JP3784413B2 - 廃熱ボイラの運転方法とこの方法で運転される廃熱ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンからの膨張した作動媒体に含まれる熱が水・蒸気循環回路に接続されている蒸気タービンに対する蒸気を発生するために利用され、その蒸気タービンからの凝縮した蒸気が水・蒸気循環回路に復水として導かれるようにしたガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラの運転方法に関する。本発明はまたこの方法で運転される廃熱ボイラに関する。
この種の廃熱ボイラは一般に、ガスタービンからの膨張した作動媒体に含まれる熱が蒸気タービンに対する蒸気を発生するために利用されるガス・蒸気複合タービン設備の一部である。熱伝達は、廃熱ボイラに管あるいは管束の形で配置されている多数の加熱面によって行われる。これらの加熱面は蒸気タービンの水・蒸気循環回路に接続されている。この水・蒸気循環回路は複数の例えば二つあるいは三つの圧力段を有し、各圧力段はそれぞれ予熱加熱面（エコノマイザ）、蒸発加熱面および過熱加熱面を有している。例えばヨーロッパ特許第０１４８９７３Ｂ１号明細書で知られているこの種のガス・蒸気複合タービン設備によって、蒸気タービンの水・蒸気循環回路における圧力状態に応じて約５０〜５５％の熱力学的効率が得られる。
ガスタービンの燃料油が短い運転時間だけ例えば１００〜５００ｈ／ａだけ天然ガスの「バックアップ」として使用されるガス・蒸気複合タービン設備は、ガスタービンの天然ガス運転に対して特に重点を置いて設計され最適化されている。燃料油運転の際に経費のかかるタービン抽気なしに廃熱ボイラに流入する際の給水温度を高めるために、必要な熱が種々の方式で廃熱ボイラ自体から取り出される。その一方式は、通常設けられている復水予熱器を全部あるいは一部で迂回し、復水を水・蒸気循環回路に接続されている給水タンクにおいて低圧蒸気の導入によって加熱することにある。このような方式は特に低い蒸気圧力で、給水タンク内に大容量の場合によっては多段式の高温蒸気系統を必要とし、これは大きな加熱スパンの場合通常給水タンク内で行われる脱気作用を阻害するおそれがある。
復水の有効な脱気を保証するために、給水タンク内における復水温度はできるだけ１３０〜１６０℃の温度範囲に維持しなければならず、その場合給水タンク内における復水の加熱スパンは小さくする必要がある。これは例えば蒸気で加熱される補助的な予熱器を介して復水を予熱することによって行うことができる。そのために十分な熱を供給するために、二圧式あるいは三圧式設備においてはしばしば高温水を廃熱ボイラの高圧エコノマイザから抽出する必要がある。これは特に三圧式設備の場合、通常設けられる高圧給水ポンプがその搬送流量に影響を及ぼされまた補助的な復水予熱器が特に非経済的に高圧並びに大きな温度差に対して設計されなければならないという欠点を有する。更に燃料油運転の場合に一つあるいは複数の各給水ポンプの各々に絞り損失が生ずるという欠点がある。更に高圧エコノマイザからの高温水の抽出は、いわゆる高圧アプローチ温度の低下によって高圧蒸気量の減少に通じ、これは更に設備効率の減少に通ずる。
本発明の課題は、ガスタービンに使用される燃料に無関係に特に高い設備効率が得られるようなガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラの運転方法を得ることにある。これはこの方法を実施するために適した廃熱ボイラにおいて技術的に安価な経費で達成する必要がある。
この課題は方法に関しては本発明に基づいて、ガスタービンの燃料として油を使用する場合、ガスタービンの燃料としてガスを使用する場合に燃料の予熱に利用される水・蒸気循環回路からの部分水流が復水を予熱するために使用されることによって解決される。
その場合本発明は、天然ガス運転の際に高い効率が要求されるガス・蒸気複合タービン設備において原理的には国際特許出願公開第９５／００７４７号明細書で知られているように燃料の予熱が行われるという考えから出発している。それによれば燃料を予熱するために、加熱された水の部分水流が蒸気タービンの水・蒸気循環回路から取り出され、燃料との間接的な熱交換の後で水・蒸気循環回路に再び戻される。
本発明の有利な実施態様において、燃料としてガスを使用する場合にこの燃料は直接加熱されない。むしろ熱が中間回路に例えば水／水熱交換器を介して与えられ、中間回路内を流れる媒体がはじめて燃料を加熱するために使用される。燃料として油を使用する場合にはこの予熱系統が必要とされないので、この系統は好適には油運転の際に復水の予熱のために使用され、その際、中間回路は遮断される。復水の予熱の際に冷却された部分水流は復水に再び混合されることが有利である。
ガスタービンからの排気ガスに含まれる感知可能な熱は、廃熱ボイラにおける三つの段、即ち低圧段、中圧段および高圧段から構成されている水・蒸気循環回路において排気ガスの流れ方向において高圧系統から中圧系統を介して低圧系統に向って減少する。復水の予熱に必要な熱を準備するために、部分水流の中圧段からの抽出並びに部分水流の中圧段への還流が行われることが有利である。その場合、運転中に低圧蒸気の発生が所定の値を下回ったときに、部分水流が中圧段に再び導かれることが有利である。これは好適には、特に中圧エコノマイザから取り出され復水の予熱の際に冷却された水が復水系統にではなく、中圧蒸気ドラムに導かれ、そこで再び加熱されることによって行われる。これによって給水の予熱に対して節約された熱が復水の加熱に利用される。更に中圧段の蒸気発生が相応して減少するので、中圧段に対する復水量も減少される。
この方法によれば廃熱ボイラの入口温度を例えば１３５℃までにできるので、実質的に燃料油スペクトル全体がこの目的（バックアップ燃料）のためにカバーでき、従って標準化が可能となる。
水・蒸気循環回路において蒸気タービンに復水器が後置接続されているガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラに関する上述の課題は本発明に基づいて、水・蒸気循環回路からの部分水流によってガスタービン燃料あるいは復水のいずれかを選択的に予熱するための熱交換器によって解決される。
本発明の有利な実施態様において、熱交換器は一次側で廃熱ボイラ内に配置されている予熱加熱面、好適には中圧エコノマイザに後置接続されている。
間接的な熱交換において漏洩が生じた際に安全上の理由から燃料と部分水流との接触を回避するために、燃料を予熱するための熱交換器が二次側で中間回路に接続されていることが有利である。復水を予熱するために中間回路の遮断を伴う切換が行われ、その際熱交換器は二次側で復水配管に接続される。ガスタービン燃料あるいは復水のいずれかの予熱を選択するために、例えば中間回路および／又は熱交換器から復水配管への接続管に少なくとも一つの弁が設けられることが有利である。
以下本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。図面は、ガス・蒸気複合タービン設備の水・蒸気循環回路に加熱面が接続されている廃熱ボイラの配管系統図を示している。
図面に示されている廃熱ボイラ１は電気エネルギーを発生するためのガス・蒸気複合タービン設備の一部である。このボイラはガスタービン２ａからの高温排気ガスＡＧによって貫流され、蒸気を発生するために使用され、その加熱面は蒸気タービン２ｂの水・蒸気循環回路３に接続されている。
そのために廃熱ボイラ１は復水配管４に接続されている復水予熱器６を有している。この復水予熱器は出口側が循環ポンプ８を介してその入口に接続されている。復水予熱器６を必要に応じて迂回するために、復水ポンプ１０の吐出側において復水配管４に弁１４付きのバイパス配管１２が接続されている。このバイパス配管は復水予熱器６の出口に接続されている。復水予熱器６は出口側が逆止弁１６および弁２０付きの配管１８を介して低圧ドラム２２に接続されている。復水予熱器６は更に出口側が配管２４を介して脱気器２６を有する脱気タンクあるいは給水タンク２８に接続されている。給水タンク２８は出口側が循環ポンプ３２付きの配管３０並びに逆止弁１６および配管２４を介してその入口並びに配管１８に接続されている。給水タンク２８は出口側が更に給水ポンプ３６付きの配管３４を介して、矢印ａ、ｂで示されているように、高圧エコノマイザ３８および中圧エコノマイザ４０に接続されている。
給水を予熱するために給水タンク２８の中に蒸気配管４２が開口している。この蒸気配管は低圧ドラム２２から低圧過熱加熱面４４に通じている蒸気配管４６に接続されている。低圧過熱加熱面４４は低圧ドラム２２、この低圧ドラム２２に接続されている低圧蒸発加熱面４８および蒸気タービン２ｂの低圧部分と一緒に水・蒸気循環回路３の低圧段を形成している。
中圧エコノマイザ４０は出口側が弁５０を介して中圧ドラム５２に接続されている。この中圧ドラム５２に中圧蒸発加熱面５４が接続されている。中圧エコノマイザ４０は中圧ドラム５２、中圧蒸発加熱面５４、中圧過熱加熱面（図示せず）および蒸気タービン２ｂの中圧部分と一緒に水・蒸気循環回路３の中圧段を形成している。
同じようにして高圧エコノマイザ３８は水・蒸気循環回路３の高圧段（図示せず）の一部となっている。
中圧エコノマイザ４０は出口側が更に熱交換器５６に接続されている。この熱交換器の一次側は復水配管４に接続され減圧弁６０が設けられている一次配管５８に接続されている。熱交換器５６の二次側は、燃料を予熱するためのもう一つの熱交換器６４を備えた中間回路６２に接続されている。燃料予熱系統を形成している中間回路６２には更に、流れ方向において第２の熱交換器６４の下流に弁６６およびポンプ６８が接続されている。中間回路６２即ち熱交換器５６の二次側には更に、破線で示した第１の配管７０および同様に破線で示した第２の配管７２が接続されている。第１の配管７０は弁７４を介して復水配管４に開口している。弁７６が設けられている第２の配管７２は復水配管４を中間回路６２に接続されているポンプ６８の吸込み側に接続している。熱交換器５６の一次側に同様に破線で示した弁８０付きの配管７８が接続されている。この配管は中圧エコノマイザ４０を中圧ドラム５２に接続している配管８２に開口している。
廃熱ボイラ１の運転時に、蒸気タービンに後置接続されている復水器８４からの復水Ｋが復水予熱器６にポンプ１０および復水配管４を介して導かれる。復水予熱器６は配管１２を介して全部をあるいは一部を迂回できる。給水温度Ｔ_Kは約２５〜４０℃である。復水圧力ｐ_Kは約１０〜２０バールである。復水Ｋは復水予熱器６において加熱され、そのために少なくとも一部が循環ポンプ８を介して循環される。温められた復水Ｋは配管２４を介して一部があるいは全部が給水タンク２８あるいは脱気器２６に導かれ、そこで配管４２を通して導かれる蒸気による給水の加熱が行われ、復水Ｋの脱気が行われる。温められた給水は一方では低圧ドラム２２に、他方では給水ポンプ３６を介して中圧ドラム４０に、並びに圧力を高めて高圧エコノマイザ３８に導かれる。低圧段に導かれた給水は低圧蒸発加熱面４８において低い圧力で蒸発され、その際低圧ドラム２２において分離された低圧の蒸気は一部が給水タンク２８に、一部が低圧過熱加熱面４４に導かれる。そこで過熱された蒸気は蒸気タービン２ｂの低圧部分に導かれる。
同じようにして、約４０〜５０バールの中間圧力ｐ_Mの給水は約２２０〜２４０℃の温度Ｔ_Mで中圧ドラム５２に導かれ、中圧蒸発加熱面５４において蒸発される。中圧ドラム５２内で分離された中間圧力の蒸気は蒸気タービン２ｂの中圧部分に導かれる。同じようにして高圧の給水は高圧エコノマイザ３８において加熱されて蒸発され、過熱状態において蒸気タービン２ｂの高圧部分に導かれる。
水・蒸気循環回路３から取り出された部分水流ｔ₁は熱交換器５６を通して導かれそこで冷却される。冷却された部分水流ｔ₁は水・蒸気循環回路３に再び導かれる。その場合冷却済みの部分水流ｔ₁の還流は配管５８を介して復水Ｋに混合することによって行われるか、配管７８を介して中圧ドラム５２に注入することによって行われる。この切換のために弁６０および弁８０が設けられている。部分水流ｔ₁の冷却は熱交換器５６において間接的な熱交換によって行われる。
ガスタービン燃料Ｂとしてガスを利用する場合、部分水流ｔ₁が熱交換器５６において中間回路６２内を循環される媒体Ｗ特に水と熱交換され、媒体はこの熱を第２の熱交換器６４を介してガスタービン燃料Ｂに放出する。
ガスタービン燃料Ｂ′として油を利用する場合、中間回路６２が遮断され、部分水流ｔ₁は熱交換器５６において配管７２を通してこの熱交換器５６に導かれる復水Ｋと熱交換され、この復水は熱交換器５６における冷却後、復水配管４を通って流れる復水Ｋに配管７０を介して再び混合される。その際部分水流ｔ₁は約５０℃の温度Ｔ_tに冷却され、また熱交換器５６から二次側において配管７０を通って流出する復水Ｋは約１００〜１８０℃の温度Ｔ_K′に温められる。従ってガスタービン２ａの燃料Ｂとしてガスを利用する場合に燃料の加熱のために利用される部分流ｔ₁は、ガスタービン２ａの燃料Ｂ′として油を利用する場合には復水の予熱に使用される。
油運転の際に不要とされる主に熱交換器５６を含んでいる燃料加熱系統６２、６８を復水の予熱のために利用することによって、そのために従来行われていた水・蒸気循環回路３特に高圧エコノマイザ３８からの抽出が省かれる。更に外部における復水の予熱がそのために必要とされる配管、弁およびその制御装置を含めて省かれる。従ってガス運転の際並びに油運転の際に、特に高い設備効率が得られる。その場合燃料の予熱から復水の予熱への切換は簡単に可能である。

Claims (11)

1. ガスタービン（２ａ）の膨張した作動媒体（ＡＧ）に含まれる熱が、水・蒸気循環回路（３）に接続されている蒸気タービン（２ｂ）に対する蒸気を発生するために利用され、その際蒸気タービン（２ｂ）からの凝縮した蒸気が水・蒸気循環回路（３）に復水（Ｋ）として導かれるようにしたガス・蒸気複合タービン設備（２）の廃熱ボイラ（１）の運転方法において、ガスタービン（２ａ）の燃料（Ｂ′）として油を使用する場合、ガスタービン（２ａ）の燃料（Ｂ）としてガスを使用する場合に燃料の予熱に利用される水・蒸気循環回路（３）からの部分水流（ｔ₁）が、復水を予熱するために使用されることを特徴とするガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラの運転方法。
2. 燃料を予熱するために中間回路（６２）を介して間接的な熱交換が行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 復水を予熱するために中間回路（６２）が遮断されることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 復水の予熱の際に冷却された部分水流（ｔ₁）が復水（Ｋ）に混合されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
5. 水・蒸気循環回路（３）が三つの圧力段から構成されている場合、部分水流（ｔ₁）が水・蒸気循環回路（３）が中圧段（４０、５２、５４）から取り出されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の方法。
6. 復水の予熱の際に冷却された部分流（ｔ₁）が水・蒸気循環回路（３）の中圧段（４０、５２、５４）に導かれることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 水・蒸気循環回路（３）に復水配管（４）が接続されているガス・蒸気複合タービン設備（２）の廃熱ボイラにおいて、水・蒸気循環回路（３）からの部分水流（ｔ₁）によってガスタービン燃料（Ｂ）あるいは復水（Ｋ）のいずれかを選択的に予熱するための熱交換器（５６）が設けられていることを特徴とするガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラ。
8. 熱交換器（５６）の一次側が予熱加熱面（４０）に後置接続されていることを特徴とする請求項７記載の廃熱ボイラ。
9. 熱交換器（５６）がガスタービン燃料（Ｂ）を予熱するために二次側で中間回路（６２）に接続されていることを特徴とする請求項７又は８記載の廃熱ボイラ。
10. 熱交換器（５６）が復水を予熱するために二次側で復水配管（４）に接続されていることを特徴とする請求項７又は８記載の廃熱ボイラ。
11. ガスタービン燃料（Ｂ）あるいは復水（Ｋ）のいずれかの予熱を選択するために少なくとも一つの弁（６６、７４、７６）が設けられていることを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１つに記載の廃熱ボイラ。

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