JP4847213B2 - 貫流型排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、複合発電プラント等の高温ガスの熱エネルギーを管列からなる熱交換器を用いて回収する貫流型排熱回収ボイラに係り、特にその排熱回収ボイラ給水量の制御技術に関する。

発電用ガスタービン等から排出されるの排気ガスは、６００℃程度の温度を有している。排熱回収ボイラは、このような高温ガスからの熱エネルギーを回収し、その熱により蒸気を発生する装置である。特に発電分野においては、ガスタービン，蒸気タービン，発電機などを併設した複合発電設備が普及している。複合発電設備は高い発電効率と高負荷変化率、高速起動停止等の特長を有している。

特に天然ガスを燃料とする複合発電設備は、燃料中の炭素分が少ないことと高効率からＣＯ₂排出量が少なく、また排気ガスに硫黄酸化物を含まないことなどから更なる普及が期待されている。

これまで排熱回収ボイラでは汽水分離ドラムを使用する、所謂、ドラム型が一般的であったが、近年、貫流型排熱回収ボイラの開発が進められている。貫流型排熱回収ボイラにおいては、ドラム型で用いられていた大径の汽水分離ドラムが不要となる。このため、ドラム型では汽水分離ドラム隔壁の熱応力により規定されていた蒸気圧力変化率の制限が緩和され、特に起動時間が半減すると期待されている。

図３は、貫流型排熱回収ボイラの概略構成図である。排熱回収ボイラにはガス流れがほぼ水平となる横型と、ほぼ鉛直となる縦型がある。この例では大型設備で主に採用される横型を例に説明するが、縦型でも同様である。

排熱回収ボイラは、ケーシング１で囲まれたガスダクト２の中に１以上の熱交換器が配置されている。この熱交換器には、内部流体の状態により節炭器５，蒸発器６，過熱器７などがあり、内部流体とガス温度の相対関係から図に示すように、ガス上流側に過熱器７、下流側に節炭器５、中間に蒸発器６が配置される。

各熱交換器５，６，７は、鉛直方向に配置された伝熱管群から構成されており、所望の熱交換量(収熱量)と内部流体流量を確保するため、一般的にガス流れ方向に対して直角方向及びガス流れ方向に沿って複数列の伝熱管が配置されている。

ここで、ガス流れ方向に対して直角方向の同じ列に配置された伝熱管は同じガス温度に曝されることになり、このような伝熱管群を管列と称する。

排熱回収ボイラでは、小型化を図るためフィン付伝熱管が一般に採用されている。フィン付伝熱管は伝熱管の周囲にフィンを一定間隔で取り付け、有効伝熱面積を拡大したものである。

図示されないガスタービンから排出された排ガスＧ１は排熱回収ボイラのガスダクト２へと導かれ、その中に配置された過熱器８，貫流蒸発器６，節炭器５の順に熱交換を行い、低温ガスＧ２として煙突へと排出される。

水蒸気系では、給水ポンプ４により供給された低温水は、節炭器５で飽和温度近傍まで予熱された後、高温水として貫流蒸発器６に導かれる。高温水は伝熱管を上昇する間に排ガスＧからの熱を受けて蒸発を完了し、わずかに過熱した蒸気となって過熱器７へ供給される。過熱器７でさらに高温の排ガスＧとの熱交換により所定の温度まで過熱された後、主蒸気として蒸気タービン（ＳＴ）等の需要先に供給される。

このような貫流型排熱回収ボイラの起動は、次のような手順で行なわれる。
まず、節炭器５と蒸発器６に水を張り、ガスタービンに点火する。排ガスG１の持ち込む熱量の増加とともに、蒸発器６内部の水が次第に昇温して、密度が低下し、汽水分離器７、再循環配管１０を介して自然循環が開始される。汽水分離器７の水位が上昇する場合は、排出弁１２により缶水を排出することで水位の調整がなされる。

蒸発器６への入熱が更に増加すると、蒸気が発生する。発生した蒸気は汽水分離器７で分離され、過熱器８を介して図示しない蒸気タービン（ＳＴ）へ送られる。過熱器８へ流出した蒸気の分だけ、汽水分離器７のレベルが低下する。これを補うため給水弁９を操作し、給水量G_FWを増加させて水位を保持する。この状態を循環運転と称する。

起動条件によっては、缶水中の不純物等を取り除くため、水質条件が満たされるまでの期間、排出弁１２を規定開度に開き不純物を含んだ缶水を系外に排出する。このときも給水弁９の操作により汽水分離器７の水位を保持する。図中の３１は温度計、３２は圧力計、３３，３４は流量計、３５は水位計である。

この段階では、汽水分離器７をドラムに置き換えると、従来の自然循環式排熱回収ボイラと全く同じである。

図４は、自然循環排熱回収ボイラの給水制御回路を示したものである。流量計３３で計測した給水量G_FWと、流量計３４で計測した蒸気量G_SHが加算器５０に入力される。また、水位計３５によって計測された汽水分離器７内の水位計測値と、設定器６０によって設定された水位設定値が加算器６１に入力され、水位計測値と水位設定値との偏差値がＰＩＤ制御器６２を通して前記加算器５０に入力される。

加算器５０から出力された演算信号が給水制御のためのＰＩＤ制御器５１に入力され、そのＰＩＤ制御器５１から出力される弁開度信号に基いて給水弁９の開度制御がなされる。

このように給水制御回路は、給水量G_FWと蒸気量G_SHと水位による、所謂、３要素制御を構成している。給水量G_FWを蒸気量G_SHに追従させる回路を基本にしており、それに水位による補正を加えるものである。

貫流型排熱回収ボイラでは前記水質条件が満たされると、次なる段階、すなわち貫流運転に移行する。貫流運転では、給水は蒸発器６を通過する間に全て蒸発を完了し、若干(〜１００K)過熱して汽水分離器７に導入される。全量が蒸気であり、全て過熱器８に流出するため、もはや再循環は行われない。貫流運転においては、蒸発器出口の蒸気温度又はエンタルピー、もしくは蒸気温度と飽和温度の差である過熱度が設定値に追従するよう給水量G_FWを制御することが一般的である。

貫流型排熱ボイラに関しては、下記の特許文献１などを挙げることができる。
特開２００４−１９９６３号公報

ところで従来の貫流型排熱回収ボイラでは、それの起動過程を包括的に対応した制御技術は未だ確立されていない。

本発明の目的は、貫流型排熱回収ボイラの起動から定常運転までをサポートするのに好適な給水制御回路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、開度によって給水量を調整する給水弁と、
給水量を計測する給水流量計と、
過熱器から取り出される蒸気量を計測する蒸気流量計と、
蒸発器の出口側に接続された汽水分離器の水位を計測する水位計と、
その水位計によって計測された水位に基いて給水補正信号を生成する第１の給水補正信号生成回路と、
前記給水流量計で計測された給水量と前記蒸気流量計で計測された蒸気量と前記給水補正信号生成回路で生成された給水補正信号に基いて、前記給水弁の開度制御信号を生成する開度制御信号生成回路と
を備えた貫流型排熱回収ボイラにおいて、
前記蒸発器出口側の蒸気の状態に基づいて給水補正信号を生成する第２の給水補正信号生成回路と、
前記第１の給水補正信号生成回路と前記第２の給水補正信号生成回路のいずれかを選択する回路選択手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記蒸発器出口側の蒸気の状態が、蒸気温度、蒸気のエンタルピー、蒸気の過熱度の少なくともいずれか１つであ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の手段において、前記回路選択手段によって選択された給水補正値に対して、上限値と下限値を制限する上下限制限手段を設けた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の手段において、前記回路選択手段により、循環運転モードでは前記第１の給水補正信号生成回路が選択され、貫流運転モードでは前記第２の給水補正信号生成回路が選択されるように構成され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、ガスタービン点火から定常運転に至るまでの過程において、適切な給水制御を行うことができ、特に運転モード切替えに際しても安定な運転が可能となる。

図４に示す回路によりガスタービン点火から循環モードまでがサポートされる。貫流運転においては、既存の水位に基づいた給水補正信号生成回路から、上述の蒸発器６出口の蒸気状態に基づく給水補正信号生成回路に切り替わる。これにより、蒸発器６出口の蒸気状態量が所望の状態に保たれる、すなわち、蒸発器６への入熱量に見合った給水量が維持される。

ここで、循環運転から貫流運転への切替え時について考察する。貫流運転時は蒸発器６出口蒸気の過熱度に基づき補正するものとする。循環運転中は、蒸発器６出口は気液二相流であり、その温度は飽和温度に保たれている。この状態から貫流運転に切り替わった瞬間は循環運転中と同じ状態であるから、過熱度は０である。従って、過熱度の設定値に対する負の偏差が最大の状態となる。

このため、制御器の設定によっては給水量に対し、負の大きな補正量が加わり、一時的な圧力低下など、プラントの状態が不安定になる可能性がある。

これを防止するため、前記回路選択手段によって選択された給水補正値に対して、上限値と下限値を制限する上下限制限手段を設けことが望ましい。

次に本発明の実施形態に係る循環排熱回収ボイラを図と共に説明する。循環排熱回収ボイラの全体的な概略構成は、図３に示したものと同様であるので、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る給水制御回路を説明するための系統図である。図２は、本発明の実施形態に係る循環排熱回収ボイラのガスタービン点火から定常運転に至るまでの（ａ）排ガス流量・入口排ガス温度、（ｂ）汽水分離器内の水位、（ｃ）蒸発器出口の過熱度、（ｄ）給水量補正信号ならびに（ｅ）給水量・蒸発量の変化を示す図である。

図1に示す蒸発器の出口圧力は、図３に示すように貫流蒸発器６の出口側に設けられた圧力計３２によって計測される。蒸発器の出口温度は、貫流蒸発器６の出口側に設けられた温度計３１によって計測される。汽水分離器７内の水位は、汽水分離器７に付設された水位計３５によって計測される。過熱器８の出口蒸気量は、過熱器８の出口側に設けられた流量計３４によって計測される。給水量は、給水ポンプ４と給水弁９の間に設けられた流量計３３によって計測される。

図１において、５０は加算器、５１はＰＩＤ制御器、５２は弁開度設定器、５３は高値選択器、６０は水位設定器、６１は加算器、６２はＰＩＤ制御器、７０は関数発生器、７１は加算器、７２は過熱度設定器、７３は加算器、７４はＰＩＤ制御器、８０は切替器、８１は給水量補正量制限設定器、８２は上下限制限器、１００はオペレータコンソールであり、各要素は図１に示すような接続関係になっている。

次に図１と図２を用いて、本発明の実施形態に係る貫流型排熱回収ボイラの起動操作を説明する。
汽水分離器７の水位が規定値になるよう水張りをする。運転員はオペレータコンソール１００で循環運転モードに設定した後、ガスタービン（ＧＴ）に点火する。

ガスタービン点火後、図２（ａ）に示すようにケーシング１を流通する排ガスの流量が増加するとともに入口排ガス温度が上昇し、これらより入熱量が増加して、それにともない蒸気が発生する。発生した蒸気は系外に排出されるため、汽水分離器７の保有水量に不足が生じ、同図（ｂ）に示すように汽水分離器７の水位が低下する。

循環運転モードでは、図１に示すように流量計３３で計測した給水量G_FWと、流量計３４で計測した蒸気量G_SHが加算器５０に入力される。また、水位計３５によって計測された汽水分離器７内の水位計測値と、水位設定器６０によって設定された水位設定値が加算器６１に入力されてその偏差が求められ、その偏差値に基いてＰＩＤ制御器６２で給水補正信号を生成する。すなわち、前記水位の低下に対しては、ＰＩＤ制御器６２により正の給水補正信号が出力され、保有水量の不足を補う。この給水補正信号は切替器８０、上下限制限機８２を介して前記加算器５０に加えられる。

このように給水制御回路は、給水量G_FWと蒸気量G_SHと水位による、所謂、３要素制御を構成しており、給水量G_FWを蒸気量G_SHに追従させる回路を基本にしており、それに水位による補正を加えるものである。

加算器５０から出力された演算信号が給水制御のためのＰＩＤ制御器５１に入力され、そのＰＩＤ制御器５１から出力される弁開度信号は高値選択器５３に入力されて、弁開度設定器５２によって設定されている弁開度設定値と比較され、その高値の弁開度信号に基いて給水弁９の開度制御がなされる。

ガスタービンの負荷の上昇ともに、排熱回収ボイラへの入熱量が増加し、汽水分離器７の蒸気圧力、水質が所定の値であることを確認した後に、運転員はオペレータコンソール１００を操作し貫流運転モードに切替える。

貫流運転モードでは、圧力計３２で計測された蒸気圧力に基いて関数発生器７０で蒸気圧力に対応する飽和温度を求める。この飽和温度と温度計３１で計測された蒸気温度とが加算器７１に入力されて、蒸発器６の出口における過熱度を求める。

これを加算器７３において過熱度設定器７２で与えられる過熱度設定値から減じて、過熱度制御偏差を得る。この過熱度制御偏差に基づきＰＩＤ制御器７４で給水補正量を算出し、切替器８０、上下限制限機８２を介して加算器５０に加えられ給水量３３、蒸気量３４とともに３要素制御系を構成する。例えば入熱量に対し給水量が過剰の場合、蒸発器６出口の過熱度が規定値よりも下がる。これに対し加算器７１は負の給水補正信号を出力することにより、過熱度を規定の値に修正する。

ところで、循環運転モードで運転中は、蒸発器６の出口は飽和状態に保たれているため流体温度は飽和温度に等しく、過熱度は０である。例えば過熱度を５０℃に設定した場合、通常運転中は±１０℃程度の偏差で運転される。これに対し、循環運転モードから貫流運転モードに切替えた瞬間には、−５０℃という非常に大きな偏差が発生する。この偏差のため加算器７１より出力される負の大きな補正により給水量が急激に絞られ、蒸発器６内部の流動が不安定になる場合がある。上下限値制限器８２は、このような不具合を防止するために設けられたものである。

すなわち、給水量補正量は上下限制限器８２において、設定器８１で与えられる範囲の値に制約される［図２（ｄ）参照］。従って、循環運転から貫流運転への切替え時などに過大な給水量補正が加わり、プラントに悪影響を与えることはない。

本実施形態においては、水位計によって計測された水位に基いて給水補正信号を生成する第１の給水補正信号生成回路は、図１に示されている水位計３５、水位設定器６０、加算器６１ならびにＰＩＤ制御器６２などによって構成されている。

また蒸発器出口側の蒸気の状態に基づいて給水補正信号を生成する第２の給水補正信号生成回路は、図１に示されている温度計３1、圧力計３２、関数発生器７０、加算器７１、過熱度設定器７２、加算器７３ならびにＰＩＤ制御器７４などによって構成されている。

前記第１の給水補正信号生成回路と第２の給水補正信号生成回路の何れかを選択する回路選択手段は、図１に示されているオペレータコンソール１００と切替器８０などによって構成されている。

さらに前記給水流量計で計測された給水量と前記蒸気流量計で計測された蒸気量と前記給水補正信号生成回路で生成された給水補正信号に基いて、前記給水弁の開度制御信号を生成する開度制御信号生成回路は、図１に示されている流量計３３、流量計３４、加算器５０、ＰＩＤ制御器５１、弁開度設定器５２、高値選択器５３などによって構成されている。

本実施形態では、貫流運転中の給水量制御要素として過熱度を例に採ったが、蒸気温度、エンタルピーについても同様に構成することが可能である。また、過熱度の設定値は、過熱度設定器７２で与える代わりに、ガスタービン負荷、蒸気圧力、出口蒸気温度などのプラント運転条件により算出して与えても良い。

本発明の実施形態に係る給水制御回路を説明するための系統図である。 本発明の実施形態に係る循環排熱回収ボイラのガスタービン点火から定常運転に至るまでの（ａ）排ガス流量・入口排ガス温度、（ｂ）汽水分離器内の水位、（ｃ）蒸発器出口の過熱度、（ｄ）給水量補正信号ならびに（ｅ）給水量・蒸発量の変化を示す図である。 貫流型排熱回収ボイラの概略構成図である。 従来技術の給水制御回路を説明するための系統図である。

符号の説明

１：ケーシング、２：ガスダクト、４：給水ポンプ、５：節炭器、６：貫流蒸発器、７：汽水分離器、８：過熱器、９：給水弁、１０：再循環配管、１１：逆止弁、１２：排出弁、３０：温度計、３１：温度計、３２：圧力計、３３：流量計、３４：流量計、３５：水位計、５０：加算器、５１：ＰＩＤ制御器、５２：弁開度設定器、５３：高値選択器、６０：水位設定器、６１：加算器、６２：ＰＩＤ制御器、７０：関数発生器、７１：加算器、７２：過熱度設定器、７３：加算器、７４：ＰＩＤ制御器、８０：切替器、８１：設定器、８２：上下限制限器、１００：オペレータコンソール、Ｇ：排ガス。

Claims (4)

1. 開度によって給水量を調整する給水弁と、
   給水量を計測する給水流量計と、
   過熱器から取り出される蒸気量を計測する蒸気流量計と、
   蒸発器の出口側に接続された汽水分離器の水位を計測する水位計と、
   その水位計によって計測された水位に基いて給水補正信号を生成する第１の給水補正信号生成回路と、
   前記給水流量計で計測された給水量と前記蒸気流量計で計測された蒸気量と前記給水補正信号生成回路で生成された給水補正信号に基いて、前記給水弁の開度制御信号を生成する開度制御信号生成回路と
   を備えた貫流型排熱回収ボイラにおいて、
   前記蒸発器出口側の蒸気の状態に基づいて給水補正信号を生成する第２の給水補正信号生成回路と、
   前記第１の給水補正信号生成回路と前記第２の給水補正信号生成回路のいずれかを選択する回路選択手段とを備えたことを特徴とする貫流型排熱回収ボイラ。
2. 請求項１記載の貫流型排熱回収ボイラにおいて、前記蒸発器出口側の蒸気の状態が、蒸気温度、蒸気のエンタルピー、蒸気の過熱度の少なくともいずれか１つであることを特徴とする貫流型排熱回収ボイラ。
3. 請求項１記載の貫流型排熱回収ボイラにおいて、前記回路選択手段によって選択された給水補正値に対して、上限値と下限値を制限する上下限制限手段を設けたことを特徴とする貫流型排熱回収ボイラ。
4. 請求項１記載の貫流型排熱回収ボイラにおいて、前記回路選択手段により、循環運転モードでは前記第１の給水補正信号生成回路が選択され、貫流運転モードでは前記第２の給水補正信号生成回路が選択されるように構成されていることを特徴とする貫流型排熱回収ボイラ。

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