JP3883689B2 - 排熱回収ボイラ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造体の内部に過熱器、再熱器、蒸発器、節炭器等の熱交換器が配置され、ガスタービンからの高温の燃焼排ガスが導入される排熱回収ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に排熱回収ボイラの斜視図を示す。図６は構造体１１の内部を説明するために、構造体１１の一部を切り欠いた図である。また、図７の図６に示す排熱回収ボイラの側断面図を示す。排ガスは図７は紙面の左側から右側に向けて流れる。
【０００３】
図６および図７に示すように、構造体１１は箱形状の構造であり、図示していないガスタービンからの高温の燃焼排ガス（例えば約６００℃）が構造体１１の入口部である入口ダクトから導入される。
【０００４】
構造体１１内には、排ガス流の上流側から過熱器１０２、高圧蒸発器１０３および高圧蒸発器１０４、高圧節炭器１０５、中圧蒸発器１０６、中圧節炭器１０７、低圧蒸発器１０８、低圧節炭器１０９などの熱交換器が配置されるとともに、構造体１１の外部には、高圧蒸気ドラム１１１、中圧蒸気ドラム１１２、低圧蒸気ドラム１１３などが配置されている。
【０００５】
前記各ドラム１１１〜１１３と各熱交換器１０２〜１０９は、降水管１１４や連絡管１１６により、構造体１１を貫通して接続される。また、蒸発器１０３、１０４の蒸発水管は直接ドラム１１１〜１１３に接続される。また、前記各種配管が構造体１１を貫通する部分には構造体１１と降水管１１４、連絡管１１６または蒸発器１０３、１０４の蒸発水管との熱膨張差を吸収するためのエクスパンション構造が設けられている。
【０００６】
ガスタービンからの排ガスは、前記構造体１１の入口ダクト１０１から導入されて、その熱量は各熱交換器１０２〜１０９で順次回収されて、給水を加熱して、高温高圧蒸気を発生させ、図示していない蒸気タービンに供給する。
【０００７】
各熱交換器１０２〜１０９で熱量を回収された排ガスは、例えば約１００℃の低温の排ガスとなって構造体１１から出た後に、図示していない煙突に送られて排出される。
【０００８】
前記各熱交換器１０２〜１０９は、複数の伝熱管と該伝熱管の上下に管寄せ（図示せず）が配置されたパネル構造などからなり、該パネル構造は構造体１１の上部に吊り上げられるか、または底部で支持されて構造体１１内に配置されている。
【０００９】
前記パネル構造は、例えば低圧節炭器１０９では伝熱管の外径が３１．８ｍｍ程度の小径で、長さが１０メートル以上となることや、伝熱管にはその伝熱効率を向上されるために外周部にフィンが巻かれることから、自重による変形を防止する必要があること、また、１つのパネル内での複数の伝熱管の出入りを防止するため拘束部品が必要であることなどから重量物となる。したがって各熱交換器１０２〜１０９を吊り下げた場合には構造体１１の一部となる支持梁、支持鉄骨などのサイズを大きくする必要があり、底部で支持する場合には、自重による変形防止用の大型の鉄骨や梁が必要となる。
また、構造体１１の要所には、地震力による幅方向の変形を防止するために鉛直方向の鉄骨からなるブレースが配置される。
【００１０】
また、図６、図７に示すように、前記構造体１１内の高圧蒸発器１０３および高圧蒸発器１０４の間には排ガス中の窒素化合物を除去するための脱硝装置１１０が配置されている。脱硝装置１１０は一つの構造体１１である触媒ユニットが複数個積み重なって構成され、また、構造体１１内の排ガス流路内の横断面全体に排ガスの摺り抜けがないように、排ガス流路の幅全体にわたり配置されている。
【００１１】
このような従来の排熱回収ボイラにおいては、構造体１１内での熱回収を効果的に行うためや、構造体１１の外側の天井部、側面部が検査または作業スペースとなり、安全性の面から構造体１１から外気への放熱を遮断する必要があるために、入口ダクトから出口ダクトまで構造体１１全体が保温材で保温される。
【００１２】
従来の排熱回収ボイラの保温構造としては、構造体１１の外側に保温材を施工した外部保温構造、構造体１１の内側に保温材を施工した内部保温構造がある。
【００１３】
排熱回収ボイラの構造体１１やブレースは、大型の構造物となることから、構成材料としては、機械的強度、経済性の面から廉価で一般的な炭素鋼を使用することが望ましく、直接高温の排ガスにさらされるために、構造体１１の構成材料として高温強度が高く、高価な材料を使用する必要がある外部保温構造に比較して、ブレースを除き、一般の炭素鋼が使用できる内部保温構造が有利である。
【００１４】
しかしながら、保温材についてみれば、前記内部保温構造は排熱回収ボイラのＤＳＳ（毎日起動停止）運転による頻繁な起動停止や、内部に装置などを持ち込んでの作業時に生じる荷重や、運転停止中の結露による劣化に対して、保温材自体の耐熱性、耐久性を向上させることが必要であり、保温材料が高級になることや、積層厚さまたは密度が大になることなどから、施工コストが高くなるといった問題が生じる。
【００１５】
また、図６または図７に示すように、排熱回収ボイラは、大型の構造物であり、発電所への搬送形態として、排熱回収ボイラ全体を例えば高温モジュール１、脱硝モジュール２、中温モジュール３、低温モジュール４として、それぞれのモジュール１〜４を設備が整った工場で建設した後、搬送装置や搬送船により建設現地へ搬送し、前記各モジュール１〜４をそれぞれ順次接続することが行われているが、この接続作業において狭溢部となるモジュール内部からの作業となる内部保温材の施工作業に比較して、モジュール外部から保温材を施工する外部保温構造を有する構造体１１の方が作業的には簡単で有利である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
排熱回収ボイラのように、構造体１１内にガス流れ上流側から過熱器１０２、再熱器１０３、蒸発器１０４、１０６、１０８、節炭器１０５、１０７、１０９などの熱交換器が順次配置されているので、その排ガス入口から出口にわたり排ガス温度の勾配が生じている。
しかし、前記従来技術の排熱回収ボイラの構造体１１に使用される内部保温構造と外部保温構造は、耐久性や経済性の面でどちらにも問題があった。
【００１７】
本発明の課題は、このような従来技術の欠点を解消し、内部保温構造と外部保温構造を適切に使い分けて耐久性と経済性の高い排熱回収ボイラを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、次の構成によって解決される。
すなわち、請求項１記載の発明は、ガスタービンからの高温の燃焼排ガスが導入される構造体の内部に燃焼排ガス入口側の高温部から低温部にわたり複数の熱交換器を配置し、さらに２つの隣接する熱交換器の間に脱硝装置を配置して、前記燃焼排ガスの熱量を回収して蒸気を発生する排熱回収ボイラにおいて、前記構造体の燃焼排ガス入口側の高温部は排ガスが接する側に保温材を配置した内部保温構造とし、熱交換器と排ガスとの熱交換によって生じる排ガスの温度勾配に応じて、燃焼排ガスの流れ方向における所定の位置で前記内部保温構造の構造体を大気側に保温材を配置した外部保温構造の構造体に切り替えた排熱回収ボイラである。
【００２０】
請求項２記載の発明は、前記構造体の燃焼排ガス入口側の高温部は内部保温構造とし、前記脱硝装置の配置位置の近傍で内部保温構造の構造体を外部保温構造の構造体へ切り替えた請求項１記載の排熱回収ボイラである。
【００２１】
排熱回収ボイラの構造体内へは、ガスタービンから約６００℃の燃焼排ガスが導入される。構造体内には、過熱器、再熱器、蒸発器、節炭器などの熱交換器が温度条件に応じて配置されており、それぞれ排ガスの熱量を回収することから、排ガス温度は排ガス流れの上流側から、下流側に向けて徐々に低下する。排熱回収ボイラの排ガス出口温度は約１００℃である。
【００２２】
このような排熱回収ボイラにおいて、上流側の構造体を内部保温構造とすることにより、構造体の構成材料としてブレースを除き、一般の炭素鋼が使用できる。また、下流側の構造体は排ガス温度が低くなっているので、構造体は廉価な一般の炭素鋼が使用でき、また施工の容易な外部保温構造としたものである。
【００２３】
こうして、排熱回収ボイラの構造体の保温構造を構造体内の温度勾配、構成材料の耐熱温度などに応じて内部保温構造から比較的安価な外部保温構造に切り替えることにより、経済性の高い排熱回収ボイラが提供できる。
【００２４】
前記内部保温構造から外部保温構造への切り替え位置は、排ガス温度が炭素鋼の高温強度が保障された限界温度（例えば、４００℃）以下となる位置とすることができる。
【００２５】
また、構造体内に脱硝装置が配置される場合には、脱硝装置はその脱硝最適温度（例えば、３８０℃）となる位置に配置されることから、前記切り替えは脱硝装置の近傍、好ましくは直前または直後の位置とすることができる。
【００２６】
また、構造体を内部保温構造とした場合は構造体の外側は大気にさらされているので常温であるのに対して、外部保温構造とした場合は構造体は排ガスの温度まで上昇することになる。したがって、内部保温構造から外部保温構造への切り替え部には、両方の構造体間に大きな熱伸び変形差が生じることになる。
【００２７】
このため、本発明ではエキスパンションジョイントにより前記両方の構造体を接合することで、ガス流れ方向と構造体のガス流れを横断する方向（以下、口径方向という）の熱伸び変形差を吸収している。
【００２８】
前記エキスパンションジョイントは、例えば、図１に示すように非金属ベロー８ｃがサポート８ａ、８ｂ間に取り付けられており、変形差を吸収する。該サポート８ａ、８ｂは構造体に取付けられている。前記非金属ベロー８ｃの代わりに山形状またはＵ字形状の波板状の金属ベローを使用しても良い。
【００２９】
この場合に、前記エキスパンションジョイント８と外部保温構造側の構造体との取付け部は、排ガスに直接さらされるから温度上昇が生じるが、特に起動時の急激な温度上昇に対しての急激な変形による損傷を防止するために、本発明では、上流側の内部保温の厚さを徐々に減少させ、後流側の外部保温側との取付け部で重複させることにより、温度上昇を小さくしている。また、上流側の内部保温の厚さを徐々に減少させ、後流側の外部保温側との取付け部で重複させる代わりに、熱遮蔽用のシールプレートを前記エクスパンションジョイントの内側に設けることで、温度急変による変形防止が図れる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図３に示す実施の形態では、排熱回収ボイラの内部保温構造とした構造体１１ａと外部保温構造とした構造体１１ｂとを脱硝装置１１０が設置された脱硝モジュール２の入口側で切り替えている。
【００３１】
排熱回収ボイラにおいて、ガスタービンからの排ガス中の窒素酸化物を除去するために脱硝装置１１０が配置されるが、脱硝装置１１０内の脱硝触媒の活性化にとって最適の温度範囲があり、この温度範囲を外れると所定の脱硝率が得られずに、規制値を超えた窒素酸化物が排出されることになる。このため、脱硝装置１１０は排ガス流れの上流側から下流側に向けて熱交換器１０２〜１０９の熱回収によって生じる排ガスの温度勾配において、脱硝装置１１０の入口排ガス温度が前記最適な温度範囲に入る位置に設けられる。
【００３２】
例えば、図３に示すように、２つの高圧蒸発器１０３、１０４の間に脱硝装置１１０を設けることが好ましい。その理由は伝熱管内を蒸気の一相流が流れる過熱器１０２とは異なり、蒸発器１０３、１０４においては、蒸気と水との二相流が流れて蒸発現象が生じているため、排ガスから吸収した熱量は潜熱として使用されることから、脱硝装置１１０の入口温度が制御しやすくなる利点があるからである。
【００３３】
前記脱硝装置１１０の入口温度としては、例えば３８０℃〜３５０℃であり、これを構造体１１の構成材料を選定する目安温度とすることで、例えば、４００℃程度までの高温強度が保障された鋼材（一般構造用炭素鋼が使用可能）を選定し、構造体１１を内部保温構造から外部保温構造へ切り替えることができる。
【００３４】
次に、図１には本発明の実施の形態として、内部保温構造から外部保温構造への切り替え部に、エキスパンションジョイントを設けたものを示す。
内部保温構造は構造体１１の内部が断熱構造となる（以下、内断熱と言うことがある）ため、その部分の構造体１１の温度は外気温度と同一となり、外部保温構造は構造体１１の外部が断面構造となる（以下、外断熱と言うことがある）ため構造体１１部分の温度は排ガス温度と同一になる。
【００３５】
図１において、ガス流れ上流側から順に、内部に保温材９ａが配置された構造体１１ａと、外部に保温材９ｂが配置された構造体１１ｂと、前記構造体１１ａと構造体１１ｂとの間にエキスパンションジョイント８が設けられている。
【００３６】
該エキスパンションジョイント８は構造体１１ａと構造体１１ｂにそれぞれ取り付けられるサポート８ａとサポート８ｂと該サポート８ａ、８ｂ間に取り付けられる非金属ベロー８ｃからなる。該非金属ベロー８ｃは、例えばテフロンのフィルムと補強用の繊維により形成されており、ガス流れ方向の熱伸びに対しては、余長を取ることにより追従でき、かつ口径方向の熱伸びに対しては、非金属ベロー８ｃの変形により追従できる。また、前記非金属ベロー８ｃの代わりに山形状またはＵ字形状の波板状の金属ベローを使用しても良い。
【００３７】
構造体１１の熱伸び変形状態を図４、図５に示す。
このうち、図４（ａ）と図４（ｂ）にはそれぞれ内部保温構造となる構造体１１ａおよび外部保温構造となる構造体１１ｂのガス流れに対して横断面方向の熱伸び変形状態を示す。図５は紙面の左側がガス流れ上流側を示し、内部保温構造となる構造体１１ａとエキスパンションジョイント８が設けられる保温構造の切り替え部と外部保温構造となる構造体１１ｂの側断面図を示す。
【００３８】
図４、図５において、排熱回収ボイラを構成する構造体１１ａ、１１ｂは、それぞれ底部において、基礎上に設けられた支持架台１３で支持される。また、構造体１１ａ、１１ｂの各熱伸び固定点１３ａ、１３ｂを支持架台１３の中央部に設けている。構造体１１の口径方向の熱伸びは前記固定点１３ａ、１３ｂを中心にして、口径方向に放射状に生じる。
【００３９】
内部保温構造の構造体１１ａは、内断熱であり口径方向の熱伸び変形はほとんど生じないが、外部保温構造の構造体１１ｂは、外断熱であり口径方向の熱伸び変形量が比較的大となる（破線は熱伸び変形後の形状を示す）。口径方向の変形は支持架台１３の固定点１３ａ、１３ｂを起点して放射状に生じることから、両者間を接続するエキスパンションジョイント８では図５に示すように、台形状の変形差を吸収することになる。
【００４０】
また、図１、図２に示すようにエキスパンションジョイント８内には、非金属ベロー８ｃを排ガスの熱から保護するために保温材９ｃが充填されている。
【００４１】
保温材９ａの最内層はセラミックを繊維状編んであるセラミックブランケット、その中間層は綿状の弾力性あるロックウール（使用しない場合がある）、その最外層はミネラルボードなどの撥水性の高密度保温材を使用する。また、保温材９ｂはロックウールを用い、保温材９ｃはセラミックウールを用いる。保温材９ｂ、９ｃは複数枚を積層して用いる事が望ましい。
【００４２】
また、前記サポート８ａ、８ｂの外表面には、保温構造を設けないことで、構造体１１ａ、１１ｂからサポート８ａ、８ｂ側に伝達された熱は非金属ベロー８ｃに至るまでに大気との間で放散されるので、非金属ベロー８ｃとサポート８ａ、８ｂとの取付け部温度を非金属ベロー８ｃの耐熱温度以下にすることができる。
【００４３】
さらに、図１においては、内部保温構造側の保温材９ａをエキスパンションジョイント８および外部保温構造側へ徐々にまたは段階的に厚さを減少させて設け、外部保温構造にオーバーラップさせている。
【００４４】
これにより、内部保温構造体１１ａから外部保温構造体１１ｂへのメタル温度の温度勾配が緩やかとなり、内部保温構造から外部保温構造への切り替え部における口径方向の熱伸びによる変形差を減少させることができる。
【００４５】
また、外部保温構造体１１ｂ入口側からサポート８ｂに伝達される温度が減少することとサポート８ｂの外表面を保温構造にしないことによりサポート８ｂから大気への熱放散が大きいことから、内部保温構造体１１ａ側のサポート８ａと外部保温構造体１１ｂ側のサポート８ｂ同士の熱伸び変形差を最小にすることができる。
【００４６】
例えば、エキスパンションジョイント８部分の排ガス温度が約４００℃の場合に、外部保温側の取付け部の重複させる保温材９ａの厚さを７５ｍｍとした場合に、外部保温側の取付け部の温度は約１３０℃となる。これにより、エキスパンションジョイント８で吸収する口径方向の熱伸び変形量は保温材９ａを重複させない場合と比較して、約１／３に低減できる。
【００４７】
図２に示す実施の形態は、図１に示す保温構造体１１の切り替え部の内部にシールプレート１０を設けたものである。シールプレート１０は内部保温材９ａの積層構造の内部にその一端が挿入されて支持されていて、他端は外部保温構造体１１ｂの内側に当接している。
【００４８】
このシールプレート１０により、エキスパンションジョイント８の内部に高温の排ガスが接触するのを防止できる。また、シールプレート１０を外部保温構造体１１ｂの範囲まで伸ばしているので、サポート８ｂの温度上昇を防止することができる。この例では、シールプレート１０とエキスパンションジョイント８、構造体１１ｂとの間の空間が空気による断熱層となる。
【００４９】
図２に示す例によれば、構造体１１の保温構造の切り替え部における保温材の施工が簡単になるので、施工が容易となる利点がある。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、内部保温構造と外部保温構造を適切に使い分けることにより、耐久性と経済性の高い排熱回収ボイラが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの構造体の保温構造の切り替え部に側断面図を示す。
【図２】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの構造体の保温構造の切り替え部に側断面図を示す。
【図３】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの側断面図を示す。
【図４】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの内部保温構造となる構造体および外部保温構造となる構造体のガス流れに対して横断面方向の熱伸び変形状態を示す。
【図５】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの内部保温構造となる構造体とエキスパンションジョイントが設けられる切り替え部と外部保温構造となる構造体の側断面図の一部を示す。
【図６】 排熱回収ボイラの斜視図を示す。
【図７】 図６に示す排熱回収ボイラの側断面図を示す。
【符号の説明】
１ 高温モジュール ２ 脱硝モジュール
３ 中温モジュール ４ 低温モジュール
８ エキスパンションジョイント ９ａ、９ｂ、９ｃ 保温材
１１ 構造体 １３ 支持架台
１０２〜１０９ 熱交換器 １１０ 脱硝装置
１１１〜１１３ 蒸気ドラム １１４ 降水管
１１６ 連絡管
【発明の属する技術分野】
本発明は構造体の内部に過熱器、再熱器、蒸発器、節炭器等の熱交換器が配置され、ガスタービンからの高温の燃焼排ガスが導入される排熱回収ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に排熱回収ボイラの斜視図を示す。図６は構造体１１の内部を説明するために、構造体１１の一部を切り欠いた図である。また、図７の図６に示す排熱回収ボイラの側断面図を示す。排ガスは図７は紙面の左側から右側に向けて流れる。
【０００３】
図６および図７に示すように、構造体１１は箱形状の構造であり、図示していないガスタービンからの高温の燃焼排ガス（例えば約６００℃）が構造体１１の入口部である入口ダクトから導入される。
【０００４】
構造体１１内には、排ガス流の上流側から過熱器１０２、高圧蒸発器１０３および高圧蒸発器１０４、高圧節炭器１０５、中圧蒸発器１０６、中圧節炭器１０７、低圧蒸発器１０８、低圧節炭器１０９などの熱交換器が配置されるとともに、構造体１１の外部には、高圧蒸気ドラム１１１、中圧蒸気ドラム１１２、低圧蒸気ドラム１１３などが配置されている。
【０００５】
前記各ドラム１１１〜１１３と各熱交換器１０２〜１０９は、降水管１１４や連絡管１１６により、構造体１１を貫通して接続される。また、蒸発器１０３、１０４の蒸発水管は直接ドラム１１１〜１１３に接続される。また、前記各種配管が構造体１１を貫通する部分には構造体１１と降水管１１４、連絡管１１６または蒸発器１０３、１０４の蒸発水管との熱膨張差を吸収するためのエクスパンション構造が設けられている。
【０００６】
ガスタービンからの排ガスは、前記構造体１１の入口ダクト１０１から導入されて、その熱量は各熱交換器１０２〜１０９で順次回収されて、給水を加熱して、高温高圧蒸気を発生させ、図示していない蒸気タービンに供給する。
【０００７】
各熱交換器１０２〜１０９で熱量を回収された排ガスは、例えば約１００℃の低温の排ガスとなって構造体１１から出た後に、図示していない煙突に送られて排出される。
【０００８】
前記各熱交換器１０２〜１０９は、複数の伝熱管と該伝熱管の上下に管寄せ（図示せず）が配置されたパネル構造などからなり、該パネル構造は構造体１１の上部に吊り上げられるか、または底部で支持されて構造体１１内に配置されている。
【０００９】
前記パネル構造は、例えば低圧節炭器１０９では伝熱管の外径が３１．８ｍｍ程度の小径で、長さが１０メートル以上となることや、伝熱管にはその伝熱効率を向上されるために外周部にフィンが巻かれることから、自重による変形を防止する必要があること、また、１つのパネル内での複数の伝熱管の出入りを防止するため拘束部品が必要であることなどから重量物となる。したがって各熱交換器１０２〜１０９を吊り下げた場合には構造体１１の一部となる支持梁、支持鉄骨などのサイズを大きくする必要があり、底部で支持する場合には、自重による変形防止用の大型の鉄骨や梁が必要となる。
また、構造体１１の要所には、地震力による幅方向の変形を防止するために鉛直方向の鉄骨からなるブレースが配置される。
【００１０】
また、図６、図７に示すように、前記構造体１１内の高圧蒸発器１０３および高圧蒸発器１０４の間には排ガス中の窒素化合物を除去するための脱硝装置１１０が配置されている。脱硝装置１１０は一つの構造体１１である触媒ユニットが複数個積み重なって構成され、また、構造体１１内の排ガス流路内の横断面全体に排ガスの摺り抜けがないように、排ガス流路の幅全体にわたり配置されている。
【００１１】
このような従来の排熱回収ボイラにおいては、構造体１１内での熱回収を効果的に行うためや、構造体１１の外側の天井部、側面部が検査または作業スペースとなり、安全性の面から構造体１１から外気への放熱を遮断する必要があるために、入口ダクトから出口ダクトまで構造体１１全体が保温材で保温される。
【００１２】
従来の排熱回収ボイラの保温構造としては、構造体１１の外側に保温材を施工した外部保温構造、構造体１１の内側に保温材を施工した内部保温構造がある。
【００１３】
排熱回収ボイラの構造体１１やブレースは、大型の構造物となることから、構成材料としては、機械的強度、経済性の面から廉価で一般的な炭素鋼を使用することが望ましく、直接高温の排ガスにさらされるために、構造体１１の構成材料として高温強度が高く、高価な材料を使用する必要がある外部保温構造に比較して、ブレースを除き、一般の炭素鋼が使用できる内部保温構造が有利である。
【００１４】
しかしながら、保温材についてみれば、前記内部保温構造は排熱回収ボイラのＤＳＳ（毎日起動停止）運転による頻繁な起動停止や、内部に装置などを持ち込んでの作業時に生じる荷重や、運転停止中の結露による劣化に対して、保温材自体の耐熱性、耐久性を向上させることが必要であり、保温材料が高級になることや、積層厚さまたは密度が大になることなどから、施工コストが高くなるといった問題が生じる。
【００１５】
また、図６または図７に示すように、排熱回収ボイラは、大型の構造物であり、発電所への搬送形態として、排熱回収ボイラ全体を例えば高温モジュール１、脱硝モジュール２、中温モジュール３、低温モジュール４として、それぞれのモジュール１〜４を設備が整った工場で建設した後、搬送装置や搬送船により建設現地へ搬送し、前記各モジュール１〜４をそれぞれ順次接続することが行われているが、この接続作業において狭溢部となるモジュール内部からの作業となる内部保温材の施工作業に比較して、モジュール外部から保温材を施工する外部保温構造を有する構造体１１の方が作業的には簡単で有利である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
排熱回収ボイラのように、構造体１１内にガス流れ上流側から過熱器１０２、再熱器１０３、蒸発器１０４、１０６、１０８、節炭器１０５、１０７、１０９などの熱交換器が順次配置されているので、その排ガス入口から出口にわたり排ガス温度の勾配が生じている。
しかし、前記従来技術の排熱回収ボイラの構造体１１に使用される内部保温構造と外部保温構造は、耐久性や経済性の面でどちらにも問題があった。
【００１７】
本発明の課題は、このような従来技術の欠点を解消し、内部保温構造と外部保温構造を適切に使い分けて耐久性と経済性の高い排熱回収ボイラを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、次の構成によって解決される。
すなわち、請求項１記載の発明は、ガスタービンからの高温の燃焼排ガスが導入される構造体の内部に燃焼排ガス入口側の高温部から低温部にわたり複数の熱交換器を配置し、さらに２つの隣接する熱交換器の間に脱硝装置を配置して、前記燃焼排ガスの熱量を回収して蒸気を発生する排熱回収ボイラにおいて、前記構造体の燃焼排ガス入口側の高温部は排ガスが接する側に保温材を配置した内部保温構造とし、熱交換器と排ガスとの熱交換によって生じる排ガスの温度勾配に応じて、燃焼排ガスの流れ方向における所定の位置で前記内部保温構造の構造体を大気側に保温材を配置した外部保温構造の構造体に切り替えた排熱回収ボイラである。
【００２０】
請求項２記載の発明は、前記構造体の燃焼排ガス入口側の高温部は内部保温構造とし、前記脱硝装置の配置位置の近傍で内部保温構造の構造体を外部保温構造の構造体へ切り替えた請求項１記載の排熱回収ボイラである。
【００２１】
排熱回収ボイラの構造体内へは、ガスタービンから約６００℃の燃焼排ガスが導入される。構造体内には、過熱器、再熱器、蒸発器、節炭器などの熱交換器が温度条件に応じて配置されており、それぞれ排ガスの熱量を回収することから、排ガス温度は排ガス流れの上流側から、下流側に向けて徐々に低下する。排熱回収ボイラの排ガス出口温度は約１００℃である。
【００２２】
このような排熱回収ボイラにおいて、上流側の構造体を内部保温構造とすることにより、構造体の構成材料としてブレースを除き、一般の炭素鋼が使用できる。また、下流側の構造体は排ガス温度が低くなっているので、構造体は廉価な一般の炭素鋼が使用でき、また施工の容易な外部保温構造としたものである。
【００２３】
こうして、排熱回収ボイラの構造体の保温構造を構造体内の温度勾配、構成材料の耐熱温度などに応じて内部保温構造から比較的安価な外部保温構造に切り替えることにより、経済性の高い排熱回収ボイラが提供できる。
【００２４】
前記内部保温構造から外部保温構造への切り替え位置は、排ガス温度が炭素鋼の高温強度が保障された限界温度（例えば、４００℃）以下となる位置とすることができる。
【００２５】
また、構造体内に脱硝装置が配置される場合には、脱硝装置はその脱硝最適温度（例えば、３８０℃）となる位置に配置されることから、前記切り替えは脱硝装置の近傍、好ましくは直前または直後の位置とすることができる。
【００２６】
また、構造体を内部保温構造とした場合は構造体の外側は大気にさらされているので常温であるのに対して、外部保温構造とした場合は構造体は排ガスの温度まで上昇することになる。したがって、内部保温構造から外部保温構造への切り替え部には、両方の構造体間に大きな熱伸び変形差が生じることになる。
【００２７】
このため、本発明ではエキスパンションジョイントにより前記両方の構造体を接合することで、ガス流れ方向と構造体のガス流れを横断する方向（以下、口径方向という）の熱伸び変形差を吸収している。
【００２８】
前記エキスパンションジョイントは、例えば、図１に示すように非金属ベロー８ｃがサポート８ａ、８ｂ間に取り付けられており、変形差を吸収する。該サポート８ａ、８ｂは構造体に取付けられている。前記非金属ベロー８ｃの代わりに山形状またはＵ字形状の波板状の金属ベローを使用しても良い。
【００２９】
この場合に、前記エキスパンションジョイント８と外部保温構造側の構造体との取付け部は、排ガスに直接さらされるから温度上昇が生じるが、特に起動時の急激な温度上昇に対しての急激な変形による損傷を防止するために、本発明では、上流側の内部保温の厚さを徐々に減少させ、後流側の外部保温側との取付け部で重複させることにより、温度上昇を小さくしている。また、上流側の内部保温の厚さを徐々に減少させ、後流側の外部保温側との取付け部で重複させる代わりに、熱遮蔽用のシールプレートを前記エクスパンションジョイントの内側に設けることで、温度急変による変形防止が図れる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図３に示す実施の形態では、排熱回収ボイラの内部保温構造とした構造体１１ａと外部保温構造とした構造体１１ｂとを脱硝装置１１０が設置された脱硝モジュール２の入口側で切り替えている。
【００３１】
排熱回収ボイラにおいて、ガスタービンからの排ガス中の窒素酸化物を除去するために脱硝装置１１０が配置されるが、脱硝装置１１０内の脱硝触媒の活性化にとって最適の温度範囲があり、この温度範囲を外れると所定の脱硝率が得られずに、規制値を超えた窒素酸化物が排出されることになる。このため、脱硝装置１１０は排ガス流れの上流側から下流側に向けて熱交換器１０２〜１０９の熱回収によって生じる排ガスの温度勾配において、脱硝装置１１０の入口排ガス温度が前記最適な温度範囲に入る位置に設けられる。
【００３２】
例えば、図３に示すように、２つの高圧蒸発器１０３、１０４の間に脱硝装置１１０を設けることが好ましい。その理由は伝熱管内を蒸気の一相流が流れる過熱器１０２とは異なり、蒸発器１０３、１０４においては、蒸気と水との二相流が流れて蒸発現象が生じているため、排ガスから吸収した熱量は潜熱として使用されることから、脱硝装置１１０の入口温度が制御しやすくなる利点があるからである。
【００３３】
前記脱硝装置１１０の入口温度としては、例えば３８０℃〜３５０℃であり、これを構造体１１の構成材料を選定する目安温度とすることで、例えば、４００℃程度までの高温強度が保障された鋼材（一般構造用炭素鋼が使用可能）を選定し、構造体１１を内部保温構造から外部保温構造へ切り替えることができる。
【００３４】
次に、図１には本発明の実施の形態として、内部保温構造から外部保温構造への切り替え部に、エキスパンションジョイントを設けたものを示す。
内部保温構造は構造体１１の内部が断熱構造となる（以下、内断熱と言うことがある）ため、その部分の構造体１１の温度は外気温度と同一となり、外部保温構造は構造体１１の外部が断面構造となる（以下、外断熱と言うことがある）ため構造体１１部分の温度は排ガス温度と同一になる。
【００３５】
図１において、ガス流れ上流側から順に、内部に保温材９ａが配置された構造体１１ａと、外部に保温材９ｂが配置された構造体１１ｂと、前記構造体１１ａと構造体１１ｂとの間にエキスパンションジョイント８が設けられている。
【００３６】
該エキスパンションジョイント８は構造体１１ａと構造体１１ｂにそれぞれ取り付けられるサポート８ａとサポート８ｂと該サポート８ａ、８ｂ間に取り付けられる非金属ベロー８ｃからなる。該非金属ベロー８ｃは、例えばテフロンのフィルムと補強用の繊維により形成されており、ガス流れ方向の熱伸びに対しては、余長を取ることにより追従でき、かつ口径方向の熱伸びに対しては、非金属ベロー８ｃの変形により追従できる。また、前記非金属ベロー８ｃの代わりに山形状またはＵ字形状の波板状の金属ベローを使用しても良い。
【００３７】
構造体１１の熱伸び変形状態を図４、図５に示す。
このうち、図４（ａ）と図４（ｂ）にはそれぞれ内部保温構造となる構造体１１ａおよび外部保温構造となる構造体１１ｂのガス流れに対して横断面方向の熱伸び変形状態を示す。図５は紙面の左側がガス流れ上流側を示し、内部保温構造となる構造体１１ａとエキスパンションジョイント８が設けられる保温構造の切り替え部と外部保温構造となる構造体１１ｂの側断面図を示す。
【００３８】
図４、図５において、排熱回収ボイラを構成する構造体１１ａ、１１ｂは、それぞれ底部において、基礎上に設けられた支持架台１３で支持される。また、構造体１１ａ、１１ｂの各熱伸び固定点１３ａ、１３ｂを支持架台１３の中央部に設けている。構造体１１の口径方向の熱伸びは前記固定点１３ａ、１３ｂを中心にして、口径方向に放射状に生じる。
【００３９】
内部保温構造の構造体１１ａは、内断熱であり口径方向の熱伸び変形はほとんど生じないが、外部保温構造の構造体１１ｂは、外断熱であり口径方向の熱伸び変形量が比較的大となる（破線は熱伸び変形後の形状を示す）。口径方向の変形は支持架台１３の固定点１３ａ、１３ｂを起点して放射状に生じることから、両者間を接続するエキスパンションジョイント８では図５に示すように、台形状の変形差を吸収することになる。
【００４０】
また、図１、図２に示すようにエキスパンションジョイント８内には、非金属ベロー８ｃを排ガスの熱から保護するために保温材９ｃが充填されている。
【００４１】
保温材９ａの最内層はセラミックを繊維状編んであるセラミックブランケット、その中間層は綿状の弾力性あるロックウール（使用しない場合がある）、その最外層はミネラルボードなどの撥水性の高密度保温材を使用する。また、保温材９ｂはロックウールを用い、保温材９ｃはセラミックウールを用いる。保温材９ｂ、９ｃは複数枚を積層して用いる事が望ましい。
【００４２】
また、前記サポート８ａ、８ｂの外表面には、保温構造を設けないことで、構造体１１ａ、１１ｂからサポート８ａ、８ｂ側に伝達された熱は非金属ベロー８ｃに至るまでに大気との間で放散されるので、非金属ベロー８ｃとサポート８ａ、８ｂとの取付け部温度を非金属ベロー８ｃの耐熱温度以下にすることができる。
【００４３】
さらに、図１においては、内部保温構造側の保温材９ａをエキスパンションジョイント８および外部保温構造側へ徐々にまたは段階的に厚さを減少させて設け、外部保温構造にオーバーラップさせている。
【００４４】
これにより、内部保温構造体１１ａから外部保温構造体１１ｂへのメタル温度の温度勾配が緩やかとなり、内部保温構造から外部保温構造への切り替え部における口径方向の熱伸びによる変形差を減少させることができる。
【００４５】
また、外部保温構造体１１ｂ入口側からサポート８ｂに伝達される温度が減少することとサポート８ｂの外表面を保温構造にしないことによりサポート８ｂから大気への熱放散が大きいことから、内部保温構造体１１ａ側のサポート８ａと外部保温構造体１１ｂ側のサポート８ｂ同士の熱伸び変形差を最小にすることができる。
【００４６】
例えば、エキスパンションジョイント８部分の排ガス温度が約４００℃の場合に、外部保温側の取付け部の重複させる保温材９ａの厚さを７５ｍｍとした場合に、外部保温側の取付け部の温度は約１３０℃となる。これにより、エキスパンションジョイント８で吸収する口径方向の熱伸び変形量は保温材９ａを重複させない場合と比較して、約１／３に低減できる。
【００４７】
図２に示す実施の形態は、図１に示す保温構造体１１の切り替え部の内部にシールプレート１０を設けたものである。シールプレート１０は内部保温材９ａの積層構造の内部にその一端が挿入されて支持されていて、他端は外部保温構造体１１ｂの内側に当接している。
【００４８】
このシールプレート１０により、エキスパンションジョイント８の内部に高温の排ガスが接触するのを防止できる。また、シールプレート１０を外部保温構造体１１ｂの範囲まで伸ばしているので、サポート８ｂの温度上昇を防止することができる。この例では、シールプレート１０とエキスパンションジョイント８、構造体１１ｂとの間の空間が空気による断熱層となる。
【００４９】
図２に示す例によれば、構造体１１の保温構造の切り替え部における保温材の施工が簡単になるので、施工が容易となる利点がある。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、内部保温構造と外部保温構造を適切に使い分けることにより、耐久性と経済性の高い排熱回収ボイラが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの構造体の保温構造の切り替え部に側断面図を示す。
【図２】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの構造体の保温構造の切り替え部に側断面図を示す。
【図３】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの側断面図を示す。
【図４】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの内部保温構造となる構造体および外部保温構造となる構造体のガス流れに対して横断面方向の熱伸び変形状態を示す。
【図５】 本発明の実施の形態の排熱回収ボイラの内部保温構造となる構造体とエキスパンションジョイントが設けられる切り替え部と外部保温構造となる構造体の側断面図の一部を示す。
【図６】 排熱回収ボイラの斜視図を示す。
【図７】 図６に示す排熱回収ボイラの側断面図を示す。
【符号の説明】
１ 高温モジュール ２ 脱硝モジュール
３ 中温モジュール ４ 低温モジュール
８ エキスパンションジョイント ９ａ、９ｂ、９ｃ 保温材
１１ 構造体 １３ 支持架台
１０２〜１０９ 熱交換器 １１０ 脱硝装置
１１１〜１１３ 蒸気ドラム １１４ 降水管
１１６ 連絡管
Claims (2)
- ガスタービンからの高温の燃焼排ガスが導入される構造体の内部に燃焼排ガス入口側の高温部から低温部にわたり複数の熱交換器を配置し、さらに２つの隣接する熱交換器の間に脱硝装置を配置して、前記燃焼排ガスの熱量を回収して蒸気を発生する排熱回収ボイラにおいて、
前記構造体の燃焼排ガス入口側の高温部は排ガスが接する側に保温材を配置した内部保温構造とし、熱交換器と排ガスとの熱交換によって生じる排ガスの温度勾配に応じて、燃焼排ガスの流れ方向における所定の位置で前記内部保温構造の構造体を大気側に保温材を配置した外部保温構造の構造体に切り替えたことを特徴とする排熱回収ボイラ。 - 前記構造体の燃焼排ガス入口側の高温部は内部保温構造とし、前記脱硝装置の配置位置の近傍で内部保温構造の構造体を外部保温構造の構造体へ切り替えたことを特徴とする請求項１記載の排熱回収ボイラ。
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