JP3769363B2

JP3769363B2 - 排熱回収ボイラー

Info

Publication number: JP3769363B2
Application number: JP24095297A
Authority: JP
Inventors: 条光伸中; 木正昭三; 田英俊土
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2017-09-05
Also published as: JPH1182916A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コンバインドサイクル発電プラント等に用いられる排熱回収ボイラーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の火力発電プラントは、高効率運転・運用の多様化および起動時間の短縮等の課題から、コンバインドサイクル発電プラントが多く採用される。すでに、運用されているコンバインドサイクル発電プラントとしては、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせたものがあり、ガスタービン、排熱回収ボイラー、蒸気タービンを有している。
【０００３】
この排熱回収ボイラーは、ガスタービンの排熱を熱源とし、蒸気タービンからの給水を被熱源とし、その被熱源に熱を加えて蒸気を発生させている。そして、この発生した蒸気で蒸気タービンを作動させ発電を行うようになっている。この排熱回収ボイラーには、排熱の流れに沿って過熱器、ドラム付蒸発器、節炭器が配置され、給水（飽和水）をこれら各熱交換器を通過させることによって過熱蒸気に換えるようになっている。
【０００４】
図１０は、このような排熱回収ボイラー１０を有する発電プラントを示す系統図である。この図において、ガスタービン１１は、蒸気タービン１２とともに発電機１３を駆動し、また、ガスタービン１１からの排気は、排熱回収ボイラ本体１４で熱を回収され、煙突１５から排出されるようになっている。
【０００５】
蒸気タービン１２で使用された蒸気は、復水器１６で水になり、復水ポンプ１７、給水ポンプ１８により、節炭器入口止弁１９を通って節炭器２０に送られる。ここでガスタービンからの排ガスによって予熱された水は、給水調節弁２１を通ってドラム２２に送られ、蒸発器２３で蒸発し蒸気となる。この蒸気は、過熱器２４でさらに過熱されエネルギを増し、ボイラ出口止弁２５、主蒸気止弁２６、主蒸気調節弁２７を通って、蒸気タービン１２へ送られ、発電に供される。
【０００６】
ところで、コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービンの急速起動、停止の利便性をいかして、起動・停止を毎日繰り返す、いわゆるＤＳＳ(Dairy Start Stop)運転によって運用されている。このような運転において、翌日の起動時にガスタービンの急速起動に遅れることなく蒸気を発生できるようにするため、ホットバンキングという方法が行われている。このホットバンキングは、プラント停止中に排熱回収ボイラーをホットな状態に維持しておき、翌朝の起動に備えるためのものであり、残余熱を温存させるためボイラー出口ダンパーを閉止し、予熱された缶水や給水をドラム付蒸発器、節炭器、給水ラインに閉じ込めるようにしたものである。
【０００７】
図１０に示す排熱回収ボイラ１０においては、運転停止時、ボイラー出口ダンパー２８を閉じ、給水はその予熱水を節炭器入口止弁１９と給水調節弁２１の間の節炭器２０に閉じこめる。また、缶水は、その予熱水をボイラー出口止弁２５を閉止して蒸発器付ドラム２２の中に閉じこめて、次の運転まで待機するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の自然循環型排熱回収ボイラー１０は、図１１に示すように、過熱器パネル数が１枚ないし奇数枚の場合は、配置上合理的になるように、ドラム２２から出る飽和蒸気を導く過熱器入口連絡管２９は排熱回収ボイラ本体１４上部より過熱器２４のパネルに接続されている。また、過熱器２４のパネル出口から取り出された過熱蒸気を導く過熱器出口連絡管３０は、排熱回収ボイラー本体１４下部より取り出されている。このような配置において、ホットバンキングのため、ボイラー出口止め弁２５を閉止させると、ボイラー本体の排ガス通路部内の自然対流により過熱器２４下部が冷やされ、過熱器内の蒸気がドレン化してしまう。さらに、ドレン化による蒸気の体積減少に伴い、さらにドラム２２から飽和蒸気を過熱器２４に引き込んでしまうため、過熱器２４下部から過熱器出口連絡管３０のボイラー出口止め弁２５にかけて、ドレンＡを蓄積させてしまう結果となる。
【０００９】
このような状態で、翌朝ホットバンキング解除時にボイラー出口止め弁２５を開くと、ドラム２２の残圧によって過熱器２４下部に溜まったドレンＡが一気に押し出され、加速されて主蒸気管のエルボ部に衝突する。このため、ウォーターハンマーが発生し、主蒸気管およびその支持装置を破損させる危険性がある。
【００１０】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、ホットバンキング解除時のドレンによるウォーターハンマを防止できる排熱回収ボイラを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の特徴は、その内部を排気ガスが通過するボイラー本体と、
復水器からの復水が送水される、前記ボイラー本体の上方に設けられたドラムと、
前記ボイラー本体の内部に設けられた蒸発器および過熱器と、を備え、
前記ドラム内の復水を前記蒸発器で蒸発させて蒸気にするとともに、前記ドラムからの蒸気を前記過熱器で過熱して蒸気タービンに供給する自然循環型の排熱回収ボイラーにおいて、
前記ドラムから前記過熱器に蒸気を供給する過熱器入口連絡管は、前記過熱器の下部から接続されており、
前記過熱器において過熱された蒸気を供給する過熱器出口連絡管は、前記過熱器の上部に接続されて前記ボイラー本体の上方に延びるとともに、ボイラー出口止め弁を介して蒸気タービンに延びる主蒸気配管に接続されていることを特徴とする排熱回収ボイラーである。
【００１２】
本発明の第２の特徴は、前記過熱器入口連絡管は、前記ドラムから下方に延びた後、その延びる方向が上方に反転し、前記過熱器の下側の管寄せに接続されていることを特徴とする請求項１に記載した排熱回収ボイラーである。
【００１３】
本発明の第３の特徴は、前記過熱器が、奇数枚の過熱器パネルを有していることを特徴とする請求項１または２に記載した排熱回収ボイラーである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る排熱回収ボイラーを添付図面を参照して説明する。なお、従来例と同一構成の部分には、同一符号を付しその説明を省略する。
【００１５】
図１は、この発明の一実施形態の排熱回収ボイラーの概略を示す図であり、図２はこの排熱回収ボイラーの過熱器を示す図である。この排熱回収ボイラー４０は、復水器からポンプ等を介して送水された復水を節炭器にて余熱してドラムに給水し蒸発器にて蒸発させた後、過熱器にて蒸気を過熱し、蒸気タービンへ蒸気を供給する自然循環型排熱回収ボイラーにおいて、ドラム２２から出る飽和蒸気を導く過熱器入口連絡管４１をボイラ本体１４下部から接続し、過熱蒸気を導く過熱器出口連絡管４２をボイラ本体１４上部から取り出し、過熱器４３の最終パネルを常に上昇流れパネルとし、ボイラー出口止め弁４４をボイラー上部に配置することにより、ホットバンキング中に発生するドレンＡを主蒸気配管４５内に移動させることによりホットバンキング解除時にウォーターハンマーが発生しないように対処したものである。
【００１６】
この排熱回収ボイラー４０では、ボイラー出口止め弁４４をホットバンキングのため停止中に閉止させた状態において、排熱回収ボイラー４０の排ガス通路部４６内の自然対流冷却により過熱器４３下部に蒸気ドレンＡが発生しても、過熱器４３の出口を排熱回収ボイラー本体１４上部より取り出し、かつ、ボイラー出口止め弁４４がボイラー本体１４上部に配置されているため、ボイラー出口止め弁４４と過熱器４３のドレンＡとの間に蒸気層Ｂを挿入する事ができる。これにより、ボイラーのバンキング解除時においてボイラー出口止め弁４４を開く際には、最初に過熱器４３内の蒸気Ｂが主蒸気配管４５に送られることとなり、過熱器４３上部の蒸気層Ｂの一部が主蒸気配管４５内に充填されたところで、過熱器ドレンＡの移動は終了するため、ウォーターハンマーは発生せず、主蒸気管４５およびその支持装置の破損問題は回避することが出来る。
【００１７】
第１参考例
図３は、第１参考例の過熱器伝熱管パネル５１の概略構造図であり、図４は、過熱器伝熱管パネル５１の下部の拡大図である。この排熱回収ボイラー５０は、ガス流れ方向に直交するように１枚の過熱器伝熱管パネル５１を配置し、上部過熱器入口管寄せ５２から下部過熱器中間管寄せ５３に向かって下向きに流れる蒸気を導く伝熱管（以下、下降流伝熱管５４と称す。）と下部過熱器中間管寄せ５３から上部過熱器出口管寄せ５５に向かって上向きに流れる蒸気を導く伝熱管（以下、上昇流伝熱管５６と称す。）とが両方接続されている下部過熱器中間管寄せ５３を配置し、ホットバンキング中に発生するドレンを主蒸気管５７内に移動させないことによりホットバンキング解除時にウォーターハンマーが発生しないように対処したものである。この排熱回収ボイラー５０では、排熱回収ボイラー排ガス通路５８内の自然対流冷却により過熱器伝熱管パネル５１内に蒸気ドレンが発生しても下降流伝熱管５４と上昇流伝熱管５６とにより蒸気ドレンによるＵ字シールを形成する事ができる。これにより過熱器ドレンの充填が上部過熱器出口管寄せ５５付近で止まり過熱器ドレンが主蒸気管５７内に移動する事が困難となる。従って、ホットバンキング解除時にウォーターハンマーが発生することを防止することができ、主蒸気管およびその支持装置の破損問題を回避することができる。
【００１８】
第２参考例
図５は、第２参考例の過熱器伝熱管パネル６１の概略構造図である。この排熱回収ボイラーは、ガス流れ方向に１枚の過熱器伝熱管パネル６１を配置し、上部過熱器管寄せ６２を二分割とし下部過熱器中間管寄せ６３は一体とし、ホットバンキング中に発生するドレンを主蒸気管内に移動させないことによりホットバンキング解除時にウォーターハンマーを発生しないように対処したものである。この排熱回収ボイラーでは、排熱回収ボイラー排ガス通路部内の自然対流冷却により、過熱器伝熱管パネル６１内に蒸気ドレンが発生しても上部過熱器管寄せ６２を二分割することにより上部過熱器管寄せが入口管寄せ６４と出口管寄せ６５と両方の働きを兼ね備え、下向きに流れる蒸気を導く伝熱管群６６と上向きに流れる蒸気を導く伝熱管群６７を混成し、蒸気ドレンによるＵシールを形成する事ができる。これにより過熱器ドレンの充填が出口管寄せ６５近辺で止まり、過熱器ドレンが主蒸気管６８に移動する事が困難となる。従って、ホットバンキング解除時にウォーターハンマーは発生せず、主蒸気管およびその支持装置の破損問題を回避することができる。
【００１９】
第３参考例
図６は、この発明にかかる排熱回収ボイラーの第３参考例を示す概略系統図である。この排熱回収ボイラー７０は、ドラム２２と過熱器２４を結ぶ連絡配管７１上の最上部に止め弁７２を配置し、ホットバンキング解除時に有害な過熱器ドレンを蓄積させないようにしたものである。
【００２０】
この排熱回収ボイラー７０では、復水器からポンプを介して送水された復水を節炭器にて余熱してドラムに給水し蒸発器にて蒸発させた後、過熱器にて蒸気を過熱し、蒸気タービンに蒸気を供給する自然循環型排熱回収ボイラーにおいて、ドラム２２と過熱器２４を結ぶ連絡配管７１上の最上部に止め弁７２を有している。従って、ホットバンキング中にこの止め弁７２を閉止しておけば、排熱回収ボイラーの排ガス通路部４６内の自然対流冷却により過熱器２４下部に蒸気ドレンＡが発生しても、ドレン化による蒸気の体積減少によってドラム２２から飽和蒸気を過熱器２４に引き込むことを避けることができ、このため、過熱器２４下部から下流側に発生するドレンが大量に蓄積されることを防止できる。また、過熱器２４内蒸気の凝縮により発生する少量のドレンについても、ボイラー下部に位置する過熱器出口配管３０に設置されたドレントラップ７３により、バンキング中に排出することが出来る。これにより、バンキング中に発生する有害なドレンは発生しないため、ボイラーのバンキング解除時において、ドレンの移動によるウォーターハンマーは発生せず、主蒸気管およびその支持装置の破損問題を回避することが出来る。
【００２１】
図７、図８、図９の排熱回収ボイラーは、低圧、中圧、高圧の３つの排熱回収回路が並列に設けられた例である。
【００２２】
第４参考例
図７に示す排熱回収ボイラー８０は、低圧回路として低圧ポンプ８１を有しており、復水器からの水を供給している。この低圧ポンプ８１には、低圧節炭器８２が接続されており、この低圧節炭器８２には、低圧蒸気ドラム８３が接続されている。この低圧蒸気ドラム８３には、低圧過熱器入口配管８４が接続されており、この低圧過熱器入口配管８４には、低圧過熱器８５が接続されている。この低圧過熱器８５には、低圧過熱器出口配管８６が接続されており、この低圧過熱器出口配管８６には、低圧過熱器出口止め弁８７が接続されている。
【００２３】
同様に、中圧回路として、中圧ポンプ８８、中圧節炭器８９、中圧蒸気ドラム９０、中圧過熱器入口配管９１、中圧過熱器９２、中圧過熱器出口配管９３、中圧過熱器出口止め弁９４が、この順に接続されている。
【００２４】
また、同様に、高圧回路として、高圧ポンプ９５、高圧節炭器９６、高圧蒸気ドラム９７、高圧過熱器入口配管９８、高圧過熱器９９、高圧過熱器出口配管１００、高圧過熱器出口止め弁１０１が、この順に接続されている。また、低圧過熱器入口配管８４、中圧過熱器入口配管９１、高圧過熱器入口配管９８には、それぞれ止め弁１０２，１０３，１０４が設けられている。
【００２５】
このような構成において、低圧ポンプ８１で供給された水は、低圧節炭器８２で加熱された後、低圧蒸気ドラム８３で蒸気となり、低圧過熱器８５でさらに加熱されて過熱蒸気として供給される。中圧回路、高圧回路においても同様である。
【００２６】
このような排熱回収ボイラーにおいてホットバンキングが行われ、各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１が閉鎖されると、ボイラ本体の排ガス通路内の自然対流により各過熱器８５，９２，９９、各過熱器入口配管８４，９１，９８、各過熱器出口配管８６，９３，１００が冷やされる。このため、内部の蒸気が凝縮しドレンとなるとともに、内部の気圧が低下する。しかし、この排熱回収ボイラーにあっては、各過熱器入口配管８４，９１，９８にそれぞれ止め弁１０２，１０３，１０４が設けられているから、各過熱器８５，９２，９９内の気圧が低下しても、各蒸気ドラムの飽和水を新たに引き込むことがない。従って、蒸気の凝縮によるドレン化が連続して起こりこの部分に大量のドレンが蓄積されることを防止することができる。
【００２７】
また、ここでもし止め弁１０２，１０３，１０４がないと、ドラムからの飽和水の連続的な引き込みと蒸気化によってドラム圧力が低下し、排熱回収ボイラを高温で維持しようというホットバンキングの意味が全くなくなる。しかし、この排熱回収ボイラー８０では、止め弁１０２等によって飽和水の連続的な引き込みを阻止し蒸気ドラムの圧力低下を防止できるので、効果的なホットバンキングが可能となる。
【００２８】
第５参考例
図８に示す排熱回収ボイラ１１０は、各蒸気ドラム８３，９０，９７から各過熱器出口止め弁８７、９４、１０１へ至る蒸気系最下部に過熱器ドレン弁１１１，１１２，１１３を設置している。
【００２９】
排熱回収ボイラ停止期間中、この過熱器ドレン弁１１１，１１２，１１３は閉としておくことにより、各蒸気ドラム８３，９０，９７から各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１へ至る蒸気系で自然冷却により発生したドレンはそのまま蒸気系に滞流する。このため、蒸気系におけるドレンレベルが徐々に上昇し、蒸気相の表面積が低下していくこととなる。これにより自然冷却によるドレン化の速度も低下し、最終的に各過熱器入口配管８４，９１，９８までドレンが滞流するとドレン化も停止することとなる。これにより、排熱回収ボイラ停止期間中のドレン化量を最少にすることが可能となり、排熱回収ボイラーが高温状態で保持されるためより効果的なホットバンキングが可能となる。
【００３０】
また排熱回収ボイラ起動過程において、この滞流ドレンをそのままにしておくと各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１開時に、滞流ドレンが各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１下流側に流入し、下流側配管のウォータハンマやさらに下流側の蒸気タービンへのウォータインダクションの原因となる可能性がある。このため排熱回収ボイラ起動過程で各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１開前には、各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１上流側のドレンを確実に排出することが必要になる。すなわち、排熱回収ボイラ起動過程において各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１が開となる前に各過熱器ドレン弁１１１，１１２，１１３を開にしてドレンを抜く。過熱器ドレン弁１１１，１１２，１１３の閉操作のタイミングは、各蒸気ドラム８３，９０，９７と各過熱器出口配管内の差圧が０もしくは、設定差圧に達した時これを実施することで、ウォータハンマを抑制できる。また、各過熱器ドレン弁の閉タイミングを測る方法として、各蒸気ドラムの蒸気部の温度と各過熱器出口配管温度の差を用いる方法のほか、各過熱器ドレン弁をタイマーによって弁閉操作しても同様の効果を得られる。
【００３１】
第６参考例
図９に示す排熱回収ボイラー１２０は、各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１の上流と下流を繋ぐ配管（バイパス管）１２１、１２２、１２３を設けたものである。排熱回収ボイラ起動後各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１のバイパス管１２１、１２２、１２３に配設された制御弁１２４，１２５，１２６の開度を制御して、同過熱器出口止め弁８７、９４、１０１の上流側と下流側を徐々に均圧させる。均圧完了もしくは、設定差圧以下になったら、各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１を開操作を実行することにより、ウォータハンマを防止することができる。
【００３２】
また、各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１を微開の開度にて保持し、同過熱器出口止め弁８７，９４，１０１の上流と下流の圧力を均圧させ設定差圧以下になったら、各過熱器出口止め弁８７，９４，１０１を全開操作しても、上記と同様の効果が得られる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の排熱回収ボイラーによれば、ボイラー出口止め弁と過熱器中のドレンとの間に蒸気層を形成することができる。これにより、ボイラーのバンキング解除時においてボイラー出口止め弁を開する際には、最初に過熱器内の蒸気が主蒸気配管に送られることとなり、過熱器上部蒸気層の一部が主蒸気配管内に充填されたところで、過熱器ドレンの移動は終了する。従って、ウォーターハンマーは発生せず、主蒸気管およびその支持装置の破損問題を回避することが出来る。
また、ドラムと過熱器を結ぶ連絡配管上に止め弁を有しているから、ホットバンキング中にこのバルブを閉止しておけば、排熱回収ボイラーの排ガス通路内の自然対流冷却により過熱器下部に蒸気ドレンが発生しても、ドレン化による蒸気の体積減少に伴い、ドラムから過熱器に飽和蒸気が連続的に引き込まれることを阻止することができる。従って、過熱器下部からボイラー出口止め弁にかけてドレンが大量に蓄積されることを防止することができる。また、ホットバンキング中に止め弁を閉止しておくことによって、ドラムからの飽和水の連続的な引き込みによるドラム圧力の低下と、飽和水の連続的な蒸発によるドラム温度の低下を防止しすることができる。従って、排熱回収ボイラを高温に維持することができ、ホットバンキングの目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態である排熱回収ボイラーを示す概略系統図。
【図２】図１中ＩＩ−ＩＩ線で示す方向から見た部分の拡大図。
【図３】この発明の第１参考例の排熱回収ボイラーの過熱器伝熱管パネルを示す図。
【図４】図３中ＩＶ−ＩＶ線で示す方向から見た部分の拡大図。
【図５】この発明の第２参考例の排熱回収ボイラーの過熱器伝熱管パネルを示す図。
【図６】この発明の第３参考例の排熱回収ボイラーを示す概略構造図。
【図７】この発明の第４参考例の排熱回収ボイラーを示す概略構造図。
【図８】この発明の第５参考例の排熱回収ボイラーを示す概略構造図。
【図９】この発明の第６参考例の排熱回収ボイラーを示す概略構造図。
【図１０】従来の排熱回収ボイラーの一例を示す概略系統図。
【図１１】排熱回収ボイラーがホットバンキング時に発生させるドレンを示す概略図。
【符号の説明】
１２蒸気タービン
１４ボイラー本体
１６復水器
２０節炭器
２２ドラム
２３蒸発器
２４過熱器
５２上部過熱器入口管寄せ
５３下部過熱器中間管寄せ
５４下降流伝熱管
５５上部過熱器出口管寄せ
５６上昇流伝熱管
４１過熱器入口連絡管
４２過熱器出口連絡管
４４，８７，９４，１０１ボイラー出口止め弁
７３ドレントラップ
１０２，１０３，１０４止め弁
１１１、１１２、１１３ドレン弁
１２１，１２２，１２３バイパス管
１２４，１２５，１２６制御弁

Claims

その内部を排気ガスが通過するボイラー本体と、
復水器からの復水が送水される、前記ボイラー本体の上方に設けられたドラムと、
前記ボイラー本体の内部に設けられた蒸発器および過熱器と、を備え、
前記ドラム内の復水を前記蒸発器で蒸発させて蒸気にするとともに、前記ドラムからの蒸気を前記過熱器で過熱して蒸気タービンに供給する自然循環型の排熱回収ボイラーにおいて、
前記ドラムから前記過熱器に蒸気を供給する過熱器入口連絡管は、前記過熱器の下部から接続されており、
前記過熱器において過熱された蒸気を供給する過熱器出口連絡管は、前記過熱器の上部に接続されて前記ボイラー本体の上方に延びるとともに、ボイラー出口止め弁を介して蒸気タービンに延びる主蒸気配管に接続されていることを特徴とする排熱回収ボイラー。
前記過熱器入口連絡管は、前記ドラムから下方に延びた後、その延びる方向が上方に反転し、前記過熱器の下側の管寄せに接続されていることを特徴とする請求項１に記載した排熱回収ボイラー。
前記過熱器が、奇数枚の過熱器パネルを有していることを特徴とする請求項１または２に記載した排熱回収ボイラー。