JP4549868B2 - 廃熱ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ガスがほぼ水平方向に貫流する燃焼ガス通路の中に蒸発器・貫流伝熱面が配置され、この蒸発器・貫流伝熱面が流れ媒体の貫流に対して並列接続された多数の蒸気発生管を有し、これらの蒸気発生管が、各々同じ蒸発器・貫流伝熱面の他の蒸気発生管に比べて余分に加熱される蒸気発生管が、前記の他の蒸気発生管に比べて大きな流れ媒体流量を有するように設計されたボイラに関する。

ガス・蒸気複合タービン設備において、ガスタービンからの膨張した作動媒体又は燃焼ガスに含まれる熱は、蒸気タービン用の蒸気を発生するために利用される。その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、該ボイラには一般に、給水加熱用、水蒸気発生用、蒸気過熱用の多数の伝熱面が配置される。これら伝熱面は、蒸気タービンの水・蒸気回路に接続される。この水・蒸気回路は一般に複数、例えば３つの圧力段を含み、その各圧力段は蒸発器・伝熱面を有する。

ガスタービンの排気ガス側に廃熱ボイラとして後置接続されるボイラには、種々の選択可能な設計構想がある。即ち貫流ボイラや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、蒸発管として設計された蒸気発生管の加熱により、蒸気発生管内の流れ媒体は一回の貫流で蒸発する。これに対し自然循環ボイラ或いは強制循環ボイラの場合、循環水は蒸気発生管の一回の貫流では一部しか蒸発しない。その際に未蒸発の水は、これを更に蒸発させるべく、発生した蒸気の分離後、同じ蒸発管にあらためて導入される。

貫流ボイラは自然循環ボイラや強制循環ボイラと異なり圧力制限がない故、生蒸気圧は液状媒体と蒸気状媒体との間にごく僅かな密度差しか存在しない水の臨界圧（Ｐ_kri≒２２１×１０⁵Ｐａ）よりかなり高く設計できる。高い生蒸気圧は熱効率を高め、従って化石燃料形発電所のＣＯ₂放出を僅かにする。また、貫流ボイラは循環ボイラに比べて簡単な構造なので、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総合効率を単純な構造で高めるべく、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で設計したボイラを使用すると特に有利である。

横置形構造の廃熱ボイラは、製造費に加えて、必要な点検作業に関しても特に有利である。このボイラの場合、加熱された媒体又は燃焼ガス、即ちガスタービンからの排気ガスが、ボイラを略水平の流れ方向に流れる。しかし、横置形ボイラでは、伝熱面の蒸気発生管はその位置に応じて著しく異なる加熱に曝される。特に出口側が共通の出口管寄せに開口している蒸気発生管では、個々の蒸気発生管の異なる加熱は、互いに著しく異なる蒸気パラメータを持つ蒸気流の合流を生じ、望ましくない効率損失を生じ、特にその伝熱面の効率を非常に悪化させ、そのため蒸気の発生量を低下させる。又、隣接する蒸気発生管の異なる加熱は、特にそれら出口管寄せの開口部において蒸気発生管や管寄せに損傷を生じさせる恐れがある。従って、横置形構造に形成した貫流ボイラのガスタービンの廃熱ボイラとしての望ましい利用は、十分安定した流れ案内に関し大きな問題をもたらす。

欧州特許第０９４４８０１号明細書は、横置形構造の設計に適し、かつ貫流ボイラの上述の利点を有するボイラを開示する。そのためこの公知のボイラでは、蒸発器・伝熱面について、同じ蒸発器・貫流伝熱面の他の蒸気発生管に比べ余分に加熱される蒸気発生管を前記の他の蒸気発生管に比べて大きな流れ媒体流量を有するよう設計している。従ってこのボイラの蒸発器・貫流伝熱面は、個々の蒸気発生管が異なる加熱を受ける場合に自然循環ボイラ伝熱面（自然循環特性）の流れ特性の形で自己安定挙動を呈し該挙動は、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、外的処置を講ずることなしに同じにさせる。尤も、この公知のボイラは、構造的に、特に流れ媒体の水側での分配および／又は蒸気側での分配に関して、かなりの経費がかかる。

本発明の課題は、特に安価に製造でき、異なる熱的負荷時にも特に大きな機械的安定性を示す、冒頭に述べた形式のボイラを提供することにある。

この課題は、本発明に基づき、１つの又は各蒸気発生管が各々ほぼ垂直に配置され、流れ媒体が上向きに貫流する上昇管部分と、流れ媒体側においてこの上昇管部分に後置接続され、ほぼ垂直に配置されて流れ媒体が下向きに貫流する降下管部分と、流れ媒体側においてこの降下管部分に後置接続されてほぼ垂直に配置され、流れ媒体が上向きに貫流するもう１つの第２上昇管部分とを有することにより解決される。

本発明は、特に安価な組立費と製造費で製造できるボイラにおいて、熱的負荷の相違に対し特に鈍感で、安定した運転性能を得るべく、公知のボイラに利用された蒸発器・貫流伝熱面に対する自然循環特性の設計原理を、徹底して拡大し、一層改善すべきであるという考えから出発する。蒸発器・貫流伝熱面は、比較的小さな質量流量密度と、それに伴う比較的小さな摩擦圧力損失とでの供給に対し設計する。

特に単純で、頑丈な構造は、伝熱面を特に流れ媒体の集合と分配に関し、単純に形成することで得られる。伝熱面は、完全蒸発の全過程部分、即ち予熱、蒸発および少なくとも部分的過熱を、単一の段階で、即ち流れ媒体の集合用および／又は分配用構成要素を中間接続することなく実施すべく、適切に形成される。一般に、給水加熱用又は更なる過熱用の追加的伝熱面が設けられる。その場合、一方ではそもそも上述の過程部分全部を各蒸気発生管で完全に実施可能とすべく、他方ではそれら過程部分の要件および燃焼ガス通路内における状態に蒸気発生管を適合する際に十分な柔軟性を得るようにすべく、各蒸気発生管は流れ媒体側が直列接続された３つの管区域を有する。

この設計時に求められる貫流の自然循環特性を支援すべく、蒸発器・貫流伝熱面における蒸気発生管（並行管）の各々少なくとも３つの管区域への区分けが行われ、その第１管区域は全て上昇管部分を含み、上向きに貫流される。それに応じ、第２管区域が全て降下管部分を含み、下向きに貫流され、この結果流れ媒体の自重によって自然に流れが支援される。その場合、各蒸気発生管の第２管区域を形成する降下管部分は、燃焼ガス通路内において燃焼ガス流れ方向に見てそれに対応した上昇管部分の下流に配置される。第３管区域は全て第２上昇管部分を有し、上向きに貫流される。

特に有利な実施態様では、１つの又は各蒸気発生管の管区域は燃焼ガス通路内で、各管区域の加熱需要が、特に蒸発過程においてそこで考慮された段階に関して燃焼ガス通路における局所的供給熱量に特に合うように位置づけられる。そのため各蒸気発生管の第３管区域を形成する第２上昇管部分は、燃焼ガス通路内で燃焼ガス流れ方向に見て、各々それに対応した第１管区域の上昇管部分と第２管区域の降下管部分との間に配置される。換言すれば、蒸気発生管は燃焼ガス通路内に空間的に、流れ媒体側に見て第１管区域又は上昇管部分が、燃焼ガス側において流れ媒体側に見て第３管区域又は第２上昇管部分の上流側に配置され、流れ媒体側に見て第２管区域又は降下管部分が、燃焼ガス側において流れ媒体側に見て第３管区域又は第２上昇管部分の下流側に位置するように配置される。

従ってこの配置で、流れ媒体の部分的予熱と一部の蒸発に用いる第１管区域は、「高温燃焼ガス領域」で燃焼ガスによる比較的強い加熱に曝される。この結果全負荷範囲で各第１上昇管部分から流れ媒体が比較的大きな蒸気比で流出するようにできる。これは、続く次の降下管部分への導入時、降下管部分で流れ安定性に対し不利な流れ媒体の流れ方向と逆向きの気泡上昇を徹底して防止する作用をする。比較的低温の燃焼ガス領域への降下管部分の配置と、第１上昇管部分と降下管部分との間への第２上昇管部分の配置、即ち燃焼ガス側での降下管部分の上流の第２上昇管部分の配置により、高い運転確実性の下、全体として伝熱面の特に高い効率が得られ、その際第１上昇管部分は予蒸発器の機能を果たす。

本発明の他の有利な実施態様では、１つの或いは各蒸気発生管の上昇管部分がそれに対応する降下管部分に、並びに１つの或いは各蒸気発生管の降下管部分がそれに対応する第２上昇管部分に、各々流れ媒体側で転流管部分を介して接続されることで、一方では蒸発器・貫流伝熱面の特に単純な構造が得られ、他方では、異なる熱的負荷でも蒸発器・貫流伝熱面の機械的負荷が特に小さくなる。

この配置は、特に熱的交番負荷の際の熱膨張を補償するのに適する。即ちこの場合、第１上昇管部分と降下管部分とを、又は降下管部分と第２上昇管部分とを接続する転流管部分が補償湾曲部として働き、該湾曲部は、上昇管部分および／又は降下管部分および／又は第２上昇管部分の相対長さ変化を簡単に補償する。従って転流管部分により、第１上昇管部分で生ずる第１蒸発段の上部領域での蒸気発生管の直接的継続案内付き転向、降下管部分で形成された第２蒸発段の下部領域での再転向と、第２上昇管部分で形成された第３蒸発段への第２蒸発段の下部領域における蒸気発生管の転向との継続案内が生ずる。

１つの或いは各転流管部分は、燃焼ガス通路の中に敷設される。又は、特に蒸発器・貫流伝熱面のたぶん必要とされる排水のために、排水管寄せを転流管部分に接続せねばならないとき、その転流管部分は燃焼ガス通路の外に設けてもよい。

蒸気発生管は燃焼ガス通路の内部に管列の形にまとめられ、その各管列は、燃焼ガス流れ方向に対し垂直に並べて配置された多数の蒸気発生管を備える。かかる構成の場合、蒸気発生管は、最も強く加熱される管列を形成する上昇管部分、即ち燃焼ガス流れ方向に見て最初の管列に、最も弱く加熱される管列、又は燃焼ガス流れ方向に見て最後の降下管部分の管列が対応するように導かれる。更に、複数の蒸気発生管の降下管部分と上昇管部分は、燃焼ガス通路内で燃焼ガス流れ方向に見て比較的後ろに位置する降下管部分に、燃焼ガス流れ方向に見て比較的前に位置する第２上昇管部分が対応するように、互いに位置づけられる。かかる配置により、比較的強く加熱される第２上昇管部分に、降下管部分から出る比較的弱く加熱された流れ媒体が供給される。

弱い貫流に対して望まれる管内の自然循環特性を保証すべく、各蒸気発生管が、第１上昇管部分と、流れ媒体側で該第１上昇管部分に後置接続された降下管部分と、流れ媒体側で最後に後置接続されたもう１つの第２上昇管部分とを有するように形成される。

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適する。該ボイラは、ガスタービンの排気ガス側に後置接続される。この接続において、ガスタービンの下流に排気ガス温度を高めるための追加燃焼装置が配置され得る。

本発明による利点は、特に上向きに貫流する第１上昇管部分と、下向きに貫流する降下管部分と、該降下管部分に流れ媒体側で後置接続された上向きに貫流するもう１つの第２上昇管部分とを備えた蒸気発生管の３段形成により、完全蒸発の実行、即ち部分的予熱、蒸発および部分的過熱が、単一の段階で且つ集合用或いは分配用の構成要素を中間接続することなく、特に単純な構造で達成できることにある。その際、始動過程の初めに専ら各々第１上昇管部分を水で満たし、その水を始動過程の開始後に後続の管部材を通って貫流する際に完全に蒸発させるかほぼ蒸発させることで、例えば気水分離器のない設計が可能であり、始動時に過熱器への不所望の水の押出しを避けるか僅かにできる。

確かに、下向きの貫流で加熱される蒸発器系は、通常流れが不安定になり、その不安定な流れは、強制循環ボイラに採用する際は許容できない。しかし、比較的小さな質量流量密度で貫流する際、比較的小さな摩擦圧力損失により、蒸気発生管の自然循環特性が確実に得られる。この特性は、ある蒸気発生管が他の蒸気発生管に比べ余分に加熱された際、この発生管の流れ媒体の流量を大きくする。この自然循環特性は、下向きに貫流される管区域を利用するときも、蒸気発生管の十分安定し且つ確実な貫流を保証する。

また、かかる特性は、降下管部分がそれに対応する上昇管部分、又は第２上昇管部分がそれに対応する降下管部分に、高価な管寄せ系や分配系なしに直接接続することで、特に安価な構造および組立費で得られる。従って、このボイラは、特に安定した流れ状態において比較的僅かな設備複合体をなす。更に、各蒸気発生管の第１上昇管部分と降下管部分およびこの降下管部分に後置接続された第２上昇管部分は、各々燃焼ガス通路の天井部に懸架構造で取り付けられ、その下部の自由な縦膨張が許される。熱作用によるそのような縦膨張は、降下管部分を上昇管部分に、又は第２上昇管部分を降下管部分に接続する転流管部分により補償され、この結果熱的作用による応力は発生しない。

以下、図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

ボイラ１は廃熱ボイラの形で、ガスタービン（図示せず）の排気ガス側に後置接続されている。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流れ方向ｘに貫流する燃焼ガス通路６を形成している。この通路６内に貫流原理に従い設計され、流れ媒体の蒸発に利用される蒸発器・伝熱面８とも呼ばれる複数の伝熱面が配置されている。図の実施例では、１つの蒸発器・貫流伝熱面８しか示していないが、多数の蒸発器・貫流伝熱面を設けてもよい。

蒸発器・貫流伝熱面８で形成された蒸発器系に流れ媒体Ｗが供給される。媒体Ｗは、蒸発器・貫流伝熱面８の一回の貫流で蒸発し、蒸発器・貫流伝熱面８からの流出後、既に過熱された蒸気Ｄとして排出され、必要に応じて過熱すべく過熱器に導かれる。蒸発器・貫流伝熱面８で形成された蒸発器系は、蒸気タービンの水・蒸気回路（図示せず）に接続されている。蒸気タービンの水・蒸気回路には、この蒸発器系の他に、図１に概略的に示す別の複数の伝熱面１０が接続されている。該伝熱面は、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。

図示のボイラ１の蒸発器・貫流伝熱面８は、流れ媒体Ｗの貫流に対し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。この蒸気発生管１２は燃焼ガス流れ方向ｘに見て並列に配置されている。そのように並べて配置された蒸気発生管１２の内１つの蒸気発生管１２しか見えていない。並べて配置された蒸気発生管１２に、流れ媒体側で共通の入口管寄せ１６が前置接続され、共通の出口管寄せ１８が後置接続されている。入口管寄せ１６は入口側が主入口管寄せ２０に接続され、出口管寄せ１８は出口側が共通の主出口管寄せ２２に接続されている。

蒸発器・貫流伝熱面８は、比較的小さな質量流量密度での蒸気発生管１２への供給に適し、該蒸気発生管１２が自然循環特性を有するよう設計されている。この自然循環特性の場合、同じ蒸発器・貫流伝熱面８の他の蒸気発生管１２に比べて余分に加熱される蒸気発生管１２は、前記の他の蒸気発生管１２に比べて大きな流れ媒体流量を有する。これを特に単純な構造手段で確実に保証すべく、蒸発器・貫流伝熱面８は流れ媒体側に、互いに直列接続された３つの管区域を有する。各蒸気発生管１２は第１管区域に上昇管部分２４を有し、該部分２４はほぼ垂直に配置され、流れ媒体Ｗが上向きに貫流する。各蒸気発生管１２は第２管区域に降下管部分２６を有し、この部分２６は流れ媒体側で上昇管部分２４に後置接続されてほぼ垂直に配置され、流れ媒体Ｗが下向きに貫流する。各蒸気発生管１２は第３管区域にもう１つの第２上昇管部分２８を有し、該部分２８は、流れ媒体側で降下管部分２６に後置接続され、ほぼ垂直に配置され、流れ媒体Ｗが上向きに貫流する。

第２上昇管部分２８で形成された管区域は、燃焼ガス流れ方向ｘに見て、第１上昇管部分２４で形成された管区域と、降下管部分２６で形成された管区域との間に配置されている。この結果、流れ媒体の加熱時の要件および燃焼ガス通路６における加熱状態に特に合った構造を保証できる。

降下管部分２６は、それに対応する上昇管部分２４に転流管部分３０を経て接続されている。同様に、第２上昇管部分２８はそれに対応する降下管部分２６に転流管部分３０を経て接続されている。この実施例では、転流管部分３０は燃焼ガス通路６の内部を導かれている。転流管部分３０を燃焼ガス通路６の外に導いてもよい。これは、特に構造上或いは運転上、蒸発器・貫流伝熱面８の排水が行われる場合に有利である。

図から解るように、降下管部分２６はそれに対応した第２上昇管部分２８と、両者を接続する転流管部分３０と共にほぼＵ字形をなしている。Ｕ字の脚部は降下管部分２６と第２上昇管部分２８とで形成され、結合湾曲部は転流管部分３０で形成されている。この蒸気発生管１２では、降下管部分２６の範囲の、流れ媒体Ｗの測地学的圧力貢献分が、第２上昇管部分２８の範囲とは反対に流れを促進する圧力貢献分を発生し、流れを妨げる圧力貢献分を発生しない。換言すれば、降下管部分２６内に存在する未蒸発流れ媒体Ｗの水柱が、各蒸気発生管１２の貫流を、一層「押し進める」。この結果、蒸気発生管１２は全体的に見て比較的僅かな圧力損失を示す。

この構造では、両上昇管部分２４、２８と降下管部分２６とが懸架様式で燃焼ガス通路６の天井に懸架又は固定される。これに対し転流管部分３０で互いに接続された第１上昇管部分２４、降下管部分２６および第２上昇管部分２８の空間的に見た下端は、燃焼ガス通路６に直接固定されていない。従って蒸気発生管１２の当該管区域の縦膨張が、損傷を生ずる恐れなしに許され、転流管部分３０は伸縮湾曲管として作用する。従って蒸気発生管１２のこの配置は、機械的に特に柔軟性を有し、熱膨張差に伴う応力を生じない。

蒸気発生管１２の特にその上昇管部分２４における余分な加熱は、そこでまず蒸発率を増大させ、蒸気発生管１２の寸法づけに基づき、その余分な加熱のために、余分な加熱を受ける蒸気発生管１２を通る貫流率の増大が生ずる。

複数の蒸気発生管１２の降下管部分２６と第２上昇管部分２８は、燃焼ガス通路６内で燃焼ガス流れ方向ｘに見て後方に位置する降下管部分２６に、燃焼ガス流れ方向ｘに見て前方に位置する上昇管部分２４、２８が対応するよう互いに位置している。この結果、強く加熱される上昇管部分２４、２８が、弱く加熱される降下管部分２６に連通する。この相対的位置づけにより、貫流に関して管列１４間でも自然平衡効果が得られる。

蒸気発生管１２の特に優れた自然循環特性に基づき、この発生管１２は局所的に不均一な加熱に対し自己安定挙動を示す。その際蒸気発生管１２の管列の余分な加熱は、局所的にその蒸気発生管１２の管列への流れ媒体Ｗの余分な供給を生じさせ、それに伴い増大した冷却作用により、自然に各温度値の平衡が生ずる。従って主出口管寄せ２２に流入する生蒸気の蒸気パラメータは、個々に貫流する管列１４と無関係に特に均質になる。

出口が第２上昇管部分２８の形で燃焼ガス側の第１上昇管部分２４と降下管部分２６との間、従って蒸発器・貫流伝熱面８の平均燃焼ガス温度領域に置かれた蒸発器・貫流伝熱面８の構造の特別な利点は、その位置づけに伴い、蒸発器・貫流伝熱面８の出口における個々の蒸気発生管１２においても流れ媒体の過度の過熱が防止されることにある。

横置形ボイラの概略縦断面図。

符号の説明

１ 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、１６ 入口管寄せ、２４、２８ 上昇管部分、２６ 降下管部分、３０ 転流管部分、Ｗ 流れ媒体、ｘ 燃焼ガス流れ方向

Claims (6)

1. 燃焼ガスが水平方向（ｘ）に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）の貫流に対して並列接続された多数の蒸気発生管（１２）を有し、かつ前記伝熱面（8）に関し、同じ蒸発器・貫流伝熱面（８）の他の蒸気発生管（１２）に比べて余分に加熱される蒸気発生管（１２）が、前記の他の蒸気発生管（１２）に比べて大きな流れ媒体流量を示すように設計されており、前記１つ或いは各蒸気発生管（１２）が各々、ほぼ垂直に配置され流れ媒体（Ｗ）が上向きに貫流する（第１）上昇管部分（２４）と、流れ媒体側においてこの上昇管部分（２４）に後置接続されほぼ垂直に配置され流れ媒体（Ｗ）が下向きに貫流する降下管部分（２６）と、流れ媒体側においてこの降下管部分（２６）に後置接続されほぼ垂直に配置され流れ媒体（Ｗ）が上向きに貫流するもう１つの上昇管部分（２８）とを有する廃熱ボイラにおいて、
   前記各蒸気発生管（１２）の第２上昇管部分（２８）が燃焼ガス通路（６）内において、燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見てそれに対応する上昇管部分（２４）の下流側で且つそれに対応する降下管部分（２６）の上流側に配置されたことを特徴とする廃熱ボイラ。
2. １つ或いは各蒸気発生管（１２）の第１上昇管部分（２４）がそれに対応する降下管部分（２６）に、降下管部分（２６）がそれに対応する第２上昇管部分（２８）に、各々流れ媒体側において転流管部分（３０）を介して接続されたことを特徴とする請求項１記載の廃熱ボイラ。
3. 各転流管部分（３０）が燃焼ガス通路（６）の中に配置されたことを特徴とする請求項２記載の廃熱ボイラ。
4. 複数の蒸気発生管（１２）の第２上昇管部分（２８）と降下管部分（２６）が、燃焼ガス通路（６）内で燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見て比較的後ろに位置する降下管部分（２６）に、燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見て比較的前に位置する第２上昇管部分（２８）が対応するように互いに位置づけられたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の廃熱ボイラ。
5. 多数の蒸気発生管（１２）が、各々流れ媒体側において互い違いに直列接続された第１上昇管部分（２４）と降下管部分（２６）と第２上昇管部分（２８）を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の廃熱ボイラ。
6. 燃焼ガス側に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５のいずれか１項に記載の廃熱ボイラ。

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