JP6745971B2

JP6745971B2 - 垂直型熱回収蒸気発生器

Info

Publication number: JP6745971B2
Application number: JP2019502700A
Authority: JP
Inventors: ヤン・ブルックナー; フランク・トーマス
Original assignee: シーメンスアクティエンゲゼルシャフト
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: WO2018014941A1; ES2819906T3; EP3472515B1; US20190170344A1; CA3031202C; US11118781B2; CN109477633A; KR102229868B1; JP2019522168A; CA3031202A1; KR20190026913A; EP3472515A1; CN109477633B; PL3472515T3

Description

本発明は請求項１に記載の垂直型熱回収蒸気発生器に関する。

熱回収蒸気発生器は、現在、プラントの効率を高めるために、多くの発電所で使用されている。従来の水平型ボイラー設計から離れて、現在の改良は、効率的な垂直型ボイラーの開発を目的としている。一つの検討事項は、現在の水平ボイラー設計と比較して、中圧および低圧の範囲であっても、このようにして大容量の重いシリンダーを省くことができるように、三つの圧力段の全てを貫流システムとして具体化することである。さらに、これはまた、ボイラーのスチール構造体の全体を、より薄くかつより安価にすることを可能にするであろう。

熱流体の研究、特に貫流低圧蒸発器に関する研究によって、現時点で通常使用されている凝縮液および供給水予熱のための加熱面構成では全負荷範囲にわたって蒸発器を通る安定した流れを実現できないことが判明しており、この場合、低圧システムのための供給水の予熱は専ら凝縮液予熱器内で行われる。

本発明の目的は、改良された垂直型熱回収蒸気発生器を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する垂直型熱回収蒸気発生器によって達成される。さらなる有利な実施形態は従属請求項に見出すことができる。

予熱器および蒸発器の管が追加の圧力補償を伴わないワンパス運転のために設計されるならば、そして予熱器の領域で十分に大きな圧力降下が生じるならば、蒸発器加熱面を通る安定した流れが低圧セクションの低圧でも達成できることが判明した。通常、これは、この加熱面の管に入口領域において小さい内径を付与することによって達成することができ、この場合、低温媒体のみが全負荷範囲で流れる。最初の推定はまた、低圧蒸発器を通る安定した流れのために必要とされる、この必要とされるリストリクター圧力降下が、この種の組み合わせ回路によって達成され得ることを示した。しかしながら、現在知られている解決策とは対照的に、この目的のために、付加的な低圧予熱器加熱面が必要とされる。しかしながら、低圧蒸発器への供給がもはや凝縮液予熱器からの流動媒体によってなされず、専用の予熱回路によってなされる場合、凝縮液予熱器を用いた場合のように、流動媒体の温度が低圧予熱器の管内のどのポイントにおいてもシステム関連設計温度を下回らないことを保証することが必要である。これによってのみ、管が運転中に腐食を受けないことを保証することが可能である。

したがって、本発明によれば、垂直型熱回収蒸気発生器（その低圧段は貫流システムとして設計される）が、少なくとも一つの凝縮液予熱器加熱面を有する凝縮液予熱器であって、それを通って流動媒体が流れると共に、高温ガスが流れる高温ガス流路内に配置された凝縮液予熱器と、少なくとも一つの低圧予熱器加熱面を有する低圧予熱器であって、それを通って流動媒体が流れると共に高温ガス流路内に配置された低圧予熱器と、少なくとも一つの低圧蒸発器加熱面を有する低圧蒸発器であって、それを通って流動媒体が流れると共に高温ガス流路内に配置された低圧蒸発器とを具備し、流動媒体は、ワンパスでかつ付加的な圧力補償なしに、少なくとも一つの低圧予熱器加熱面を通って連続的に流れることが想定される。この場合、高温ガス流路内の少なくとも一つの低圧予熱器加熱面の第１のものは、好ましくは、高温ガス方向に関して、少なくとも一つの凝縮液予熱器加熱面の第１のものの後方に配置される。しかしながら、代替例として、低圧および凝縮液予熱器加熱面をほとんど同じ領域内に配置することも可能であろう（例えば互い違い）。

低圧システムの加熱面を通って流れる流動媒体と呼ばれる供給水の予熱が凝縮液予熱器においてのみなされる既知の解決策と比較して、本発明では、対応する低圧予熱器加熱面を有する別個の低圧予熱器（ＬＰエコノマイザ）が設けられる。この目的のために、好ましくは、これら加熱面の二部分構成（一方では燃焼ガス流路出口において凝縮液予熱器の後方、そして他方では熱力学的観点から適切である二部分凝縮液予熱器の加熱面間のポイント）が選択される。燃焼ガス流路の最低温セクションに低圧予熱器を配置することにより、そこに設けられた小さな内径を備えた管内で流動媒体の蒸発が起きないことが保証され、静的および動的な流動安定性を実現することが可能になる。二つの凝縮液予熱器加熱面間の適切なポイントに第２の低圧予熱器加熱面を配置することにより、低圧システムのために必要な供給水の予熱を保証することが可能になる。

本発明による有利な実施形態では、付加的な経済的または運転上の不都合を同時に生じさせることなく、要件を満たす、すなわち低圧予熱器の入口における流動媒体の最低温度を保証するための構成が提供される。これを実現するために、流動媒体は、低圧システムに供給するために、凝縮液予熱器の入口において、すなわち第１の凝縮液予熱器加熱面の前方で取り出される。

有利な様式では、この取り出しは、凝縮液予熱器再循環質量流量の導入ポイントの後またはその下流で、ブランチおよび対応する制御バルブによって実施されるが、これは、凝縮液予熱器への流動媒体の入口温度を制御する。これにより、第１の低圧予熱器加熱面の入口における流動媒体の温度が第１の凝縮液予熱器加熱面の入口における温度と同じになることが保証される。両方のシステム、すなわち凝縮器予熱器および低圧段は、したがって、同じ入口温度にさらされる。これにより、低圧システムにおいても、腐食の観点から必要とされる流動媒体の最低温度が低くならないことが保証される。

好ましい実施形態では、付加的な機器を使用せずに、低圧予熱器の入口において供給される流動媒体が凝縮液予熱器の入口と実質的に同じ温度を有することを保証することが可能である。低圧予熱器の入口における流動媒体の専用温度制御の必要はない。したがって、凝縮液予熱器の付加的な再循環回路によって通常提供される凝縮液予熱器の入口での流体温度の制御はまた、低圧予熱器での腐食の観点から必要とされる流動媒体の入口温度を同時に保証する。特にガスタービンのオイル運転中には、それゆえ、低圧予熱器の入口領域において流動媒体の高められた温度がやはり保証される。

本発明による別の実施形態では、低圧予熱器および低圧蒸発器を含む独立した再循環回路が低圧システムに組み込まれ、低圧蒸発器をさらに過給する。まだ蒸発しておらず、しかも水／蒸気分離器において蒸気から分離されて沸騰温度にある水は、続いて、低圧循環ポンプによって低圧予熱器の入口へと戻され、そして低温供給水に加えられる。低圧蒸発器の過給のレベルおよび関連する再循環量を適切に選択することによって、第１の低圧予熱器加熱面の入口における流動媒体の必要最低温度を適切に設定することが可能である。この変形実施形態の一つの利点は、過給のために蒸発器処理量が比較的大きく、これが今度は低圧蒸発器内の流れの安定性に好影響を与えることである。しかしながら、この実施形態は、特に好ましい変形実施形態と比較すると、この場合には再循環回路のために付加的な機器（循環ポンプ、制御バルブなど）が必要とされるという欠点を有する。さらに、この実施形態では、全運転範囲にわたって常に低圧蒸発器の出口において流動媒体の過熱を実現することは不可能である。なぜなら、低圧蒸発器は、基本的に、低圧予熱器の入口において流動媒体の最低温度を設定するのに必要な過給のレベルで、湿式モードにて運転される必要があるからである。

本発明について、添付図面を参照して例として説明する。

垂直型熱回収蒸気発生器の低圧段の本発明による好ましい例示的実施形態を概略的に示す図である。細分化された加熱面を有する垂直型熱回収蒸気発生器の本発明による例示的実施形態を概略的に示す図である。本発明によるさらなる例示的実施形態を概略的に示す図である。本発明によるさらなる例示的実施形態を概略的に示す図である。

図１は、垂直型熱回収蒸気発生器の貫流低圧システムの変形実施形態を概略的に示しており、この変形例は、流れ安定性を確保するための好ましいものである。当該発生器は、それを通って流動媒体（Ｓ）が流れると共に、高温ガスＨがそれを通って流れる高温ガス流路１内に配置された、凝縮液予熱器加熱面２０を有する凝縮液予熱器と、それを通って流動媒体Ｓが流れると共に高温ガス流路１内に配置された、低圧予熱器加熱面３０を備えた低圧予熱器と、それを通って流動媒体Ｓが流れると共に高温ガス流路１内に配置された、低圧蒸発器加熱面４０を有する低圧蒸発器とを備える。ここで、低圧予熱器加熱面３０および低圧蒸発器加熱面４０は、ワンパスでかつ付加的な圧力補償なしに流動媒体Ｓがそれらを通って連続的に流れるように設計されている。さらに、高温ガス流路１内の低圧予熱器加熱面３０は、高温ガス方向に関して、凝縮液予熱器加熱面２０の後方に配置されている。

さらに、低圧予熱器にいくらかの流動媒体Ｓを供給するためのブランチ５０が、凝縮液予熱器に向かう流動媒体Ｓの第１の供給管路２４に設けられている。さらに、低圧予熱器に向かう第２の供給管路３４には、ブランチ５０の後に、制御バルブ３５が設けられており、当該バルブは低圧予熱器に向けられる流動媒体Ｓの量を制御する。さらに、ここでは凝縮液予熱器用に循環ポンプ２３が設けられており、当該ポンプは、凝縮液予熱器加熱面で加熱された流動媒体を管路２５，２７および第１の接続ポイント２６を介して、第１の供給管路２４へと戻し、第１の接続ポイント２６は、ブランチ５０の前方で、第１の供給管路２４に配置されている。

図２は、垂直型熱回収蒸気発生器の上記実施形態の発展型を示すが、これは二つの凝縮液予熱器加熱面２１，２２を含む凝縮液予熱器を有しており、二つの凝縮液予熱器加熱面２１，２２を通って流動媒体Ｓが連続的に流れ、そして二つの凝縮液予熱器加熱面２１，２２は高温ガス流路１内に空間的に分離して配置される。さらに、この場合、熱回収蒸気発生器は、二つの低圧予熱器加熱面３１，３２を有する低圧予熱器を有し、二つの低圧予熱器加熱面３１，３２を通って流動媒体Ｓが連続的に流れると共に二つの低圧予熱器加熱面３１，３２は高温ガス流路１内に空間的に分離して配置され、そして熱回収蒸気発生器は、少なくとも一つの低圧蒸発器加熱面４０を有する低圧蒸発器を有し、低圧蒸発器加熱面４０は高温ガス流路１内に配置されると共に、低圧予熱器加熱面の後に、それを通って、流動媒体Ｓが流れる。本発明によれば、それを通って流動媒体Ｓが流れる第１の低圧予熱器加熱面３１が、高温ガス方向に関して、第１の凝縮液予熱器加熱面２１の後方で高温ガス流路１内に配置され、そしてそれを通って流動媒体Ｓが続いて流れる第２の低圧予熱器加熱面３２が、高温ガス方向に関して、第１および第２の凝縮液予熱器加熱面２１，２２の間に配置されることになる。さらに、低圧予熱器にいくらかの流動媒体Ｓを供給するためのブランチ５０が、凝縮液予熱器への流動媒体Ｓの供給管路２４に設けられており、ここで、方向転換される流動媒体Ｓの量が制御バルブ３５によって制御される。さらに、凝縮液予熱器加熱面で加熱された流動媒体を管路２７および接続ポイント２６を経て供給管路２４に戻すために循環ポンプ２３がさらに凝縮液予熱器のために設けられるという事実ならびにブランチ５０が接続ポイント２６の下流に配置されるという事実のために、実質的に同じ温度レベルの流動媒体が両方のシステムにとって利用可能である。

図３および図４は、垂直型熱回収蒸気発生器の代替実施形態を示す。図１および図２に示す実施形態とは対照的に、低圧予熱器および蒸発器加熱面を通って流れる未蒸発流動媒体Ｓを、水／蒸気分離器６０、戻り管路５１および接続ポイント５３を介して、第２の供給管路３４へと戻すために、低圧循環ポンプ５２がさらに低圧予熱器および低圧蒸発器回路のために設けられている。適切な蒸発器過給により、流動媒体Ｓの所望の温度が第１の低圧予熱器加熱面への入口において達成されることを保証するために、低圧循環ポンプ５２および戻り管路５１を経て流動させられる、循環させられる質量流量を正確に設定することができる。

１高温ガス流路
２０凝縮液予熱器加熱面
２１第１の凝縮液予熱器加熱面
２２第２の凝縮液予熱器加熱面
２３循環ポンプ
２４第１の供給管路
２５管路
２６第１の接続ポイント
２７管路
３０低圧予熱器加熱面
３１第１の低圧予熱器加熱面
３２第２の低圧予熱器加熱面
３４第２の供給管路
３５制御バルブ
４０低圧蒸発器加熱面
５０ブランチ
５１管路
５２低圧循環ポンプ
５３第２の接続ポイント
６０蒸気分離器

Claims

垂直型熱回収蒸気発生器であって、この垂直型熱回収蒸気発生器の低圧段は貫流システムとして設計されており、前記垂直型熱回収蒸気発生器は、
少なくとも一つの凝縮液予熱器加熱面（２０，２１，２２）を有する凝縮液予熱器であって、それを通って流動媒体（Ｓ）が流れると共に、高温ガス（Ｈ）が流れる高温ガス流路（１）内に配置された、凝縮液予熱器と、
少なくとも一つの低圧予熱器加熱面（３０，３１，３２）を有する低圧予熱器であって、それを通って前記流動媒体（Ｓ）が流れると共に、前記高温ガス流路（１）内に配置された、低圧予熱器と、
少なくとも一つの低圧蒸発器加熱面（４０）を有する低圧蒸発器であって、それを通って前記流動媒体（Ｓ）が流れると共に、前記高温ガス流路（１）内に配置された、低圧蒸発器と、
を具備し、
前記流動媒体（Ｓ）は、ワンパスでかつ付加的な圧力補償なしに、前記少なくとも一つの低圧予熱器加熱面（３０，３１，３２）および前記少なくとも一つの低圧蒸発器加熱面（４０）を通って連続的に流れ、かつ、
前記高温ガス流路（１）内の前記少なくとも一つの低圧予熱器加熱面のうちの第１の低圧予熱器加熱面（３０，３１）は、高温ガス流路出口の領域であってかつ高温ガス方向に関して前記少なくとも一つの凝縮液予熱器加熱面のうちの第１の凝縮液予熱器加熱面（２０，２１）の後方に、あるいは前記少なくとも一つの凝縮液予熱器加熱面のうちの前記第１の凝縮液予熱器加熱面（２０，２１）と同じ領域に配置され、
前記凝縮液予熱器は第１および第２の凝縮液予熱器加熱面（２１，２２）を備え、この二つの凝縮液予熱器加熱面（２１，２２）を通って前記流動媒体（Ｓ）が連続的に流れ、かつ、前記二つの凝縮液予熱器加熱面（２１，２２）は前記高温ガス流路（１）内に空間的に分離して配置され、前記低圧予熱器は二つの低圧予熱器加熱面（３１，３２）を備え、この二つの低圧予熱器加熱面（３１，３２）を通って前記流動媒体（Ｓ）が連続的に流れ、かつ、前記二つの低圧予熱器加熱面（３１，３２）は前記高温ガス流路（１）内に空間的に分離して配置され、それを通って前記流動媒体（Ｓ）が流動する前記第１の低圧予熱器加熱面（３１）は、高温ガス方向に関して、前記第１の凝縮液予熱器加熱面（２１）の後方で前記高温ガス流路（１）内に配置され、かつ、それを通って前記流動媒体（Ｓ）が続いて流動する第２の低圧予熱器加熱面（３２）は、前記高温ガス方向に関して、第１および第２の凝縮液予熱器加熱面（２１，２２）の間に配置される、垂直型熱回収蒸気発生器。
前記低圧予熱器にいくらかの前記流動媒体（Ｓ）を供給するためのブランチ（５０）が、前記凝縮液予熱器に向かう前記流動媒体（Ｓ）の第１の供給管路（２４）に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の垂直型熱回収蒸気発生器。
前記低圧予熱器に向かう第２の供給管路（３４）には、前記ブランチ（５０）の後方に制御バルブ（３５）が設けられており、前記バルブは前記低圧予熱器に向けられる前記流動媒体（Ｓ）の量を制御することを特徴とする請求項２に記載の垂直型熱回収蒸気発生器。
前記凝縮液予熱器のために循環ポンプ（２３）がさらに設けられ、前記ポンプは、前記凝縮液予熱器加熱面で加熱された前記流動媒体を管路（２５，２７）および第１の接続ポイント（２６）を介して前記第１の供給管路（２４）に戻し、前記第１の接続ポイント（２６）は、前記ブランチ（５０）の前方で前記第１の供給管路（２４）内に配置されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の垂直型熱回収蒸気発生器。
低圧循環ポンプ（５２）が前記低圧予熱器および前記低圧蒸発器のために設けられており、前記ポンプは、前記低圧予熱器および前記低圧蒸発器加熱面（３０，３１，３２，４０）を通って流れる未蒸発流動媒体（Ｓ）を、水／蒸気分離器（６０）と、戻り管路（５１）と、第２の接続ポイント（５３）とを経て、前記低圧予熱器に向かう第２の供給管路（３４）へと戻すことを特徴とする請求項１に記載の垂直型熱回収蒸気発生器。