JP4489775B2 - 横形貫流ボイラとその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ほぼ水平の燃焼ガス流れ方向に燃焼ガスが貫流される燃焼ガス通路（煙道）内に蒸発器貫流伝熱面が配置され、該伝熱面が、水及び又は蒸気（以下、流れ媒体という。）の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管を有する貫流ボイラに関する。

ガス・蒸気複合タービン設備では、ガスタービンからの膨張済み作動媒体或いは燃焼ガス（高温ガス）に含まれる熱を、蒸気タービン用蒸気を発生するために利用する。熱伝達は、ガスタービンに後置接続された廃熱ボイラで行われ、通常廃熱ボイラ内に、給水加熱用、蒸気発生用および蒸気過熱用の複数の伝熱面が配置されている。それら伝熱面は蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。通常、水・蒸気回路は、複数、例えば３つの圧力段を有し、各圧力段は各々蒸発器伝熱面を有する。

ガスタービンに燃焼ガス側で廃熱ボイラとして後置接続されたボイラに対し、種々の設計構想が考えられる。即ち貫流ボイラ或いは循環ボイラとしての設計が考えられる。貫流ボイラの場合、蒸発管として利用される蒸気発生管の加熱は、蒸気発生管での一回の貫流で流れ媒体を蒸発させる。これに対し、自然循環ボイラや強制循環ボイラの場合、循環水は、蒸発管の一回の貫流で部分的にしか蒸発しない。未蒸発の水は、発生した蒸気の分離後に、更なる蒸発のために同じ蒸発管に改めて導入される。

自然循環ボイラや強制循環ボイラと異なり、貫流ボイラは圧力制限を受けず、従って生蒸気圧は、液状媒体と蒸気状媒体との間にほんの僅かな圧力差しか存在しない水の臨界圧（Ｐ_Kri≒２２１×１０⁵Pa）よりかなり高くできる。高い生蒸気圧は、高い熱効率、従って、化石燃料式発電所のＣＯ₂発生の低減に貢献する。また、貫流ボイラは循環ボイラに比べて単純な構造を有し、特に安価に製造できる。従って、ガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラとして貫流原理に基づいて設計されたボイラの利用は、ガス・蒸気複合タービン設備の高い総効率を単純な構造で得る上で特に有利である。

横形廃熱ボイラは、製造費並びに必要な点検作業に関し特別な利点を持つ。横形廃熱ボイラでは、加熱媒体又は燃焼ガス（高温ガス）、即ちガスタービンからの排気ガスは、ボイラを経てほぼ水平の流れ方向に導かれる。横形貫流ボイラの場合、伝熱面の蒸気発生管はそれらの位置に応じて大きく異なる加熱作用を受ける。特に出口側で共通管寄せに接続した蒸気発生管では、個々の蒸気発生管の異なった加熱は、互いに大きく異なった蒸気パラメータの蒸気流を合流させ、このため伝熱面の効率を低下させ、蒸気発生を低下させる。また、互いに隣接する蒸気発生管の異なる加熱は、特に管寄せの入口範囲で、蒸気発生管又は管寄せに損傷を起す。従って、ガスタービンの廃熱ボイラとして、横形に形成した貫流ボイラの望ましい利用は、十分に安定化された流れ案内に関し大きな問題を伴う。

欧州特許出願公開第０９４４８０１号明細書で、横形構造の設計に適し、上述の利点を有する貫流ボイラが知られている。この公知のボイラは、蒸発器貫流伝熱面について、蒸発器貫流伝熱面の他の蒸気発生管に比べて余分に加熱された蒸気発生管が、上述の他の蒸気発生管に比べ大きな流れ媒体流量を有するよう設計されている。従って、この公知のボイラの蒸発器貫流伝熱面は、個々の蒸気発生管が異なる加熱を受ける際、自然循環蒸発器伝熱面の流れ特性（自然循環特性）の形で、自動安定挙動を示す。この挙動は、外的処置を必要とせずに、流れ媒体側で並列接続され、異なる加熱を受ける蒸気発生管においても出口側温度を平衡させる。尤も、この設計構想は、公知のボイラが比較的小さな質量流量密度で流れ媒体を供給すべく設計することを条件としている。

従って、本発明の課題は、比較的大きな質量流量密度で流れ媒体を供給する場合でも、特に大きな運転安定性を保証する、冒頭に述べた形式の貫流ボイラと、特にそれに適した上述の形式の貫流ボイラの運転方法とを提供することにある。

このボイラに関する課題は、本発明に基づき、略水平の燃焼ガス流れ方向に燃焼ガスが貫流する燃焼ガス通路内に蒸発器貫流伝熱面が配置され、該伝熱面が、流れ媒体を貫流させるために並列接続された複数の蒸気発生管を備え、前記複数の蒸気発生管が燃焼ガス通路に対し対向流で流れ媒体によって貫流される第１伝熱面セグメント、ならびに燃焼ガス通路および流れ媒体回路において前記第１伝熱面セグメントに前置接続されたもう１つの第２伝熱面セグメントを有し、前記第１伝熱面セグメントの流れ媒体側出口が、燃焼ガス流れ方向に見て、運転中に蒸発器貫流伝熱面内で生ずる飽和蒸気温度が運転中における第１伝熱面セグメントの出口の位置における燃焼ガス温度から設定された最大温度差以下でしか変化しないような位置に設けられたことで解決される。

本発明は、蒸発器貫流伝熱面に比較的大きな質量流量密度で流れ媒体を供給すると、個々の管の局所的に異なる加熱が、余剰加熱管が少量の流れ媒体、そして不足加熱管が多量の流れ媒体で貫流されるように流れ状態に影響を与えるという考えから出発する。この際、余剰加熱管は不足加熱管より弱く冷却され、このため発生温度差は自ら増大する。これを流れ状態の能動的影響なしで効果的に防止すべく、配管系統は、起こり得る温度差の基本的且つ全体的な制限に対し適切に設計せねばならない。そのため、蒸発器貫流伝熱面の出口で流れ媒体が、少なくとも主に蒸気発生管内の圧力により与えられる飽和蒸気温度を有せねばならないと言う認識が利用できる。しかし他方では、流れ媒体は最高で、蒸発器貫流伝熱面からの流れ媒体の流出個所における燃焼ガスが有する温度を持つ。起こり得る温度傾斜状態を主に限界づけるこれら両方の限界温度を適当に調和することで、起こり得る最大温度傾斜状態も適当に制限できる。蒸発器貫流伝熱面を流出側の対向流セグメントと、該セグメントに燃焼ガス側および流れ媒体側において前置接続されたセグメントとに区分けすることで、出口を燃焼ガス流れ方向において自由に位置させられ、この結果補助的な設計パラメータが利用できる。その際、両制限温度を調和するのに特に適した対策は、蒸発器貫流伝熱面の出口を燃焼ガスの流れ方向で適切に位置付けることにある。

煙道内での燃焼ガスの温度分布に関する蒸発器貫流伝熱面の出口の位置は、約５０℃の最大温度差を維持するように選択するとよく、これに伴い、有用な材料および他の設計パラメータに関し、特に大きな運転安全性が保証される。

特に単純で頑丈な構造は、流れ媒体の集合と分配に関し、伝熱面を単純に形成することで得られる。伝熱面は完全蒸発の全過程段階の実施に対し、唯一の段階、即ち流れ媒体の集合および／又は分配に対する中間接続構成要素なしに、給水加熱、蒸発および少なくとも部分的な過熱の実施に適するよう形成する。従って、多数の蒸気発生管が、各々流れ媒体側で互い違いに直列接続された多数の昇り管部材と下り管部材を有するとよい。

その際、加熱は昇り管部材と下り管部材とで行われる。しかし、下向きに貫流される管部材の加熱も行う蒸気発生管のこの敷設は、基本的に流れを不安定にする危険がある。既に明らかな如く、原因として、下向きに貫流される蒸気発生管内での蒸気泡の発生が挙げられる。即ち下向きに貫流される蒸気発生管内で蒸気泡が発生すると、該泡が蒸気発生管内に存在する水柱内を上昇し、この結果流れ媒体の流れ方向と逆向きの運動を起す。恐らく存在する蒸気泡の、流れ媒体の流れ方向と逆向きの運動を徹底して防止すべく、運転パラメータの適当な設定で、流れ媒体の本来の流れ方向における蒸気泡の強制的排除を保証せねばならない。これは、蒸発器貫流伝熱面への供給を、蒸気発生管内での流れ媒体の流速が恐らく存在する蒸気泡に所望の排除作用を生じさせるように行うことで達成できる。下向きに貫流される蒸気発生管内での比較的高い流速は、流れ媒体側入口での蒸気発生管の比較的強い加熱と、これに伴う流れ媒体内での蒸気含有量の急速な増大とにより、特に単純な様式で得られる。そのため、蒸発器貫流伝熱面の流れ媒体側入口を昇り管部材として形成し、蒸発器貫流伝熱面の燃焼ガス側入口の近くに、運転中に蒸気発生管を貫流する流れ媒体が設定最低速度より大きな流速を有するように配置すると有利である。

第１昇り管部材と下り管部材は、平行敷設で配置された以下において平行流セグメントとも呼ぶもう１つの第２伝熱面セグメントを形成し、この平行流セグメントは、対向流敷設で配置された以下において対向流セグメントとも呼ぶ第１伝熱面セグメントに流れ媒体側に前置接続するとよい。燃焼ガス通路内でのこのようなセグメントの配置によって、排気ガスの熱を流れ媒体に効果的に伝達する純粋な対向流敷設の利点が十分に維持され、同時に流れ媒体側出口における有害な温度差に対する高い固有安全性が得られる。

本発明の有利な実施態様では、第２伝熱面セグメントは燃焼ガス流れ方向に対し対向流でも敷設できる。

このボイラは、ガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラとしての利用に適する。該ボイラは、燃焼ガス側でガスタービンに後置接続するとよい。この接続では、ガスタービンの下流に、燃焼ガス温度を高めるための補助燃焼装置を配置すると効果的である。

本発明の方法に関する課題は、流れ媒体を、燃焼ガス流れ方向に見て、運転中の燃焼ガス温度が、運転中に蒸発器貫流伝熱面の出口に生ずる飽和蒸気温度から設定された最大温度差以下でしか変化しないような位置で、蒸発器貫流伝熱面から排出することで解決される。

流れ媒体は蒸発器貫流伝熱面からの出口の上流で燃焼ガス流れ方向と対向流で導くとよく、その際、追加的に又は異なる実施態様では、約５０℃の最大温度差を設定する。

起こり得る流れ不安定の発生を徹底して防止すべく、流れ媒体が、蒸気発生管への流入時或いは流入直後に、早くも各蒸気発生管の第１下り管部材において、設定最低速度より大きな流速を有するように強い加熱を行うとよい。

その場合、最低速度として、各第１下り管部材内で生じた蒸気泡を運び去るのに必要な流速を設定するとよい。従って、蒸発器貫流伝熱面への供給は、比較的高い流速により、早くも下向きに貫流される蒸気発生管内で、存在する蒸気泡に所望の搬出作用を与えるように行う。この結果、流れ媒体の流れ方向と逆向きに上昇する蒸気泡による流れ不安定を確実に防止できる。

本発明による利点は、特に煙道内での燃焼ガスの温度分布に合わせた蒸発器貫流伝熱面の流れ媒体側出口の本発明に基づく位置に伴い、全体として流れ媒体の蒸発時に得られる流れ媒体の飽和蒸気温度と出口個所における燃焼ガス温度との間の温度差が、非常に狭く制限され、この結果流れ状態に無関係に僅かな出口側温度差しか生じないことにある。これに伴い、あらゆる運転状態で流れ媒体の温度の十分な平衡が保証される。更に、起こり得る出口温度の絶対高さを制限でき、この結果、材料特性により規定される許容限界温度の超過を確実に防げる。

以下、図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

図１の貫流ボイラ１は、排気ガス側で、図示しないガスタービンに廃熱ボイラの形で後置接続されている。貫流ボイラ１は囲壁２を有し、該囲壁２は、ガスタービンからの排気ガスが矢印４で示すほぼ水平の燃焼ガス（高温ガス）流れ方向ｘに貫流する燃焼ガス通路（煙道）６を形成している。この通路６内に、各々貫流原理で設計され蒸発器貫流伝熱面８とも呼ぶ複数の伝熱面を配置している。図１の実施例の場合、唯一の蒸発器貫流伝熱面８しか示していないが、多数の蒸発器貫流伝熱面を設けることも考えられる。

蒸発器貫流伝熱面８で形成した蒸発器系に流れ媒体Ｗが供給され、媒体Ｗは蒸発器貫流伝熱面８の１回の貫流で蒸発し、蒸発器貫流伝熱面８からの流出後、蒸気Ｄとして排出され、通常、更に過熱のため過熱器伝熱面に供給される。蒸発器貫流伝熱面８で形成された蒸発器系は、蒸気タービンの図示しない水・蒸気回路に接続されている。蒸気タービンの水・蒸気回路には、蒸発器系に加えて、図１に示さない他の複数の伝熱面が接続されている。伝熱面は、例えば過熱器、中圧蒸発器、低圧蒸発器および／又は給水加熱器である。

図１の貫流ボイラ１の蒸発器貫流伝熱面８は、流れ媒体Ｗの貫流のために並列接続された多数の蒸気発生管１２を管束の形で備える。多数の蒸気発生管１２は、各々燃焼ガス流れ方向ｘに見て横に並べて配置されている。図は、横に並べて配置した蒸気発生管１２の内の１本のみを示す。このように並べて配置した蒸気発生管１２に、流れ媒体側における蒸発器伝熱面８への入口１３の上流で、共通の入口管寄せ１４が前置接続され、蒸発器伝熱面８からの出口１６の下流に、共通の出口管寄せ１８が後置接続されている。各蒸気発生管１２は、流れ媒体Ｗが上向きに貫流する多数の上昇管部材２０と、下向きに貫流する多数の下り管部材２２とを有し、上昇管部材２０と下り管部材２２は、各々水平方向に貫流される転流管部材２４で互いに接続されている。

貫流ボイラ１は、比較的大きな質量流量密度で流れ媒体を供給する際も、互いに隣り合う蒸気発生管１２の出口１６での温度傾斜状態とも呼ぶ顕著な温度差を徹底して抑制し、かつ特に高い運転安全性を得るように設計されている。そのため、蒸発器貫流伝熱面８は流れ媒体側に見て下流領域に、燃焼ガス流れ方向ｘに対し対向流で敷設された第１伝熱面セグメント２６を有している。転流管部材２４で互いに接続された多数の上昇管部材２０と下り管部材２２は、燃焼ガス流れ方向ｘに対し平行に敷設されたもう１つの第２伝熱面セグメント２８を形成し、該セグメント２８は第１伝熱面セグメント２６に前置接続されている。この配管敷設によって、燃焼ガス流れ方向ｘにおける出口１６の位置が選択できる。貫流ボイラ１において、この位置は、運転中に圧力に応じて蒸発器貫流伝熱面８内で生ずる流れ媒体Ｗの飽和蒸気温度が、運転中の第１伝熱面セグメント２６の出口１６の位置或いは高さにおける燃焼ガス温度と約５０℃の設定最大差以下でしか異ならないように選択されている。出口１６での流れ媒体Ｗの温度が、常に少なくとも飽和蒸気温度と同じでなければならず、他方では、この個所における燃焼ガス温度より高くならないので、異なる加熱を受ける管の間における起こり得る温度差は、他の対抗処置なしに、約５０℃の設定最大差に制限できる。

従って燃焼ガス流れ方向ｘにおいて、かなり上流に燃焼ガス通路６内に配置された第２伝熱面セグメント２８に、燃焼ガス側および流れ媒体側で、同様に各々転流管部材により互いに接続された多数の上昇管部材２０と下り管部材２２とにより形成され、燃焼ガス流れ方向ｘに対し対向流で貫流される第１伝熱面セグメント２６が後置接続されている。

燃焼ガス通路６の内部の下り管部材２２の如く、下向きに貫流される管部材の配置は、基本的に蒸気発生管１２の内部での流れの安定が適当な処置で保証できるときにしかできない。即ち、下向きに貫流される管部材の加熱は、一般に流れ媒体Ｗ内に蒸気泡を発生させ、該気泡は、小さな比重の故に流れ媒体Ｗの流れ方向と逆向きに上昇するので、流れの安定性、従って貫流ボイラ１の運転安全性を害する。他方、上向きに貫流される管部材、即ち上昇管部材の加熱しか行わない蒸気発生管１２の敷設は、高い構造的経費を伴う。

貫流ボイラ１の特に単純で頑丈な構造は、蒸発器貫流伝熱面８を特に流れ媒体の集合および分配について特に単純に形成し、例えば非加熱管寄せのような補助的な構成要素を省くことで得られる。その代わりに、蒸気発生管１２は各々流れ媒体側で互い違いに接続された多数の上昇管部材２０と下り管部材２２を有し、これら上昇管部材２０と下り管部材２２は燃焼ガス通路６の内部に敷設されて、燃焼ガスによる加熱を受ける。

入口１３は、蒸発器貫流伝熱面８の燃焼ガス側入口、即ち燃焼ガス流れ方向ｘにおいてかなり上流で燃焼ガス通路６内に配置される。燃焼ガスが最高温度を有する燃焼ガス通路６の領域に入口１３を配置することで、非常に急速な加熱、従って蒸気発生管１２内における流れ媒体Ｗの蒸発も達成できる。水・蒸気混合体の流速は、質量流量が同じである場合、蒸気按分量従って混合体の比容積が大きくなればなる程増大するので、このように入口管寄せ１４を配置した場合、流れ媒体Ｗが非常に早く高い流速に達する。

これは、蒸気発生管１２内に生ずる流れの安定性を保証する上で特に有効である。即ち流れの安定性を決定的に害する主要因は、蒸気発生管１２内での蒸気泡の発生である。蒸気発生管１２内で生ずる蒸気泡は、小さな比重のために上向きに上昇し、これに伴い下向きに貫流される下り管部材２２で流れ方向と逆向きに運動する。この運動が流れの安定性を決定的に害する故、蒸気発生管１２内での発生蒸気泡の上昇を徹底して防止せねばならない。流れの安定性に対する重要な基準は流れ媒体Ｗの流速である。下向きに貫流される第１管部材、即ち第１下り管部材２２において、流速が早くも少なくとも蒸気泡を運び去るのに必要な値を有するとき、蒸気泡は流れと共に運ばれ、流れ方向と逆向きの上昇が確実に防止される。燃焼ガス側入口での入口１３の位置付けおよびこれにより引き起こされる第１下り管部材２２内での流れ媒体Ｗの高い速度により、安価な構造的経費で発生蒸気泡に対する所望の搬出効果を保証できる。

横形貫流ボイラの概略縦断面図。

１ 貫流ボイラ、６ 燃焼ガス通路、８ 蒸発器貫流伝熱面、１２ 蒸気発生管、１３ 入口、１６ 出口、２０ 上昇管部材、２２ 下り管部材、２４ 転流管部材、２６、２８ 伝熱面セグメント、Ｗ 流れ媒体、Ｄ 蒸気、ｘ 燃焼ガス流れ方向

Claims (14)

1. 略水平の燃焼ガス流れ方向（ｘ）に燃焼ガスが貫流する燃焼ガス通路（６）内に蒸発器貫流伝熱面（８）が配置され、該伝熱面（８）が、水及び又は蒸気（以下、流れ媒体という。）（Ｗ）を貫流させるために並列接続された複数の蒸気発生管（１２）を備え、
   前記複数の蒸気発生管（１２）が燃焼ガス通路（６）に対し対向流で流れ媒体（Ｗ）によって貫流される第１伝熱面セグメント（２６）、ならびに燃焼ガス通路および流れ媒体回路において前記第１伝熱面セグメント（２６）に前置接続されたもう１つの第２伝熱面セグメント（２８）を有し、前記第１伝熱面セグメント（２６）の流れ媒体側出口（１６）が、燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見て、運転中に蒸発器貫流伝熱面（８）内で生ずる飽和蒸気温度が運転中における第１伝熱面セグメント（２６）の出口（１６）の位置における燃焼ガス温度から、設定された最大温度差以下でしか変化しないような位置に設けられたことを特徴とする貫流ボイラ。
2. 最大温度差が、５０℃に設定されたことを特徴とする請求項１記載の貫流ボイラ。
3. 多数の蒸気発生管（１２）が、各々流れ媒体側で互い違いに直列接続された多数の昇り管部材（２０）と下り管部材（２２）とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の貫流ボイラ。
4. 蒸発器貫流伝熱面（８）の流れ媒体側入口（１３）が、蒸発器貫流伝熱面（８）の燃焼ガス側入口の近くに、運転中に蒸気発生管（１２）を貫流する流れ媒体（Ｗ）が設定最低速度より大きな流速を有するように配置されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の貫流ボイラ。
5. 第２伝熱面セグメント（２８）が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に対し対向流で敷設されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の貫流ボイラ。
6. 第２伝熱面セグメント（２８）が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に対し平行に敷設されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の貫流ボイラ。
7. 燃焼ガス側においてガスタービンが前置接続されたことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の貫流ボイラ。
8. 略水平の燃焼ガス流れ方向（ｘ）に燃焼ガスが貫流する燃焼ガス通路（６）内に蒸発器貫流伝熱面（８）が配置され、該伝熱面（８）が流れ媒体（Ｗ）を貫流させるための並列接続された複数の蒸気発生管（１２）を有する貫流ボイラ（１）において、
   前記流れ媒体（Ｗ）を、燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見て、運転中の燃焼ガス温度が、運転中に蒸発器貫流伝熱面（８）の出口に生ずる飽和蒸気温度から、設定された最大温度差以下でしか変化しないような位置で、蒸発器貫流伝熱面（８）から排出することを特徴とする貫流ボイラ（１）の運転方法。
9. 流れ媒体（Ｗ）を、蒸発器貫流伝熱面（８）からの出口の上流で燃焼ガスに対し対向流で導くことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 最大温度差を、５０℃に設定することを特徴とする請求項８又は９記載の方法。
11. 流れ媒体（Ｗ）が蒸気発生管（１２）への流入時或いは流入直後に早くも、各々の蒸気発生管（１２）の第１下り管部材（２２）において設定最低速度より大きな流速を有するように強い加熱を行うことを特徴とする請求項８から１０の１つに記載の方法。
12. 設定最低速度として、各々の第１下り管部材（２２）内で発生した蒸気泡を運び去るのに必要な流速を設定することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 流れ媒体（Ｗ）を、蒸発器貫流伝熱面（８）への流入後に燃焼ガスに対し対向流で導くことを特徴とする請求項８から１２の１つに記載の方法。
14. 流れ媒体（Ｗ）を、蒸発器貫流伝熱面（８）への流入後に燃焼ガスに対して平行に導くことを特徴とする請求項８から１２の１つに記載の方法。

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