JP6092188B2 - 熱回収蒸気発生器及びマルチドラム蒸発器 - Google Patents

Description

本発明は概して、液状水の飽和蒸気への変換に関し、より詳細には、飽和蒸気を生成する蒸発器とその蒸発器に用いられるプロセスとに関する。

発電機に動力を供給するガスタービンが、非常に高温の排ガスを排出する。排熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）が、そのガスから熱を抽出して、蒸気タービンに動力を供給する蒸気を生成し、その蒸気タービンはより多くの発電機を順に動作させる。

典型的なＨＲＳＧは、ガスタービンからの高温排出ガスの流れの中に順々に配置される、複数の熱交換器を含む。熱交換器には、給水の温度を上昇させる節約装置と、節約装置が排出するより高温の給水を飽和蒸気に変える蒸発器と、飽和蒸気を過熱蒸気に変える過熱器と、がある。多くのＨＲＳＧは、種々の圧力において動作する、１つ以上の節約装置、蒸発器及び過熱器を有する。

いくつかのＨＲＳＧは、循環型蒸発器を使用する。典型的な循環型蒸発器は、それを通じて水を循環させるにあたって密度差に依存しており、頭上式の蒸気ドラムと、高温ガスの流れの中に配置された管からなるコイルとを含む。その管の下端が降水管を通じてドラムに接続されており、その上端が昇水管を通じてドラムと連通している。ポンプによって節約装置を通じて到達する加熱水が蒸気ドラムに流れ込み、ここで加熱水はすでにドラム内にある蒸気及び水と混ざる。ドラムからの水は、降水管を通じて管の下端へと下方へ流れる。その水は、その後すぐに管の中で上方へ昇り、ガスの流れからコイルを通じて飽和するのに十分な熱を吸収する。飽和水の一部が、飽和蒸気に変わる。飽和水及び飽和蒸気の双方が、蒸気ドラムへと上方へ流れる。飽和蒸気は、蒸気ドラムにおいて水から分離し、過熱器へと流れる。循環型蒸発器が水平向きのコイルの管を有する場合には、コイルを通じて水を循環させるのに、ポンプを必要とする場合がある。

いくつかのＨＲＳＧは、高圧において動作する、大容量の、大きな自然循環型蒸発器を有する。これらの蒸発器は、その大容量を収容するための大きな蒸気ドラムと、圧力に耐えるための厚い壁とを有する。実際に、大容量、高圧向けの蒸気ドラム、蒸発器は、８０インチの外径と６インチ又は７インチの厚さがある壁とを有する場合がある。蒸気ドラムの大容量は大きな容積へと置き換えられ、ドラムに保持時間を与える。つまり、それによってドラムは、ドラムへの水の到達がない中で、コイルに水を供給することが可能となる。これは、蒸発器への水の供給が失敗した場合に、コイルを損傷から保護する。

ＨＲＳＧの構成要素、特に蒸発器の蒸気ドラムに過度の力をかけることを回避するために、ＨＲＳＧは、延長した起動（extended start-up）を経なければならない。その延長した起動の間は、しばしば、待機点を起動手順に導入することによって、加熱の割合が制御される。拡張された起動は、ＨＲＳＧが最大効率で動作するのを遅らせる。その上、その遅れは、ＨＲＳＧ、及びそれに接続されうる任意のガスタービンが、排出要求の順守に至るのに必要とする時間を長くする。

本発明は概して、液状水の飽和蒸気への変換に関し、より詳細には、飽和蒸気を生成する蒸発器とその蒸発器に用いられるプロセスとに関する。

従来型の自然循環型蒸発器と、さらに、本発明に従って構成されかつ本発明を具現化している自然循環型蒸発器と、を備えるＨＲＳＧの略断面図である。 本発明に係る蒸発器の略立面図である。

ここで図面（図１）を参照すると、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）Ａが構成要素を有し、その構成要素は基本的には熱交換器であり、その熱交換器は低圧及び高圧で過熱蒸気を供給するダクト状のハウジング２とつながるように構成される。ハウジング２は入口４及び出口６を有する。高温ガスが、入口４においてハウジング２に入り、ハウジング２の中で、ガスから熱を抽出するいくつかの構成要素の間を流れ、液状の給水を低圧及び高圧の過熱蒸気に変える。その高温ガスは、ガスタービンからの排出ガスであってよい。

ＨＲＳＧ Ａの低圧構成要素には、給水の温度を上昇させる節約装置１０と、節約装置１０からの水を飽和蒸気に変える蒸発器１２と、蒸発器１２からの飽和蒸気を過熱蒸気に変える過熱器１４と、がある。節約装置１０、蒸発器１２及び過熱器１４は一般に低圧において動作する。蒸発器１２は従来型の自然循環型蒸発器の形を取ってよく、そのようなものとして、蒸発器１２は、高温ガスが流れるコイル１８の上に位置する、円筒形状の単一の蒸気ドラム１６を有するであろう。そのガスは、発電機に動力を供給するガスタービンからの排出ガスであってよい。

低圧構成要素に加えて、ＨＲＳＧは、類似の高圧構成要素、すなわち、最初に液相にある給水を加熱する節約装置２０と、節約装置２０から加熱水を受け取ってそれを飽和蒸気に変える高圧蒸発器２２と、蒸発器２２からの飽和蒸気を高圧過熱蒸気に変える高圧過熱器２４とを有する。好ましくは、ハウジング２を通る高温ガスの流れに関連して、過熱器２４は蒸発器２２より上流に位置し、蒸発器２２は節約装置２０より上流に位置する。蒸発器２２は、２８００ｐｓｉｇに届く高圧に耐える能力を有し、なお、過度の待機点なしにその稼動温度まで到達することが可能である。実際に、蒸発器２２を待機点なしで稼動させてよい。

実際に、蒸発器２２として構成される蒸発器が、蒸発器１２の代わりとなってよい。ＨＲＳＧ Ａは、２セット以上の、節約装置、蒸発器及び過熱器を有してよく、あるいは単一のセットを有してよい。

蒸発器２２（図２）は、わずかに異なる高さに位置する、円筒形状の２つの蒸気ドラム、すなわち、下の方の（下位）保管ドラム３２と、保管ドラムとしても機能する上の方の（上位）分離ドラム３４とを含む。双方のドラム３２及び３４の長手方向の軸は水平方向に伸び、平行であることが好ましい。双方は、類似の容量及び圧力並びに保持時間向けに設計された蒸発器に対する従来型の単一の蒸気ドラムよりも、小さい。加えて、それらは、単一の蒸気ドラムの壁よりも、薄い壁を有する。２つのドラム３２及び３４を、ドレン管路３６を通じて接続する。ドレン管路３６は、上位ドラム３４の底部と、下位ドラム３２の下側部分、つまりドラム３２の側面の中間点よりも下側と、の間を伸びる。それらをさらに、ベント管路３８を通じて接続する。ベント管路３８は、下位ドラム３２の上部と、ドラム３４の最上部にごく近い、上位ドラム３４の上側部分と、の間を伸びる。下位ドラム３２は、その下側部分に通じる、入口ライン４０と接続している。水が、最初に液相にあり、その水を、入口ライン４０へ、そしてそこからドラム３２へと、節約装置２０に接続されているポンプによって向かわせる。その供給を、従来型の３要素の制御システムによって制御する。しかしながら、代わりに入口ライン４０を、上位ドラム３４の下側部分と接続してもよい。上位ドラム３４は、そのまさに頂上部でそれに接続される、出口ライン４２を有し、出口ライン４２は、高温ガスの流れの中で蒸発器２２より上流に位置する、過熱器２４につながる。上位ドラム３４は、その内部に、第１及び第２の蒸気‐水分離装置４４及び４６をそれぞれ含む。２つのドラム３２及び３４を、ハウジング２の内側か上方かのいずれかに設置してよい。

加えて、高圧蒸発器２２は、ハウジング２の内部に位置するコイル５０を有し、その結果、高温ガスはその間を流れることになる。コイル５０は、下部管寄せ５２と上部管寄せ５４と、管寄せ５２及び５４の間を複数の列を成して垂直に伸びる、複数の管５６とを含む。下部管寄せ５２を、降水管６０を通じて下位ドラム３２の底部に接続する。上部管寄せ５４は、上位ドラム３４の底部に通じる昇水管６２を通じて、上位ドラム３４と連通する。

蒸発器２２の動作において、水は最初に液相にあり、その水を高圧において節約装置２０から下位ドラム３２へと入口ライン４０で送る。あるいは、入口ライン４０が上位ドラム３４と接続している場合は、その水は上位ドラム３４へと流れてよい。後者の場合、その水は、ドレン管路３６通じて下位ドラム３２への経路を見出すことになる。実際、入口ライン４０を通じて到達する水は、昇水管６２を通じて上位ドラム３４に入る飽和水と混ざり、その後、上位ドラム３４からドレン管路３６を通じて下位ドラム３２へと流れる。下位ドラム３２の中の水は、降水管６０へと排出され、降水管６０を通じて下部管寄せ５２へと下方に流れる。そこからその水は、管５６の下端において、コイル５０の管５６に入る。その管５６の下端は、管５６に対する入口としての機能を果たす。管５６を横切って流れる高温ガスが、管５６の中の水を、コイル５０が稼動しているところの圧力における沸騰温度まで加熱し、その水のうちのいくらかは、飽和蒸気に変わる。管５６の上の方の高さにある水の残りは、飽和水として残り、コイル５０が過熱しすぎないように、管５６の内側表面を湿った状態に保つ。飽和蒸気と飽和水との混合物は、管５６を、出口であるその上端から出て、昇水管６２を通じて上位蒸気ドラム３４へと上方に流れる。そこで蒸気は、水から分離し、出口ライン４２を通じて出ていく。その出口ライン４２は、その蒸気を、ガスの流れの中で蒸発器２２より上流に位置する過熱器２４へ向かわせる。飽和水は、ドレン管路３６を通じて下位ドラム３２へと流れて、降水管６０、コイル５０及び昇水管６２を通じて再循環される。いくらかの飽和蒸気が、ドレン管路３６を通じて下位ドラム３２へと流れる飽和水に付随してよいが、それは、ベント管路３８を通じて上位ドラム３４へと戻る。コイル５０を含む蒸発器２２を通じての水の自然循環が、自然的な従来技法に全体的に依存してよい。

２つのドラム３２及び３４は全体で、同じ圧力で動作する同等の保持時間を有する蒸発器の単一のドラムと、同じ容量を有し、なお、各々は、直径が大幅に小さくなり、そのようなものとして、その各々が有する大幅に薄くなった壁をもって、高圧に耐えることができる。大容量、高圧の蒸発器向けの単一のドラムの壁が、６インチ又は７インチの厚さとなりうる一方、同等の圧力及び容量において動作する蒸発器２２向けのドラム３２及び３４の壁は、４インチ又は５インチの厚さ、若しくはそれ未満しか必要としない。単一のドラムの保持時間を提供する一方、２つのドラム３２及び３４は、加熱して蒸発器２２の稼動温度に到達するまでに要する時間が、少なくなる。これは、回りまわって、ＨＲＳＧ Ａの起動サイクルを短くする。

単一の下位ドラム３２に代わって、蒸発器２２は、２つ以上の下位ドラム３２を有してよい。さらに、コイル５０の管５６は上位蒸気ドラム３４に直接通じてよく、したがって、上部管寄せ５４及び昇水管６２を取り除くことになる。その上、ドラム３２及び３４は円筒状であるが、１つ又は双方が、引き伸ばされつつ、他の断面形状を有してよい。蒸発器２２における自然的な従来技法を、ポンプで補ってよい。

実際、蒸発器２２は、それを通じて水を循環させるにあたり、自然的な従来技法への依存を全く必要とせず、しかし代わりに、ポンプが与える強制的な循環に、依存してよい。そのように変更した蒸発器２２が、ハウジング２を通る高温ガスの流れの中に、水平に伸びるコイル５０の管５６を有してよく、下位ドラム３２と接続して降水管６０としての機能を果たす、管寄せに通じている管５６の入口と、上位ドラム３４につながって昇水管６２としての機能を果たす、別の管寄せに通じている管５６の出口とを備える。

本出願は、２０１１年４月２５日申請の米国特許仮出願６１／４７８４９５に基づく優先を得るものであり、別の面ではその利益を主張するものであって、本書においてそれを参照し援用する。

Claims (15)

1. 高温ガスが向けられる入口と前記のガスが排出されることができる出口とを有するハウジングであって、該ハウジング内に内部排ガス流路を形成し、したがって前記ガスは前記ハウジングを通って前記入口から前記出口へ流れることができるように構成される、ハウジングと；
   前記ガスが通って流れることができるように構成された前記ハウジングの中に位置する節約装置であって、該節約装置は、液状の給水を受け取り且つ前記給水の温度を上昇させる構成を有する、節約装置と；
   液状の水を飽和蒸気に変えるように構成された蒸発器であって：前記ハウジングの内部排ガス流路に対して外部であるように位置づけられ、水平に向けられた上位ドラムであって、該上位ドラムは少なくとも１つの蒸気・水分離装置を有する、上位ドラムと；前記ハウジングの内部排ガス流路に対して外部であるように位置づけられ、水平に向けられ、前記上位ドラムより低い高さに位置する少なくとも１つの下位ドラムと；前記上位ドラムの下側部分を前記下位ドラムに接続するドレン管路と；前記のドラムのうちの１つに通じる入口ラインと；前記上位ドラムの上側部分からつながる出口ラインと；高温ガスの流れの中に位置し、入口及び出口を備える管を有するコイルであって、前記管の前記入口は前記下位ドラムと連通し、前記管の前記出口は前記上位ドラムと連通する、コイルと；を含み、前記蒸発器は、前記ハウジングにおいて前記のガスの流れの中で前記節約装置から上流に位置する前記コイルを有し、前記蒸発器の前記入口ラインは、前記節約装置における加熱を経た水を前記節約装置から受け取ることができるように前記節約装置に接続される、蒸発器と；
   前記ハウジングにおいて前記蒸発器から上流に位置する過熱器であって、前記蒸発器の前記出口ラインは前記過熱器に接続される、過熱器と；
   を含む熱回収蒸気発生器。
2. 前記蒸発器のコイルの管は、前記下位ドラムと前記下位ドラムの底部において流体流連通する、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
3. 前記蒸発器のコイルの管は、前記上位ドラムと前記上位ドラムの底部において流体流連通する、請求項２に記載の熱回収蒸気発生器。
4. 前記蒸発器の管は垂直に伸び、分配管寄せに接続されたその下端に入口を有し、前記分配管寄せは前記内部排ガス流路内に位置づけられ、前記下位ドラムと及び前記分配管寄せと流体流接続する降水管、をさらに含む請求項３に記載の熱回収蒸気発生器。
5. 前記蒸発器の管の出口が前記管の上端にあり、前記管の前記出口を前記上位ドラムと接続する少なくとも１つの昇水管、をさらに含む請求項４に記載の熱回収蒸気発生器。
6. 前記蒸発器の入口ラインは前記下位ドラムに通じる、請求項３に記載の熱回収蒸気発生器。
7. 前記蒸発器のドレン管路は前記下位ドラムの下側部分に通じる、請求項３に記載の熱回収蒸気発生器。
8. 蒸気出口を有する前記下位ドラムと、蒸気入口を有する前記上位ドラムと、前記下位ドラムの蒸気出口及び前記上位ドラムの蒸気入口と流体流接続する蒸気ベント導管と、をさらに含む請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
9. 前記蒸発器のコイルの管は、前記下位ドラムと前記下位ドラムの底部において流体流連通し、
   前記蒸発器のコイルの管は、前記上位ドラムと前記上位ドラムの底部において流体流連通し、
   前記蒸発器の管は垂直に伸び、分配管寄せに接続されたその下端に入口を有し、前記下位ドラムと及び前記分配管寄せと流体流接続する降水管、をさらに含み、
   前記蒸発器の管の出口が前記管の上端にあり、前記蒸発器の管の前記出口と及び前記上位ドラムと流体流接続する少なくとも１つの昇水管、をさらに含み、
   前記蒸発器の入口ラインは前記下位ドラムに通じ、前記蒸発器のドレン管路は前記下位ドラムの下側部分に通じ、
   蒸気出口を有する前記下位ドラムと、蒸気入口を有する前記上位ドラムと、前記下位ドラムの蒸気出口及び前記上位ドラムの蒸気入口と流体流接続する蒸気ベント導管と、をさらに含む、
   請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
10. 熱回収蒸気発生器において水を飽和蒸気に変えるプロセスであって：
    前記熱回収蒸気発生器は、
    高温ガスが向けられる入口と前記のガスが排出される出口とを有するハウジングであって、該ハウジング内に内部排ガス流路を形成し、したがって前記の排ガスは前記ハウジングを通って前記入口から前記出口へ流れることができるように構成される、ハウジングと；
    前記排ガスが通って流れるように前記ハウジング内に位置する節約装置であって、該節約装置は、基本的に液相にある給水の源に接続されて前記給水の温度を上昇させる、節約装置と；
    最初に液相にある水を飽和蒸気に変える蒸発器であって：水平に向けられ、前記ハウジングの内部排ガス流路に対して外部であるように位置づけられた上位ドラムであって、該上位ドラムは少なくとも１つの蒸気・水分離装置を有する、上位ドラムと；前記ハウジングの内部排ガス流路に対して外部であるように位置づけられ、水平に向けられ、前記上位ドラムより低い高さに位置する少なくとも１つの下位ドラムと；前記上位ドラムの下側部分を前記下位ドラムに接続するドレン管路と；前記のドラムのうちの１つに通じる入口ラインと；前記上位ドラムの上側部分からつながる出口ラインと；高温ガスの流れの中に位置し、入口及び出口を備える管を有するコイルであって、前記管の前記入口は前記下位ドラムと連通し、前記管の前記出口は前記上位ドラムと連通する、コイルと；を含み、前記蒸発器は、前記ハウジングにおいて前記の排ガスの流れの中で前記節約装置から上流に位置する前記コイルを有し、前記蒸発器の前記入口ラインは、前記節約装置における加熱を経た水を前記節約装置から受け取るように前記節約装置に接続される、蒸発器と；
    前記ハウジング内において前記排ガスの流れの中で前記蒸発器から上流に位置する過熱器であって、前記蒸発器の前記出口ラインは前記過熱器に接続される、過熱器と；
    を含み、
    当該プロセスは、
    前記節約装置から２つの水平な蒸気ドラムのうちの１つに水の流れを取り込むステップであって、したがって、前記の下位蒸気ドラムは液相にある水を含む、ステップと；
    前記下位蒸気ドラムから前記蒸発器のコイルに水を向け、前記水を飽和水及び飽和蒸気に変えるのに十分なほど前記蒸発器のコイルの中の水を加熱するステップと；
    前記蒸発器のコイルからの前記飽和水及び飽和蒸気を前記の上位蒸気ドラムに向けるステップと；
    前記上位蒸気ドラムの中の飽和水を前記下位蒸気ドラムに向けるステップと；
    前記飽和蒸気を前記上位蒸気ドラムから取り出すステップと；
    をさらに含むプロセス。
11. 前記飽和蒸気を前記上位蒸気ドラムから取り出すステップにおいて、前記飽和蒸気は前記上位蒸気ドラムから前記過熱器に流れる、請求項１０に記載のプロセス。
12. 前記下位ドラムは蒸気出口を有し、前記上位ドラムは蒸気入口を有し、前記下位ドラムの蒸気出口から前記上位ドラムの蒸気入口に蒸気が流れるステップ、をさらに含む請求項１０に記載のプロセス。
13. 前記下位ドラムの蒸気出口から前記上位ドラムの蒸気入口に蒸気が流れるステップにおいて、前記蒸気は、前記下位蒸気ドラムの上部から流れ、前記上位ドラムの上側部分側に流れる請求項１２に記載のプロセス。
14. 前記下位ドラムの上部に位置する前記下位ドラムの蒸気出口と、前記上位ドラムの上側部分側に位置する前記上位ドラムの蒸気入口と、をさらに含む請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。
15. 各々が壁を有する前記上位ドラム及び下位ドラム、をさらに含み、前記壁は約４インチ乃至約５インチの厚さである、請求項１に記載の熱回収蒸気発生器。

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