JP4540719B2 - 廃熱ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ガスで加熱され被加熱媒体が貫流する多数の伝熱器を備えた、特にガス・蒸気複合タービン設備用の廃熱ボイラに関する。

このような廃熱ボイラあるいは廃熱蒸気発生器は、通常ガス・蒸気複合タービン設備の一部となっており、そこでガスタービンからの膨張済み作動媒体に含まれる熱が、蒸気タービン用蒸気を発生するために利用される。そこでの熱伝達は管あるいは管束の形で廃熱ボイラに配置されている多数の伝熱器を介して行われる。またこれらの伝熱においては、蒸気タービンの少なくとも１つの圧力段を含む水・蒸気回路に接続されている。その場合、各圧力段は、一般に伝熱器として予熱器あるいはエコノマイザ、蒸発器および過熱器を有している。第１の圧力段あるいは高圧段と、第２の圧力段あるいは低圧段とを備えた回路、いわゆる二段圧プロセスは、ヨーロッパ特許第０４１０１１１号明細書で知られている。

定置形ガスタービンを、そのガスタービン出口における排気温度を高めることによって、単位出力および効率を高めるべく改善するために、主蒸気パラメータ、即ち主蒸気温度および主蒸気圧を適合することも、プラント効率を一層高めるために必要であることを考慮しなければならない。ガスタービンの排気温度が高められた結果、主蒸気パラメータが増大し、それに応じてガス・蒸気複合タービン設備の総プロセス効率が高められる。

気水ドラム式ボイラとして形成され循環原理に基づいて作動するこのような廃熱ボイラの場合、蒸発の終了は、気水ドラム内における転向板で未蒸発水から蒸気を分離することによって行われる。この分離は循環を必要とする。この循環および蒸気分離は水と、蒸気との間の顕著な密度差を必要とし、またこの密度差は、臨界圧（２２１バール）からの顕著な圧力間隔（＞５０〜６０バール）を前提とする。従ってその蒸気分離は、気水ドラム式ボイラが１６０〜１７０バール以下の運転圧力でしか作動しないように、圧力に上限をつける。更にまた、高い蒸気圧は気水分離ドラムの大きな壁厚を必要とし、これは、始動運転中および負荷変動運転中における許容温度変化速度を不利に強く制限する。

この循環形あるいは自然循環形原理の代わりになる化石燃料形貫流ボイラにおける強制貫流原理の場合、燃焼室壁を形成する蒸発管の加熱は、蒸発管内の流体を１回の通過で完全に蒸発させる。この強制貫流原理の場合、蒸発の完了、従って同時に蒸気過熱の開始は負荷に左右され、場所的に一定しない。そのような貫流ボイラでは、蒸気分離あるいは水分離が無くなっているために、臨界水圧以上の主蒸気圧が実現できる。このような貫流ボイラは、例えばヨーロッパ特許第０５９５００９号明細書で知られている。

しかしながらそのような貫流ボイラは、いわゆるガス・蒸気複合タービン設備におけるガスタービンと組み合わせられ、通常は純粋な廃熱ボイラとしては採用されない。むしろガスタービンから出る酸素含有排気は、この化石燃料ボイラの燃焼設備に対する燃焼用空気としてしか使われない。この貫流ボイラの場合、配管敷設および制御について高い経費がかかり、またいわゆる水の吐出に伴う始動損失が大きいという欠点がある。その水の吐出は、蒸発が蒸発器内で始まり、蒸気が下流側に存在する水量（水滴）を押し出すことにより生ずる。これに基づく始動損失を抑制するために設けられる補助的な分離器あるいは制御装置は、追加的に技術的経費を高め、これによって設備費を高め、この設備費は、高い蒸気圧および最高蒸気圧を所望通り実現するために極度に増大する。この燃焼形貫流ボイラは、純粋な廃熱ボイラに比べて、加熱媒体の温度経過（燃焼ガス温度曲線）に被加熱媒体の温度経過（水／水・蒸気温度曲線）が一様には適合しないという欠点がある。

従って本発明の課題は、すべての負荷範囲において、特に部分負荷範囲でも、流れ技術的に安定して運転し、臨界蒸気圧あるいは超臨界蒸気圧が実現できる、特にガス・蒸気タービン複合設備用の廃熱ボイラを提供することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１に記載の手段、即ち、「燃焼ガス（ＲＧ）で加熱され被加熱媒体（ＳＷ）が貫流する複数の伝熱面（２、３、４）を備え、前記複数の伝熱面は、入口部、出口部および複数の蒸発管を有する蒸発器（３）と、この蒸発器（３）の燃焼ガス側に後置された予熱器（２）と、蒸発器（３）の燃焼ガス側に前置された過熱器（４）とからなり、前記予熱器、蒸発器、過熱器は、媒体側が燃焼ガスと対向流式に配管敷設されているガス・蒸気複合タービン設備用の廃熱ボイラ（１）において、前記蒸発器（３）は、入口部において予熱器（２）に入口分配器（８）を介して接続され、この入口分配器（８）に前記各蒸発管（３０ａ）が絞り装置（９）を介して接続され、かつ、前記蒸発器（３）の各蒸発管（３０ａ）に均圧管寄せ（１１）が、均圧管として接続され、さらに、前記蒸発器（３）が、媒体側において直列接続された多数の部分蒸発器（３ａ、３ｂ）で構成されていること」によって解決される。

即ち、強制貫流原理に基づいて作動する廃熱ボイラが設けられ、その気水ドラム無し蒸発器は、媒体側が燃焼ガスの流れ方向と逆向きに配管敷設される。蒸発器に燃焼ガス側において後置接続される予熱器および蒸発器に燃焼ガス側において前置接続される過熱器も、媒体側において対向流回路内に設けられていることが有利である。

このような貫流形あるいは強制貫流形廃熱ボイラは、これが圧力制限を受けないことから、超臨界値までの高い蒸気状態を実現することができる。更に、厚い壁厚の気水ドラムの採用が避けられることによって、短い始動時間および大きな負荷変動速度が実現できる。これは更に、特に良好な設備挙動に貢献する。更にまた、一方では主蒸気温度の調整が媒体流量だけで行うことができ、他方では少なくとも所定の限界内で媒体流量を可変調整できるので、特に高い運転柔軟性が得られる。また、化学的中性運転モードが可能となり、これによって、化学薬品の消費量が減少される。更にまた、化学的中性運転モードに基づいて、運転中における吹き出しは不要となる。気水分離ドラムおよびその際に必要な連結管の採用が回避され、ボイラあるいは蒸気発生器の寸法を小さくすることができることによって、かなりのコストダウンが達成される。ガス・蒸気複合タービン設備の内部において、特にガスタービンの低い部分負荷範囲でも、貫流運転において安定した運転モードが保証される。

貫流原理を実現するため蒸発器は、入口側において、気水分離ドラムを介在することなしに、予熱器の出口にほぼ直結されている。その際設けられる、蒸発器の媒体側回路が、燃焼ガスに対して対向流式に配管敷設されていることにより、燃焼ガス温度曲線と水／蒸気温度曲線との温度間隔が一様となるので、全体として伝熱器は非常に小さな面積にできる。更にこの対向流式の配管敷設は、顕著に気泡を発生する燃焼ガス側の高温側がはじめ蒸発器の水側端に位置するので、廃熱ボイラの始動中における水の吐出が特に僅かであるという利点を有する。発生した蒸気泡の流通経路が短いために、蒸気泡は蒸発器から僅かな含有水しか吐出しない。

本発明の有利な実施態様においては、蒸発器の入口側が予熱器に入口分配器を介して接続され、この入口分配器は予熱器の出口管寄せと一致している。特に蒸発器の運転を安定させるために、蒸発器の入口側に絞り装置が設けられる。その場合、各蒸発管の入口に絞りを接続することが有利である。これにより、蒸発器内において、特に大きな負荷範囲にわたって高い圧力損失が得られる。これは蒸発管内の一様な流量を保証する。

本発明の他の有利な実施態様においては、蒸発器部分あるいは部分蒸発器間に通常採用される管寄せおよび分配器の代わりに、均圧管寄せのみが設けられる。この均圧管寄せは、これらの蒸発器部分の先端にそれぞれ同じ圧力がかかるので、蒸発器全体を圧力側において２つの部分に分ける。これは、圧力損失の一層の上昇を回避して貫流の安定性を高める。この均圧管寄せが各蒸発管にある孔に接続するために非常に細い管しか有していないようにするのが目的に適っている。この小さな寸法の接続管は、蒸発器内の流れにほとんど影響を与えず、従って、蒸発器内で生ずる被加熱媒体の二相混合物の蒸発管への分配について問題を生じない。

蒸発器の熱力学的設計に関して、蒸発器を２つの単位伝熱面、即ち２つの部分蒸発面に分けるのが目的に適っている。その媒体側の第１部分蒸発器は、出口管寄せを有していない。またこれに後置接続された第２部分蒸発器は、入口分配器を有していない。この場合両単位伝熱面あるいは部分蒸発器の平行管の数は同数である。更にまた、第１部分蒸発器は第２部分蒸発器に比べて小さな内径の管で構成するのが目的に適っている。蒸発器のこのような構成に基づき、管寄せを節約することにより、コストダウンが達成できる。圧力損失が、特に流れの始めに位置し、蒸発器全体にわたって流速が好適な範囲に維持されることにより安定した流れが得られる。これに伴い、燃焼ガスから蒸発器を貫流する媒体への特に良好な熱伝達が得られ、浸食は僅かしか生じない。更に、水蒸気側における一様な流れに伴い、平行管間に生ずる温度差は小さく保たれる。

始動中に吐出された水が過熱器に達することを防止するために、過熱器には、蒸発器の前方に始動タンクが接続される。その蒸発器および過熱器は、始動タンクの蒸気側頭部に接続される。予熱器および蒸発器は、その入口側が始動タンクの水側底接続口に接続される。蒸発器および予熱器に搬送される部分流は、調整機構によって調整できる。従って、予熱器に導入される給水は、この部分流だけ始動タンクから補給され、あるいは少なくとも部分的にこれによって代えられる。また、貫流廃熱ボイラの運転にとって不要な水は、始動タンクから制御して排出される。そのために、始動タンクの水側底端に排水管が設けられる。

始動タンクおよび入口分配器を介して過熱器に導入された蒸気は、この過熱器から過熱蒸気（主蒸気）として出口管寄せを通って排出される。その過熱器は、特に２つの部分過熱面から構成され、これらの部分過熱器は媒体側が直列接続され（立て構造の貫流廃熱ボイラの場合に）燃焼ガス側が上下に配置され、これによって二段階の蒸気過熱が行われる。

本発明によって得られる利点は、廃熱ボイラの蒸発器が対向流式の強制貫流蒸発器として構成されていることにより、広い負荷範囲にわたって、特に安定した運転モードが得られることにある。これによって、気水ドラム無しの蒸発器は、これが全運転状態において貫流原理に基づき、部分エコノマイザとして蒸発器としておよび部分過熱器として作用するように、水／蒸気側の圧力損失が小さい状態において大きな面積で形成できる。従って、予熱器あるいはエコノマイザの出口において給水は、各運転点において過冷却されるので、エコノマイザ内における蒸発は確実に防止される。沸騰温度への加熱は、部分エコノマイザとして作用する蒸発器自体の中で行われるので、いわゆる「アプローチ点」は常に零である。この結果、蒸発器の伝熱面積は気水ドラム式ボイラに比べて小さくなる。

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は、伝熱器が水・蒸気回路に接続されている貫流廃熱ボイラの一部の概略配管系統図、図２は、図１における廃熱ボイラの２つの単位伝熱器から構成された蒸発器の構成図である。各図において同一部分には同一符号が付されている。

図示された立て構造の貫流廃熱ボイラ１は、例えばガス・蒸気複合タービン設備の一部となっており、一次側がガスタービンからの高温燃焼ガスＲＧで貫流される。廃熱ボイラ１で冷却された燃焼ガスＲＧは、そこから煙突（図示せず）を通って排出される。廃熱ボイラ１は、伝熱器として１つの圧力段の予熱器あるいはエコノマイザ２、蒸発器３および過熱器４を有している。図示した伝熱器配置構造は、好適には貫流廃熱ボイラ１の高圧部並びに中圧部において採用される。

予熱器２は入口側に、全予熱管に共通した入口分配器５を有している。この入口分配器５には、電動制御弁７付きの給水管６が接続されている。予熱器２の管は出口側において、共通の出口管寄せ８に開口している。この出口管寄せ８は、予熱器２に媒体側において後置接続された蒸発器３の入口分配器を兼ねている。蒸発器３を安定して運転するために、蒸発器３に絞り装置が前置されている。このために蒸発器３の各平行管の入口に絞り９が挿入され、これにより、蒸発器３において幅広い負荷範囲にわたり大きな圧力損失が得られる。蒸発器３の転向範囲１０において、蒸発器３の各平行管にある孔１２を接続するために、比較的細い管の形をした均圧管寄せ１１が設けられている。蒸発器３の平行管は、出口側が出口管寄せ１３に開口し、この出口管寄せ１３は蒸気管１４を介して始動タンク１５に接続されている。この蒸気管１４の接続口は、始動タンク１５の蒸気側頭部１５ａに設けられている。この蒸気側頭部１５ａにもう１本の蒸気管１６が接続されている。この蒸気管１６は、過熱器４の入口分配器１７に開口している。過熱器４は、第１の部分伝熱器あるいは単位伝熱器４ａと、これに媒体側において後置接続され燃焼ガス側において前置接続された第２の部分伝熱器あるいは単位伝熱器４ｂとから構成されている。この過熱器４は出口側に出口管寄せ１８を有し、この出口管寄せ１８に主蒸気管１９が接続されている。

始動タンク１５は、その水側底端１５ｂに電動制御弁２１付きの排水管２０を有している。この排水管２０の分岐管２２に循環ポンプ２３が接続されている。この分岐管２２は、制御弁あるいは絞り２４と、電動制御弁２６付きの第１の部分流管２５とを介して、給水管６に通じている。分岐管２２の第２の部分流管２７は、電動制御弁２８を介して入口分配器ないし出口管寄せ８に通じている。貫流廃熱ボイラ１の伝熱面２、３、４は、給水管６および主蒸気管１９を介して、図示しない方法で、ガス・蒸気複合タービン設備の蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。

図２には、２つの単位伝熱面を備えた蒸発器３の有利な実施形態が示されている。この実施形態は、第１部分蒸発器３ａと、これに媒体については後置接続され、燃焼ガスについては前置された第２部分蒸発器３ｂとによって実現されている。入口分配器８は第１部分蒸発器３ａの入口開口２９に接続されている。両部分蒸発器３ａ、３ｂはそれぞれ同数の平行管で構成されている。その平行管のうち、それぞれ１本の平行管あるいは蒸発管３０ａ、３０ｂしか見えていない。均圧管寄せ１１は第１部分蒸発器３ａに接続され、その場合１つの孔１２しか見えていない。

両部分蒸発器３ａ、３ｂは直接、即ち出口管寄せあるいは入口分配器を介在せずに、互いに接続されている。その第１部分蒸発器３ａの平行管３０ａは、第２部分蒸発器３ｂの平行管３０ｂの内径ｄ２より小さな内径ｄ１を有している（ｄ１＜ｄ２）。両部分蒸発器３ａ、３ｂ間の個々の平行管３０ａ、３０ｂの接続はそれぞれ円錐状に形成された中間部材を介して行われている。この中間部材あるいは接続部材３１は、直径を広げるために円錐状に、好適には裁頭円錐状に形成されている。第２部分蒸発器３ｂの平行管３０ｂは、出口側が出口管寄せ１３に接続されている。

貫流廃熱ボイラ１の運転中、蒸気タービン（図示せず）に後置接続された復水器（図示せず）からの復水、いわゆる給水ＳＷは、給水管６および予熱器２を通って出口管寄せあるいは入口分配器８に流入する。予熱済み給水ＳＷは、そこから絞り９を通って蒸発器３の第１部分蒸発器３ａの個々の蒸発管３０ａに流入する。その予熱器２と蒸発器３との接続は特に短く単純であり、同時に蒸発器３の総伝熱面積は特に小さい。

絞り９は実際に、廃熱ボイラ１の全負荷範囲にわたって蒸発器３における大きな圧力損失を保証する。蒸発器３、即ち蒸発管３０ａ付きの第１部分蒸発器３ａ並びにこれに後置接続された蒸発管３０ｂ付きの第２部分蒸発器３ｂは、媒体側あるいは水側が、燃焼ガスＲＧの流れ方向と逆向きに貫流される。その場合、予熱済み給水ＳＷは、蒸発管３０ａ、３０ｂを安定して且つ一様に貫流でき、蒸発管３０ａ、３０ｂ内に流れ媒体のその都度の圧力に応じた沸騰温度が生ずる。

蒸発器３で発生した蒸気Ｄは、各運転点で相応した流量で貫流あるいは強制貫流することによって、蒸発器３の出口において、即ち出口管寄せ１３内およびそれに接続された蒸気管１４内において幾分過熱されている。従って、後置接続された過熱器４内に水滴が到達することはない。これによって、許容できない温度勾配に基づく過熱器４の伝熱面の損傷は確実に防止される。蒸発器３がこのように設計され形成されていることにより、蒸発器３は広い負荷範囲にわたって変動蒸発点で運転される。蒸発器３で発生した蒸気Ｄは、従って過熱器４に直接導入でき、貫流廃熱ボイラ１の始動時だけ、始動タンク１５が機能する。

始動時における蒸発器３からの吐出水は特に少量なので、この吐出水を収容するための始動タンク１５は非常に小さい寸法とすることができる。また始動タンク１５は非常に薄い壁厚にすることができ、その結果、それに応じて始動時間および負荷変動時間が短くなる。図示の立て構造の貫流廃熱ボイラ１の場合、特に蒸発管３０ａ、３０ｂが、媒体側あるいは水側において燃焼ガスと対向流式で上から下に向けて貫流されることによって、その吐出水量を特に少なくできる。従って、蒸発は主に第２部分蒸発器３ｂの下側蒸発管３０ｂ内に行われ、その蒸発は第１部分蒸発器３ａの上側蒸発管３０ａの方向に減少している。

始動時に既に発生し始動タンク１５において分離された蒸気Ｄは、一層過熱するために過熱器４を通して導かれ、そこから過熱状態で主蒸気あるいは新鮮蒸気ＦＤとして蒸気タービン（図示せず）に導入され、そこから復水として水・蒸気回路に再び戻される。この場合、水・蒸気回路からただ始動時だけいわば奪われた水は、始動タンク１５から必要に応じて蒸発器３および／又は予熱器２に導入される。しかし流れを安定させる理由から、始動タンク１５からの始動水の主要部分は、第１の部分流管２５を介して、それが予熱器２に流入する前に給水ＳＷに混合するのが目的に適っている。水・蒸気回路内の不要な始動水は、排水管２０を介して始動タンク１５から排出される。

貫流原理に基づいて作動する廃熱ボイラ１によれば、臨界範囲あるいは超臨界範囲においても高い蒸気圧が実現できる。そのために、両部分蒸発器３ａ、３ｂ（従って蒸発器３全体）は、媒体により下向きに貫流され、他方において燃焼ガスＲＧは上昇流れ方向を有している。この貫流廃熱ボイラ１によれば、全体として、貫流原理において最低負荷まで、流れ技術的に特に安定した運転が得られる。

伝熱器が水・蒸気回路に接続されている貫流廃熱ボイラの一部の概略配管系統図である。 図１における廃熱ボイラの２つの単位伝熱器から構成された蒸発器の構成図である。

符号の説明

１ 廃熱ボイラ、２ 予熱器、３ 蒸発器、３ａ，３ｂ 部分蒸発器、４ 過熱器、５，８，１７ 入口分配器、６ 給水管、９ 絞り装置、１０ 転向範囲、１１ 均圧管寄せ、１２ 孔、１３，１８ 出口管寄せ、１５ 始動タンク、１９ 主蒸気管、２０ 排水管、２３ 循環ポンプ。

Claims (10)

1. 燃焼ガス（ＲＧ）で加熱され被加熱媒体（ＳＷ）が貫流する複数の伝熱面（２、３、４）を備え、前記複数の伝熱面は、入口部、出口部および複数の蒸発管を有する蒸発器（３）と、この蒸発器（３）の燃焼ガス側に後置された予熱器（２）と、蒸発器（３）の燃焼ガス側に前置された過熱器（４）とからなり、前記予熱器、蒸発器、過熱器は、媒体側が燃焼ガスと対向流式に配管敷設されているガス・蒸気複合タービン設備用の廃熱ボイラ（１）において、
   前記蒸発器（３）は、入口部において予熱器（２）に入口分配器（８）を介して接続され、この入口分配器（８）に前記各蒸発管（３０ａ）が絞り装置（９）を介して接続され、さらに、前記蒸発器（３）が、媒体側において直列接続された複数の部分蒸発器（３ａ、３ｂ）で構成され、少なくとも、前記媒体側の上流側であって前記燃焼ガスの低温側に配設された第１部分蒸発器（３ａ）と、前記媒体側の下流側であって前記燃焼ガスの高温側に配設された第２部分蒸発器（３ｂ）とを有し、かつ、前記第１部分蒸発器（３ａ）の蒸発管（３０ａ）の内径（ｄ１）は、前記第２部分蒸発器（３ｂ）の蒸発管（３０ｂ）の内径（ｄ２）に比べて小さいことを特徴とする廃熱ボイラ。
2. 部分蒸発器（３ａ、３ｂ）の蒸発管（３０ａ、３０ｂ）が、円錐状に形成された接続部材（３１）を介して直結されていることを特徴とする請求項１記載の廃熱ボイラ。
3. 蒸発器（３）が、出口側において、始動タンク（１５）を介して過熱器（４）に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の廃熱ボイラ。
4. 始動タンク（１５）が、水側において、循環ポンプ（２３）およびこれに後置接続された制御弁（２６）を介して、予熱器（２）に接続されていることを特徴とする請求項３記載の廃熱ボイラ。
5. 始動タンク（１５）が、水側において、循環ポンプ（２３）およびこれに後置接続された制御弁（２８）を介して、蒸発器（３）に接続されていることを特徴とする請求項３又は４記載の廃熱ボイラ。
6. 循環ポンプ（２３）に、絞り弁（２４）が後置接続されていることを特徴とする請求項４又は５記載の廃熱ボイラ。
7. 始動タンク（１５）の水側に、制御弁（２１）付きの排水管（２０）が接続されていることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１つに記載の廃熱ボイラ。
8. 予熱器（２）が、入口側において給水管（６）に接続され、この給水管（６）に制御弁（７）が接続されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の廃熱ボイラ。
9. 過熱器（４）が入口分配器（１７）および出口管寄せ（１８）を有し、この出口管寄せ（１８）に主蒸気管（１９）が接続されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の廃熱ボイラ。
10. 過熱器（４）が、媒体側において直列接続された２つの部分過熱器（４ａ、４ｂ）を有していることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の廃熱ボイラ。
    

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