JP4457339B2 - 耐熱衝撃熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、温度変化率が高く、急激な温度変化を受けても、発生する熱応力が小さく、高い伝熱性能を維持する耐熱衝撃熱交換器に関する。

図７は、再生ガスタ−ビンサイクルの構成図である。なお本発明の熱交換器は、ガスタービン専用の用途にあらず、高温流体と低温流体の熱交換に用い、高温流体側の著しい温度・流量変化を伴うプロセス部に汎用として用いるものである。
再生ガスタ−ビンサイクルは、熱交換器５を用いて燃焼器４に供給する空気を予熱するものであり、圧縮機１で加圧した空気８を熱交換器５においてタービン２の排気ガス１２と熱交換することで、空気１１を予熱して燃焼器４に導き燃料７を燃焼させるものである。再生ガスタ−ビンサイクルは、熱交換器５を用いない単純サイクルよりも熱効率が上昇することが知られている。

図８は、実際のガスタービンの起動から停止までのタービン回転数と熱交換器ガス入口温度を模式的に示したものである。この図において、タービン回転数を右側の縦軸、熱交換器ガス入口温度を左側の縦軸で示す。横軸は起動から停止までの時間経過である。以下、再生ガスタ−ビンサイクルの起動・停止手順を説明する。

起動時において、連結する電動機兼用発電機３に電力を供給し、タービン２を回転駆動し、燃料７を噴射して着火する（１３）。次いで、電動機兼用発電機３のアシストなく自立運転しアイドリング状態（１４）になった後、燃料流量を増加し出力を上昇させる（１５）。
また、停止時には、タービン回転数をアイドリング回転数まで低下させ（１７）、回転数、温度、流量、圧力などの諸量が安定したところで、燃料の供給を停止し、消火して運転を停止する（１８）。

上述したガスタービンの起動・停止サイクルにおいて、着火に必要な空気は、別系統の空気源より起動・自立に足る流量圧力の空気６を圧縮機１の入口部から供給し、燃焼器４の燃料着火に用いる。この着火の際の、燃焼器出口温度の温度上昇の速さは極めて大きく、タービン２を介した熱交換器ガス入口部９の温度上昇も、非常に大きなものとなる。仮にタービン２が回転していれば、その仕事によってタービン出口温度すなわち熱交換器ガス入口温度は低下するが、着火時であるため、タービン２は回転しておらず、その効果は望めない。その結果、図２の実例によると、その熱交換器ガス入口温度の温度変化（１６）は１００℃／秒以上に達している。

また、停止時、特に消火時に、燃料供給パイプのコーキングによる詰まりを防ぐために、消火と同時に燃料パイプ内に不活性ガスを注入しパージすることが一般的に行われる。こうすることで、１９のように温度が急降下し、温度変化率としては起動着火時より大きい場合が多い。

また、例えばエンジンにトラブルが発生した場合、急激に出力・回転数を低減する必要がある。この場合にも、熱交換器入口部でのガス温度は極めて大きく動揺するため、熱交換器５は大きな温度変化を受ける。例えば、仮に１００℃／秒の温度変化があった場合、熱交換器における熱膨張差は、激しい箇所では１５〜２０ｍｍ／秒に達し、通常の金属製熱交換器の場合、熱膨張差を吸収しきれずに破損に至るおそれもある。

そのため、従来は、熱交換器の強度設計時のマージンを大きくとるか、タービン側の運転方法を、再生サイクルガスタービン用として、試行錯誤して、燃焼着火手順や構造、制御を含めてその運転プロファイルを作り直していた。
また、同様の問題を解決するため、特許文献１、特許文献２、等が提案されている。

特許文献１の「熱交換器の保護装置」は、図９に示すように、低温流体配管系５１及び高温流体配管系５２に接続し、前記配管内を流れる流体間で熱交換をさせる熱交換器５３と、低温流体配管系に接続し熱交換不要時には熱交換器５３に流す低温流体を迂回させるバイパス弁５４と、熱交換器５３の出口側の高温流体配管系に接続して熱交換不要時には熱交換器に高温流体を流さないようにする調節弁５５と、調節弁の前後に接続し熱交換不要時にも所定量の高温流体を流す開閉弁５６と、熱負荷状態を監視し、熱交換不要時にはバイパス弁及び開閉弁を開放すると共に調節弁の開閉を制御する制御回路５７とを備えたものである。なお、この図において、５８はボイラ、５９はタービンである。この構成により、熱交換器を熱交換不要時にも暖機するようになっている。

特許文献２の「バイパス付き熱交換器とこれを用いたガスタービン装置」は、図１０に示すように、筒形のケーシング６１の内方に低温の第１流体Ａと高温の第２流体Ｅの間の熱交換を行うコア６２が収納され、第１流体Ａはコアの側面から導入および導出され、第２流体はコアにその前端面から導入されて後端面から導出され、コアの中心部に第２流体を通過させるバイパス通路６３が設けられ、さらに、バイパス通路の開度を調整する調整弁６４を備え、熱交換器出口での高温の流体の温度を調整するものである。

特公昭６０−１７９９７号公報 特開２００２−９８００１号公報

熱交換器の性能設計として、一般的には、限られたスペースに収まり、かつ排気ガスの圧力損失及び空気圧力損失を許容範囲内に収めつつ、与えられた空気及びガス入口条件から、それぞれの要求仕様に適合する出口条件を見い出す計算を行う。また、強度設計として、定常運転条件で構造強度計算を行い、破壊に至らない構造及び許容応力以下の部材を適用すると共に、起動停止時の非定常温度変化および流量・圧力変化をしている際の強度評価をする必要がある。
熱交換器の強度計算において設計マージンを大きく採ると、ガスタービンなどの熱機関や各種プラントの起動停止をより急激に行っても熱交換器が破壊しないことになるが、強度補強による重量増、コスト高、製造の困難さ、加えて例えば伝熱管の厚さ増加は伝熱性能の低下につながり熱交換器の大型化など悪循環となる。そのため、プラント運転制御への温度変化の緩和を求めなければならないが、着火時などの燃焼温度制御は極めて難しく、特に、圧縮機・タービンなどの高速回転体への負担を要求することは、高速回転体破壊の危険性と、技術的困難さが伴う。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、温度変化率が高く、急激な温度変化を受けても、発生する熱応力が小さく、高い伝熱性能を維持することができる耐熱衝撃熱交換器を提供することにある。

本発明によれば、高温ガスが通過するガス流路と、該ガス流路内に設置され前記高温ガスと内部を流れる低温ガスとで間接的に熱交換する熱交換器と、該熱交換器の上流側のガス流路内に設置され前記高温ガスで加熱される熱容量の大きな蓄熱体と、を備えたことを特徴とする耐熱衝撃熱交換器が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば工業炉などに用いる空気を予熱し、その空気によって効率を高めるための耐熱衝撃熱交換器であって、
前記低温ガスは空気であり、前記熱交換器は、高温ガスと空気との間で熱交換する熱交換器であり、前記蓄熱体は熱交換器より上流側の高温ガスと直接接触して加熱される蓄熱体である。

また別の好ましい実施形態によれば、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスで回転駆動するタービンとを有するガスタ−ビン設備に用いる耐熱衝撃熱交換器であって、
前記高温ガスはタービン排ガスであり、前記低温ガスは圧縮した空気であり、前記熱交換器は、タービン排ガスと圧縮空気との間で熱交換する熱交換器であり、前記蓄熱体は熱交換器より上流側のタービン排ガスと直接接触して加熱される蓄熱体である。

前記蓄熱体は、比熱の大きい耐熱材料からなり、単一または複数が積層された管列又は鉄格子状マトリックスである。

前記蓄熱体は、その一部または全部が、高温ガスが通過するガス流路から退避可能に構成されているのがよい。

上記本発明の構成によれば、蓄熱体が熱交換器の上流側に設置され、高温ガスで加熱されるので、熱交換器に流入する高温ガス（例えばタービン排ガス）のピ−ク温度を緩和することができる。

また、前記蓄熱体を、単一または複数が積層された金網、管列、又は整流格子で構成することにより、所望の蓄熱容量を得ることができ、熱交換器に流入するタービン排ガスのピ−ク温度を任意に緩和することができる。

また、蓄熱体の一部または全部を、高温ガスが通過するガス流路から退避可能に構成することにより、起動停止時にはピ−ク温度を十分緩和できるように蓄熱体全体をガス流路内に配置し、定常時には圧力損失を低減するように退避させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備の第１実施形態図である。
この図において、本発明の耐熱衝撃熱交換器は、高温ガス（タービン排ガス１０）が通過するガス流路２２と、このガス流路内に設置され高温ガスと内部を流れる低温ガス（空気）とで熱交換する熱交換器５と、熱交換器５の上流側のガス流路内に設置され高温ガス１０で加熱される蓄熱体２０とを備える。

図１において、このガスタービン設備は、圧縮機１、タービン２、発電機３（電動機兼用発電機）、燃焼器４、及び再生熱交換器５（熱交換器）を備えた再生サイクルガスタービン装置である。この再生サイクルガスタービン装置は、再生熱交換器５の高温排気ガス入口上流に蓄熱体２０を先に設置し、主にガスタービンの起動時および停止時の急激な温度流量変化時において、その変化を緩和させる役目をになわせる。

図２は図１の再生サイクルガスタービン装置におけるガスタービンの起動から停止までのタービン回転数と熱交換器各部の温度を示したものである。この図において、Ａはタービン回転数（右側の縦軸）、Ｂはタービン出口温度、Ｃは蓄熱体出口排ガス温度、Ｄは蓄熱体表面温度である。各温度は左側の縦軸で示す。横軸は起動から停止までの時間経過である。
図２に示すように、起動時には、一般的には圧縮機１、タービン２、熱交換器５、蓄熱体２０、およびケーシングや配管などは外気温前後の温度で静定している。燃焼器の点火によってきわめて短い時間の間に急激に温度上昇する排気ガス１０はタービン２を出た後、熱交換器５に達する前に、配置した蓄熱体２０を暖めなくてはならない。そのため、蓄熱体２０から出てくる排気ガス２１は、蓄熱体２０に熱を取られ、温度が低下している。時間が経過し、蓄熱体２０に熱が十分に蓄積されると、蓄熱体自体が排気ガスの温度にほぼ静定する。

また、蓄熱体２０の配置は、熱交換器５へ流入する排気ガスの急激な温度変化の緩和を最も効果的に実施するために、蓄熱体の熱容量の増加と、排気ガス流路を蓄熱体２０でできるだけ閉塞させることによる伝熱面積と熱伝達率の増加が効果的である。しかし両者ともタービン効率にとってはマイナスに作用する。そこで、起動・停止・トラブル時にのみ蓄熱体２０の量と配置を変える方法により、ガス流路の通気を妨げず、圧力損失を最小限にすることで、ガスタービンの効率を落とさず、かつ効果的に熱交換器を保護することが可能である。
蓄熱体２０の容量と圧力損失の選択は、非常に難しく、用途と性能に応じて、熱交換器の強度と蓄熱体の熱容量からくるガス温度の時間変化率のバランスをとり決定する。

図１の第１実施形態において、エンジン起動時、燃焼器４が着火し、タービン２から高温のタービン排ガス１０が流量と同時に温度も急激に増加して排気されてくる。それらのタービン排ガス１０は、熱交換器５に直接流入する前に、蓄熱体２０に衝突する。高温のタービン排ガス１０は、蓄熱体２０に強制対流熱伝達によって熱を奪われ、温度の急激なピークを平坦化させられる。そのため蓄熱体２０から排気されるガス温度２１は、入口温度の変化に比べて、図２のＣで示すように緩やかな温度上昇カーブを描くことになる。したがって熱交換器５に流入する際には、熱交換器に急激な熱膨張を起こさせることなく起動を完了させることができる。

停止時および何らかのトラブルによって燃焼器４が停止した際には、これとはまったく別の現象が起こる。すなわち、熱交換器５および蓄熱体２０が定常あるいはアイドリングによって十分加熱されている状態で、流量と温度が停止シーケンスを始める。特に流量はタービンなどの回転体で慣性で回転しているので急激には減少しない。一方温度も、タービンなどの持つ熱容量により、急に下がり続けないものの失火の衝撃により一時的に急激な温度変化を生じる。しかしながら蓄熱体２０に温度低下したタービン排ガス１０が当ると、熱伝達により蓄熱体２０は熱を放出し、結果として、排ガス温度の変化の急激な低下を抑える。

図３は蓄熱体の構造例を示す図である。図３（ａ）は金網の単層（左図）とこれを２層に積層したもの（右図）である。この構造は、設置が容易であり開口率を大きくとることができる。
図３（ｂ）は管列の単層（左図）とその積層（右図）である。この構成は、非常に安価に設置ができる。
図３（ｃ）は、整流格子であり、下部整流ディフィーザにおいて熱交換器の性能が十分に出るように、ガス流を分散均等化したものをさらに整流し、熱交換器の効率向上に寄与できる。またこれを積層して大きな蓄熱容量を得ることもできる。
なお、これらの蓄熱体は、比熱の大きい耐熱材料（例えば、金属、セラミックス、等）からなるのがよい。

図４は、本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備の第２，第３の実施形態図である。図１に示した第１実施形態は、蓄熱体２０の完全固定型を示し、図４（Ａ）の第２実施形態は、部分移動を行える形式、図４（Ｂ）の第３実施形態は、定常運転時には完全に排除できる構成を示す。
以下、蓄熱体の設置構成について説明する。熱交換器５の破損を防ぎ、熱交換器５の設計基準を緩めるためには、蓄熱体２０の容量を増やし、ガス温度変化の緩和を行えばよい。しかし、蓄熱体を多く入れると、排気ガスの圧力損失を大きくし、エンジン熱効率の低下を招く。また、蓄熱体は、定常運転時にはトラブル時の待機のためを除き必要がないため、図４（Ｂ）（Ｃ）に例示するように、起動停止時に蓄熱体を十分に配置し、定常時には移動させることが好ましい。
なお、蓄熱体の移動手段は問わないが、起動停止時には自動シーケンス制御にて作動させ、失火などのトラブル時にはシーケンス制御以外にも、燃焼器の温度低下や圧力低下、燃料流量の変化などにより緊急作動が可能としておく必要がある。

図５は、本発明の耐熱衝撃熱交換器の模式図である。この図において、（Ａ）は熱交換器５の上流側に鉄格子状マトリックスの蓄熱体２０を単層（１重）に配置した例、（Ｂ）は同様に鉄格子状マトリックスの蓄熱体２０を３層に配置した例である。

図６は、本発明の効果を示す特性図である。この図は、高温ガス温度変化緩和マトリックスを設置した時の概算温度変化を示している。この図において、横軸は時間、縦軸は温度であり、図中の３本の線は、上からマトリックス上流温度、２重マトリックス下流部温度、３重マトリックス下流部温度を示している。
なお、計算条件は、１ｋｇ／ｓｅｃのガスが熱交換器に流れ込む場合に、その上流部にマトリックス（ヒートマス）を設置した場合の計算値である。ガス入口のダクト形状は１ｍ角、マトリックス形状は鉄格子状で、「１重」で流路の半分を覆い（ガス側から見ると熱交換器の半分が見える）、「２重」で見えなくなる。
この図から、ガスが「マトリックス上流温度」のように急激に温度変化する場合でも、ヒートマスの影響で、「２重」「３重」の場合でも、温度変化が大きく緩和されることがわかる。

上述したように、本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備では、ガスタービン起動、停止、トラブル時の、熱交換器への急激な過熱冷却が低減でき、熱交換器の信頼性が向上する。また、熱交換器設計時の安全係数を小さくできるため、伝熱部も薄くでき、熱交換性能の向上が望める。更に、熱交換器設計時に構造強度の基準を緩めることができ、材料の低減、製作時間の減少、などコストダウンができる。また、熱交換器の寿命が延び、メンテナンス期間を長くとることができる。従って、従来のガスタービンの運転制御方法に大幅な変更を加えることなく、再生サイクル式に適用することができ、信頼性の維持とコストダウンを図ることができる。

なお本発明は上述した実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備について詳述したが、本発明はガスタービン設備に限定されず、高温ガスと低温ガスの間で熱交換するあらゆる熱交換器に適用することができる。

上述したように、本発明の耐熱衝撃熱交換器は、温度変化率が高く、急激な温度変化を受けても、発生する熱応力が小さく、高い伝熱性能を維持することができる、等の優れた効果を有する。

本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備の第１実施形態図である。 図１の再生サイクルガスタービン装置におけるガスタービンの起動から停止までのタービン回転数と熱交換器各部の温度を示す図である。 蓄熱体の構造例を示す図である。 本発明の耐熱衝撃熱交換器を備えたガスタービン設備の第２，第３の実施形態図である。 本発明の耐熱衝撃熱交換器の模式図である。 本発明の効果を示す特性図である。 再生ガスタ−ビンサイクルの構成図である。 実際のガスタービンの起動から停止までのタービン回転数と熱交換器ガス入口温度を模式的に示す図である。 特許文献１の「熱交換器の保護装置」の模式図である。 特許文献２の「バイパス付き熱交換器とこれを用いたガスタービン装置」の模式図である。

符号の説明

１ 圧縮機、２ タービン、３ 発電機（電動機兼用発電機）、
４ 燃焼器、５ 主熱交換器（再生熱交換器）、７ 燃料、
６，８，１１ 空気、９ 燃焼ガス、１０ タービン排ガス、
１２ 排気ガス、２０ 蓄熱体、２１ 排気ガス、
２２ ガス流路

Claims (5)

1. 高温ガスが通過するガス流路と、該ガス流路内に設置され前記高温ガスと内部を流れる低温ガスとで間接的に熱交換する熱交換器と、該熱交換器の上流側のガス流路内に設置され前記高温ガスで加熱される熱容量の大きな蓄熱体と、を備えたことを特徴とする耐熱衝撃熱交換器。
2. 工業炉などに用いる空気を予熱し、その空気によって効率を高めるための耐熱衝撃熱交換器であって、
   前記低温ガスは空気であり、前記熱交換器は、高温ガスと空気との間で熱交換する熱交換器であり、前記蓄熱体は熱交換器より上流側の高温ガスと直接接触して加熱される蓄熱体である、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。
3. 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮した空気で燃料を燃焼させる燃焼器と、燃焼ガスで回転駆動するタービンとを有するガスタ−ビン設備に用いる耐熱衝撃熱交換器であって、
   前記高温ガスはタービン排ガスであり、前記低温ガスは圧縮した空気であり、前記熱交換器は、タービン排ガスと圧縮空気との間で熱交換する熱交換器であり、前記蓄熱体は熱交換器より上流側のタービン排ガスと直接接触して加熱される蓄熱体である、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。
4. 前記蓄熱体は、比熱の大きい耐熱材料からなり、単一または複数が積層された管列又は鉄格子状マトリックスである、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。
5. 前記蓄熱体は、その一部または全部が、高温ガスが通過するガス流路から退避可能に構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の耐熱衝撃熱交換器。

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