JP4540472B2 - 廃熱式蒸気発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの排気ガスによって運転される廃熱ボイラを備えた廃熱式蒸気発生装置に関する。

電気エネルギーを発生するためにガスタービンを装備している最近の多くの発電所設備は、さらに、ガスタービンから排出後になお大きな潜在エネルギーを有するガスタービンの高温排気ガスを有用なエネルギーに変換するために１つあるいは複数の廃熱ボイラを有している。廃熱ボイラの発生蒸気は例えば少なくとも１つの蒸気タービンの運転に利用され、これによってガス・蒸気発電所の効率が純粋なガスタービン設備に比べて高められる。

今日のガス・蒸気発電所においては、蒸気タービンのほかに種々の他の負荷（例えば副流脱気器、建屋暖房など）のために補助蒸気が必要とされる。補助蒸気は、特に設備の運転停止中、タービン装置の始動時／停止時、および発電所設備の例えば定格負荷での通常運転時にも必要とされる。

設備の停止中ガスタービンは高温排気ガスを放出しないので、この運転状態において廃熱ボイラによって、蒸気タービンに対して運転蒸気も補助蒸気も、また、上述した他の蒸気負荷に対して補助蒸気も供給できない。

公知の発電所において、そのような蒸気負荷に補助蒸気を供給するために、廃熱式蒸気発生装置から完全に分離された独立した燃焼式補助蒸気発生装置が使用されている。

そのような補助蒸気発生装置において、設備の運転停止中および始動時／停止時に、飽和蒸気が発生され、場合によって過熱され、上述した蒸気負荷に供給される。

設備の通常運転時に、必要な補助蒸気は例えば廃熱式蒸気発生装置の低圧部において発生される。通常運転中、補助蒸気が廃熱式蒸気発生装置自体でその中に導入された高温排気ガスに基づいて発生されるので、廃熱式蒸気発生装置から分離して構成された補助蒸気発生装置は必ずしも必要とされない。

公知の発電所設備における補助蒸気発生装置の放棄は、特別の場合（例えば、実際に四六時中運転され、従って永続的に高温ガスが補助蒸気発生に用立てられる純粋な基本負荷発電所の場合）にしかできず、例えば、設備の完全停止状態あるいは極低負荷運転が補助蒸気発生を喪失するので、設備の運転柔軟性をかなり制限する。

発電所設備における他の要件に、廃熱ボイラおよび主蒸気管の加熱、保温および圧力維持、並びに、蒸気タービンのできるだけ高い温度ないしは圧力レベルへの加熱および保温が存在し、これらの要件は設備の停止中およびタービンの始動時／停止時にも満たされねばならない。例えば、公知の発電所設備の始動時間は補助蒸気の圧力および温度に左右される。

本発明の課題は、発電所設備の柔軟な運転を可能にし、特に経費的に有利に構成できる廃熱式蒸気発生装置を提供することにある。

この課題は、本発明に基づいて、ガスタービンの煙道ガスが供給される廃熱ボイラを備え、この廃熱ボイラが、その廃熱ボイラ内に配置され蒸気タービン用の運転蒸気を発生するための少なくとも１つの蒸発器を有するガス・蒸気発電所の廃熱式蒸気発生装置において、廃熱ボイラに燃焼装置から煙道ガスが供給され、煙道ガスの少なくとも一部が廃熱ボイラの少なくとも１つの個所から取出され、廃熱ボイラの入口開口に戻されることによって解決される。

従って、本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の場合、廃熱ボイラから出る煙道ガスの少なくとも一部および／または廃熱ボイラからその出口開口の上流の少なくとも１つの個所で取出された煙道ガスの少なくとも一部が煙道ガス回路内を案内される。燃焼装置は、例えば、燃料および燃焼空気並びに加熱すべき媒体として煙道ガスの一部が供給されるバーナを有している。燃焼装置によって加熱された煙道ガスは、その後（再び）廃熱ボイラ内に導入され、そこで、熱交換によってエネルギーが蒸発器に与えられ、その蒸発器が補助蒸気を発生する。補助蒸気は例えば蒸発器の蒸気ドラム（気水分離器）から取出され、補助蒸気負荷と、主蒸気管および／または蒸気タービンとに供給される。

廃熱ボイラを貫流中に冷却される煙道ガスはその少なくとも一部が取出され、廃熱ボイラの入口開口に戻される。その際、煙道ガスは燃焼装置によって加熱される。

燃焼装置は、好適には、必要な補助蒸気負荷と、主蒸気管および／または蒸気タービンの加熱にとって必要な熱量との少なくとも１つに相当する蒸気負荷用として設計されている。

本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の場合、特に、高温排気ガスが全くあるいはほんの僅かしか利用できない運転状態（例えば、停止状態、始動時／停止時など）において、補助蒸気の供給が確実に保証される。さらに、燃焼装置によって蒸気タービンの運転蒸気が発生される必要がないので、燃焼装置を不必要に大形に設計することが避けられる。

さらに、発電所設備の通常運転中、必要な補助蒸気は、燃焼装置に代わってあるいは燃焼装置に追加して、排気ガスによって発生される。

余分な煙道ガスは、廃熱ボイラから出た後、例えば煙突に導かれる。

本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置により発生された補助蒸気量は、好適には、廃熱ボイラ内に導入される煙道ガスの量が、例えば煙道ガスの流れ方向において燃焼装置のバーナの上流および／または下流に配置された調整弁によって制御されることによって決定される。

本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の煙道ガスの温度は、特に、燃焼装置に供給される燃料の量によって調整される。燃料供給量の増大は燃焼温度を上昇させ、従って煙道ガスに対する加熱温度を上昇させる。

本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の燃焼装置によって必要とされる燃焼空気の量は、好適には、例えば燃焼装置の空気供給管内に挿入接続された調整弁によって調整される。

本発明の実施態様は煙道ガスのための循環回路の形成ならびに燃焼装置の配置に関する。

有利な実施態様において、廃熱式蒸気発生装置は少なくとも２つの蒸発器を有している。

異なった温度レベルに配置された蒸発器を装備した廃熱ボイラは多くの発電所設備において知られている。必要な補助蒸気は、補助蒸気発生に適した温度レベルに配置された蒸発器、例えば、発電所設備の運転中に蒸気タービンの低圧段のための運転蒸気を発生する蒸発器から取出される。

好適には、煙道ガスの少なくとも一部が、廃熱ボイラから、煙道ガスの流れ方向において少なくとも１つの蒸発器の上流で取出される。

その取出し個所では、煙道ガスのエネルギー含有量はまだ大きく低下していない。

本発明の他の有利な実施態様において、煙道ガスの少なくとも一部が、廃熱ボイラから、煙道ガスの流れ方向において廃熱ボイラの出口開口であるいは廃熱ボイラの出口開口の下流で取出される。

この実施態様において、煙道ガスは、その少なくとも一部が燃焼装置に戻される前に、廃熱ボイラを完全に貫流し終えている。従って、廃熱ボイ内に導入された全煙道ガス量が、補助蒸気が取出される蒸発器と実際に熱交換を行なうことが保証される。

補助蒸気発生を調整するために、燃焼装置は、好適には、煙道ガスの温度および／または量を調整するための少なくとも１つの制御装置を有している。

この実施態様の場合、発電所の各運転状態において、補助蒸気のその都度必要な量およびエネルギー含有量が的確に発生される。

本発明の追加的な実施態様は、運転蒸気ないしは加熱蒸気としての補助蒸気の役割に関する。補助蒸気は、好適には、あらゆる運転状態において、即ち、特に設備停止状態中も、設備の始動時および停止時にも、取出せる。

以下において本発明の２つの実施例について詳細に説明する。
図１は、循環回路内に挿入接続された燃焼装置を備えた本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の概略構成図、
図２は、循環回路に接続された燃焼装置を備えた本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の他の実施例の概略構成図を示す。

図１には、本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置１の配置構造が概略的に示されている。

理解を容易にするために、廃熱式蒸気発生装置１は横にして示されている。勿論、廃熱式蒸気発生装置１は、物理学上、縦に配置され、即ち、ほぼ垂直方向に延びている。

廃熱式蒸気発生装置１は廃熱ボイラ３を有し、この廃熱ボイラ３内に、その入口開口４を通して、ガスタービン５の排気ガス７が導入される。

この実施例において、廃熱ボイラ３内に、３つの蒸発器、即ち、高圧蒸発器１５、中圧蒸発器１３並びに低圧蒸発器１１の熱交換伝熱器が配置されている。

上述の各蒸発器１５，１３，１１は、それぞれ高圧ドラム３１、中圧ドラム２９ないしは低圧ドラム２７を有している。

各ドラム３１，２９，２７には、詳細に示されていない配管を介して、給水１７が供給される。

廃熱ボイラ３に対してほぼ平行に、戻り管４４内に燃焼装置４３が配置されている。この燃焼装置４３は、燃料３５で運転されるバーナ３３と、送風機３９と、調整弁３７、４１とを有している。このようにして、廃熱ボイラ３の加熱領域５２，５３および戻り管４４によって循環回路５０が形成されている。

バーナ３３による加熱によって、廃熱ボイラ３に導入される煙道ガス９が発生する。この煙道ガス９は加熱領域５２，５３に沿って廃熱ボイラ３を貫流し、蒸発器１５，１３，１１の伝熱器と接触する。

蒸発器１５，１３，１１の伝熱器の内室に、それぞれの蒸気ドラム３１，２９，２７によって給水１７が導入され、熱交換によって蒸気が発生する。そのようにして、高圧蒸発器１５から高圧蒸気２５が、中圧蒸発器１３から中圧蒸気２３が、低圧蒸発器１１から低圧蒸気２１がそれぞれ取出される。蒸発器１５，１３，１１によってそれぞれ発生されたこれらの蒸気２５，２３，２１はその後、図示されていないが、蒸気タービンのそれらに対応した圧力段に供給される。

さらに、低圧蒸発器１１、特にその低圧ドラム２７から、例えば発電所の補助蒸気負荷に対する補助蒸気１９あるいは例えば主蒸気管のような設備構成要素を加熱するために利用される補助蒸気１９が取出される。

補助蒸気１９の取出しは、例えばガスタービン５の停止状態あるいは始動時あるいは停止時に、ガスタービン５の排気ガス７が全くあるいはほんの僅かしか利用できない運転状態においても可能である。補助蒸気１９を発生するために必要なエネルギーは、特に、そのような運転状態において、燃焼装置４３によって発生されて廃熱ボイラ３を通って導かれる煙道ガス９によって供給される。

煙道ガス９が廃熱ボイラ３からその出口開口４５を通って出た後、少なくともその一部は戻り管４４によって廃熱ボイラ３の入口開口４に戻される。即ち、本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の場合、煙道ガス回路が形成されている。これによって、特に、煙道ガス９内に含まれるエネルギーの利用率が高まる。

その代替えにあるいはそれと組み合わせて、煙道ガス９の少なくとも一部を、出口開口４５と異なった個所で廃熱ボイラ３から取出し、燃焼装置４３に戻すこともできる。それに適した個所は例えば煙道ガス９の流れ方向において中圧蒸発器１３の上流の場所であり、そこでは煙道ガス９はまだ強く冷却されていない。煙道ガス９のこの戻り方式の代替えあるいは追加は図に破線で示されている。

発生した補助蒸気１９の温度は、バーナ３３に供給される燃料３５の供給量の変更によって調整される。バーナ３３の運転にとって必要な燃焼空気量は、好適には、バーナへの空気供給管に挿入接続された調整弁４１によって調整される。

さらに、発生すべき補助蒸気１９の量は別の調整弁３７によって調整される。この調整弁３７は、バーナに供給された煙道ガス９の量を調整するために、煙道ガス９の流れ方向においてバーナの前に接続されている。煙道ガス９は送風機３９によってバーナ３３に供給される。

図１には、本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置１、例えば、再熱器付きの３圧力段プロセスのガス・蒸気発電所用の廃熱式蒸気発生装置１の補助蒸気発生の運転経過が概略的に示されている。本発明は他のプロセス（例えば再熱器付きの２圧力段プロセス）にも使用できる。

本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置１の或る運転モードにおいて、高圧蒸発器および中圧蒸発器の供給管に挿入接続されたスライド弁が、それらの蒸発器において蒸気が発生されないように閉じられる。冷却された煙道ガスが出口開口４５に到達し、煙道ガス９の少なくとも一部が入口開口４に戻される。余分な煙道ガスは、既存の煙突を介して、あるいは吸出し式の別個の煙突を介して排出される。

煙道ガス９は、バーナ３３によって、例えば天然ガスの燃焼によって、廃熱式蒸気発生装置１の入口において必要な温度に加熱される。その際に必要な燃焼空気４７は例えば燃焼空気送風機を介して供給される。

補助蒸気量は、廃熱式蒸気発生装置を貫流する煙道ガス量を例えば調整弁３７によって変更することによって調整される。

煙道ガス温度は燃料量の変更によって調整される。

必要な燃焼空気量を調整するために例えば別の調整弁４１が用いられる。

吸出し式の別個の煙突が利用される場合、系統内における煙道ガス側圧力は例えば補助調整弁によって調整される。

本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置１の異なった運転モードにおいて、全圧力段において蒸気が発生されるように、上述のスライド弁が開かれる。廃熱式蒸気発生装置１の高圧蒸発器１５および／または中圧蒸発器１３からの蒸気は、例えば、発電所の蒸気タービンの主蒸気管を保温および／または加熱するために利用される。

図２には、図１における実施例とは、燃焼装置４３が戻り管４４内ではなく、戻り管４４に接続して設けられている点で相違している本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置１の他の実施例が示されている。

実験の結果、燃焼装置４３のそのような配置によって、例えば燃焼装置４３が一時的に故障した場合でも、（事情によっては煙道ガス９のエネルギー含有量が減少した場合でも）循環回路が維持される利点が生じる。さらに、この配置の場合、戻り管４４内の煙道ガス９の体積流が、戻り管４４内に挿入接続された構成要素によって妨げられず、これは一定の運転を助長する。図１の実施例の場合も、燃焼装置４３が故障した際にも、その故障のために戻り管４４の意図しない閉鎖が生じないならば、循環回路は維持される。

送風機３９は戻り管４４内に挿入接続され、循環送風機の機能を果たしている。

戻り管４４内に、さらに、煙道ガス９の循環量を調整するための制御装置を挿入接続することができる。

本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置によって、特に次の利点が生ずる。
− 別個の補助蒸気発生器が不要となる。
− 廃熱式蒸気発生装置は設備の停止中も保温され、これによって場合によっては必要な 凍結防止処置が不要となる。
− 廃熱式蒸気発生装置は停止中も比較的高い圧力に保たれ、これによって頻繁に行われ る始動時に（加熱および冷却の際の）温度変化による厚肉部品の応力負荷がかなり減少 する。
− 蒸気タービンの主蒸気管並びに蒸気タービン自体が保温されおよび／または加熱され 、これによって設備全体の始動時間をかなり短縮することができ、これにより特に排気 ガス放出量がかなり減少する。

循環回内に挿入接続された燃焼装置を備えた本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の実施例の概略構成図。 循環回路に接続された燃焼装置を備えた本発明に基づく廃熱式蒸気発生装置の他の実施例の概略構成図。

符号の説明

１ 廃熱式蒸気発生装置
３ 廃熱ボイラ
４ 入口開口
５ ガスタービン
７ 排気ガス
９ 煙道ガス
１１ 蒸発器
１３ 蒸発器
１５ 蒸発器
４３ 燃焼装置
４４ 戻り管
５０ 循環回路
５２ 加熱領域
５３ 加熱領域

Claims (4)

1. ガスタービン（５）の排気ガス（７）が供給される廃熱ボイラ（３）を備え、廃熱ボイラ（３）が、その廃熱ボイラ（３）内に配置され蒸気タービン用の運転蒸気を発生するためのそれぞれ異なる圧力段階にある複数の蒸発器（１１，１３，１５）を有するガス・蒸気発電所の廃熱式蒸気発生装置（１）において、廃熱ボイラ（３）に燃焼装置（４３）から煙道ガス（９）が供給され、煙道ガス（９）を戻すために戻り管（４４）が設けられており、廃熱ボイラ（３）の加熱領域（５２，５３）と戻り管（４４）とによって形成された循環回路（５０）に燃焼装置（４３）が接続されており、煙道ガス（９）の少なくとも一部が廃熱ボイラ（３）の少なくとも１箇所から取出されると共に、廃熱ボイラ（３）から煙道ガス（９）の流れ方向において廃熱ボイラ（３）の出口開口（４５）の下流で取出された煙道ガス（９）の少なくとも一部が、廃熱ボイラ（３）の入口開口（４）に戻される構成を備え、さらに、前記燃焼装置（４３）が、煙道ガス（９）の温度および／または量を調整するための少なくとも１つの制御装置（３７，３９，４１）を備えることを特徴とするガス・蒸気発電所の廃熱式蒸気発生装置。
2. 少なくとも１つの蒸発器（１１，１３，１５）から、ガス・蒸気発電所の少なくとも１つの蒸気負荷を運転するための補助蒸気（１９）が取出されることを特徴とする請求項１に記載の廃熱式蒸気発生装置。
3. 少なくとも１つの蒸発器（１１，１３，１５）から、ガス・蒸気発電所の廃熱ボイラ（３）、主蒸気管、蒸気タービンの少なくとも１つに対して加熱、保温、圧力維持の何れかを行なうための補助蒸気（１９）が取出されることを特徴とする請求項１又は２に記載の廃熱式蒸気発生装置。
4. 補助蒸気（１９）が、ガスタービン（５）および／または蒸気タービンの運転状態にほとんど無関係に取出されることを特徴とする請求項２又は３に記載の廃熱式蒸気発生装置。

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