸発器７、低圧節炭器８の順に伝熱管群
が設けられている。すなわち、本実施例ではガス冷却器
としてプレ蒸発器２５を設置している。また、高圧第２
過熱器２と高圧第１過熱器３を接続する連絡管上には減
温器２２が設置され、高圧給水ポンプ１６の吐出側より
抽出したスプレー水を使用して高圧第２過熱器２の出口
の蒸気温度を制御するようになっている。一方、排熱回
収ボイラ１の排ガス上流側に設置されたプレ蒸発器２５
は高圧蒸気ドラム２０と連通しており、高圧蒸気ドラム
２０へ供給される給水の一部はプレ蒸発器２５で排ガス
との熱交換により蒸気となった後に高圧蒸気ドラム２０
に戻る系統となっている。すなわち、高圧節炭器５より
高圧蒸気ドラム２０へ供給された給水は２つに分岐して
各々プレ蒸発器２５と高圧蒸発器４に供給され、ここで
蒸発した後に高圧蒸気ドラム２０に戻って再び合流する
ことになる。

【００１５】本実施例における排熱回収ボイラ１におい
て、ガスタービン起動時の排ガス温度および高圧第２過
熱器２出口での主蒸気温度の変化について図２および図
３を参照して説明する。なお、図２には本実施例の場合
を、図３には図６に示した従来技術の場合を示し、いず
れもホットスタート時の変化を示す。ガスタービン起動
時、排熱回収ボイラ１入口における排ガス温度は、たと
えば毎分２５℃程度の割合で上昇していく。この排ガス
温度の変化に対して、従来技術ではこの排ガス温度がす
なわち高圧第２過熱器２の入口温度であり、また、起動
時は排ガス流量および蒸気流量も少ないことから高圧第
２過熱器２出口における主蒸気温度は毎分約１８℃とい
う、排ガス温度の上昇率よりは小さいものの、かなり大
きな温度上昇率をもって上昇していく。したがって、こ
の蒸気に曝される高圧第２過熱器２の耐圧部、特に出口
管寄せや蒸気タービンのロータ等は厚さ方向に大きな温
度差が生じ、その結果として過大な熱応力が発生してし
まう。また、図３の例では主蒸気温度に対して一定値制
御を行っているが、温度上昇率が大きいことや減温器２
２の出口での蒸気の過熱度が３０〜５０℃以上にしなけ
ればならないこと等から、蒸気温度を設定値以下に抑え
きれない場合が出てくる。

【００１６】一方、本実施例の場合、排熱回収ボイラ１
の入口、すなわち、プレ蒸発器２５入口の排ガス温度は
前述の場合と同じく、毎分２５℃程度で上昇していく。
しかし、主蒸気温度に大きく影響する高圧第２過熱器２
入口における排ガス温度は、図２に示すようにかなり緩
やかなものになり、この結果、主蒸気温度の上昇率も緩
和され、また、主蒸気温度そのものも許容範囲内に抑え
ることができる。このようにプレ蒸発器２５を高圧第２
過熱器２の排ガス上流側に設置することにより主蒸気温
度の上昇率を大幅に緩和できる理由について次に述べ
る。

【００１７】上述したようにプレ蒸発器２５は高圧蒸気
ドラム２０の缶水部と連通しており、ガスタービン起動
時、プレ蒸発器２５の管内は水で満たされている。ガス
タービンが起動して高温の排ガスがプレ蒸発器２５に流
入すると、排ガスと管内の水との間の熱交換が起こり、
その分、プレ蒸発器２５の出口、すなわち、高圧第２過
熱器２の入口ガス温度は低下する。この時、プレ蒸発器
２５の伝熱管内では蒸発現象が起きているが、蒸発に必
要な気化潜熱は蒸気の顕熱と比べて極めて大きく、した
がってプレ蒸発器２５はかなり大きな熱容量を有してい
ることになる。さらに、プレ蒸発器２５には連続的に高
圧蒸気ドラム２０から缶水が送られるためにこの熱容量
は一時的なものではなく、継続的なものである。以上の
ことから起動時、プレ蒸発器２５入口における排ガス温
度が急激に上昇する場合でも大きな熱容量を有するプレ
蒸発器２５によってこの温度上昇のかなりの部分が吸収
されるためにプレ蒸発器２５の出口、すなわち高圧第２
過熱器２入口のガス温度変化は緩和されるのである。

【００１８】以上述べたように本実施例による排熱回収
ボイラによれば高圧第２過熱器２の排ガス上流側にプレ
蒸発器２５を配置することにより、ガスタービンの起動
特性を阻害することなく、高圧第２過熱器２で発生する
主蒸気温度および温度上昇率を許容範囲内に抑えること
ができ、高圧第２過熱器２の耐圧部や蒸気タービンのロ
ータにおける過大な熱応力の発生を防止することが可能
である。

【００１９】また、本実施例による排熱回収ボイラにお
いてはプレ蒸発器２５が排ガス流の最上流側に配置され
ているため、プレ蒸発器２５、高圧蒸発器４および高圧
蒸気ドラム２０より構成される高圧蒸発系の圧力の上昇
が従来技術に比べて早くなる。この結果、高圧蒸発器４
の出口のガス温度の上昇も早くなるため、高圧蒸発器３
より下流側に設置されている脱硝装置９や低圧系へ流れ
る熱量が従来技術と比べて起動過程のより早い時点で大
きくなり、脱硝装置９の運転開始時期や低圧系の起動を
早めることができるという副次的な効果も有する。

【００２０】本発明の他の実施例を図４および図５を参
照しながら説明する。なお、図１あるいは図６と同一な
構成要素については同一の符号を付し、説明を省略す
る。図４はガス冷却器として高圧節炭器の一部の伝熱管
群５ａを高圧第２過熱器２の排ガス上流側に配置し、高
圧第２過熱器２入口の排ガス温度ならびに主蒸気温度お
よび温度上昇率を許容範囲内に収めるように図ったもの
である。なお、この例では高圧節炭器５および伝熱管群
５ａの伝熱管内部における蒸気の発生を抑制するために
給水ブロー管２６を用いて高圧節炭器５の出口から給水
の一部を復水器（図示せず）へブローし、充分な管内流
量を確保する。

【００２１】一方、図５は高圧第１過熱器３の一部の伝
熱管群３ａを高圧第２過熱器２の排ガス流上流側に配置
し、高圧第２過熱器２入口の排ガス温度ならびに主蒸気
温度およびその変化を許容範囲内に収めるように図った
ものである。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明は
過熱器の排ガス上流側経路にガス冷却器を設けているの
で、起動時等における過熱器入口での排ガス温度の上昇
率を緩和することができ、排熱回収ボイラで発生する蒸
気の温度上昇率を緩和できるため、排熱回収ボイラの耐
圧部や蒸気タービンのロータ等に発生する熱応力を低減
することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る排熱回収ボイラの一実施例を示す
構成図。

【図２】図１に示された排熱回収ボイラにおけるガスタ
ービン起動時の排ガス温度および主蒸気温度の変化を示
す図。

【図３】図６に示された排熱回収ボイラにおけるガスタ
ービン起動時の排ガス温度および主蒸気温度の変化を示
す図。

【図４】本発明の他の実施例を示す構成図。

【図５】本発明の他の実施例を示す構成図。

【図６】従来技術による排熱回収ボイラの一例を構成
図。

【符号の説明】

１…排熱回収ボイラ、２…高圧第２過熱器、３、３ａ…
高圧第１過熱器、４…高圧蒸発器、５、５ａ…高圧節炭
器、６…低圧過熱器、７…低圧蒸発器８…低圧節炭器、２０…高圧蒸気ドラム、２２…減温
器、２３…減温水供給管、２４…蒸気温度調節弁、２５
…プレ蒸発器、２６…給水ブロー管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】熱源として導かれる排ガスの流動方向に
沿って順次設けられた少なくとも１組の過熱器、蒸発器
および節炭器を有し、各伝熱面で排ガスと隔てられた給
水が前記節炭器を経て加熱された後に、蒸気ドラムに回
収され、そこから前記蒸発器を通して加熱され、さらに
得られた蒸気が前記過熱器を経て過熱させられるように
した排熱回収ボイラにおいて、前記過熱器の排ガス上流
側経路に当該過熱器よりも低温側に位置する過熱器ある
いは蒸発器あるいは節炭器の管群の一部を設置したこと
を特徴とする排熱回収ボイラ。