JP4970316B2 - 廃熱ボイラとその起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、略水平の方向に高温ガスが貫流する高温ガス通路を備え、該通路内に流れ媒体の貫流に対し並列接続され、略垂直に配置された多数の蒸発管から成る少なくとも１つの貫流形加熱器を配置した廃熱ボイラとその起動方法に関する。

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済み作動媒体又は高温ガスに含まれる熱は、蒸気タービン用の蒸気の発生に利用される。その際の熱伝達は、ガスタービンに後置接続された廃熱ボイラで行われる。該ボイラには、通常給水を加熱し、蒸気を発生しかつ蒸気を過熱すべく、多数の加熱器が配置される。それら加熱器は、蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。その水・蒸気回路は通常、複数、例えば３つの圧力段を含み、各圧力段に各々蒸発器が存在する。

ガスタービンに高温ガス側で後置接続された廃熱ボイラとしてのボイラの設計に対し、択一的に利用される複数の構想が考えられる。即ち、貫流ボイラ又は循環ボイラとしての設計がある。貫流ボイラの場合、蒸発管として利用する蒸気発生管の加熱でその蒸発管を流れ媒体が一回貫流する間に蒸発させる。これと異なり自然循環又は強制循環ボイラの場合、循環水は蒸発管を通過する間に一部しか蒸発させない。この場合未蒸発の水を、発生蒸気の分離後に、更に蒸発させるべく、同じ蒸発管に改めて導入する。

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の制限を受けず、従って主蒸気圧は（液状媒体と蒸気状媒体の間になお小さな密度差が存在する）、水の臨界圧（Ｐ_kri≒２２１バール）よりかなり大きくできる。大きな主蒸気圧は熱効率を高め、この結果、化石燃料原動所のＣＯ₂発生量を低下させる。また、貫流ボイラは循環ボイラに比べて単純な構造を有し、従って、特に安価に製造できる。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に基づき設計されたボイラを利用することは、単純な構造でガス・蒸気複合タービン設備の高い熱効率を得るために特に有利である。

製造費に関しても、又点検作業に関しても、横形廃熱ボイラが特に有利である。横形廃熱ボイラでは、加熱媒体又は高温ガス、即ちガスタービンの排気ガスは、略水平の流れ方向にボイラを経て導かれる。かかる横形に設計されたボイラは、欧州特許第０９４４８０１号明細書で公知である。それが貫流ボイラとして設計されているため、ボイラ運転時、貫流形加熱器を形成する蒸発管から後置接続された過熱器への水の転流を排除するという周辺条件を維持せねばならない。しかしこれは、正にボイラの起動時に問題となる。

ボイラの起動時に所謂水噴出が生ずる。これは、蒸発管内に存在する流れ媒体が蒸発管の加熱により先ず蒸発を開始し、これが例えば各蒸発管の中央で起こることで生ずる。このため、その下流に存在する水量（水プラグとも呼ばれる）が蒸発管から押し出される。未蒸発流れ媒体が蒸発管からそれらに後置接続された過熱器に到達するのを確実に防止すべく、公知のボイラは（一般には縦形の貫流ボイラのように）、貫流形加熱器を形成する蒸発管と過熱器との間に、気水分離装置又はセパレータを設けている。そこで過剰水を排除し、循環ポンプによって再び蒸発器に導くか、又は排除する。しかしそのような気水分離装置は、構造費並びに点検費の観点から非常に経費がかかる。

本発明の課題は、冒頭に述べた形式のボイラの起動方法を、特に単純な構造でも、高い運転安全性を保証できるように改良することにある。また、その方法に対し特に適したボイラを提供することにある。

方法についての課題は、本発明に基づき、高温ガス通路への高温ガスの供給前に、少な
くとも幾つかの蒸発管を、所定の設定充填レベル迄部分的に、未蒸発流れ媒体で充填し、
前記設定充填レベルを、所定の起動加熱経過に関係して設定し、さらに、前記高温ガス通路に高温ガスを供給した後、流れ媒体の圧力に対応する測定値を監視し、当該測定値が蒸気発生に特有な所定の限界値を超過した時点で、蒸発管への未蒸発流れ媒体の連続的供給を開始することによって、蒸発管における蒸気発生開始後に、蒸発管への流れ媒体の搬送を開始することによって解決される。

本発明は、ボイラの起動中でも高い運転安全性を維持するには、蒸発管に後置接続された過熱器に未蒸発流れ媒体が到達するのを確実に排除すべきであると言う考えから出発する。しかし、特に単純な構造では、これを貫流ボイラに通常用意されている気水分離装置なしで保証せねばならない。そのため、貫流形加熱器を形成する蒸発管の出口側に後置接続された出口管寄せを過熱器の入口管寄せに直結した横形ボイラの場合、起動前に蒸発管への未蒸発流れ媒体の単なる部分的な充填を行わねばならない。高温ガス通路への高温ガス供給前の充填量と、この初期充填に対する設定充填レベルは、一方で最初の蒸気形成に基づく水噴出を防止でき、他方で起動時の蒸発管の不十分な冷却を防止できるように選定せねばならない。

その設定充填レベルは、起動過程の始めに蒸発管への流れ媒体の供給を中止するように選定するとよい。この結果、起動過程中、即ち高温ガス通路への高温ガスの供給後、先ず蒸発管内に既に存在する流れ媒体が蒸発する。その際、各蒸発管内で蒸発開始場所の下流に位置する未蒸発流れ媒体を、発生する蒸気泡により各蒸発管の前以て充填されていない領域に移動させる。その未蒸発流れ媒体の部分は、そこで蒸発するか、その蒸発管内が十分に低い質量流量密度に維持されているなら再びその蒸発管の下部領域に降下する。従って、設定充填レベルの適当な選定により、各蒸発管の上部範囲に存在し且つ初め流れ媒体で充填されずにその下側に位置する流れ媒体柱のバランス空間として用いる蒸発管の部分範囲を、十分に大きく寸法付け、これに伴い蒸発開始時点でも、各蒸発管からの未蒸発流れ媒体の流出を確実に防止できる。

高温ガス流路に高温ガスを初めて供給する前に各蒸発管を部分的に充填する場合、各蒸発管の実際充填レベルを、予め設定した設定充填レベルに合わせるとよい。そのため各蒸発管の実際の充填レベルを、管下端入口と管上端出口の差圧測定で求める。その際に得た測定値を、各蒸発管への未蒸発流れ媒体の供給に対する基礎として用いると有利である。

ボイラの運転状態とその前歴に応じ、ボイラの起動過程中においてその加熱の種々の時間的経過を用意する。起動過程の経過が変化するときも周辺条件を特に確実に維持するため、即ち、一方で起動時に蒸発管からの未蒸発流れ媒体の流出を確実に防止し、他方でどんな場合でも全蒸発管の十分な冷却を保証すべく、蒸発管の初期充填に対し重要な設定充填レベルを、その都度用意された起動加熱過程に関係して予め与えるのが望ましい。その起動加熱経過は、ボイラ幾何学形状および／又は高温ガスによる供給熱量の時間的経過の特性値を参照して求めるとよい。そのような多数のパラメータ組合せに対し、各々適合した起動加熱過程を、ボイラに付属するデータバンクに記憶し、その場合、特に実際加熱サイクルに先行する加熱サイクルも考慮に入れる。

起動過程の開始段階、即ち高温ガス通路への高温ガスの供給開始直後の時間において、ボイラの運転は蒸発管に流れ媒体又は給水を継続供給することなしに行われる。しかし、その蒸発管内での蒸気発生の開始後に、蒸発管への給水又は未蒸発流れ媒体の搬送が行われる。この結果、蒸気発生の開始後に何れの場合にも、各蒸発管の十分な冷却が保証される。蒸気発生の開始は、有利に、水・蒸気回路における圧力上昇で認識される。蒸発管への給水の必要に応じた供給を特に確実に可能にすべく、高温ガス通路に高温ガスを供給した後、流れ媒体の圧力を特徴づける測定値が監視され、この特性値が所定の限界値を超過したとき、蒸発管への未蒸発流れ媒体の連続的な供給を行うと有利である。

蒸発管への給水の搬送開始後も、蒸発管に給水を、蒸発管からの未蒸発流れ媒体の流出を確実に防止できるように供給するとよい。そのため、蒸発管への給水の供給を、蒸発管又は各蒸発管の管上端出口から過熱蒸気が流出するように調整すると有利である。その場合、未蒸発流れ媒体が後置接続した過熱器に決して到達しないようにすべく、蒸発管の出口に、非常に弱く過熱した蒸気を供給するだけで十分である。

ボイラの特に高い運転安全性を保証すべく、蒸発管への流れ媒体の供給時にその質量流量密度を、同じ貫流形加熱器における他の蒸気発生管に比べて過剰加熱される蒸発管を先の蒸発管に比べ大きな流れ媒体流量を有するように調整する。これに伴い、ボイラの貫流形加熱器は、個々の蒸発管が異なる加熱を受ける場合、自然循環形加熱器の流れ特性（自然循環特性）の形で、流れ媒体側が並列接続された多数の蒸発管が異なる加熱を受ける場合でも、外部作用の必要なしに、出口温度が同じになる自己安定挙動を示す。この特性を保証すべく、蒸発管への非常に小さな質量流量密度による供給を考慮するとよい。

請求項１に記載の起動方法を実施するための廃熱ボイラに関する本発明の課題は、蒸発管に前置接続された入口管寄せと蒸発管に後置接続された出口管寄せに、共通の差圧測定装置を付属させることで解決される。その際、差圧測定装置を介して、蒸発管内における充填レベルを特に良好に監視でき、それを特徴づける特性値を、蒸発管への供給に対する適当な指令量として使用できる。

本発明による利点は、特に、高温ガス通路に高温ガスを初めて供給する前に、蒸発管に未蒸発流れ媒体を単に部分的に充填することで、高い運転安全性による起動過程、即ち蒸発管に後置接続された過熱器への未蒸発流れ媒体の侵入を確実に防止して、特に蒸発管の十分な冷却を保証できることにある。その際、ボイラは構造的に特に単純に形成できる。その場合、高い運転安全性を維持した状態で、比較的高価な水・蒸気分離装置を完全に省け、その個所に、例えば特に強固な又は高価な管材の利用等の経費のかかる処置を施す必要がない。その特に安全で安定した運転挙動は、蒸発管に非常に小さな質量流量密度で供給し、これにより蒸発管内に存在する未蒸発流れ媒体を、蒸気発生を開始した場合でも、その蒸発管内に存在させ、最終的にそこで蒸発させることで達成される。

以下、図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

図におけるボイラ１は、廃熱ボイラの形で、燃焼ガス側においてガスタービン（図示せず）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で示す略水平の高温ガス流れ方向ｘに貫流する高温ガス通路６を形成している。この通路６内に、貫流原理に基づいて形成した、貫流形加熱器８、１０とも呼ばれる多数の蒸発器が配置されている。この実施例の場合、２つの貫流形加熱器８、１０を示すが、より多くの又は唯一の貫流形加熱器を設けることもできる。

ボイラ１の貫流形加熱器８、１０は、各々管束の形で、流れ媒体Ｗの貫流に対し並列接続の多数の蒸発管１４、１５を含む。これら蒸発管１４、１５は略垂直に延び、各々、多数の蒸発管１４、１５が高温ガス流れ方向ｘに並べて配置されている。しかしここでは、そのように並べて配置された蒸発管１４、１５のうち、各１本しか見えていない。

第１貫流形加熱器８の蒸発管１４に、流れ媒体側で、共通の入口管寄せ（分配器）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。第１貫流形加熱器８の出口管寄せ１８は、その出口側が降水管系２０を経て、第２貫流形加熱器１０に付属する入口管寄せ２２に接続されている。第２貫流形加熱器１０の出口側に、出口管寄せ２４が後置接続されている。

貫流形加熱器８、１０により形成された蒸発器系に流れ媒体Ｗが供給される。流れ媒体Ｗは、蒸発器系の一回の貫流時に蒸発し、蒸発器系から出た後で蒸気Ｄとして排出され、第２貫流形加熱器１０の出口管寄せ２４に後置接続された過熱器２６に導入される。貫流形加熱器８、１０と、これに後置接続された過熱器２６とで形成された管系は、蒸気タービンの水・蒸気回路（図示せず）に接続されている。更に、蒸気タービンの水・蒸気回路には、図に略示した他の多数の加熱器２８が接続されている。該加熱器２８は、例えば中圧蒸発器、低圧蒸発器および／又は給水加熱器である。

貫流形加熱器８、１０で形成された蒸発器系は、これが蒸発管１４、１５に比較的小さな質量流量密度で供給するのに適し、その蒸発管１４、１５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、同じ貫流形加熱器８、１０における他の蒸発管１４、１５に比べ余剰加熱される蒸発管１４、１５は、先の蒸発管１４、１５に比べ大きな流れ媒体流量を有する。

図示のボイラ１は、非常に単純な構造をなしている。そのため、特に、第２貫流形加熱器１０を、比較的高価な気水分離系又はセパレータを省いて、それに後置接続された過熱器２６に直結している。従って、第２貫流形加熱器１０の出口管寄せ２４は、転流管を経ておよび別の構成要素を介在せずに、過熱器２６の入口管寄せに接続されている。しかしこの構造的に非常に単純化した設計の場合でも、全運転状態において非常に高い運転安全性を維持すべく、ボイラ１は起動時にその周辺要求に応じて運転される。ボイラ１は特に起動時、一方で貫流形加熱器８、１０を形成する蒸発管１４、１５並びに過熱器２６を形成する蒸気発生管の常に十分な冷却が保証できるように運転される。他方でボイラ１は起動時にも、第２貫流形加熱器１０と過熱器２６の間に接続された気水分離装置なしでも、未蒸発流れ媒体Ｗの過熱器２６への供給が確実に防止されるように運転される。

これを保証すべく、高温ガス通路６にそれに前置接続したガスタービンから高温ガスを初めて供給する前に、第１貫流形加熱器８を形成する蒸発管１４を、図に破線３０で示した所定の設定充填レベル迄部分的に、未蒸発流れ媒体Ｗで充填する。加熱開始前の蒸発管１４への未蒸発流れ媒体Ｗの供給は、元来存在する給水系と入口管寄せ１６を経て行う。その際、蒸発管１４で達成された実際充填レベルは、下部入口管寄せ１６と上部出口管寄せ１８との差圧測定で求められる。この目的のため、入口管寄せ１６と出口管寄せ１８に共通の差圧測定装置３２を設けている。かくして求めた各蒸発管１４における実際充填レベルを参照し、未蒸発流れ媒体Ｗの継続充填を、所定の設定充填レベルが所定の公差帯域内に納まるよう制御する。

蒸発管１４に未蒸発流れ媒体Ｗを充填し終えた後に初めて、先ず蒸発管１４への流れ媒体Ｗの継続供給を中断する。この状態で、ボイラ１での本来の起動過程が始まり、その際特に高温ガス通路６に前置接続したガスタービンからの高温ガスの供給を行う。そして蒸発管１４の加熱に伴い、その中に存在する未蒸発流れ媒体Ｗが蒸発し始める。そして今や各蒸発管１４で所定の時間内に局所的な蒸発が生じ、その蒸発開始の場所の下流又は上に存在し、未蒸発の流れ媒体Ｗが、各蒸発管１４の初めに流れ媒体Ｗが充填されていなかった上側領域に押し込まれる。そこで、流れ媒体Ｗの一部が蒸発するか、流れ媒体Ｗの部分が、非常に小さな設計質量流量密度に基づき、蒸発管１４の下部に戻される。

場合によりなお存在する未蒸発流れ媒体Ｗは、降水管系２０を経て、後置接続された第２貫流形加熱器１０に導かれ、そこで完全に蒸発する。従って、第２貫流形加熱器１０は何れの場合も、第１貫流形加熱器８からのなお存在する未蒸発流れ媒体Ｗを収容する。従って、本来の起動過程の開始前における蒸発管１４の単なる部分的な充填に基づき、第２貫流形加熱器１０に後置接続された出口管寄せ２４又は該管寄せ２４に後置接続された過熱器２６に、未蒸発流れ媒体Ｗが全く又は殆ど流入しない。

従って本実施例では、第１貫流形加熱器８を形成する蒸発管１４の単なる部分的な充填が起り、第２貫流形加熱器１０は初め未充填のままである。この実施例と別に、第２貫流形加熱器１０を形成する蒸発管１５の単なる部分的な充填も、同様の方法で考慮できる。

蒸発管１４で蒸気発生が既に始まり、蒸発した流れ媒体又は蒸気Ｄが出口管寄せ２４に流入しているか否かの検出は、特に出口管寄せ２４又は過熱器２６の出口における流れ媒体Ｗ又は蒸気Ｄの圧力測定で行う。従って、それに応じて配置した圧力センサを用い、出口管寄せ２４内又は過熱器の出口における蒸発した流れ媒体又は蒸気Ｄの圧力を特徴づける測定値を検出し、監視する。その際、蒸気発生開始は、蒸気形成の開始時に毎分数バールの値に達する圧力上昇の開始により推測する。

蒸発管１４内での蒸発開始の検出後、貫流形加熱器８に付属する入口管寄せ１６への運転に応じた給水又は未蒸発流れ媒体Ｗの搬送を始める。引き続く起動過程中、特に平衡運転状態に到達する迄、蒸発管１４への給水又は未蒸発流れ媒体Ｗの供給を、蒸発管１４の管上端出口３４から過熱蒸気Ｄ、即ち湿り気のない蒸気Ｄが流出するよう調整する。

なお、蒸発管１４への流れ媒体Ｗの供給時、その質量流量密度は、同じ貫流形加熱器８の他の蒸発管１４に比べ余剰加熱される蒸発管１４が、先の蒸発管１４に比べ大きな流れ媒体流量を示すよう調整する。この結果、個々の蒸発管１４の加熱が異なる場合でも、貫流形加熱器８は自然循環蒸発器の流れ特性の形で自己安定挙動を保証できる。

ここで考慮したようにボイラ1の起動過程を実施する際、一方で蒸発管１４、１５に対する十分な冷却が常にあり、他方でどんな時点でも、第２貫流形加熱器１０に後置接続した過熱器２６に未蒸発流れ媒体Ｗが流入しないよう保証できる。その際、この周辺条件の維持は、特に本来の起動過程の開始前における蒸発管１４に対する設定充填レベルの適当な選択で保証せねばならない。即ち、蒸発管１４に対する設定充填レベルの設定は、正に上述した起動過程の基礎において、その周辺条件を正確に維持すべく行う。そのため、設定充填レベルは、ボイラ１に対する所定の起動加熱過程に関係して考慮する。該起動加熱過程は、ボイラの幾何学形状および材料の特性値および／又は燃料の種類を参照して求める。その際、特にメモリにデータバンクの形で、そのボイラ１に適したできるだけ多数の起動加熱過程を記憶させ、そこから運転データを参照して、実際の状態に合った経過を選定し、設定充填レベルの設定に対する基礎とする。

本発明に基づく横形ボイラの概略断面図。

符号の説明

１ ボイラ、６ 高温ガス通路、８、１０ 加熱器、１４ 蒸発管、１６ 入口管寄せ（分配器）、３２ 差圧測定装置。

Claims (6)

1. 略水平の方向に高温ガスが貫流する高温ガス通路（６）を備え、該通路（６）内に流れ媒体（Ｗ、Ｄ）の貫流に対し並列接続され略垂直に配置された多数の蒸発管（１４）から成る少なくとも１つの貫流形加熱器（８）を配置した廃熱ボイラ（１）の起動方法において、高温ガス通路（６）への高温ガスの供給前に、少なくとも幾つかの蒸発管（１４）を、所定の設定充填レベル迄部分的に未蒸発流れ媒体で充填し、前記設定充填レベルを、所定の起動加熱経過に関係して設定し、さらに、前記高温ガス通路（６）に高温ガスを供給した後、流れ媒体（Ｗ、Ｄ）の圧力に対応する測定値を監視し、当該測定値が蒸気発生に特有な所定の限界値を超過した時点で、蒸発管（１４）への未蒸発流れ媒体（Ｗ）の連続的供給を開始することによって、蒸発管（１４）における蒸気発生開始後に、蒸発管（１４）への流れ媒体（Ｗ）の搬送を開始することを特徴とする方法。
2. 各蒸発管（１４）の充填レベルを、管下端入口（３２）と管上端出口（３４）との差圧測定により求めることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 起動加熱経過を、ボイラ幾何学形状および／又は高温ガスによる供給熱量の時間的経過の特性値を参照して求めることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 蒸発管（１４）への流れ媒体（Ｗ）の供給を、蒸発管又は各蒸発管（１５）の管上端出口から過熱蒸気（Ｄ）が流出するように調整することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 蒸発管（１４）への流れ媒体（Ｗ、Ｄ）の供給時にその質量流量密度を、同じ貫流形加熱器（８）における他の蒸気発生管（１４）に比べて過剰加熱される蒸発管（１４）が先の蒸発管（１４）に比べて大きな流れ媒体流量を有するように調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。
6. 略水平の高温ガス流れ方向に貫流される高温ガス通路（６）を備え、該通路（６）内に流れ媒体（Ｗ、Ｄ）の貫流に対し並列接続され略垂直に配置された多数の蒸発管（１４）から成る少なくとも１つの貫流形加熱器（８）を配置した廃熱ボイラ（１）であって、請求項１に記載の起動方法を実施するための廃熱ボイラ（１）において、
   蒸発管（１４）に前置接続された入口管寄せ（１６）と、蒸発管（１４）に後置接続された出口管寄せ（１８）とに、共通の差圧測定装置（３２）が付属することを特徴とする廃熱ボイラ。

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