JP5832103B2

JP5832103B2 - ボイラプラント

Info

Publication number: JP5832103B2
Application number: JP2011040718A
Authority: JP
Inventors: 大祐山田; 和芳平岡; 勲内田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: KR20130117857A; WO2012114944A1; CN103380329A; JP2012177519A; KR101584418B1; CN103380329B

Description

本発明は、ボイラプラントに関するものである。

ボイラでは、熱効率を高めるために燃焼排ガスによって給水を加熱させる排ガスエコノマイザを用いて廃熱を回収している。また、燃焼効率を向上させるために、燃焼用空気は予熱器によって予め加熱されて供給されるようにされている。
この予熱器には、たとえば、特許文献１に示されるように、燃焼用空気を燃焼排ガスとの間で熱交換をし、燃焼用空気の予熱と合わせて、燃焼排ガスの廃熱を回収するようにしたガスエアヒータ（ＧＡＨ：ＧａｓＡｉｒＨｅａｔｅｒ）を用いるもの、特許文献２に示されるように、蒸気等の加熱源を用いて燃焼用空気を加熱するスチームエアヒータ（ＳＡＨ：ＳｔｅａｍＡｉｒＨｅａｔｅｒ）がある。また、ＧＡＨおよびＳＡＨを組み合わせたものも用いられている。

ＧＡＨは、排ガスエコノマイザとともに燃焼排ガスの熱量を回収できるので、ボイラ効率を向上させることができる。すなわち、ＧＡＨに硫酸腐食防止用の対策、たとえば、下流側の部材にエナメルコーティングを施すことでＧＡＨの出口での燃焼排ガス温度を排ガス中の硫黄分と水分とが結合して出来る硫酸の露点以下、たとえば、１２０℃に設定できる。
ＳＡＨは、燃焼排ガスの廃熱回収は排ガスエコノマイザのみによるので、ＧＡＨに比べてボイラ効率は低くなる。一般に、排ガスエコノマイザは硫酸腐食の観点から出口の燃焼排ガス温度を１４０℃程度に設定するため、ボイラ効率はＧＡＨに比べて２〜３％程度低くなる。しかしながら、ＳＡＨは、構造が簡単であるので、安価であり、かつ、操作性および保守性が良好である。

特開２００９−１９２２０２号公報特開昭５８−１２３０２２号公報

ところで、ＧＡＨは、ボイラ効率は良好であるが、構造が複雑で、大型となるという課題がある。また、燃焼用空気を加熱する熱量を確保するために、排ガスエコノマイザでの熱吸収を抑える必要があるので、抑えられた熱量の分を給水系統統の中で確保するようにされている。すなわち、ボイラへの給水温度を確保するために脱気器の後に、高圧給水加熱器を複数設けた、いわゆる、４段給水再生方式の給水系統とされている。
したがって、プラントとしては、複雑な構造となるとともに製造コストが高くなり、かつ、操作性および保守性が低下する。
特に、ＧＡＨおよび高圧給水加熱器は、高価な部材であるとともにＧＡＨでは、硫酸腐食と煤とにより閉塞の懸念から数年置きに部材の交換が必要とされ、高圧給水加熱器では、その開放・修理に多大な保守費用を要する。

また、ＳＡＨでは、比較的構造が簡単で、安価であり、かつ、操作性および保守性が良好であるが、ボイラ効率がＧＡＨに比べて低いという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、空気予熱を行う構造が簡単で、かつ、効率を向上させることができるボイラプラントを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、ボイラへの給水系統から独立して設けられ、該給水系統の途中から脱気器により脱気された温水を導入し、前記温水を前記脱気器に戻るように循環させる循環流路と、該循環流路に設けられ、前記温水によって前記ボイラへ供給される燃焼用空気を加熱する温水加熱式空気予熱器と、前記循環流路に設けられ、該温水加熱式空気予熱器を通って冷却された前記温水を前記ボイラの燃焼排ガスによって加熱する温水加熱器と、が備えられているボイラプラントである。

給水系統では、復水した水は、低温給水加熱器および脱気器にて前記ボイラで生成された蒸気を利用して回転されるタービンの抽気により加熱されて温水とされている。
本態様では、この温水を循環流路に循環させ、まず、温水加熱式空気予熱器で温水は燃焼用空気と熱交換される。すなわち、温水は燃焼用空気を加熱し、昇温させるとともに燃焼用空気によって冷却される。このように、燃焼用空気は、温水加熱式空気予熱器によって昇温させられてボイラに供給されるので、燃料の燃焼効率を向上させることができる。

次いで、冷却された温水は、ボイラの燃焼排ガスと熱交換され、燃焼排ガスを冷却し、燃焼排ガスによって昇温される。言い換えると、温水加熱式空気予熱器で燃焼用空気に熱量を与え、温水加熱器で燃焼排ガスから熱量を回収している。
このように、燃焼排ガスの廃熱は、温水加熱器によって回収されるので、たとえば、排ガスエコノマイザによる回収と合わせて十分に回収することができる。これにより、ボイラプラントの効率を向上させることができる。

また、温水加熱式空気予熱器で供給した熱量を温水加熱器で回収した温水は給水系統に戻される。したがって、給水系統に対する影響を最小限とできる。
温水加熱式空気予熱器および温水加熱器は、液体と気体との熱交換となるので、高い熱貫流率が得られるため、構造が簡単で、小型化することができる。

前記態様では、前記循環流路は、脱気器から分流されているのが好適である。

このようにすると、循環流路に導入される温水には、脱気され余分な酸素が溶存していないので、それが循環されて、たとえば、脱気器以降の給水系統に戻されたとしても、ボイラへの給水に余分な酸素が含まれるのを防止することができる。

前記態様では、前記循環流路には、前記温水加熱器をバイバスするバイパス流路が備えられていてもよい。

このようにすると、たとえば、ボイラプラントの負荷が低減されて、燃焼排ガスの温度が温水加熱式空気予熱器から出る温水の温度よりも低くなった場合、温水をバイパス流路に通し、温水加熱器をバイパスするようにする。
これにより、温水加熱式空気予熱器で冷却された温水が、温水加熱器で無駄に冷却されることを防止でき、ボイラへ供給される給水に対する影響を低減することができる。

前記態様では、燃焼用空気供給経路には、前記温水加熱式空気予熱器の上流側に、燃焼用空気が蒸気により加熱される蒸気加熱式空気加熱器が備えられていてもよい。

このようにすると、燃焼用空気に対する加熱量が増加するので、低負荷で温水の温度が大きくない場合、あるいは、寒冷地で空気温度が低い場合でも、燃焼用空気の加熱を確実に行うことができる。

本発明によれば、給水系統の温水によって燃焼用空気を加熱し、それに伴う熱量損失を燃焼排ガスから回収するようにしているので、空気予熱を行う構造が簡単で、かつ、効率を向上させることができる。

本発明の第一実施形態にかかるボイラプラントの構成を示すブロック図である。本発明の第二実施形態にかかるボイラプラントの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。
［第一実施形態］
この発明の第一実施形態にかかるボイラプラントについて、図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態にかかるボイラプラントの構成を示すブロック図である。ボイラプラント１は、ＬＮＧ船に主機として搭載され、ＬＮＧを燃料として用いるものである。

ボイラプラント１には、舶用ボイラ（ボイラ）３と、舶用ボイラ３で生成された蒸気を利用して回転されるタービン５と、舶用ボイラ３へ給水する給水系統７と、が備えられている。
タービン５は、蒸気を利用するものとして例示したものであり、これに限定されるものではない。また、図１では、タービン５を１個として図示しているが、これは、たとえば、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンおよび後進用タービンが用いられていてもよく、その構成は適宜とされる。

舶用ボイラ５には、図示しないバーナの周囲に燃焼用空気を供給する空気配管９が備えられている。バーナは、空気配管９を介して導入される燃焼用空気を用いてＬＮＧを燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成する。
燃焼ガスは下流の熱交換器のチューブ内を流れる水等の流体と熱交換して水等を加熱して蒸気とする。蒸気は、たとえば、タービン５に供給され、タービン５に回転動力を与える。
こうして熱交換を終えた燃焼ガスは、燃焼排ガス流路１１を通って排気される。

給水系統７には、タービン５の排気を冷却して復水する復水器１３と、復水器２１の復水を必要な圧力まで昇圧する復水昇圧ポンプ１５と、タービン５からの抽気で給水を加熱する低圧給水加熱装置１７と、タービン５から抽気された蒸気によって給水を直接加熱し、給水中の溶存ガスを物理的に分離除去する脱気器１９と、給水の圧力を上げ下流側に押し込む給水ポンプ２１と、燃焼排ガス流路１１を通る燃焼排ガスによって給水を加熱させる排ガスエコノマイザ２３と、が備えられている。
これら復水器１３、復水昇圧ポンプ１５、低圧給水加熱装置１７、脱気器１９、給水ポンプ２１および排ガスエコノマイザ２３は給水配管２５により接続されている。

ボイラプラント１には、空気配管９を通って導入される燃焼用空気を加熱して昇温させる空気加熱装置３１が備えられている。
空気加熱装置３１には、脱気器１９から分流され、空気配管９および燃焼排ガス流路１１を通って脱気器１９に戻るように循環した流路を形成する循環流路３３と、脱気器１９の温水を循環流路３３に沿って循環させる温水循環ポンプ３５と、空気配管９内を通る循環流路３３に設けられ、空気配管９を通る燃焼用空気と熱交換を行う温水加熱式空気予熱器３７と、燃焼排ガス流路１１を通る循環流路３３に設けられ、燃焼排ガス流路１１を通る燃焼排ガスと熱交換を行う温水エコノマイザ（温水加熱器）３９と、が備えられている。温水エコノマイザ３９は、排ガスエコノマイザ２３の下流側に備えられている。

循環流路３３には、温水エコノマイザ３９をバイバスするバイパス流路４１が備えられている。バイパス流路４１には、開閉弁４３が、バイパスされる循環流路３３には、開閉弁４５が備えられている。
開閉弁４３，４５の開閉を調節することにより、温水は、温水エコノマイザ３９を通過して循環することと、温水エコノマイザ３９を通過しないで循環することとを選択できるようにされている。

温水加熱式空気予熱器３７は、温水（液体）と燃焼用空気（気体）との熱交換となるので、高い熱貫流率が得られるため、構造が簡単で、小型化することができる。
また、温水エコノマイザ３９も、温水（液体）と燃焼排ガス（気体）との熱交換となるので、高い熱貫流率が得られるため、構造が簡単で、小型化することができる。

以下、このように構成された本実施形態にかかるボイラプラント１の動作について説明する。
タービン５の排気は、復水器１３で冷却されて復水される。復水された水は、低圧給水加熱装置１７で、タービン５から抽気された蒸気によって加熱されて、たとえば、約１００℃の温水とされる。この温水が、脱気器１９で、タービン５から抽気された蒸気によって加熱され、たとえば、約１５０℃の温水とされてボイラ３に向けて供給される。この温水は、さらに、排ガスエコノマイザ２３によって燃焼排ガス流路１１を通る燃焼排ガスによって加熱されて、ボイラ３に供給される。

このとき、温水循環ポンプ３５が作動し、脱気器１９内の温水を循環流路３３に導入し、循環流路３３に沿って循環させている。
この温水は、まず、温水加熱式空気予熱器３７を通る際、空気配管９を通る燃焼用空気と熱交換される。温水は、導入される外気温の燃焼用空気を加熱し、たとえば、１２０℃まで昇温する。一方、温水は、燃焼用空気によって冷却され、たとえば、１００℃まで減温される。
このように、燃焼用空気は、温水加熱式空気予熱器３７によって昇温させられてボイラ３に供給されるので、燃料の燃焼効率を向上させることができる。

温水加熱式空気予熱器３７を通って冷却された温水は、温水エコノマイザ３９を通る際、燃焼排ガス流路１１を通る燃焼排ガスと熱交換される。ボイラ３は、ＬＮＧ焚きであるので、燃焼排ガスに含まれる硫黄分は少なく、硫酸腐食の可能性は低くなり、温水エコノマイザ３９を出る燃焼排ガスの温度を、たとえば、ＧＡＨと同様に１２０℃程度に設定することができる。
温水エコノマイザ３９を通る温水は、通過する、たとえば、１５０〜１６０℃の燃焼排ガスを冷却し、たとえば、１２０℃まで減温する。一方、温水は、燃焼排ガスによって加熱され、たとえば、１２０℃まで昇温される。

このように、燃焼排ガスの廃熱は、温水エコノマイザ３９および排ガスエコノマイザ２３によって十分に回収することができるので、ボイラプラントの効率を向上させることができる。
特に、硫酸腐食の可能性が少ないＬＮＧ焚きの場合には、ＧＡＨ程度の効率とすることができる。

そして、温水加熱式空気予熱器３７で供給した熱量を温水エコノマイザ３９で回収した温水は脱気器１９に戻される。
上述したように、脱気器１９に戻される温水の温度は、脱気器１９から導入した温水の温度よりも低くなるので、たとえば、脱気器１９に供給される蒸気の熱量を少し増加させて、給水系統７での熱量バランスを設定することが好ましい。
なお、これらの温度は、ボイラプラント１の条件によって変化するので、その条件に合うように適宜設定される。

本実施形態では、循環流路３３を循環する温水に、脱気器１９の温水が用いられているので、温水は、脱気器１９で脱気され余分な酸素が溶存していない。循環流路３３は完全な閉ループとなっているので、途中で、余分な酸素が吸収されることがない。
したがって、この温水が給水系統７のいずれの部分に戻されても、たとえば、脱気器１９以降の給水配管２５に戻されたとしても、ボイラ３への給水に余分な酸素が含まれるのを防止することができる。

たとえば、ボイラ３の負荷が低減されて、燃焼排ガスの温度が温水加熱式空気予熱器３７から出る温水の温度よりも低くなった場合、開閉弁４３を開くとともに開閉弁４５を閉じ、温水加熱式空気予熱器３７から出た温水をバイパス流路４１に通すようにする。
これにより、温水加熱式空気予熱器３７で冷却された温水が、温水エコノマイザ３９をバイパスするので、温水エコノマイザ３９で無駄に冷却されることを防止でき、ボイラ３へ供給される給水に対する影響を低減することができる。
なお、バイパス流路４１は、場合によって省略してもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態にかかるボイラプラント１について、図２を用いて説明する。
本実施形態は、空気加熱装置３１の構成が第一実施形態のものと異なるので、ここではこの異なる部分について主として説明し、前述した第一実施形態のものと同じ部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
図２は、本実施形態にかかるボイラプラントの構成を示すブロック図である。

本実施形態の空気加熱装置３１では、空気配管９における温水加熱式空気予熱器３７の上流側に、タービン５からの抽気で加熱される蒸気加熱式空気予熱器４７が備えられている。蒸気加熱式空気予熱器４７に供給される蒸気は、タービン５の抽気に限定されるものではなく、適宜な蒸気源から供給されてよい。
蒸気加熱式空気予熱器４７への蒸気供給は、常時ではなく、必要に応じて行われるようにされている。
図２では、バイパス流路４１が示されていないが、これを備えてもよいし、備えなくともよい。

このようにすると、低負荷で温水の温度が大きくない場合、あるいは、寒冷地で空気配管９に導入される燃焼用空気の温度が低い場合に、蒸気加熱式空気予熱器４７に蒸気を導入するようにする。
これにより、燃焼用空気は、蒸気加熱式空気予熱器４７および温水加熱式空気予熱器３７によって加熱されるので、燃焼用空気に対する加熱量が増加し、燃焼用空気の加熱を確実に行うことができる。

なお、本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。

１ボイラプラント
３ボイラ
７給水系統
１９脱気器
３３循環流路
３７温水加熱式空気予熱器
３９温水エコノマイザ
４１バイパス流路
４７蒸気加熱式空気予熱器

Claims

ボイラへの給水系統から独立して設けられ、該給水系統の途中から脱気器により脱気された温水を導入し、前記温水を前記脱気器に戻るように循環させる循環流路と、
該循環流路に設けられ、前記温水によって前記ボイラへ供給される燃焼用空気を加熱する温水加熱式空気予熱器と、
前記循環流路に設けられ、該温水加熱式空気予熱器を通って冷却された前記温水を前記ボイラの燃焼排ガスによって加熱する温水加熱器と、
が備えられており、
前記循環流路には、前記温水加熱器をバイバスするバイパス流路が備えられていることを特徴とするボイラプラント。
前記脱気器は、さらに、前記ボイラで生成された蒸気を利用して回転されるタービンの抽気により前記温水を加熱していることを特徴とする請求項１に記載のボイラプラント。
前記燃焼用空気を前記ボイラへ供給する供給経路には、前記温水加熱式空気予熱器の上流側に、燃焼用空気が蒸気により加熱される蒸気加熱式空気加熱器が備えられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のボイラプラント。