JP4172568B2 - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合発電プラントの排熱回収ボイラに係わり、特に排熱回収ボイラの蒸気過熱低減器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
まず、一般的な排熱回収ボイラの蒸気温度制御システムについて図７を参照して説明する。
【０００３】
給水ポンプ１により送られた給水は節炭器２で加熱され、汽水ドラム３へと供給される。汽水ドラム３の水は蒸発器４で加熱されて蒸気となり、飽和蒸気管５、一次過熱器６及び二次過熱器７を経由して過熱された後、蒸気タービン８へ供給される。蒸気タービン８入口での蒸気温度を制御するために一次過熱器６と二次過熱器７の中間に設置された過熱低減器２９を設け、節炭器２前流部から送られてきた給水を過熱蒸気に注入し、過熱蒸気温度をコントロールしている。
【０００４】
また、複合発電プラントの出力向上のため、ガスタービンの翼冷却に蒸気タービン８の排気蒸気を使用するシステムがあるが、この排気蒸気には高い蒸気純度が要求されるため、不純物が比較的多く含まれている給水の注入による前述の温度制御を行うことができない。そのため図８に示すような排熱回収ボイラの蒸気温度制御システムが採用されている。
【０００５】
図８に示すシステムでは、図７に示すシステムと同じく給水ポンプ１により送られた給水は節炭器２で加熱され、汽水ドラム３へと供給される。汽水ドラム３の水は蒸発器４で加熱されて蒸気となり、飽和蒸気管５を経由して過熱器に送られるが、過熱器を一次過熱器６、二次過熱器７及び三次過熱器１０に３分割したことに特徴がある。図８のシステムでは、二次過熱器７を通過する主蒸気の一部をバイパスさせる蒸気バイパス配管１１を設け、該蒸気バイパス配管１１を通った蒸気は二次過熱器７と三次過熱器１０を接続する主蒸気配管１２に設けられた過熱低減器２９で一次過熱器６を出た過熱蒸気と混合され、過熱蒸気温度を低下させることにより、蒸気タービン８入口での蒸気温度を制御している。蒸気タービン８を通過した排気蒸気はガスタービン３０へと送られ、そのタービン翼を冷却する。
【０００６】
このようなシステムに対し、従来採用されてきた過熱低減器２９の構造例を図１１、図１２の断面図に示す。蒸気バイパス配管１１は主蒸気配管１２に対して垂直方向に接続しており、主蒸気配管１２内を流れる二次過熱器出口蒸気１３はバイパス蒸気１４と前記両配管１１、１２の接続部で互いに直交する方向から合流して三次過熱器入口蒸気１５が得られる。図１１に示す例では蒸気バイパス配管１１を主蒸気配管１２の内部まで挿入し、蒸気バイパス配管１１に設けた孔１１ａよりバイパス蒸気を主蒸気中に噴出する。図１２に示す例では蒸気バイパス配管１１と主蒸気配管１２の結合部にはサーマルスリーブ１６を設け、主蒸気配管１２内には保護筒１７を挿入している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１１、図１２に示す従来の過熱低減器２９において、二次過熱器出口蒸気１３とバイパス蒸気１４の蒸気温度の負荷特性を図９に示しているが、二次過熱器出口蒸気１３とバイパス蒸気１４の合流部では最大約２４０℃の温度差がつく。また図１０にはバイパス蒸気１４、二次過熱器出口蒸気１３及び三次過熱器入口蒸気１５の蒸気流量の負荷特性を示しているが、バイパス蒸気１４の流量割合は合流後の三次過熱器入口蒸気１５の最大約５０％まで達する。そのため図１１に示す従来の過熱低減器２９では蒸気バイパス配管１１を主蒸気配管１２内まで挿入し、蒸気バイパス配管１１に開けられた孔１１ａより主蒸気（二次過熱器出口蒸気１３）の流れ方向にバイパス蒸気１４を噴出することにより蒸気の混合を促進している。しかし、蒸気バイパス配管１１を挿入することにより蒸気合流部での蒸気圧力損失が大きく、過熱器系でのシステムロスが増加する。そのためボイラプラントの効率の低下をまねく。また過熱器などの熱交換器を構成する伝熱管、及び２つの熱交換器を接続する蒸気配管等の蒸気管系の設計圧力が高くなり、蒸気管等の肉厚増加等により経済性の低下をまねく。
【０００８】
また、図１２に示すように蒸気バイパス配管１１を主蒸気配管１２内に挿入しない場合には、バイパス蒸気１４の流量割合が増加するに従い、主蒸気（二次過熱器出口蒸気１３）側の高温蒸気とバイパス側の低温蒸気が合流部で十分に混合されず、温度境界ができて大きな温度差を保ったまま、後流側へと流れる。そのため合流後の配管部分で熱応力が発生するのを防ぐために挿入する保護筒１７のガス流れ方向の必要長さが非常に長くなり、経済性が悪くなる。また主蒸気１３とバイパス蒸気１４が十分に混合されず、減温されていない高温の蒸気が三次過熱器１０に送られる場合には、三次過熱器１０の伝熱管及び管寄せ等の設計温度を上昇せざるを得ず、必要肉厚の増大や温度差による発生応力への対策等により経済性が更に悪くなる。また前記主蒸気とバイパス蒸気の温度差により発生する応力は、排熱回収ボイラの信頼性の低下を招く。
【０００９】
そこで本発明の課題は、蒸気混合が良好となり、蒸気温度が異なる２以上の蒸気の合流部での圧力損失を低く抑えた経済性が良く、信頼性の高い過熱低減器を備えた排熱回収ボイラを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記課題は、給水ポンプにより送られた給水を加熱する節炭器と、該節炭器で加熱した給水を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器からの蒸気を加熱して過熱蒸気とする過熱器及び／又は該過熱器で得られた蒸気が供給される蒸気タービン出口からの蒸気を加熱する再熱器と、該過熱器又は再熱器の出口蒸気を蒸気タービンに向けて供給する主蒸気配管と、該主蒸気配管内を流れる過熱蒸気より低温の蒸気が流れる低温蒸気配管と、前記主蒸気配管の内部に保護筒を配置し、前記低温蒸気配管から分岐した少なくとも２つの低温蒸気配管の各々から噴出する蒸気が主蒸気配管の中央部で正面衝突するように主蒸気配管の対向する位置に低温蒸気配管を配置し、かつ低温蒸気配管が保護筒内部に突出しないように接続した過熱低減器とを備えた排熱回収ボイラにより解決される。
【００１１】
さらに本発明の排熱回収ボイラは次のような構成を採用しても良い。
（１）前記過熱器は、一次過熱器、二次過熱器及び三次過熱器を含み、前記各過熱器を順次接続する主蒸気配管をそれぞれ設け、二次過熱器の前流部より取り出した蒸気を流す蒸気配管を少なくとも２つに分岐した分岐配管とし、該分岐した低温蒸気配管を二次過熱器と三次過熱器とを接続する前記主蒸気配管に、少なくとも２方向から接続した過熱低減器を設けた構成である。
【００１３】
（２）前記再熱器は、一次再熱器と二次再熱器を含み、該一次再熱器と二次再熱器を接続する主蒸気配管を設け、また一次再熱器前流部より取り出した蒸気を流す蒸気配管を設け、該一次再熱器前流部より取り出した蒸気を流す蒸気配管を少なくとも２つに分岐した分岐配管とし、該分岐した蒸気配管を前記一次再熱器と二次再熱器を接続する主蒸気配管に少なくとも２方向から接続した過熱低減器を設けた構成である。
【００１５】
【作用】
本発明では、過熱低減器の高温蒸気が流れる主蒸気配管の中央部で少なくとも二方向から供給されるバイパス蒸気配管からのバイパス蒸気が衝突し、攪拌されるため良好な蒸気混合が行われ、主蒸気とバイパス蒸気が接触して完全に混合されるまでの距離が短くなり、保護筒の設置の必要長さを短くすることが可能となる。また、十分に混合されない蒸気が後流の過熱器や再熱器に流入する可能性が低くなる。
【００１６】
また、その具体的な過熱低減器として、例えば▲１▼二次過熱器と三次過熱器とを接続する主蒸気配管に二次過熱器前流より取り出した蒸気を少なくとも２方向から混合させる、▲２▼過熱器出口と蒸気タービンとを接続する過熱蒸気が流れる主蒸気配管に飽和蒸気を少なくとも２方向から混合させる、▲３▼一次再熱器と二次再熱器とを接続する主蒸気配管に一次再熱器前流より取り出した蒸気を少なくとも２方向から混合させる、▲４▼過熱器出口を出た主蒸気配管に再熱器前流より取り出した蒸気を少なくとも２方向から混合させることで過熱蒸気の温度コントロールができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
以下、本発明の実施の形態の蒸気バイパス配管１１と主蒸気配管１２の接続構造の断面図を図１（ａ）に示し、図１（ａ）のＡ−Ａ線矢視図を図１（ｂ）に示す。
図１の蒸気バイパス配管１１と主蒸気配管１２の接続構造は図８に示す排熱回収ボイラシステムに設置されるものである。
【００１８】
蒸気バイパス配管１１は、該蒸気配管１１が二次過熱器出口蒸気（主蒸気）１３が流れる主蒸気配管１２と合流する部分の手前で対称位置の二方向に分岐した構成であり、主蒸気配管１２の中心軸に対して垂直方向からそれぞれ分岐した蒸気バイパス配管１１、１１が主蒸気配管１２に接続する。前記蒸気バイパス配管１１、１１の主蒸気配管１２への接続部の蒸気バイパス配管１１側にはサーマルスリーブ１６を設置し、主蒸気配管１２側には保護筒１７を設置する。
【００１９】
図１に示す構造により、蒸気バイパス配管１１側の蒸気流量比率が主蒸気配管１２側の二次過熱器出口蒸気１３の流量より高い場合においては、バイパス蒸気１４が主蒸気配管１２の中央部で衝突し、攪拌されるため良好な混合が行われる。また、バイパス蒸気１４の蒸気流量が二次過熱器出口蒸気１３流量より低い場合には二次過熱器出口蒸気１３の影響が大きく、容易に両方の蒸気は混合される。従って、両方の蒸気が接触して完全に混合されるまでの距離が短くなり、保護筒１７の設置の必要長さを短くすることが可能となる。
【００２０】
このような過熱低減器９を設けたバイパス蒸気１４の合流部構造を排熱回収ボイラに適用することにより、十分に混合されない蒸気が後流の過熱器や再熱器に流入する可能性が低くなる。例えば図８の排熱回収ボイラの二次過熱器７と三次過熱器１０とを接続する主蒸気配管１２に図１に示す二次過熱器出口蒸気（主蒸気）１３とバイパス蒸気１４の合流部構造からなる過熱低減器９を設置し、二次過熱器７の前流側から蒸気バイパス配管１１に取り出したバイパス蒸気１４を二次過熱器７を出た過熱蒸気である二次過熱器出口蒸気（主蒸気）１３と混合させることにより、三次過熱器１０には良く混合した過熱蒸気が導入される。
【００２１】
従って信頼性の高い排熱回収ボイラを提供でき、更に、蒸気バイパス配管１１を主蒸気配管１２の内部に挿入しないことから、過熱器系システムのロスを低く抑えることができ、ボイラプラント効率を高く維持することが可能となる。
【００２２】
図２に本発明の他の実施の形態を示す。図１に示す実施の形態においては蒸気バイパス配管１１が主蒸気配管１２に対して垂直接続した構造であったが、図２に示す実施の形態では蒸気バイパス配管１１を主蒸気配管１２に対して斜めに接続している。
【００２３】
図２に示す構造を採用すると主蒸気１３とバイパス蒸気１４の混合に対する効果は、バイパス流量の比率によっては図１に示す構造よりも蒸気の混合特性が良くなり、経済性、信頼性の高い排熱回収ボイラを提供することが可能となる。
【００２４】
図３に示す実施の形態では、図１に示す構造と同じく、対称位置の二方向に分岐した蒸気バイパス配管１１、１１を主蒸気配管１２の中心軸に対して垂直方向からそれぞれ接続する。しかし、図１に示す構造とは蒸気バイパス配管１１を主蒸気配管１２に偏心するように接続したことが異なる。図３に示す接続構造により、主蒸気配管１２内でバイパス蒸気の回転流が生じるため、構造は複雑になるものの、図１に示す接続構造よりも良好な蒸気混合特性が得られ、経済性、信頼性の高い排熱回収ボイラを提供することが可能となる。
【００２５】
図４、図５、図６にそれぞれ本発明の他の図１〜図３に示す過熱低減器９を用いた排熱回収ボイラの要部の構成を示す。
【００２６】
図４は単独の過熱器を排ガス流路に設けた例であり、蒸発器４の汽水分離ドラム３からの飽和蒸気を流す飽和蒸気バイパス配管２０から分岐した分岐飽和蒸気配管２１を設け、過熱器１８の出口と蒸気タービン８とを接続する過熱蒸気流路となる過熱主蒸気配管１９に前記分岐飽和蒸気配管２１を少なくとも２方向から接続し、過熱蒸気と飽和蒸気を混合させる過熱低減器９を設けた排熱回収ボイラの要部構成図である。
【００２７】
図４に示す例では過熱蒸気に混合させるために過熱器１８出口の過熱主蒸気配管１９に飽和蒸気の一部をバイパスさせて導入することで蒸気温度制御を行うシステムである。このシステムでは過熱器１８出口の過熱主蒸気配管１９内の蒸気温度が高くなり、過熱主蒸気配管１９の設計温度上昇により肉厚が厚くなる一方で、過熱器１８を分割することがないことから管群構成を簡素化することができ、経済性が高くなる。このシステムに図１、図２又は図３のバイパス蒸気合流部構造からなる過熱低減器９を採用することにより、経済性、信頼性の高い排熱回収ボイラを提供することが可能となる。
【００２８】
図５は一次再熱器２２と二次再熱器２３を排ガス流路中に設けた例であり、一次再熱器２２と二次再熱器２３を接続する再熱主蒸気配管２４に一次再熱器２２の前流側の蒸気タービン８の出口蒸気配管２５から分岐した再熱用蒸気配管２６を接続して再熱用蒸気を少なくとも２方向から混合させる過熱低減器９を設けた排熱回収ボイラの要部構成図である。
【００２９】
図５に示す例では再熱器を分割して一次再熱器２２と二次再熱器２３とし、蒸気タービン８で使用した後の蒸気を一次再熱器２２で加熱する前の一次再熱器入口蒸気又は図示しない蒸発器出口などの中間蒸気の一部をバイパスさせることで温度制御を行うシステムである。このシステムはバイパス蒸気による再熱器出口の蒸気温度制御が必要な場合に適用され、図１、図２又は図３のバイパス蒸気合流部構造からなる過熱低減器９を採用することにより、経済性、信頼性の高い排熱回収ボイラを提供することが可能となる。
【００３０】
図６は単独の再熱器２７を排ガス流路中に設けた例であり、再熱器２７出口の再熱主蒸気配管２８に再熱器前流側の蒸気タービン８の出口蒸気配管２５から分岐した再熱用蒸気配管２６を接続して再熱用蒸気を少なくとも２方向から混合させる過熱低減器９を設けた排熱回収ボイラの要部構成図である
図６に示すシステムでは再熱器２７入口蒸気の一部を再熱器２７出口にバイパスさせることで蒸気温度制御を行うシステムであり、このシステムは、図５に示すシステムと同様、バイパス蒸気による再熱器２７出口の蒸気温度制御が必要な場合に適用され、再熱器２７出口の蒸気温度が高くなり、再熱器２７出口の主蒸気配管２８などの設計温度上昇により肉厚が厚くなる一方で、再熱器２７を分割することがないことから管群構成を簡素化することができ、経済性が高くなる。このシステムに図１、図２又は図３のバイパス蒸気合流部構造からなる過熱低減器９を採用することにより、経済性、信頼性の高い排熱回収ボイラを提供することが可能となる。
【００３１】
図４〜図６に示す例では各蒸気配管に流量調節弁を設けているので、これらの流量調節弁によっても、それぞれ蒸気流量を調節して過熱蒸気温度または再熱蒸気温度を制御できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、過熱器出口、再熱器出口の蒸気温度制御を行う排熱回収ボイラにおいて、良好な主蒸気とバイパス蒸気の混合を行う蒸気過熱低減器を設置することができ、過熱蒸気の温度低減効果が高く、経済性が良く信頼性の高い排熱回収ボイラを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器の断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器の断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態の蒸気過熱低減器の断面図である。
【図４】 本発明の蒸気過熱低減器を適用した排熱回収ボイラの一部を示す図である。
【図５】 本発明の蒸気過熱低減器を適用した排熱回収ボイラの一部を示す図である。
【図６】 本発明の蒸気過熱低減器を適用した排熱回収ボイラの一部を示す図である。
【図７】 排熱回収ボイラシステムの構成の一部を示す図である。
【図８】 排熱回収ボイラシステムの構成図である。
【図９】 排熱回収ボイラの蒸気温度のガスタービン負荷特性である。
【図１０】 排熱回収ボイラの蒸気流量のガスタービン負荷特性である。
【図１１】 従来技術の蒸気過熱低減器の断面図である。
【図１２】 従来技術の蒸気過熱低減器の断面図である。
【符号の説明】
１給水ポンプ ２ 節炭器
３ ドラム ４ 蒸発器
５ 飽和蒸気管 ６ 一次過熱器
７ 二次過熱器 ８ 蒸気タービン
９ 蒸気過熱低減器 １０ 三次過熱器
１１ 蒸気バイパス配管 １２ 主蒸気配管
１３ 二次過熱器出口蒸気 １４ バイパス蒸気
１５ 三次過熱器入口蒸気 １６ サーマルスリーブ
１７ 保護筒 １８ 過熱器
１９ 過熱蒸気配管 ２０ 飽和蒸気バイパス配管
２１ 分岐飽和蒸気配管 ２２ 一次再熱器
２３ 二次再熱器 ２４ 主蒸気配管
２５ 蒸気タービン出口蒸気配管 ２６ 分岐再熱用蒸気配管
２７ 再熱器 ２８ 再熱主蒸気配管
３０ ガスタービン

Claims (3)

1. 給水ポンプにより送られた給水を加熱する節炭器と、
   該節炭器で加熱した給水を蒸発させる蒸発器と、
   該蒸発器からの蒸気を加熱して過熱蒸気とする過熱器及び／又は該過熱器で得られた蒸気が供給される蒸気タービン出口からの蒸気を加熱する再熱器と、
   該過熱器又は再熱器の出口蒸気を蒸気タービンに向けて供給する主蒸気配管と、
   該主蒸気配管内を流れる過熱蒸気より低温の蒸気が流れる低温蒸気配管と、
   前記主蒸気配管の内部に保護筒を配置し、前記低温蒸気配管から分岐した少なくとも２つの低温蒸気配管の各々から噴出する蒸気が主蒸気配管の中央部で正面衝突するように主蒸気配管の対向する位置に低温蒸気配管を配置し、かつ低温蒸気配管が保護筒内部に突出しないように接続した過熱低減器と
   を備えたことを特徴とする排熱回収ボイラ。
2. 前記過熱器は、一次過熱器、二次過熱器及び三次過熱器を含み、前記各過熱器を順次接続する主蒸気配管をそれぞれ設け、二次過熱器の前流部より取り出した蒸気を流す蒸気配管を分岐した分岐配管とし、該分岐した蒸気配管を前記低温蒸気配管として二次過熱器と三次過熱器とを接続する前記主蒸気配管に、少なくとも２方向から接続した過熱低減器を設けたことを特徴とする請求項１記載の排熱回収ボイラ。
3. 前記再熱器は、一次再熱器と二次再熱器を含み、該一次再熱器と二次再熱器を接続する主蒸気配管を設け、また一次再熱器前流部より取り出した蒸気を流す蒸気配管を設け、該一次再熱器前流部より取り出した蒸気を流す蒸気配管を少なくとも２つに分岐した分岐配管とし、該分岐した蒸気配管を前記低温蒸気配管として前記一次再熱器と二次再熱器を接続する主蒸気配管に少なくとも２方向から接続した過熱低減器を設け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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