JP6665242B2 - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンから排出される排ガスをケーシング内に導入し、内部の熱交換器で排ガスの熱を吸収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラに係り、特に、ケーシングが排ガスの流れ方向に沿って複数のブロックに分割されている排熱回収ボイラに関する。

高効率発電の一環として注目されている複合発電プラントは、まず、ガスタービンによる発電を行うと共に、ガスタービンから排出される排ガス中の熱を排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）において回収し、この排熱回収ボイラで発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動させて発電するものである。この複合発電プラントは、ガスタービンによる発電と蒸気タービンによる発電を同時に行うことができるため、発電効率が高い上にガスタービンは負荷応答性に優れており、急激な電力需要の上昇にも十分対応し得るという利点もある。

この種の複合発電プラントにおいて、一般的に、排熱回収ボイラのケーシング内には、ガスタービンの排ガスの熱を回収する過熱器、蒸発器、節炭器などの熱交換器が配置されていると共に、排ガスの脱硝を行うために脱硝装置が配置されている。ケーシングは左右両側面と上下壁面とで構成された筐体構造であり、排ガスはケーシング内で前記熱交換器と熱交換した後、ケーシングの出口に設けられた煙突から大気中に放散される。

また、ケーシングは、重量物である様々な機器をサポートする必要があり、地震や暴風時などに作用する水平力に対して十分な強度がなければならないため、柱や梁などの強度部材が主体で構成されている。さらに、ケーシング内を流れる排ガスの温度が高温であるため、ケーシングの内部には保温材が内張りされている。なお、ケーシングは大型構造物であるため、通常、ケーシングは複数のブロックに分割した小モジュールで輸送し、この小モジュールを現地で組立てるようにしている。

例えば、特許文献１に記載された排熱回収ボイラでは、ケーシングを柱の位置で複数のブロックに分割すると共に、各柱を断面コ字形の溝型鋼で形成することにより、両端部を２本の溝型鋼で囲んだ単位ブロックを構成し、このようにモジュール化したブロックで輸送して現地組立てを行うようにしている。その際、ブロック内の柱と柱間にはスチフナーとインナーケースが工場にて溶接されていると共に、インナーケースに所定厚の保温材が取り付けられている。そして、現地で隣り合うブロックの溝形鋼を背中合わせに接続し、これら溝形鋼のウェブどうしをボルトで締結するようにしている。

図８は、このように複数のブロックに分割されたケーシングの壁面構造を示す横断面図である。図８に示すように、ケーシング１００は単位ブロックの溝型鋼１０１どうしを接続して構成されており、各ブロックの溝型鋼１０１間に溶接されたインナーケース１０２に所定厚の保温材１０３が取り付けられている。ここで、ケーシング１００の内部を流れる排ガスの温度は入口に近い上流側が高く、出口側に向かって次第に低温となるため、排ガスの上流側に設置されるブロックには厚みの厚い保温材１０３が取り付けられ、下流側に設置されるブロックには厚みの薄い保温材１０３が取り付けられている。

特開昭６３−１８３３０２号公報

図８に示すように、同一サイズの溝型鋼１０１どうしを背中合わせで接続してケーシング１００を構成する場合、各溝型鋼１０１の内側フランジは排ガスの流れ方向に沿って面一となるため、排ガスの上流側と下流側に配置される保温材１０３の厚みの違いにより、ケーシング１００の内側面と熱交換器の側面との間に凹凸状の段差ができてしまう。このため、従来は、段差によって生じた隙間を埋めるようにバッフルプレート（流れ防止板）１０４を配置する必要があり、かかるバッフルプレート１０４によって部品コストや組立コストが上昇するという問題があった。

本発明は、このような従来技術の実情からなされたもので、その目的は、ケーシングの内面側の段差をなくしてフラット化することができる排熱回収ボイラを提供することにある。

上記目的を達成するために、代表的な本発明は、ガスタービンからの排ガスが導かれるケーシングと、前記ケーシングの内面側を覆う保温材と、前記ケーシングの内部に配置された熱交換器とを備え、前記ケーシングが排ガスの流れ方向に沿って複数のブロックに分割されている排熱回収ボイラにおいて、前記ブロックを排ガスの流れ方向に沿う両端部が溝型鋼で囲まれた壁面構造となし、隣接する前記ブロックに備えられる前記溝型鋼のウェブどうしを、互いの内側フランジが段差を持って連続するように接続すると共に、厚み寸法が異なる前記保温材を前記段差によって生じた隙間に配置することにより、前記熱交換器に対向する前記保温材の内面側が面一となるように構成したことを特徴とする。

本発明の排熱回収ボイラによれば、ケーシングの内面側の段差をなくしてフラット化することができる。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施の形態に係る排熱回収ボイラの内部構造を示す側面図である。 図１の排熱回収ボイラに備えられるケーシングの壁面構造を示す横断面図である。 図２のケーシングに適用される受圧部材の設置状態を示す平面図である。 該受圧部材の設置状態を示す側面図である。 該受圧部材の設置状態を示す正面図である。 該受圧部材の設置状態を示す斜視図である。 変形例に係るケーシングの壁面構造を示す横断面図である。 従来例に係るケーシングの壁面構造を示す横断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図７を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態に係る排熱回収ボイラの内部構造を示す側面図である。図１に示すように、図示せぬガスタービンからの排ガス１は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）のケーシング２に流入するようになっており、ケーシング２の内部には過熱器３、第１の蒸発器４、脱硝装置５、第２の蒸発器６、節炭器７が配置されている。ケーシング２内に流入した排ガス１は、過熱器３、第１の蒸発器４、第２の蒸発器６及び節炭器７の伝熱面を構成する熱交換器と接触して熱吸収された後、比較的低温になったガスがケーシング２の出口に設けられた煙突８から大気中に放散される。

ケーシング２は、左右両側面と上下壁面とで構成された筐体構造であり、架構９を介して地面に支持されている。ここで、ケーシング２は、複数のブロックに分割した小モジュールで輸送され、この小モジュールを現地で組立て据え付けするようにしている。

図２はケーシング２の壁面構造を示す横断面図であり、本例では、ケーシング２が５つのブロックａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅに分割されている。図２に示すように、ケーシング２は柱の位置で５つのブロックａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅに分割されており、これらブロックａ〜ｅの分割位置は過熱器３、第１の蒸発器４、脱硝装置５、第２の蒸発器６、節炭器７の設置位置に対応している。すなわち、ブロックａは過熱器３の外側に、ブロックｂは第１の蒸発器４の外側に、ブロックｃは脱硝装置５の外側に、ブロックｄは第２の蒸発器６の外側に、ブロックｅは節炭器７の外側にそれぞれ位置するようになっている。

ケーシング２の柱は断面コ字形の溝型鋼１０で形成されており、各ブロックａ〜ｅの両端部は２本の溝型鋼１０で囲まれている。ここで、各ブロックａ〜ｅは同一サイズの２本の溝型鋼１０で両端部を囲んでいるが、各ブロックａ〜ｅ毎に幅寸法の異なる溝型鋼１０が用いられている。具体的には、排ガス１の最も上流側に設置されるブロックａはウェブ高さを最小とする溝型鋼１０を用いており、ブロックａの下流側に隣接するブロックｂは、ブロックａの溝型鋼１０よりもウェブ高さが長い溝型鋼１０を用いている。また、ブロックｂの下流側に隣接するブロックｃとブロックｄは、ブロックｂの溝型鋼１０よりもさらにウェブ高さが長い溝型鋼１０を用いており、排ガス１の最も下流側に設置されるブロックｅはウェブ高さを最長とする溝型鋼１０を用いている。なお、ブロックｃとブロックｄで同一サイズの溝型鋼１０を用いているのは、ブロックｃの内側に配置される機器が脱硝装置５であり、当該部位では排ガス１の熱吸収が行われないからである。

隣り合う２つのブロックは、それぞれの溝型鋼１０のウェブが背中合わせに接続されるように図示せぬボルトで締結されている。その際、各ブロックａ〜ｅは全ての溝型鋼１０の外側フランジが面一となるように接続されるため、各ブロックａ〜ｅの内面側の接続部についてみると、ウェブ高さが異なる２つの溝型鋼１０の内側フランジ間に段差を生じることになる。

各ブロックａ〜ｅの溝型鋼１０間にはスチフナー１１とインナーケース１２が設けられており、これらスチフナー１１とインナーケース１２は輸送前に工場にて溶接される。また、インナーケース１２には保温材１３が取り付けられており、この保温材１３の厚みはブロックａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ毎に最適なものが用いられている。具体的には、排ガス１の温度が最も高温となるブロックａに厚い保温材１３が用いられ、以下、排ガス１の温度が次第に低くなるブロックｂ及びブロックｃ，ｄの順に保温材１３の厚みを薄くし、最も低温となるブロックｅに薄い保温材１３が用いられている。

ここで、前述した各ブロックａ〜ｅにおける接続部の段差の大きさは、各ブロックａ〜ｅに必要とされる保温材１３の厚みの違いを考慮して設定されており、それに基づいて各ブロックａ〜ｅに所定のウェブ高さを有する溝型鋼１０が用いられている。例えば、ブロックａに必要とされる保温材１３の厚みをｔ１、ブロックｂに必要とされる保温材１３の厚みをｔ２とすると、ブロックａとブロックｂ間の段差が（ｔ１−ｔ２）となるように、ブロックａよりもブロックｂの方がウェブ高さを（ｔ１−ｔ２）だけ長くした溝型鋼１０を用いるようにしている。

このように厚みの異なる保温材１３を各ブロックａ〜ｅの内面側に取り付けると、前述したブロック間の接続部に生じる段差が保温材１３の厚みの違いによって相殺されるため、ケーシング２内の熱交換器に対向する保温材１３の内面は段差のないフラットなものとなる。したがって、ケーシング２の内側面と熱交換器の側面との間に段差による隙間は発生せず、当該隙間を埋めるためのバッフルプレート（流れ防止板）が不要となるため、その分だけ部品コストや組立コストを削減することができる。

図２に示すケーシング２において、隣接するブロック間の段差が大きい場合は、当該部位を受圧部材によって補強することが好ましい。図３はこのような受圧部材の設置状態を示す平面図、図４は該受圧部材の設置状態を示す側面図、図５は該受圧部材の設置状態を示す正面図、図６は該受圧部材の設置状態を示す斜視図である。

図３〜図６に示すように、受圧部材１４はスチフナー１１と補強板１５を組み合わせて構成されており、この受圧部材１４は例えば段差の大きいブロックｂとブロックｃの接続部に配置されている。

説明の都合上、ブロックｂの溝型鋼に符号１０Ａを付し、ブロックｃの溝型鋼に符号１０Ｂを付すと、溝型鋼１０Ａのウェブ高さよりも溝型鋼１０Ｂのウェブ高さの方が長いため、前述したように、溝型鋼１０Ａと溝型鋼１０Ｂの接合部には段差Ｂが生じている。スチフナー１１はＨ型鋼からなり、このスチフナー１１はブロックｂの両端部の溝型鋼１０Ａを連結するように水平方向に延びている。補強板１５は５角形状の鋼材からなり、溝型鋼１０ＡのウェブとＨ型鋼（スチフナー）１１のウェブとの間に配置されている。補強板１５は、溝型鋼１０Ｂに背中合わせに接合された溝型鋼１０Ａの内側フランジの延長線上に位置しており、その一辺は中継板１６を介してＨ型鋼１１のウェブ面に当接している。

なお、受圧部材１４を構成する部材の組合せや形態は上述の例に限定されるものではない。補強板１５は、柱の上下方向に連続する部材としても良い。すなわち、ブロックｂの溝型鋼１０Ａの内側フランジと対称な部材をブロックｃの溝型鋼１０Ｂのウェブ面に当接させるようにしても良い。スチフナー１１と補強板１５の関係は、上述の例のほか、スチフナー１１のケーシングに接しない外側のフランジ部と補強板１５とを接合するようにしても良い。また、中継板１６を省略しても良い。

以上説明したように、段差を持って連続する２つのブロックの溝型鋼１０Ａ，１０Ｂうち、排ガス１の流れ方向の下流側に位置する溝型鋼１０Ｂとスチフナー１１との結合部に補強板１５を介設し、これらスチフナー１１と補強板１５とで構成される受圧部材１４を溝型鋼１０Ａの内側フランジの延長線上に位置させると、地震時にケーシング２に前後方向（排ガス１の流れ方向）に沿う水平力が作用したとしても、その水平力を受圧部材１４で受け止めて耐震性を高めることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であり、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが本発明の対象となる。前記実施形態は、好適な例を示したものであるが、当業者ならば、本明細書に開示の内容から、各種の代替例、修正例、変形例あるいは改良例を実現することができ、これらは添付の特許請求の範囲に記載された技術的範囲に含まれる。

例えば、上記の実施形態では、各ブロックａ〜ｅに備えられる全ての溝型鋼１０がケーシング２の外側で面一となるように構成されているが、図７に示す変形例のように、背中合わせで接合される溝型鋼１０の内側フランジどうしが段差を持って連続していれば、溝型鋼１０の外側フランジについては面一になっていなくても良い。その際、ブロックｃに備えられる溝型鋼１０のように、任意のブロックの両端部をウェブ高さが異なる２本の溝型鋼１０で囲むようにしても良い。なお、この変形例においても、隣接するブロックの接合部の段差が大きい場合は、当該部位を前述したような受圧部材１４によって補強することが好ましい。

また、上記の実施形態では、ウェブ高さの異なる２つの溝型鋼１０を背中合わせに接続することにより、互いの内側フランジが段差を持って連続するように構成されているが、各ブロックａ〜ｅに備えられる溝型鋼１０として全て同じウェブ高さのものを使用し、これら溝型鋼１０のウェブどうしを左右方向にずらして接合するようにしても良い。

また、上記の実施形態では、ケーシング２の内部に過熱器３、第１の蒸発器４、脱硝装置５、第２の蒸発器６、節炭器７を配置した場合について説明したが、ケーシング２内に配置される熱交換器の種類や数量はこれに限定されず、例えば、過熱器３の上流側にダクトバーナーを配置して熱交換器での熱回収量増大を図るようにしても良い。この場合、ダクトバーナーは排ガスを再加熱する加熱手段であるため、ダクトバーナーを包囲するブロックに必要とされる保温材１３の厚みは、その下流側の過熱器３を包囲するブロックに必要とされる保温材１３の厚みよりも薄くなる。

１ 排ガス
２ ケーシング
３ 過熱器（熱交換器）
４ 第１の蒸発器（熱交換器）
５ 脱硝装置
６ 第２の蒸発器（熱交換器）
７ 節炭器（熱交換器）
１０，１０Ａ，１０Ｂ 溝型鋼
１１ スチフナー
１２ インナーケース
１３ 保温材
１４ 受圧部材
１５ 補強板
１６ 中継板
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ ブロック
Ｂ 段差

Claims (4)

1. ガスタービンからの排ガスが導かれるケーシングと、前記ケーシングの内面側を覆う保温材と、前記ケーシングの内部に配置された熱交換器とを備え、前記ケーシングが排ガスの流れ方向に沿って複数のブロックに分割されている排熱回収ボイラにおいて、
   前記ブロックを排ガスの流れ方向に沿う両端部が溝型鋼で囲まれた壁面構造となし、
   隣接する前記ブロックに備えられる前記溝型鋼のウェブどうしを、互いの内側フランジが段差を持って連続するように接続すると共に、厚み寸法が異なる前記保温材を前記段差によって生じた隙間に配置することにより、前記熱交換器に対向する前記保温材の内面側が面一となるように構成したことを特徴とする排熱回収ボイラ。
2. 請求項１に記載の排熱回収ボイラにおいて、
   ウェブの高さ寸法が異なる２種類の前記溝型鋼を用い、これら溝型鋼の外側フランジどうしが面一となるように隣接する前記ブロックを接続したことを特徴とする排熱回収ボイラ。
3. 請求項１または２に記載の排熱回収ボイラにおいて、
   前記段差を介して接続された一対の前記ブロックのうち、排ガスの流れ方向の下流側に位置する前記ブロックは、相対向する前記溝型鋼のウェブ間を連結する受圧部材を備えており、
   前記受圧部材が、排ガスの流れ方向の上流側に位置する前記ブロックに設けられた前記内側フランジの延長線上に配置されていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
4. 請求項３に記載の排熱回収ボイラにおいて、
   前記受圧部材がＨ型鋼と補強板との組合体からなり、
   前記Ｈ型鋼がフランジを排ガスの流れ方向に向けて配置されていると共に、前記補強板が前記溝型鋼のウェブと前記Ｈ型鋼のウェブとの間に配置されていることを特徴とする排熱回収ボイラ。

Images