JP4222484B2 - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、複合発電プラント等の高温ガスの熱エネルギーを管列からなる熱交換器を用いて回収する貫流型排熱回収ボイラに係わり、特に貫流蒸発器の構成に関する。

発電用ガスタービン等の排気ガスは６００℃程度の温度を有している。排熱回収ボイラは、このような高温ガスからの熱回収により蒸気を発生する装置である。特に発電分野においては、排熱回収ボイラはガスタービン、蒸気タービン及び発電機と共に構成する複合発電設備が普及している。複合発電設備は高い発電効率と高負荷変化率、高速起動停止等の特徴を有している。また天然ガスを燃料とする複合発電設備は、燃料中の炭素分が少ない事と高効率であることからＣＯ２排出量が少なく、また排気ガスに硫黄酸化物を含まない事などから更なる普及が期待されている。

これまで排熱回収ボイラでは汽水分離ドラムを使用する、いわゆるドラム型ボイラが一般的であったが、近年、貫流型ボイラの開発が進められている。貫流型ボイラにおいては、ドラム型ボイラで用いられていた大径の汽水分離ドラムが不要となる。このため、ドラム型ボイラでは汽水分離ドラム隔壁の熱応力により規定されていた蒸気圧力変化率の制限が緩和され、特にボイラの起動時間が半減すると期待されている。

図６に貫流型排熱回収ボイラの概要を示す。排熱回収ボイラにはガス流れがほぼ水平となる横型と、ほぼ鉛直となる縦型がある。以下では大型設備で主に採用される横型のボイラを例に説明する。

排熱回収ボイラはケーシング１で囲まれたガスダクト２の中に１以上の熱交換器が配置された構造である。熱交換器は内部流体の状態により、節炭器５、蒸発器６及び過熱器７を備え（さらに再熱器を設けることがある）、内部流体とガス温度の相対関係から、ガス上流側に過熱器７、下流側に節炭器５及び中間部に蒸発器６が配置される。

各熱交換器は、鉛直に配置された伝熱管群から構成されており、所望の熱交換量（収熱量）と内部流体流量を確保するため、ガス流れ直角方向及びガス流れ方向に複数列の伝熱管を配置することが一般的である。

ここで、ガス流れ直角方向の同じ列に配置された伝熱管は同じガス温度に曝されると期待できる。このような伝熱管群を以後、管列と称する。
排熱回収ボイラにおいては、小型化を図るためフィン付伝熱管が一般に採用されている。フィン付管は伝熱管の周囲にフィンを一定間隔で取り付け、有効伝熱面積を拡大したものである。

図示していないガスタービンから排出された燃焼排ガスＧ１は排熱回収ボイラのケーシング１内のガスダクト２へと導かれ、その中に配置された過熱器７、貫流蒸発器６及び節炭器５の順に各熱交換器内の水、蒸気、又は水と蒸気の混合流体と熱交換され低温ガスＧ２として煙突へと排出される。

水・蒸気系では、図示していない給水ポンプにより供給された低温水は節炭器５で飽和温度近傍まで予熱された後に高温水Ｆ１として第１の貫流蒸発器６ａの下方の入口管寄せ２１ａに導かれる。入口管寄せ２１ａから複数の管列が分岐した伝熱管２５の群が設けられ、各伝熱管２５はガスダクト２を横切って上方に伸びて出口管寄せ２２ａに接続している。高温水Ｆ１は個々の伝熱管２５を上昇する間にガスからの熱を受けて、その一部が気化した気液二相流となり出口管寄せ２２ａで集合する。出口管寄せ２２ａを出た出口流体Ｆ２は第２の貫流蒸発器６ｂの下方の入口管寄せ２１ｂに導かれる。第２の貫流蒸発器６ｂにおいて気液二相流の流体の蒸発を完了し、わずかに過熱した蒸気となって出口管寄せ２２ｂに集合した後、過熱器７に供給され、該過熱器７で所定の温度まで過熱された後に蒸気タービン等の需要先に供給される。

以上は、２つの貫流蒸発器６ａ、６ｂからなる構成で説明したが、単一の貫流蒸発器６で構成する場合、３以上の貫流蒸発器６を直列に接続する場合もある。いずれの構成においても最終段の蒸発器で蒸発が完了するよう構成するのが一般的である。
特表２００１−５０５６４５号公報

排熱回収ボイラに導かれた燃焼排ガスは、熱交換器の管列を通過するたびに熱を奪われ温度が低下する。従来技術による貫流蒸発器６では入口流体は均質であるため、必然的にガス−流体温度差（ガスと管内流体の温度差）はガス流れ方向下流側になるに従って小さくなり、管列毎の収熱量も前記温度差に比例してガス流れ方向ほど小さくなる。

従来の自然循環型の蒸発器においては、各管列の収熱量に相当する蒸発量の数倍から数十倍の飽和水が供給されているため、全ての管列出口では気液二相流が形成され、出口管寄せに接続される管列の出口温度も均質（＝飽和温度）に保たれていた。

一方、貫流型蒸発器の場合、図６の第２の蒸発器６ｂのような、最終段となる貫流蒸発器においては、その出口流体は過熱蒸気となる。このため、管列の収熱量に応じて内部流体温度が上昇し、管列毎の出口温度にガス流れ方向の温度分布が生じる。この様子を示したのが図７である。

なお、図６において横軸のＰｎ（ｎ＝１、２、３、４）はガス流れ方向の伝熱管列を示し、Ｔｇｎ（ｎ＝１、２、３、４）は管列Ｐｎの出口ガス温度を、Ｔｇ０は管列Ｐ１の入口ガス温度をそれぞれ示す。この温度分布は出口管寄せ２２ｂに熱応力を発生させ、疲労破壊の要因となる可能性がある。また、各管列の入口流体温度をＴｆｉｎ、各管列の出口流体温度をＴｆｏｕｔで示し、各管列の入口流体エンタルピーをｈｉｎ、各管列の出口流体エンタルピーをｈｏｕｔで示し、各管列の有効温度差をθ、伝熱面積をＱで示す。

本発明の課題は、上記課題を解決し、安定した運転が可能な貫流型排熱回収ボイラを提供することにある。

前記本発明の課題は次の解決手段により解決できる。
請求項１記載の発明は、ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスを導入して蒸気を発生させる貫流節炭器、貫流蒸発器、貫流過熱器及び貫流再熱器の中で少なくとも貫流節炭器、貫流蒸発器及び貫流過熱器を備えた貫流型排熱回収ボイラにおいて、前記貫流蒸発器は流体が供給される複数の伝熱管列からなり、出口流体が気液二相流である第１の貫流蒸発器と入口流体が気液二相流、出口流体が過熱蒸気である第２の貫流蒸発器とを備え、更に前記第１の貫流蒸発器出口流体である気液二相流を乾き度の異なる２以上の流体に分配する流体分配器を設け、前記流体分配器により分配された乾き度の小なる流体を前記第２の貫流蒸発器のガス流れ上流側の管列に、乾き度の大なる流体を前記第２の貫流蒸発器のガス流れ下流側の管列にそれぞれ供給することで、貫流蒸発器の各々の伝熱管列に供給する内部流体のエンタルピにガス流れ方向の分布を持たせ、ガス流れ上流側の管列には、ガス流れ下流側の管列に比べてエンタルピがより小さい流体を供給し、ガス流れ下流側の管列には、ガス流れ上流側の管列に比べてエンタルピがより大きい流体を供給するように構成した排熱回収ボイラである。

請求項２記載の発明は、直立した円筒形の本体に対し、上方から気液二相流が供給され、本体底部付近の周壁の複数の高さに接続された出口連絡配管より取り出される流体分配器と、伝熱管列ごと又は複数の伝熱管列が接続する２以上の入口管寄せを設けた貫流蒸発器とを備え、よりガス流れ上流側に位置する伝熱管列が接続された前記入口管寄せには、前記流体分配器の出口連絡配管のうち、該流体分配器本体のより下方に接続された出口連絡配管を接続し、よりガス流れ下流に位置する伝熱管に接続された入口管寄せには、流体分配器本体のより上方に接続された出口連絡配管を接続した請求項１記載の排熱回収ボイラである。

請求項３記載の発明は、前記流体分配器の本体底部のほぼ中心にミストを分散させる内装物を備えた請求項２記載の排熱回収ボイラである。

（作用）
貫流蒸発器の管列毎に収熱量が異なる場合に、出口蒸気温度を一定値に保つためには、管列毎に供給するエンタルピを当該管列の収熱量に対応させて分布させればよい。すなわち、熱吸収量が多い管列にはエンタルピの低い流体を、熱吸収量が少ない管列にはエンタルピが高い流体を供給することにより、熱吸収量の差は入口流体のエンタルピ差と相殺され、出口蒸気のエンタルピ、すなわち温度をほぼ一定とすることができる。

管列入口流体が気液二相流の場合には、該エンタルピの差は乾き度の差となる。従って、気液二相流を乾き度の異なる、すなわち二相流中の液相流量の異なる流体に分配することでエンタルピの異なる流体を貫流蒸発器に供給することができる。

フィン付伝熱管自体には、例えば、ガス流れ上流側の管列ほどフィンピッチを大きくする等の処理、即ち伝熱面積をガス流れ上流側の管列ほど小さくするなどの対策を講じる必要がなく、伝熱管の管列数が増えることはなく、単一のフィンピッチの管列のみでよいため、製作が複雑化することもない。

請求項１記載の発明によれば、ガス流れ上方の管列には、ガス流れ下方の管列に供給する流体よりエンタルピが小さい流体を供給するように構成したので、管列毎の熱吸収量の分布に起因する、貫流蒸発器出口管寄せの温度分布を解消することが可能となり、プラントの安定運転に寄与する。

具体的には、気液二相流を乾き度の異なる２以上の流体に分配する流体分配器を備えているので、管列毎の熱吸収量の分布に起因する、貫流蒸発器出口管寄せの温度分布を解消することが可能となり、プラントの安定運転に寄与する。

請求項２記載の発明によれば、よりガス流れ上流側に位置する伝熱管列が接続された前記入口管寄せには、前記流体分配器の出口連絡配管のうち、該流体分配器本体のより下方に接続された出口連絡配管を接続し、よりガス流れ下流に位置する伝熱管に接続された入口管寄せには、流体分配器本体のより上方に接続された出口連絡配管を接続するので、前記請求項１記載の発明の効果に加えて、さらに管列毎の熱吸収量の分布に起因する、貫流蒸発器出口管寄せの温度分布を解消することが可能となり、プラントの安定運転に寄与する。

請求項３記載の発明によれば、流体分配器の本体底部のほぼ中心にミストを分散させる内装物を備えたことで前記請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、さらに管列毎の熱吸収量の分布に起因する、貫流蒸発器出口管寄せの温度分布を解消することが可能となり、プラントの安定運転に寄与する。

図１に本発明の実施例を示す。図６と同一の構成要素については同一の記号を付し説明を省略する。
本実施例の第２の貫流蒸発器６ｂは、４つの伝熱管列から構成されており、以下、各伝熱管列をガス上流側より順にＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と称する。

管列Ｐ１〜Ｐ４の出口は単一の出口管寄せ２２ｂに接続している。一方入口管寄せ２１ｂは第１の入口管寄せ２１ｂ−１及び第２の入口管寄せ２１ｂ−２を備え、管列Ｐ１及びＰ２が第１の入口管寄せ２１ｂ−１に、管列Ｐ３及びＰ４が第２の入口管寄せ２１ｂ−２にそれぞれ接続している。

第１の貫流蒸発器６ａの出口管寄せ２２ａには、図３に示す流体分配器１００が接続されており、第１の貫流蒸発器６ａから流入する気液二相流を、乾き度の異なる２つの流体に分配し、乾き度の大きい流体を第２の貫流蒸発器６ｂの第１の入口管寄せ２１ｂ−１に、乾き度の小さい流体を第２の貫流蒸発器６ｂの第２の入口管寄せ２１ｂ−２に接続した。

これにより、図２に示すように、管列毎の収熱量θに対応し、収熱量θの多いガス流れ上流側の管列により小さな乾き度、すなわちエンタルピがより小さい流体が供給され、収熱量の差が相殺されて、出口温度の均質化が図られる。

流体分配器１００は図３に示すような構造を有する。円筒形に成型された本体は中心軸が直立するように設置される。本体下方周壁には出口連絡配管１０１ａ、１０１ｂが本体高さ方向の２つの位置にそれぞれ放射状に接続されている。

第１の貫流蒸発器６ａを出た気液二相流は流体分配器１００の上方から中心軸上に接続された配管２００により導入され、出口連絡配管１０１ａ、１０１ｂへと流出する。気液二相流は、飽和蒸気と飽和水とが混合した流体であり、その割合は全質量に対する飽和蒸気の質量の比である乾き度として表わされる。第１の貫流蒸発器６ａの出口の乾き度は典型的には０．５〜０．８程度であり、気相中にミスト（液滴）が同伴されるような流動形態である。

このような気液二相流が分配器１００から出口連絡配管１０１ａ、１０１ｂに流出しようとした場合の流れの様子を図４の模式図を用いて説明する。
比較的粒径の小さいミストは気相に同伴されるものの、粒径の大きなミストは慣性力が強いため直進し、流体分配器１００の底部に衝突する。衝突したミストは流体分配器１００の底部に液面を形成、後続のミストの衝突により再飛散して気相に搬送され出口連絡配管１０１へと導かれる。従って、より液面に近い下側の出口連絡配管１０１ａにより多くのミスト、すなわち液相が流出することとなる。

すなわち、本実施例のように高さ方向の複数の位置に出口連絡配管１０１ａ、１０１ｂを接続した場合、より下方の出口連絡配管から、より液相割合の多い、すなわち乾き度の小さい流体を得ることができる。

また、上述の説明は各出口連絡配管１０１ａ、１０１ｂへの液相の分配の割合が出口連絡配管１０１ａ、１０１ｂの高さ方向の距離ｄ１により調整可能であることを示唆しており、貫流蒸発器６ｂの管列の収熱量に応じたエンタルピの分配を実現することができる。すなわち、出口連絡配管１０１ａと出口連絡配管１０１ｂ間の距離ｄ１を大きく取るほど出口連絡配管１０１ａからの出口流体２０１ａの乾き度を小さくし、出口連絡配管１０１からの出口流体２０１ｂの乾き度を大きくすることが可能である。

なお、施工上の理由等から前記距離ｄ１を必要以上に大きく取らざるを得ない場合は、図５に示したような内装物１０２を流体分配器１００の本体下部中心付近に設けることにより、ミストの飛散を促進し、距離ｄ１を小さくした場合と同等の効果を得る事ができる。このとき、内装物１０２の上面と上段側の出口連絡配管１０１ｂとの間の距離ｄ２を小さくするほど、上側出口流体２０１ｂの乾き度が小さくなり、下側出口流体２０１ａとの乾き度の差が縮小する。

図２には図１の貫流型排熱回収ボイラによる貫流蒸発器６ｂの各種状態量を示す。図６に示す従来技術の場合と同様に横軸のＰｎ（ｎ＝１、２、３、４）はガス流れ方向の伝熱管列を示し、Ｔｇｎ（ｎ＝１、２、３、４）は管列Ｐｎの出口ガス温度を、Ｔｇ０は管列Ｐ１入口ガス温度をそれぞれ示す。また、各管列の入口流体温度をＴｆｉｎ、各管列の出口流体温度をＴｆｏｕｔで示し、各管列の入口流体エンタルピーをｈｉｎ、各管列の出口流体エンタルピーをｈｏｕｔで示し、各管列の有効温度差をθ、伝熱面積をＱで示す。

図６に示す従来技術の場合と比べて、貫流蒸発器６ｂの各管列の出口流体エンタルピーｈｏｕｔが平均化されていることが分かる。これは貫流蒸発器６ｂの各管列の中でガス流れのより下流側の入口流体エンタルピーｈｉｎを、より上流側の入口流体エンタルピーｈｉｎより大きくしたためである。

以上の説明は、貫流蒸発器６ｂの入口管寄せを２つに分割した場合を例として説明したが、出口管寄せ２２における温度分布を抑制するため、必要に応じて任意に分割することが可能であることは言うまでもない。

また、流体分配器１００の形状・構成は、同一段の出口連絡配管１０１ａ、又は１０１ｂへの等分配性を確保できるものであれば、必ずしも図３に示される円筒から枝状に管が伸びている例に限定されない。ただ流体分配器１００は円筒状であれば、等分配性、耐圧強度の面で有利である。

本発明は、複合発電プラント等の高温ガスの熱エネルギーを管列からなる熱交換器を用いて回収する貫流型排熱回収ボイラに適用できる。

本発明の一実施例の貫流型排熱回収ボイラの概略側面図である。 図１の貫流型排熱回収ボイラによる貫流蒸発器の各種状態量を示す図である。 図１の貫流型排熱回収ボイラによる貫流蒸発器の流体分配器の構造の一形態図である。 図３の流体分配器における気液ニ相流の分配の模式図である。 図３の流体分配器に内装物を備えた場合の気液ニ相流の分配の模式図である。 従来技術による貫流型排熱回収ボイラの概略側面図である。 従来技術による貫流型排熱回収ボイラによる貫流蒸発器の各種状態量を示す図である。

符号の説明

１ ケーシング ２ ガスダクト
５ 節炭器 ６ 蒸発器
７ 過熱器 ６ａ 第１の貫流蒸発器
６ｂ 第２の貫流蒸発器
２１ｂ−１ 第１の入口管寄せ
２１ｂ−２ 第２の入口管寄せ
２１ａ、２１ｂ 入口管寄せ
２２ａ、２２ｂ 出口管寄せ
２５ 伝熱管 １００ 流体分配器
１０１ａ、１０１ｂ 出口連絡配管
１０２ 内装物 ２００ 配管
２０１ａ 下側出口流体
２０１ｂ 上側出口流体
ｄ１、ｄ２ 距離 Ｆ１ 高温水
Ｆ２ 出口流体 Ｇ１ 燃焼排ガス
Ｇ２ 低温ガス

Claims (3)

1. ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスを導入して蒸気を発生させる貫流節炭器、貫流蒸発器、貫流過熱器及び貫流再熱器の中で少なくとも貫流節炭器、貫流蒸発器及び貫流過熱器を備えた貫流型排熱回収ボイラにおいて、
   前記貫流蒸発器は流体が供給される複数の伝熱管列からなり、出口流体が気液二相流である第１の貫流蒸発器と入口流体が気液二相流、出口流体が過熱蒸気である第２の貫流蒸発器とを備え、
   更に前記第１の貫流蒸発器出口流体である気液二相流を乾き度の異なる２以上の流体に分配する流体分配器を設け、
   前記流体分配器により分配された乾き度の小なる流体を前記第２の貫流蒸発器のガス流れ上流側の管列に、乾き度の大なる流体を前記第２の貫流蒸発器のガス流れ下流側の管列にそれぞれ供給することで、貫流蒸発器の各々の伝熱管列に供給する内部流体のエンタルピにガス流れ方向の分布を持たせ、ガス流れ上流側の管列には、ガス流れ下流側の管列に比べてエンタルピがより小さい流体を供給し、ガス流れ下流側の管列には、ガス流れ上流側の管列に比べてエンタルピがより大きい流体を供給するように構成したことを特徴とする排熱回収ボイラ。
2. 直立した円筒形の本体に対し、上方から気液二相流が供給され、本体底部付近の周壁の複数の高さに接続された出口連絡配管より取り出される流体分配器と、
   伝熱管列ごと又は複数の伝熱管列が接続する２以上の入口管寄せを設けた貫流蒸発器とを備え、
   よりガス流れ上流側に位置する伝熱管列が接続された前記入口管寄せには、前記流体分配器の出口連絡配管のうち、該流体分配器本体のより下方に接続された出口連絡配管を接続し、よりガス流れ下流に位置する伝熱管に接続された入口管寄せには、流体分配器本体のより上方に接続された出口連絡配管を接続したことを特徴とする請求項１記載の排熱回収ボイラ。
3. 前記流体分配器は、その本体底部のほぼ中心にミストを分散させる内装物を備えることを特徴とする請求項２記載の排熱回収ボイラ。

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