JP6157909B2 - 排熱回収ボイラおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は排熱回収ボイラおよびその制御方法に関する。

一般に、ガスタービンと蒸気タービンを組合せて発電するコンバインドサイクル発電設備においては、ガスタービン下流に排熱回収ボイラが設置される。排熱回収ボイラ内の節炭器へ供給される給水温度が、ガスタービンからの排ガスの露点温度を下回ると、排ガス中の水分が節炭器入口部の管表面で結露し、腐食を生じる可能性がある。

そのため、節炭器に再循環ラインを設置して節炭器出口部での温水を給水に戻して給水を加温したり、給水ラインに排熱回収ボイラとは別の加熱装置を設けて、節炭器入口部における給水温度を排ガスの露点温度以上に上げて、結露を防止している。

図３に、一般的な排熱回収ボイラの節炭器入口部の構造を模式的に示す。図３に示すように、一般的な排熱回収ボイラ１において、復水器４で復水され、低圧給水ポンプ５で昇圧された給水が、節炭器２で排ガスと熱交換され、蒸気ドラム７に送られる。節炭器再循環ライン３は、節炭器２で加温された給水を再度、節炭器２入口部の給水ライン６に戻すものであり、このことにより、復水器４で復水された給水の温度を、排ガスの露点温度以上に上げている。

特開平９−３３００５号公報

図３に示す排熱回収ボイラにおいては、例えば節炭器再循環ライン３を設けた場合、節炭器２での交換熱量の一部は、給水温度を上昇させることに使用することとなり、排熱回収ボイラ１の節炭器２により多くの伝熱面積が必要となるため、伝熱効率が低下する。

また、節炭器２出口部の給水を節炭器２入口部へ戻す際には、昇圧ポンプ３ａが必要となるため、節炭器再循環ライン３を設けない場合と比べて大きな動力が必要となる。

また、排ガス中に含まれる硫黄酸化物濃度が高い場合には、露点温度が上昇し、節炭器２入口部の温度を更に上げる必要があるため、給水の再循環量を増加させる必要がある。

排ガスの露点温度は、燃料の種類により異なり、また同じ燃料を使用した場合でも大気温度や湿度により変化するため、計算上の露点温度と実際の露点温度が異なってしまい、節炭器２入口部の給水温度が実際の露点温度を下回り、結露が発生してしまうこともある。そのため、計算上の露点温度に多くの余裕を考慮して節炭器２入口部の温度を決定する必要があり、より多くの節炭器再循環量が必要となって、更に伝熱効率が低下する場合がある。

本発明が解決しようとする課題は、伝熱効率を低下させることなく節炭器入口部の結露を防止することができる排熱回収ボイラおよびその制御方法を提供することである。

本実施の形態の排熱回収ボイラは、ガスタービンから排出される排ガスにより蒸気を発生する排熱回収ボイラにおいて、復水器と給水ラインで接続される入口部と、蒸気ドラムに接続される出口部と、入口部と出口部とに接続される伝熱管と、伝熱管の入口部分にあたる節炭器スタブと、少なくとも入口部と節炭器スタブを囲う囲い体とを有し、ガスタービンからの排ガスにより加熱される節炭器と、ガスタービンからの排ガス以外の流体を前記囲い体に供給する囲い体用流体供給部とを備えた。

第１の実施形態における排熱回収ボイラの一部を模式的に示す図。 第２の実施形態における排熱回収ボイラの一部を模式的に示す図。 従来の排熱回収ボイラを示す図。

本発明の排熱回収ボイラおよびその制御方法に係る実施形態について図面を用いて説明する。

第１の実施形態
（構成）
図１は、第１の実施形態における排熱回収ボイラの一部を模式的に示す図である。

排熱回収ボイラ１は、ガスタービン排ガスが流れる下流に節炭器２が設置され、節炭器２より上流側にガスタービン排ガスを脱硝する脱硝装置１７が設置されている。

脱硝装置１７には、アンモニア希釈空気を供給するファン１０（アンモニア希釈空気供給源）が接続されている。

節炭器２は、入口マニホールド（入口部）３１ａと、出口マニホールド（出口部）３１ｂと、入口部３１ａと出口部３１ｂとに接続される伝熱管３２と、伝熱管３２の入口部分にあたる節炭器スタブ３３と、入口部３１ａと節炭器スタブ３３を囲う囲い体８とから構成されている。

復水器４は低圧給水ポンプ５を有する給水ライン６で節炭器２の入口部３１ａに接続されている。出口部３１ｂは弁を介して蒸気ドラム７に接続されている。

囲い体８の材質はステンレス鋼など腐食に強い材質である。

また、囲い体８には、ファン１０からの空気が供給される空気供給ライン１２が接続されている。空気供給ライン１２には制御装置２２により制御される自動弁１１が介在している。

また、囲い体８には、圧力逃がしライン１３が接続され、この圧力逃しライン１３には圧力逃がし弁１４が接続されている。

また、囲い体８は、その一部に熱膨張を吸収する機能をもつベローズ１５を有している。

また、囲い体８のうち節炭器スタブ３３または伝熱管３２が貫通する部分（接触する部分）にシール機構１６aが設けられ、囲い体８の給水ライン６が貫通する部分（接触する部分）にもシール機構１６ｂが設けられ、囲い体８の空気供給ライン１２が貫通する部分（接触する部分）にもシール機構１６ｃが設けられ、囲い体８の圧力逃がしライン１３が貫通する部分（接触する部分）にもシール機構１６ｄが設けられている。

（作用）
蒸気タービンで仕事をした高圧蒸気は復水器４で水に戻される。復水器４からの給水を給水ライン６を介して節炭器２の入口部３１ａに供給する。入口部３１ａに供給された給水は、伝熱管３２でガスタービン排ガスと熱交換を行ない、出口部３１ｂから蒸気ドラム７に送られて、過熱器（図示せず）を通って蒸気タービンに供給される。

一方、ガスタービン排ガスが排熱回収ボイラ１に送られる。高温のガスタービン排ガスは、脱硝装置１７で脱硝され、節炭器２内に送られる。節炭器２に送られたガスタービン排ガスは、伝熱管３２を加熱した後に煙突へ送られて排出される。

伝熱管３２の入口部分にあたる節炭器スタブ３３は、結露の要因であるガスタービン排ガスと接触して結露が生じ、腐食が進行すると、節炭器スタブ３３は管の厚さが薄いため給水の漏洩等の問題が発生する可能性がある。そのため、結露で腐食が進行すると給水の漏洩等の問題が発生する可能性のある節炭器スタブ３３等を囲い体８で囲い、囲い体８内部にファン１０で排ガス以外の流体（例えば、空気）を供給することにより、結露の要因であるガスタービン排ガスと節炭器２の入口部分を隔離できるため、節炭器２の入口部分における結露による腐食を防止することができる。

また、囲い体８は、外面が常にガスタービン排ガスに晒され、囲い体８内の空気とガスタービン排ガスの温度差により、囲い体８の外面に結露が生じる恐れがある。そのため、囲い体８の材質をステンレス鋼など腐食に強い材質とすることにより、囲い体８の腐食を防止することができる。

また、囲い体８は、ガスタービン排ガスにより温められて膨張する可能性がある。そのため、熱膨張を吸収する機能をもつベローズ１５を有した構造とすることにより、熱膨張を吸収することができる。

また、囲い体８内の圧力が所定値を越えた場合には圧力逃がし弁１４を作動させることにより、囲い体８内の圧力を圧力逃がしライン１３から逃すことができる。

更に、囲い体８と節炭器スタブ３３、空気供給ライン１２、圧力逃がしライン１３および給水ライン６が接する部分は、供給された空気が漏洩する恐れがある。そのため、シール構造を有することにより、供給された空気が漏洩することを防ぐことができる。

第２の実施形態
本発明の排熱回収ボイラに係る第２の実施形態について図２を用いて説明する。尚、以降の説明において、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（構成）
図２は、第２の実施形態における排熱回収ボイラの一部を模式的に示す図である。

排熱回収ボイラ１は、囲い体８に接続されている空気供給ライン１２に、ファン１０および自動弁１１と並列して、空気除湿装置１９を介した制御用所内用空気圧縮機２０および自動弁１８が接続されている。制御装置２２は、大気中の湿度を測定する湿度計２１の信号が送られる。自動弁１１および自動弁１８は制御装置２２により制御されることで、囲い体８への空気の供給元を、ファン１０と制御用所内用空気圧縮機２０とで切り替えが可能な構成とする。

（作用）
制御装置２２は湿度計２１からの信号に基づいて自動弁１１および自動弁１８の開閉を制御する。

大気中の湿度が高い場合、自動弁１１を閉とし、自動弁１８を開として、空気除湿装置１９により除湿された空気を囲い体８内に供給する。

大気中の湿度が低い場合、自動弁１１を開とし、自動弁１８を閉として、ファン１０により空気を囲い体８内に供給する。

湿度計２１からの信号に基づいて空気の供給源を切り替えて、大気中の湿度が高い場合には空気除湿装置１９を通した空気を囲い体８内に供給することにより、大気の湿度が高くなっても囲い体８内の湿度を低く保つことができるので、結露による腐食を防止することができる。

（変形例）
第１の実施形態の構成に、さらにファン１０と自動弁１１の間に空気除湿装置１９を設け、制御装置２２は湿度計２１からの信号に基づいて空気除湿装置１９のオンオフを制御する。

大気中の湿度が高い場合、空気除湿装置１９をオンとして空気除湿装置１９により除湿された空気を囲い体８内に供給する。

大気中の湿度が低い場合、空気除湿装置１９をオフとして、ファン１０による空気を囲い体８内に供給する。

湿度計２１からの信号に基づいて空気除湿装置１９のオンオフを制御して、大気中の湿度が高い場合には空気除湿装置１９を通した空気を囲い体８内に供給することにより、大気の湿度が高くなっても囲い体８内の湿度を低く保つことができるので、結露による腐食を防止することができる。

本実施形態によれば、伝熱効率を低下させることなく節炭器入口部の結露を防止することができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、伝熱効率を低下させることなく節炭器入口部の結露を防止することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 排熱回収ボイラ、２ 節炭器、４ 復水器、５ 低圧給水ポンプ、６ 給水ライン、７ 蒸気ドラム、８ 囲い体、１１ 自動弁、１２ 空気供給ライン、１３ 圧力逃がしライン、１４ 圧力逃がし弁、１５ ベローズ、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ シール機構、１７ 脱硝装置、１８ 自動弁、１９ 空気除湿装置、２０ 空気圧縮機、２１ 湿度計、２２ 制御装置、３１ａ 入口部、３１ｂ 出口部、３２ 伝熱管、３３ 節炭器スタブ

Claims (10)

1. ガスタービンから排出される排ガスにより蒸気を発生する排熱回収ボイラにおいて、
   復水器と給水ラインで接続される入口部と、蒸気ドラムに接続される出口部と、入口部と出口部とに接続される伝熱管と、伝熱管の入口部分にあたる節炭器スタブと、入口部と節炭器スタブを囲う囲い体とを有し、ガスタービンからの排ガスにより加熱される節炭器と、
   前記排熱回収ボイラの運転中にガスタービンからの排ガス以外の流体を前記囲い体に供給する囲い体用流体供給部と
   を備え、前記排熱回収ボイラの運転中に、ガスタービン排ガスと節炭器の入口部分を隔離して、前記節炭器の入口部分の結露を防止する排熱回収ボイラ。
2. 前記囲い体用流体供給部は、
   脱硝装置にアンモニア希釈空気を供給するアンモニア希釈空気供給源である
   請求項１記載の排熱回収ボイラ。
3. 前記囲い体は、
   囲い体内の圧力が所定値を越えた場合に囲い体内の圧力を逃す
   圧力逃がし機構を備えた
   請求項１または請求項２に排熱回収ボイラ。
4. 前記囲い体は、排ガスと接触する部分はステンレス鋼からなる
   請求項１乃至３のいずれかに記載の排熱回収ボイラ。
5. 前記囲い体は、熱膨張を吸収する機能を備えた
   請求項１乃至４のいずれかに記載の排熱回収ボイラ。
6. 前記囲い体は、囲い体と伝熱管が接する部分にシール構造を備えた
   請求項１乃至５のいずれかに記載の排熱回収ボイラ。
7. 前記囲い体用流体供給部は、
   除湿した空気を供給する
   請求項１乃至６のいずれかに記載の排熱回収ボイラ。
8. 前記囲い体用流体供給部は、
   脱硝装置にアンモニア希釈空気を供給するアンモニア希釈空気供給源と
   空気除湿装置を含む空気供給源とを備え、
   前記アンモニア希釈空気供給源からの空気と
   前記空気供給源からの空気とを切り替える
   請求項７に記載の排熱回収ボイラ。
9. 大気中の湿度によって
   前記アンモニア希釈空気供給源からの空気と
   前記空気供給源からの空気とを切り替える
   請求項８に記載の排熱回収ボイラ。
10. 復水器と給水ラインで接続される入口部と、蒸気ドラムに接続される出口部と、入口部と出口部とに接続される伝熱管と、伝熱管の入口部分にあたる節炭器スタブと、少なくとも入口部と節炭器スタブを囲う囲い体とを有し、ガスタービンからの排ガスにより加熱される節炭器と、
    脱硝装置にアンモニア希釈空気を供給するアンモニア希釈空気供給源と、空気除湿装置を含む空気供給源とを備え、前記アンモニア希釈空気供給源からの空気または前記空気供給源からの空気を前記囲い体に供給する囲い体用流体供給部と
    を備え、ガスタービンから排出される排ガスにより蒸気を発生する排熱回収ボイラの制御方法において、
    大気中の湿度によって、前記アンモニア希釈空気供給源からの空気と前記空気供給源からの空気とを切り替える
    排熱回収ボイラの制御方法。

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