JP4842007B2 - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、排熱回収ボイラに係り、特に大容量高効率化に好適な排熱回収ボイラに関する。

一般的なコンバインドサイクル発電設備のプラント構成について図７，図８を参照して説明する。
ガスタービン３６では天然ガス等の燃焼により発電を行い、高温のガスタービン排ガスは排熱回収ボイラ３７に送られる。排熱回収ボイラ３７では排ガスからの熱回収により給水が蒸気になり、発生した蒸気は蒸気タービン３９に送られて発電を行う。

この際、図７に示すようにガスタービン３６，蒸気タービン３９，発電機４０のそれぞれ１台が同軸で接続されて、排熱回収ボイラ３７が１台設置された一軸システムと、図８に示すように２台以上のガスタービン３６及び排熱回収ボイラ３７に１台の蒸気タービン３９が組み合わされ、それぞれに発電機４０，４１が設置された多軸システムがある。多軸システムは、排熱回収ボイラ３７から蒸気タービン３９に送られる蒸気量がガスタービン負荷だけでなく運転台数によっても変化することから、一軸システムに比べて蒸気システムでの運用範囲が広くなる。

従来の貫流式排熱回収ボイラの断面図を図９，図１０に示す。図９は貫流式排熱回収ボイラの側面断面図、図１０はその貫流式排熱回収ボイラの平面断面図である。

これらの図において、１はガス入口、２はガス出口、３は入口ダクト、４は本体ケーシング、５は出口ダクト、６は高圧三次過熱器、７は二次再熱器、８は助燃バーナ、９は高圧二次過熱器、１０は再熱器、１１は高圧一次過熱器、１２は高圧汽水分離器、１３は高圧二次蒸発器、１４は高圧分配管、１５は高圧分配管、１６は高圧一次蒸発器出口管、１７は高圧一次蒸発器、１８は排煙脱硝触媒、１９は中圧過熱器、２０は高圧三次節炭器、２１は低圧過熱器、２２は中圧汽水分離器、２３は中圧二次蒸発器、２４は中圧分配管、２５は中圧分配管、２６は中圧一次蒸発器出口管、２７は中圧一次蒸発器、２８は高圧二次節炭器、２９は中圧節炭器、３０は高圧一次節炭器、３１は低圧蒸気ドラム、３２は低圧蒸発器、３３は低圧節炭器である。

図１０に示されているように、排ガスＧの流れ方向前流側に高圧二次蒸発器１３，後流側に高圧一次蒸発器１７が設置され、高圧一次蒸発器１７の出口の汽水混合流は高圧二次蒸発器１３に導入され、高圧二次蒸発器１３の出口に高圧汽水分離器１２が接続されている。

排熱回収ボイラには助燃バーナ８が設置されており、発生蒸気量を増やし、蒸気タービンの出力を増加させることができる。助燃バーナ８は通常、高圧蒸発器より排ガス前流側の高圧過熱器と再熱器の中間あるいは排熱回収ボイラの入口側に設置されて、排ガス温度のみを上昇させる。

そのため蒸気量増加に伴い、蒸気タービンの運用範囲が広がるだけでなく、排熱回収ボイラ内での排ガス特性が変化することから、一次蒸発器出口での汽水混合割合や二次蒸発器出口の過熱度の変化幅が大きく広がる。

ここで高圧一次蒸発器及び高圧二次蒸発器の分割に当たっては、高圧一次蒸発器出口における汽水混合割合を通常５０％から７０％程度になるように設定し、高圧ニ次蒸発器出口の過熱度は通常２０℃から５０℃程度になるように設計する。

運転時には高圧二次蒸発器出口の過熱度を監視し、設定温度になるよう給水流量を制御する。その際、高圧一次蒸発器出口における汽水混合割合は設計の範囲内で運用されることとなる。しかし、ガスタービンの負荷の高低に伴うガスタービンからの排ガスの流量と温度の傾向によっては、高圧一次蒸発器出口における汽水混合割合及び高圧二次蒸発器出口の過熱度は前記適正値を外れる傾向となり、多軸システム及び助燃付の貫流式排熱回収ボイラでは特に顕著になる。

この種のボイラに関しては、例えば下記の特許文献１を挙げることができる。
特表２００１-５０５６４５号公報

ところで前述した従来の排熱回収ボイラでは、一次蒸発器、特に高圧一次蒸発器の出口における汽水混合割合及び二次蒸発器、特に高圧二次蒸発器の出口の過熱度を広運用域で適正に維持することが難しい。

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、一次蒸発器出口における汽水混合割合及び二次蒸発器出口の過熱度を広運用域で適正に維持できる排熱回収ボイラを提供することにある。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、
ガスタービンからの排ガス流れ方向前流側に二次蒸発器を設置し、その二次蒸発器の排ガス流れ方向後流側に一次蒸発器を設置して、その一次蒸発器出口の汽水混合流を前記二次蒸発器に導入し、その二次蒸発器の出口に汽水分離器を接続した排熱回収ボイラにおいて、
前記二次蒸発器の管群内に、前記排ガスの一部を直接前記一次蒸発器に導入するバイパス通路を排ガスの流れ方向と交叉する方向に複数箇所形成するとともに、各バイパス通路のガスバイパス量を調節するためのバイパスダンパーを設け、
前記ガスタービンの負荷に基づいて前記バイパスダンパーの開度を調整することにより、前記一次蒸発器と二次蒸発器の吸熱割合を調節する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は、
ガスタービンからの排ガス流れ方向前流側に二次蒸発器を設置し、その二次蒸発器の排ガス流れ方向後流側に一次蒸発器を設置して、その一次蒸発器出口の汽水混合流を前記二次蒸発器に導入し、その二次蒸発器の出口に汽水分離器を接続し、前記一次蒸発器の排ガス流れ方向後流側に他の熱交換器を設置した排熱回収ボイラにおいて、
前記二次蒸発器の管群内に、前記排ガスの一部を直接前記一次蒸発器に導入する第１のバイパス通路を排ガスの流れ方向と交叉する方向に複数箇所形成するとともに、各第１のバイパス通路のガスバイパス量を調節するための第１のバイパスダンパーを設け、
前記一次蒸発器の管群内に、前記排ガスの一部を直接前記他の熱交換器に導入する第２のバイパス通路を排ガスの流れ方向と交叉する方向に複数箇所形成するとともに、各第２のバイパス通路のガスバイパス量を調節するための第２のバイパスダンパーを設けて、
前記ガスタービンの負荷に基づいて前記第１のバイパスダンパーの開度を調整することにより、前記一次蒸発器と二次蒸発器の吸熱割合を調節する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、
前記二次蒸発器ならびに一次蒸発器が高圧二次蒸発器ならびに高圧一次蒸発器であって、前記二次蒸発器内のバイパスダンパーの開度調整により、前記高圧二次蒸発器出口における過熱度が２０℃から５０℃の範囲に、前記高圧一次蒸発器出口における汽水混合流中の蒸気の割合が５０％から７０％の範囲になるように調節されることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１ないし第３の手段のいずれかにおいて、
前記二次蒸発器の排ガス流れ方向前流側に前記ガスタービンの排ガス熱量を補う助熱装置が設けられ、
前記ガスタービンの負荷ならびに前記助熱装置の助熱量に基づいて、前記二次蒸発器内に設けられているバイパスダンパーの開度を調整する構成になっていることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、二次蒸発器と一次蒸発器の吸収熱量の割合を調節することができ、一次蒸発器出口における汽水混合割合及び二次蒸発器出口の過熱度を広運用域で適正に維持できる排熱回収ボイラを提供することができる。

ガスタービンの排ガスから熱を回収し蒸気を発生して、その蒸気により蒸気タービンを駆動して発電する、所謂、コンバインドサイクル発電設備において、ガスタービンの排ガスから熱を回収する設備として排熱回収ボイラが設置される。このコンバインド発電設備の特長を生かし、急速起動・停止運用による起動損失の低減，蒸気条件の高級化のよる発電効率向上策として貫流式の排熱回収ボイラが採用される。また大型のコンバインドサイクル発電設備では、この排熱回収ボイラの蒸気系統を高圧系，中圧再熱系，低圧系の３系統で構成して、排熱回収の効率向上を図っている。

このような再熱三重圧方式で貫流式を構成した場合、蒸発器の構成は貫流式の設計上、一次蒸発器と二次蒸発器の組み合わせとなる。排ガス流れ方向前流側に二次蒸発器、後流側に一次蒸発器を配置し、一次蒸発器出口の汽水混合流を二次蒸発器に導入して、二次蒸発器の出口に汽水分離器を設備する。

その際、二次蒸発器の出口温度については、過熱度を一定の温度内で維持し続けることが求められる。また一次蒸発器出口での蒸気含有率についても、安定した管内流動を維持するため一定の範囲内で運用する必要がある。

ここで二次蒸発器の管群の間に排ガスをバイパスして直接一次蒸発器に導入できる通路を設け、且つその通路のガスバイパス量を調節するためのダンパーを設けることにより、一次蒸発器と二次蒸発器の吸収熱量を調節している。一次蒸発器と二次蒸発器の吸収熱量を調節は、一次蒸発器バイパスまたは一次蒸発器およびニ次蒸発器の両方のバイパスによっても可能である。

このように各蒸発器での吸収熱量を調節可能とすることにより、二次蒸発器出口の過熱度及び一次蒸発器出口の蒸気含有率を最適な値とすることができる。貫流式の採用は、前記貫流式の利点から高圧系のみ或いは高圧系と中圧系の２系統の場合が多い。

本発明はプラント出力の運用範囲が比較的広い，助燃付排熱回収ボイラ及び多軸方式のコンバインドサイクルプラントに対し特に有効である。

次に本発明の実施形態を図とともに説明する。図１ないし図３は第１実施形態を説明するための図であり、図１は排熱回収ボイラの側面断面図、図２はその排熱回収ボイラの平面断面図、図３（ａ），（ｂ）は排ガスバイパスダンパー部の動作を説明するための図である。

図１ならびに図２に示すように、ガスタービンからの排ガスＧは排熱回収ボイラ入口１から導入され、入口ダクト３で流路を拡大された後、本体ケーシング４内に設置された最初の熱交換部である高圧三次過熱器６，二次再熱器７で熱交換される。その後、助燃バーナ８で再度温度が上昇され、高圧二次過熱器９，一次再熱器１０，高圧一次過熱器１１で順次熱交換される。

一方、高圧給水は高圧一次節炭器３０，高圧二次節炭器２８，高圧三次節炭器２０を通過することにより予熱され、高圧一次蒸発器１７で５０％〜７０％程度蒸発され、出口連絡管で分配器１５に供給されて、汽水二相流をこの分配器１５で均等に分配させ、さらに分配管１４で高圧二次蒸発器１３に導入し、個々で過熱度２０℃から５０℃過熱されて、汽水分配器１２で汽水分離の後，高圧一次過熱器１１に供給される。

ここで高圧一次蒸発器１７と高圧二次蒸発器１３の出口における蒸気の状態は、前記汽水混合比および過熱度の状態にあるのが好ましいが、ガスタービンの負荷あるいは助燃の量によっては運用全域において適切な状態にすることが困難になる。

そこで図２に示すように、高圧二次蒸発器１３の管群の一部にガスバイパス路３４をガスの流れ方向と交叉する方向に数箇所設け、各ガスバイパス路３４にガスのバイパス量を調節するためのバイパスダンパー３５を設ける。そしてガスタービンの負荷，助燃量に基いて、前記バイパスダンパー３５の開度を調整することにより、高圧一次蒸発器１７と高圧二次蒸発器１３の吸熱割合を調節する。

排熱回収ボイラの伝熱管群はガス流路断面に対しガス流れ方向の幅が非常に短いことから従来型ボイラにおける節炭器バイパスのような外部への排ガスのバイパス流路の採用は構造的に困難であり，バイパス後の排ガス混合が適切に行われず性能に悪影響を与える可能性が高い。そのため図３に示す排ガスバイパスが最適であり、図３に示すバイパスダンパーはルーバータイプで流路幅方向に数箇所設置される。

図３はこのバイパス部の詳細を示す図で、高圧二次蒸発器１３の管群の一部にガスバイパス路３４が設けられ、そのガスバイパス路３４のガス入口側にバイパスダンパー３５が設けられている。同図（ａ）はバイパスダンパー３５が開いた状態、同図（ｂ）はバイパスダンパー３５が閉じた状態を、それぞれ示している。

図４は、ガスタービン１００％負荷とさらに助燃をした場合の高圧一次蒸発器１７と高圧二次蒸発器１３の吸収熱量特性を示す図である。本実施形態では、高圧二次蒸発器１３の管群内に設置されているバイパスダンパー３５を開いて、高圧二次蒸発器１３での吸熱量を減少して、その分後流側に設置されている高圧一次蒸発器１７での吸熱量を増加することができる。助燃時にも非助燃時の状態近くに高圧一次蒸発器１７および高圧二次蒸発器１３の状態を維持することができる。

図１１はガスバイパス調節が行なわれていない従来技術の同様の吸収熱量特性を示す図で、図４に示す吸収熱量特性と大きく異なり、従来技術においては前述のような技術的課題を有している。

図５は、本発明の第２実施形態に係る排熱回収ボイラの平面断面図である。この実施形態の場合、高圧一次蒸発器１７側にガスバイパス路３４とそれを開閉するバイパスダンパー３５が設けられている。

図６は、本発明の第３実施形態に係る排熱回収ボイラの平面断面図である。この実施形態の場合、二次蒸発器１３に第１のバイパス通路３４ａと、第１のダンパー３５ａとを設け、一次蒸発器１７に第２のバイパス通路３４ｂと第２のダンパー３５ｂとを設けている。

この第２，３実施形態においても高圧一次蒸発器１７と高圧二次蒸発器１３の吸収熱量の割合を適宜調整することができる。

本実施形態は高圧系の場合について説明したが、中圧系も同様である。なお、低圧系は貫流式の利点がないので自然循環式を採用するのが通常である。

本発明の第１実施形態に係る排熱回収ボイラの側面断面図である。 その排熱回収ボイラの平面断面図である。 その排熱回収ボイラにおける排ガスバイパスダンパー部の動作を説明する図である。 本発明の第１実施形態に係る排熱回収ボイラにおける高圧一次蒸発器と高圧二次蒸発器の吸収熱量特性を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る排熱回収ボイラの平面断面図である。 本発明の第３実施形態に係る排熱回収ボイラの平面断面図である。 コンバインドサイクル発電設備の一軸構成とした場合のプラント構成図である。 コンバインドサイクル発電設備の多軸構成とした場合のプラント構成図である。 従来の排熱回収ボイラの側面断面図である。 その排熱回収ボイラの平面断面図である。 従来の排熱回収ボイラにおける高圧一次蒸発器と高圧二次蒸発器の吸収熱量特性を示す図である。

符号の説明

１：ガス入口、２：ガス出口、３：入口ダクト、４：本体ケーシング、５：出口ダクト、６：高圧三次過熱器、７：二次再熱器、８：助燃バーナ、９：高圧二次過熱器、１０：一次再熱器、１１：高圧一次過熱器、１２：高圧汽水分離器、１３：高圧二次蒸発器、１４：高圧分配管、１５：高圧分配器、１６：高圧一次蒸発器出口管、１７：高圧一次蒸発器、１８：排煙脱硝触媒、１９：中圧過熱器、２０：高圧三次節炭器、２１：低圧過熱器、２２：中圧汽水分離器、２３：中圧二次蒸発器、２４：中圧分配管、２５：中圧分配器、２６：中圧一次蒸発器出口管、２７：中圧一次蒸発器、２８：高圧二次節炭器、２９：中圧節炭器、３０：高圧一次節炭器、３１：低圧蒸気ドラム、３２：低圧蒸発器、３３：低圧節炭器、３４：排ガスバイパス、３５：排ガスバイパスダンパー、３６：ガスタービン、３７：排熱回収ボイラ、３９：蒸気タービン、４０：蒸気タービン発電機、４１：ガスタービン発電機、４２：高圧主蒸気管、４３：高温再熱蒸気管、４４：低温再熱蒸気管、４５：低圧主蒸気、Ｇ：排ガス。

Claims (4)

1. ガスタービンからの排ガス流れ方向前流側に二次蒸発器を設置し、その二次蒸発器の排ガス流れ方向後流側に一次蒸発器を設置して、その一次蒸発器出口の汽水混合流を前記二次蒸発器に導入し、その二次蒸発器の出口に汽水分離器を接続した排熱回収ボイラにおいて、
   前記二次蒸発器の管群内に、前記排ガスの一部を直接前記一次蒸発器に導入するバイパス通路を排ガスの流れ方向と交叉する方向に複数箇所形成するとともに、各バイパス通路のガスバイパス量を調節するためのバイパスダンパーを設け、
   前記ガスタービンの負荷に基づいて前記バイパスダンパーの開度を調整することにより、前記一次蒸発器と二次蒸発器の吸熱割合を調節する構成になっていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
2. ガスタービンからの排ガス流れ方向前流側に二次蒸発器を設置し、その二次蒸発器の排ガス流れ方向後流側に一次蒸発器を設置して、その一次蒸発器出口の汽水混合流を前記二次蒸発器に導入し、その二次蒸発器の出口に汽水分離器を接続し、前記一次蒸発器の排ガス流れ方向後流側に他の熱交換器を設置した排熱回収ボイラにおいて、
   前記二次蒸発器の管群内に、前記排ガスの一部を直接前記一次蒸発器に導入する第１のバイパス通路を排ガスの流れ方向と交叉する方向に複数箇所形成するとともに、各第１のバイパス通路のガスバイパス量を調節するための第１のバイパスダンパーを設け、
   前記一次蒸発器の管群内に、前記排ガスの一部を直接前記他の熱交換器に導入する第２のバイパス通路を排ガスの流れ方向と交叉する方向に複数箇所形成するとともに、各第２のバイパス通路のガスバイパス量を調節するための第２のバイパスダンパーを設けて、
   前記ガスタービンの負荷に基づいて前記第１のバイパスダンパーの開度を調整することにより、前記一次蒸発器と二次蒸発器の吸熱割合を調節する構成になっていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
3. 請求項１または２に記載の排熱回収ボイラにおいて、
   前記二次蒸発器ならびに一次蒸発器が高圧二次蒸発器ならびに高圧一次蒸発器であって、前記二次蒸発器内のバイパスダンパーの開度調整により、前記高圧二次蒸発器出口における過熱度が２０℃から５０℃の範囲に、前記高圧一次蒸発器出口における汽水混合流中の蒸気の割合が５０％から７０％の範囲になるように調節されることを特徴とする排熱回収ボイラ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の排熱回収ボイラにおいて、
   前記二次蒸発器の排ガス流れ方向前流側に前記ガスタービンの排ガス熱量を補う助熱装置が設けられ、
   前記ガスタービンの負荷ならびに前記助熱装置の助熱量に基づいて、前記二次蒸発器内に設けられているバイパスダンパーの開度を調整する構成になっていることを特徴とする排熱回収ボイラ。

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