JP2925594B2 - 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、排熱回収ボイラに係り、特に過熱器、再熱
器および節炭器などに用いられる伝熱パネル構造の改良
に関するものである。

〔従来技術Ｉ〕

最近、高効率発電の一環として、コンバインドサイク
ルプラントが注目されている。このコンバインドサイク
ルプラントは、まずガスタービンによる発電を行い、そ
のガスタービンから排出される排ガス中の保有熱を排熱
回収ボイラによって熱回収し、さらにこの排熱回収ボイ
ラで発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動させて、
両方のタービンで発電するものである。

第５図は、従来のコンバインドサイクルプラントの概
略系統図である。

同図において、空気供給管１からの燃焼用空気Ａと燃
料供給管２からの燃料Ｆを燃焼器３で混合して燃焼さ
せ、その燃焼ガスでガスタービン４を回転させてガスタ
ービン４による発電を行なう。このガスタービン４から
排出された排ガスＧは、排熱回収ボイラ５の排ガス通路
６へ導入される。この排ガス通路６には下流側から上流
側に向けて節炭器７、蒸発器８、ドラム９および過熱器
10がそれぞれ配置されている。又、近年、ガスタービン
排ガス温度の高温化に供に、蒸発器８と過熱器10との間
に再熱器29が配置される場合もある。

一方、被加熱流体である給水WFは給水ポンプ11より給
水管12を経て節炭器７に供給され、これで所定の温度ま
で予熱された後、ドラム９に供給される。ドラム９に供
給された給水WFは、ドラム９の降水管13を経て蒸発器
８、ドラム９の順で自然循環または強制循環され、その
間に加熱されてドラム９内で水と蒸気に分離される。水
は再び降水管13、蒸発器８およびドラム９へと再循環さ
れるが、蒸気は過熱器10へ送られ、ここでさらに昇温さ
れた後、主蒸気管14より蒸気タービン15へ供給され、蒸
気タービン15によって発電を行う。前記再熱器29がある
場合には、蒸気タービン15からの蒸気を再熱器29へ送っ
てそこで蒸気を過熱し、その過熱蒸気を再び蒸気タービ
ン15へ送って発電する。なお、図中の16は発電機、17は
復水器である。

第６図は、前記節炭器７、再熱器29および過熱器10な
どに使用される伝熱パネルの斜視図である。

この伝熱パネル18は同図に示すように、入口ヘッダー
19から導入された水又は蒸気は、多数並設された伝熱管
22にて加熱されながら下方から上方へ流れて出口ヘッダ
20により取り出され、連絡管21を経由して次の伝熱パネ
ル18へと移動する。

このように従来の伝熱パネル18では、入口ヘッダ19か
らの被加熱流体は伝熱管22を下から上への一方向のみ流
れ、出口ヘッダ20から連絡管21を経て、次の伝熱パネル
18へと流れる仕組になっている。

〔発明が解決しようとする課題Ｉ〕

この種の伝熱パネル18における伝熱管22の管内熱伝達
率は、ほぼ管内流速の0.8乗に比例するため、流速が大
きいほど熱回収率は良くなり、反対に管内流速が遅いほ
ど熱回収率は悪い。

ところで最近、現地での据付期間を短縮するため、排
熱回収ボイラ５を工場で第７図に示すように排熱回収モ
ジュール23にする傾向にある。この場合、同図に示す如
く排熱回収ボイラモジュール23の下に、輸送用重機24
（例えばドーリーなど）を入れて排熱回収ボイラモジュ
ール23をそのままの状態で建設現場まで輸送する方式が
採られている。そのため排熱回収ボイラ５の横幅L1は輸
送用重機24を入れる関係上、輸送用重機24の横幅L2より
も広く、排熱回収ボイラをモジュール化しない場合の横
幅L3よりもかなり広くなっている。

そのために必然的に、伝熱パネル18の伝熱管本数も多
くなる。従って個々の管内流速が低下し、十分な熱回収
が行われない。これを補うためにはパネル数を増加する
必要があり、それに伴って重畳が増加したり大型化した
り、不経済であるなどの問題がある。

これらの問題を解決するため、第８図に示すような伝
熱パネル18が提案されている（実開昭62−125807号公
報）。この伝熱パネル18は、伝熱管22の両端に配置され
るヘッダ19ならびに20をそれぞれ複数に分割して分割パ
ネルを作り、各分割パネルをパネル連絡管21で接続する
構造になっている。このようにすれば、従来の伝熱パネ
ルに比較して個々の伝熱管22における管内流速を増し、
熱回収効率を高めることができる。

しかし、この構成のものにおいても問題がない訳では
ない。すなわち伝熱パネルの分割数に応じてパネル連絡
管21の数が増える訳であるが、このパネル連絡管21の存
在によって圧力損失が大となるばかりでなく、アンバラ
ンスフローを生じることがある。特に節炭器の場合にア
ンバランスフローを生じると、部分的に水が流れない伝
熱管が生じ、そのため管内で蒸気が発生してウォーター
ハンマー現象が起り、伝熱管を損傷する欠点がある。

〔従来技術II〕

第10図も従来の排熱回収ボイラの概略構成図である。
同図に示すように排ガスＧの流れ方向上流側より過熱器
41,蒸発器42ならびに節炭器43が順次配置されている。
給水ポンプ（図示せず）から送られてきた水は節炭器43
の入口に導入され、節炭器43内で上昇、下降を繰り返し
ながら熱吸収され、流量調整弁44を通ってドラム45へ導
かれる。

導入された水はドラム45内で缶水と混合され、蒸発器
42にて飽和蒸気となって過熱器41に導かれ、高温に過熱
された後に蒸気タービン（図示せず）に供給される。

この排熱回収ボイラにおいて、ガスの熱量が低下する
と蒸発量が少なくなるため、節炭器43の入口側に配置さ
れている給水流量調整弁46で給水流量を調整するように
なっている。このとき、給水ポンプの特性から節炭器43
の内圧は、負荷が低下しても高く維持されるようになっ
ており、それによって節炭器43内でのスチーミングを防
止している。特に変圧運転を行う場合、過熱器41ならび
に蒸発器42においては飽和蒸気温度が低下することにな
るため、この方法によって節炭器43の圧力を高く維持す
ることはスチーミング防止に有効である。

〔発明が解決しようとする課題II〕

第10図に示すような構成の排熱回収ボイラでは、流量
調整弁44の出口において流体がフラッシングし、特に変
圧運動においては流量調節弁44の出入口の圧力差が大き
く、それに伴ってフラッシングも激しくなり、流量調整
弁44の摩耗が顕著になる。

このようなことが起こらないようにするためには、節
炭器43出口の流体エンタルピーを低くした設計とする必
要がある。しかし節炭器43の出口エンタルピーを低くす
ることは、結果的には排熱回収ボイラでの蒸発量を低下
することになり、コンバインドサイクルプラントなどで
はプラント効率の低下を招来することになり、好ましい
ことではない。

本発明の目的は、前述した従来技術の欠点を解消し
て、伝熱パネル内の伝熱管の本数が増加しても、管内流
速が大きくでき、熱回収率が高く維持できる排熱回収ボ
イラを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するため、本発明は、排ガス通路内に
配置した過熱器、再熱器、蒸発器および節炭器などの熱
交換器のうち、前記蒸発器を除く少なくとも１つの熱交
換器は、多数の伝熱管が排ガス通路の幅方向に配置さ
れ、その伝熱管の両端にはヘッダが接続された伝熱パネ
ルから構成された排熱回収ボイラにおいて、前記伝熱パ
ネルは、伝熱管を排ガス通路の幅方向に分割すると共
に、前記伝熱管の一端に接続されるヘッダとして入口ヘ
ッダと出口ヘッダを前記分割した伝熱管にそれぞれ接続
して設け、他端に接続されるヘッダとして中間ヘッダを
全伝熱管に接続して設けた構成になっており、 かつ、その伝熱パネルを排ガス流れ方向に複数段配置
し、隣接する伝熱パネルの入口ヘッダと出口ヘッダの長
さが互いに異なり、１つの伝熱パネルの入口ヘッダと出
口ヘッダの境部が、隣に配置された伝熱パネルの入口ヘ
ッダまたは出口ヘッダと対向していることを特徴とする
ものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面とともに説明する。第１
図は、本発明の第１実施例に係る伝熱パネルを示すもの
である。

同図に示す伝熱パネル18では、紙面に向かって垂直方
向に延びたガス通路内に多数本の伝熱管22が配置される
が、この伝熱管22は紙面に向かって左右にほぼ２分さ
れ、中間部にガスパス防止板27が挿入されている。紙面
に向かって右側の伝熱管22（領域ａ）の一端には入口ヘ
ッダ19が接続され、一方、左側の伝熱管22（領域ｂ）の
一端には出口ヘッダ20が接続されている。この入口ヘッ
ダ19と出口ヘッダ20とは完全に分離しており、図に示す
ように両者の隙間に対応した位置に前記ガスパス防止板
27が配置された構造になっている。また、全伝熱管22の
他端は、入口ヘッダ19ならびに出口ヘッダ20と対向する
位置に設けられた中間ヘッダ25に、それぞれ接続されて
いる。

この構成の伝熱パネルにおいては、例えば水などの被
加熱流体は入口ヘッダ19から導入され、領域ａ側の伝熱
管22を通り、中間ヘッダ25を経て、領域ｂ側の伝熱管22
を通ってから出口ヘッダ20から排出され、従来のものと
異なり被加熱流体が二方向に流れるようになっている。

なお、本発明の実施例においては、第５図に示す過熱
器10、再熱器29、蒸発器８および節炭器７のうち、蒸発
器８を除く過熱器10、再熱器29および節炭器７を前記伝
熱パネル18で構成したものである。

それは、蒸発器８の伝熱管22内では被加熱流体は沸騰
しながら熱伝達されるのであるから、管内の流速を上げ
ても伝熱効率の向上にはほとんど影響しないためであ
る。

これに対して過熱器10、再熱器29および節炭器７にお
ける伝熱管22内での被加熱流体は水あるいは蒸気のみの
一相であるために、流速を上げるとそれに応じて伝熱効
率が向上する。

この実施例のように、入口ヘッダ19と出口ヘッダ20と
を分割した場合、領域ａにおける左端の伝熱管22aと領
域ｂにおける右端の伝熱管22bとの隙間が必然的に大き
くなる。そうなると排ガスＧがその隙間を通ってショー
トパスして熱回収効果が低減するから、ショートパスを
防止して熱回収率を高めるためにガスパス防止板27が配
置されている。

第１実施例では、入口ヘッダ19と出口ヘッダ20の長さ
がほぼ等しいが、第２図に示す第２実施例の場合は、入
口ヘッダ19と出口ヘッダ20の長さを変えている。このよ
うに入口ヘッダ19と出口ヘッダ20の長さを交互に変える
ことによって、パネルＡの分割部をショートパスした排
熱ガスの熱を、下流側に位置するパネルＢで熱回収する
ようにして、分割部のガスパス防止板27を不要にするこ
とができる。なお、この実施例では入口ヘッダ19を短
く、出口ヘッダ20を長くしているが、これとは反対に入
口ヘッダ19の方を長く、出口ヘッダ20の方を短くするこ
ともできる。

第３図に示す第３実施例において前記第１実施例と異
なる点は、第１図の伝熱パネル18は縦位置に配置された
ものであるのに対し、第３図の伝熱パネル18は横位置に
配置したものであり、他の説明は第１図のものと同一で
ある。

第４図は、本発明の第４実施例を示したものである。
コンバインドサイクルプラントの場合、ガスタービンの
起動時、低負荷時、排熱回収ボイラの節炭器７の給水出
口部で蒸気を発生スチーミングする欠点がある。それは
起動時、低負荷時には高負荷時に比べて第５図に示す排
ガス通路６の入口での排ガス温度が低く、このために節
節器７の上流側に配置されている過熱器10、再熱器29な
らびに蒸発器８の伝熱パネル18での熱吸収量は少なくな
る。

従って、節炭器７入口の排ガス温度は過熱器10、再熱
器29、蒸発器８での熱吸収量が少なくなるのでそれだけ
高くなり、節炭器７の伝熱パネル18での熱吸収量は逆に
多くなり、この熱吸収量の増加に伴って節炭器７の伝熱
パネル18の内、給水出口に近いつまり、排ガスの流れか
らみて上流側の伝熱パネル18（節炭器７の排ガス上流に
位置する伝熱パネル18）でスチーミングが発生する。そ
してスチーミングが発生すると、ウォーターハンマーを
併発し、伝熱管22を損傷する恐れがあるため好ましくな
い。

よって、第１図または第２図に示す伝熱パネル18を全
て節炭器７に使った場合、給水出口部の伝熱パネル18C
の入口ヘッダ19から中間ヘッダ25に流れる下降流の伝熱
管22内で蒸気が発生すると、その蒸気が停滞し、ウォー
ターハンマーを生じるという問題がある。

そこでこの第４図に示す実施例では、蒸気が発生する
と予想される給水出口部の伝熱パネル18Cを上昇流のみ
の伝熱パネル18、即ち、第６図に示す伝熱パネル18と
し、その他の伝熱パネル18D,18E,18F,18Gならびに18Hを
第１図または第２図に示す伝熱パネル18とすることによ
って、節炭器７での熱回収率を高め、さらに蒸気が発生
しても停滞を起こすことなく、ドラム９に給水をするこ
とができるようにしたものである。

ここで、蒸気が発生する領域が広い場合には、伝熱パ
ネル18Dも上昇流のみの伝熱パネル18とし、伝熱パネル1
8Cと18Dを接続する連絡管の径を小さくして、連絡管内
流速を高め、蒸発の停滞を無くし、伝熱パネル18Dから
伝熱パネル18Cへ給水を送るようにすることもできる。

第９図は、本発明の第５実施例を説明するための図で
ある。同図に示すように排ガスＧの流れ方向上流側から
下流側に沿って過熱器41,蒸発器42,高温側節炭器43bな
らびに低温側節炭器43aが順次配置されている。

給水ポンプ（図示せず）より送られてくる給水は、低
温腐食防止のため節炭器43a内の高温の水と適量混合
し、排ガスＧの露点（約45℃）以上に加温して節炭器43
aに供給される。節炭器43aに送られた水は、上昇、下降
を繰返しながら排ガスＧからの熱を吸収した後、上昇管
のみで構成されている高温側節炭器43bに節炭器連絡管4
7を通して供給される。このように高温側節炭器43bを上
昇管のみで構成すれば、その中で蒸気を発生してもそれ
が滞留することはなく、結局、ウォーターハンマーは生
じない。

高温側節炭器43b出口の流体（水または蒸気を含んだ
気水混合流体）は、ドラム連絡管48を通ってドラム45に
導かれ、ドラム45内の缶水と混合され、蒸発器42に流入
する。蒸発器42で発生した飽和蒸気はドラム45内で気水
分離され、過熱器連絡管49により過熱器41に導かれ過熱
蒸気となって蒸気タービン（図示せず）に送られる。

排熱回収ボイラの負荷変化に伴う給水量制御は、低温
側節炭器43aと高温側節炭器43bとを連絡する節炭器連絡
管47の途中に設けられた流量調整弁46で行われる。その
ため、低温側節炭器43a内は所定の高い圧力に維持する
ことができ、低温側節炭器43a内でのスチーミングが防
止できる。

また、高温側節炭器43bは上昇管のみで構成されてい
るため、スチーミングを発生しても問題にはならないか
ら、ドラム45入口の流体エンタルピーを高めた設計が可
能であり、蒸気量を増すことでコンバインドサイクルプ
ラントなどのプラント効率を高めに設計することができ
る。

さらに高温側節炭器43bでの熱吸収量を多くすれば、
それだけ蒸発量を増加することができるとともに、低温
側節炭器43a入口のガス温度が低下し、さらに低温側節
炭器43aでのスチーミングが生じ難いという効果があ
る。

高温側節炭器43bとドラム45との間を連絡するドラム
連絡管48の途中には、オリフィスまたはオリフィスチュ
ーブなどからなる圧力損失付与部50と切換弁51とが併設
されている。部分負荷で低温側節炭器43a出口の流体温
度が上昇して、流量調整弁46出口においてフラッシング
が発生し易くなると、前記切換弁51により流体を圧力損
失の大きい圧力損失付与部50に導くことにより、フラッ
シングを防止することができる。さらにこのようなこと
から、流量調整弁46入口の流体エンタルピーをこれらの
限界近くまで高めることができ、そのために蒸発量を更
に増加して、プラント効率をいっそう向上することが可
能である。

〔発明の効果〕

請求項１記載の本発明は前述のように、伝熱パネル
が、伝熱管を排ガス通路の幅方向に分割すると共に、伝
熱管の一端に接続されるヘッダとして入口ヘッダと出口
ヘッダを分割した伝熱管にそれぞれ接続して設け、他端
に接続されるヘッダとして中間ヘッダを全伝熱管に接続
して設けた構成になっている。そのため伝熱管中の流速
が大きくでき、熱回収率が高く維持できる。

また隣接する伝熱パネルの入口ヘッダと出口ヘッダの
長さが互いに異なり、１つの伝熱パネルの入口ヘッダと
出口ヘッダの境部が、隣に配置された伝熱パネルの入口
ヘッダまたは出口ヘッダと対向しているから、入口ヘッ
ダと出口ヘッダの境部に対応して形成される伝熱管と伝
熱管の空間部（分割部）を通過した排ガスの熱がその後
流側の伝熱パネルで回収され、熱回収率の低下が防止で
きる。

請求項２記載の本発明は前述のように、低温側節炭器
の伝熱パネルは前述の入口ヘッダと出口ヘッダと中間ヘ
ッダを設けた上昇管と下降管の組み合わせで構成されて
いるから、請求項１記載の本発明と同様に伝熱管内の流
速を大きくして、しかも分割部をショートパスした排ガ
スの熱も回収できるから、熱回収率の向上が図れる。そ
れに加えて高温側節炭器の伝熱パネルは入口下部ヘッダ
と出口上部ヘッダを設けた上昇管のみで構成されている
から、高温側節炭器内で蒸気が発生してもそれが滞留す
ることなく、結局、ウォーターハンマー現象の発生が防
止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る伝熱パネルの平面
図、第２図は第２図に係る伝熱パネルの平面図、第３図
は第３実施例に係る伝熱パネル群の平面図、第４図は第
４実施例に係る排熱回収ボイラの節炭器付近の概略構成
図、第５図は従来の排熱回収ボイラの概略構成図、第６
図は従来の伝熱パネルの斜視図、第７図はモジュール化
した排熱回収ボイラを輸送する状態を示す説明図、第８
図は従来提案された排熱回収ボイラの概略構成図、第９
図は本発明の第５実施例に係る排熱回収ボイラの概略構
成図、第10図は従来の排熱回収ボイラの概略構成図であ
る。 ５……排熱回収ボイラ、６……排ガス通路、７……節炭
器、８……蒸発器、９……ドラム、10……過熱器、18…
…伝熱パネル、19……入口ヘッダ、20……出口ヘッダ、
22……伝熱管、29……再熱器、27……ガスパス防止板、
41……過熱器、42……蒸発器、43……節炭器、43a……
低温側節炭器、43b……高温側節炭器、45……ドラム、4
6……流量調整弁、47……節炭器連絡管、48……ドラム
連絡管、50……圧力損失付与部、51……切換弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 祥介 東京都千代田区大手町２丁目６番２号 バブコツク日立株式会社内 (72)発明者 ▲吉▼崎 弘師 広島県呉宝町６番９号 バブコツク日立 株式会社呉工場内 (56)参考文献 特開 昭61−66001（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−217107（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−290303（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−139704（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−113667（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F22B 1/18

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】排ガス通路内に配置した過熱器、再熱器、
   蒸発器および節炭器などの熱交換器のうち、前記蒸発器
   を除く少なくとも１つの熱交換器は、多数の伝熱管が排
   ガス通路の幅方向に配置され、その伝熱管の両端にはヘ
   ッダが接続された伝熱パネルから構成された排熱回収ボ
   イラにおいて、 前記伝熱パネルは、伝熱管を排ガス通路の幅方向に分割
   すると共に、前記伝熱管の一端に接続されるヘッダとし
   て入口ヘッダと出口ヘッダを前記分割した伝熱管にそれ
   ぞれ接続して設け、他端に接続されるヘッダとして中間
   ヘッダを全伝熱管に接続して設けた構成になっており、 かつ、その伝熱パネルを排ガス流れ方向に複数段配置
   し、隣接する伝熱パネルの入口ヘッダと出口ヘッダの長
   さが互いに異なり、１つの伝熱パネルの入口ヘッダと出
   口ヘッダの境部が、隣に配置された伝熱パネルの入口ヘ
   ッダまたは出口ヘッダと対向していることを特徴とする
   排熱回収ボイラ。
2. 【請求項２】請求項（１）記載において、前記熱交換器
   が節炭器であって、その節炭器が、排ガス流れ方向上流
   側に配置された高温側節炭器と、下流側に配置された低
   温側節炭器を有し、 その低温側節炭器の伝熱パネルは前記入口ヘッダと出口
   ヘッダと中間ヘッダを設けた上昇管と下降管の組み合わ
   せで構成され、前記高温側節炭器の伝熱パネルは入口下
   部ヘッダと出口上部ヘッダを設けた上昇管のみで構成さ
   れていることを特徴とする排熱回収ボイラ。