JP7090492B2 - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンからの排ガスをダクト内に配置した伝熱管へ整流して導くようにした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。熱交換器は上下方向に直立した多数の伝熱管によって構成されており、排ガスからの熱を吸収し易くするために、フィンを螺旋状に巻き付けたフィン付き伝熱管が広く採用されている。

伝熱管に対して排ガスが水平方向に流れるように構成された横型と呼ばれる排熱回収ボイラでは、ガスタービンの大型化に伴うボイラの大型化によって、ダクトの高さが大型のものになっており、それに応じて内部の伝熱管の長さも長尺なものとなっている。ここで、ダクトの内部を流れる排ガスは、ガスタービンから排出された時点で旋回流であることや、ダクト入口の形状の影響を受けて偏流が生じている。

排熱回収ボイラは、ガスタービンから導かれる排ガスに偏流が生じていると、ダクト内に配置された伝熱管での熱回収が不安定となり、ボイラ性能が不安定になってしまう。特に、排熱回収ボイラの大型化に伴って伝熱管が長尺化してくると、排ガスの偏流が大きくなり、流速変動による伝熱管の振動も生じやすくなり、伝熱管の摩耗やフィンの損傷といった問題が発生する。

このような問題に対して、ガスタービンから伝熱管に至るダクト長さを十分に長くすると共に、ダクト入口の広がり角度を小さくすれば、排ガスの偏流が小さくなるため、伝熱管の振動を抑制することができる。しかし、ガス偏流の抑制のためにダクト長を長くすると、必要となる敷地面積が拡大してしまい、ダクトの大型化によりコストも増大してしまうため、他の対応策が望まれている。そこで従来より、ダクト入口の内部に整流体を配設し、この整流体によって排ガスを整流させて下流側の伝熱管へ導くようにした技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、ガスタービンからの排ガスが導かれるダクト内に伝熱管を配設し、伝熱管よりも上流側におけるダクトの底部に鉄骨の枠組みを起立姿勢で支持すると共に、この枠組みに多孔板からなる整流体を取り付けた構成の排熱回収ボイラが記載されている。ここで、整流体は、その中心が排ガスの最大流速部分となるように配置されていると共に、配置位置における排ガス流路の断面の大きさよりも小さくなっており、ガスタービンから排出される排ガスは、最大流速部分を含む一部の排ガスが整流体によって整流され、残部の排ガスが整流体を介さずにそのまま下流に流される。これにより、排ガスの偏流が低減されるため、整流体の下流側に配設された伝熱管の振動が抑制され、伝熱管での熱回収が安定したものとなる。

特許第６２９６２３３号公報

しかし、特許文献１に記載された排熱回収ボイラでは、排ガスを整流して伝熱管に導く整流体が鉄骨の枠組みに取り付けられており、この枠組みがダクトの底部に起立姿勢で固定されているため、常に自重の加わっている枠組みが高温の排ガスの雰囲気に長時間晒されることにより、枠組みにクリープ座屈が発生しやすくなる。特に、ガスタービンの大型化に伴って排ガスの偏流が大きくなると、整流体を支持する枠組みが排ガスから大きな負荷を受けて変形しやすくなり、整流体の損傷や剥離といった信頼性の低下につながる不具合を発生するおそれがある。

また、特許文献１に記載された排熱回収ボイラでは、多孔板からなる整流体が排ガスの流れ方向に対して直交配置されている構成上、整流体に表面と裏面の温度差に起因して反りが発生する。しかし、整流体が枠組みの平坦面に直接取り付けられているため、整流体の反りによって枠組みが変形しやすくなり、このような理由からも、整流体の損傷や剥離といった信頼性の低下につながる不具合を発生するおそれがある。

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、排ガスを整流して伝熱管に導く整流体の損傷や剥離を抑制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ダクトと、前記ダクトの内部に配置された伝熱管と、前記ダクト内で前記伝熱管よりも前記排ガスの流れ方向上流側に配置された整流体とを備え、前記排ガスを前記整流体によって整流して前記伝熱管へ導く排熱回収ボイラにおいて、前記整流体は、前記ダクトの天井からサポート部材を介して吊り下げられる構造からなることを特徴とする。

本発明の排熱回収ボイラによれば、排ガスを整流して伝熱管に導く整流体の損傷や剥離を抑制することができる。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。

複合発電プラントの概略系統を示す説明図である。 排熱回収ボイラの外観斜視図である。 排熱回収ボイラの入口部分の内部構造を示す側面図である。 排熱回収ボイラに配置された整流体の支持構造を示す正面図である。 整流体の支持構造を示す平面図である。 図５に示す規制部材の詳細図である。 図６のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図６のＢ－Ｂ線に沿う断面図である。 図６のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図１～図９を参照しつつ説明する。

図１は、複合発電プラントの概略系統を示す説明図である。図１に示すように、ガスタービン１からの高温高速の排ガス１１は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）２のダクト１２内に設置された過熱器３、蒸発器４、節炭器７の順に接触して熱交換される。

復水器１５の水Ｗは、給水ポンプ１７により節炭器７に送られ、熱交換により加熱された後、蒸気ドラム８に送られる。蒸気ドラム８内の飽和水は、蒸発器４での熱交換により一部が飽和蒸気に変換され、蒸気ドラム８に戻り汽水分離される。汽水分離された飽和蒸気は、過熱器３での熱交換により過熱蒸気となり、蒸気タービン１４へと送られる。蒸気タービン１４で発電に寄与した蒸気は、復水器１５で水に戻され、再び排熱回収ボイラ２へと送られる。

図２は、排熱回収ボイラ２の外観斜視図であり、内部構造が見えるようにダクト１２の一部を破断して示してある。図３は、排熱回収ボイラ２の入口部分の内部構造を示す側面図である。

排熱回収ボイラ２のダクト１２はガスタービン１からの排ガス１１を排熱回収ボイラ２へ導く流路であり、図２と図３に示すように、ダクト１２の入口部分の形状は、排ガス１１の流れ方向に沿って流路断面積が大きくなる末広がりの形状となっている。ダクト１２は架構２４を介して地面２５に支持されており、ダクト１２内に流入した排ガス１１は伝熱管パネル２７で熱吸収され、比較的低温になったガスが煙突２６からダクト１２の外部に排出される。

伝熱管パネル２７は上下の各ヘッダ２８間に多数の伝熱管２９を接続したものであり、排ガス１１からの熱を吸収し易くするために、伝熱管２９にはフィン付き伝熱管が使用されている。ここで、ダクト１２内を流れる排ガス１１は、ガスタービン１から排出された時点で旋回流であることや、ダクト１２形状の影響を受けて偏流が生じているため、伝熱管パネル２７の上流側に整流体３０を近接配置し、偏流が生じた排ガス１１を整流体３０で整流させてから伝熱管パネル２７に導くようにしている。

図４は整流体３０の支持構造を示す正面図、図５は整流体３０の支持構造を示す平面図である。なお、以下の説明では、排ガス１１の流れ方向を前後方向、排ガス１１の流れに対して直交する面内での水平方向を左右方向として定義する。

図４と図５に示すように、整流体３０は、複数の貫通孔が形成された平板状や網状物からなる多孔板３１と、多孔板３１を排ガス１１の流れ方向下流側から支持する支持体３２とで構成されており、多孔板３１と支持体３２との間には所定寸法の隙間Ｓが確保されている。多孔板３１は格子状に配置された複数枚（例えば１６枚）の集合体からなり、各多孔板３１の周縁部は格子状のフレーム３３に固定されている。そして、このフレーム３３を複数のスペーサ部材３４を用いて支持体３２に取り付けることにより、多孔板３１と支持体３２との間に前記隙間Ｓが前後方向に沿って確保されている。

整流体３０は、配置位置における排ガス流路の断面を流れる排ガス１１の最大流速部分を整流する位置に配置されており、本実施形態の場合、複数枚の多孔板３１の中心部が排ガス１１の最大流速部分に位置するように配置されている。ここで、排ガス１１は最大流速部分から離れるに従って流速が低下する旋回流であるため、排ガス１１の最大流速部分に配置された多孔板３１の孔径が、排ガス１１の最大流速部分よりも外側の領域に配置された多孔板３１の孔径よりも小さく設定されている。具体的には、図４に示される１６枚の多孔板３１のうち、中央部に位置する４枚は孔径の小さい多孔板３１となっており、これらを包囲する残り４枚がそれよりも孔径の大きい多孔板３１となっている。

支持体３２は、角パイプやＨ型鋼等の型鋼を枠組みした構造物であり、その左右方向の幅寸法は多孔板３１のフレーム３３とほぼ同じであるが、上下方向の高さ寸法はフレーム３３よりも大きいものとなっている。フレーム３３の複数箇所はリンク部材等からなるスペーサ部材３４を用いて支持体３２に取り付けられており、これらスペーサ部材３４によって多孔板３１と支持体３２との間に隙間Ｓが確保されている。ここで、整流体３０は高温の排ガス１１の流れ方向に対して直交配置されている構造上、多孔板３１の表裏両面の温度差に起因して多孔板３１とフレーム３３の全体に反りが発生するが、多孔板３１と支持体３２との間に隙間Ｓが確保されているため、多孔板３１の反りは隙間Ｓで吸収され、支持体３２に多孔板３１の反りに伴う外力が直接作用しないようになっている。

支持体３２は、複数本のサポート部材３５を用いてダクト１２の天井から吊り下げられており、支持体３２の下端はダクト１２の底面から浮いている。このように支持体３２が吊り下げ構造になっているため、排ガス１１の熱による支持体３２の上下方向の伸縮は拘束されず、支持体３２にクリープ座屈が発生しないようになっている。また、ダクト１２の底部には、支持体３２の下端部と当接可能な複数の係合突起３６が設けられており、これら係合突起３６は支持体３２の下端部を前後方向から挟むように配置されている（図３参照）。したがって、吊り下げ構造とした支持体３２の自由端（下端側）は、係合突起３６と当接することによって、排ガス１１の流れ方向である前後方向への動き（揺れ）が規制されている。

ダクト１２の両側壁には複数の規制部材３７が設けられており、これら規制部材３７により、支持体３２は、左右方向（幅方向）の動きと前後方向の動きがそれぞれ規制されている。図６は規制部材３７を平面方向から見た詳細図、図７は図６のＡ－Ａ線に沿う断面図、図８は図６のＢ－Ｂ線に沿う断面図、図９は図６のＣ－Ｃ線に沿う断面図である。

図６～図９に示すように、規制部材３７は、一対の筋交い３７ａにより補強された梁状の部材であり、ダクト１２の側壁に固定されて水平方向へ延びている。規制部材３７の先端部にはブロック体３８が固定されており、このブロック体３８が有する規制空間３８ａの内部に支持体３２の上下方向に延びる鉛直フレーム部３２ａが挿入されている。支持体３２の鉛直フレーム部３２ａは、ブロック体３８によって前後方向へ移動しないように位置規制されているが、左右方向については規制空間３８ａ内に存するクリアランスδｃの相当分だけ移動可能となっている。すなわち、規制部材３７は、吊り下げ構造とした支持体３２の上下方向の伸縮を許容しつつ、支持体３２が排ガス１１からの風力を受けて前後方向に振動しないように規制すると共に、支持体３２が地震荷重を受けて左右方向へ大きく移動しないように規制している。

以上説明したように、本実施形態に係る排熱回収ボイラ２では、ガスタービン１からの排ガス１１が導かれるダクト１２の内部において、伝熱管２９よりも排ガス１１の流れ方向上流側の近傍位置に整流体３０が配置されており、この整流体３０が、排ガス１１からの応力を受ける多孔板３１と、多孔板３１を後方から支持する支持体３２とで構成されていると共に、この支持体３２がサポート部材３５を用いてダクト１２の天井から吊り下げられた構造となっているため、支持体３２が排ガス１１の熱により伸縮動作した場合でも、支持体３２は上下方向の動きを拘束されることなく自由に伸縮することができる。したがって、整流体３０が高温の排ガス１１雰囲気に長時間晒された場合でも、支持体３２にクリープ座屈に伴う変形は発生しなくなり、多孔板３１を支持体３２で安定的に支持して、多孔板３１の損傷や剥離を防止することができる。

しかも、本実施形態では、ダクト１２の底部に支持体３２の下端部と当接可能な複数の係合突起３６が設けられており、これら係合突起３６によって支持体３２の下端部を前後方向から挟み込んでいるため、支持体３２を吊り下げ構造とした上で、支持体３２の自由端（下端側）が排ガス１１からの風圧を受けて前後方向へ振れてしまうことを防止できる。

また、本実施形態では、多孔板３１が支持体３２に直接取り付けられておらず、多孔板３１と支持体３２との間に所定寸法の隙間Ｓが確保されているため、多孔板３１が表面と裏面の温度差に起因して湾曲状に反った場合でも、かかる多孔板３１の反りを隙間Ｓで吸収することができる。したがって、支持体３２に多孔板３１の反りに伴う外力が直接作用しなくなり、この点からも多孔板３１の損傷や剥離を防止することができる。

また、本実施形態では、複数の多孔板３１の周縁部を格子状のフレーム３３に固定して一体化し、このフレーム３３がスペーサ部材３４を介して支持体３２に取り付けられているため、多孔板３１と支持体３２との間に一定間隔の隙間Ｓを容易に確保することができる。しかも、排ガス１１の最大流速部分に配置された中心部の多孔板３１の孔径が、排ガス１１の最大流速部分よりも外側の領域に配置された多孔板３１の孔径よりも小さく設定されているため、排ガス１１の旋回流を効率良く整流することができる。なお、排ガス流路の断面中心部は必ずしも排ガス１１の最大流速部分になるとは限らず、例えば、排ガス１１の最大流速部分が整流体３０中心から偏倚した部位となる場合は、当該部位に配置される多孔板３１の孔径を最小とし、その周囲に配置される多孔板３１の孔径をそれよりも大きくすれば良い。

また、本実施形態では、ダクト１２の両側壁に複数の規制部材３７が設けられており、これら規制部材３７によって、支持体３２の左右方向（幅方向）の動きと前後方向の動きが規制されているため、吊り下げ構造とした支持体３２の上下方向の伸縮を許容しつつ、支持体３２が排ガス１１からの風力を受けて前後方向に振れてしまうことを防止できると共に、支持体３２が地震荷重を受けて左右方向へ大きく振れてしまうことを防止できる。

なお、上記した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。

例えば、整流体３０が多孔板３１を支持体３２で支持する構造とした上で、この支持体３２をサポート部材３５によりダクト１２の天井から吊り下げるようにすれば、隙間Ｓを省略して多孔板３１を支持体３２に直接取り付けたとしても、多孔板３１の損傷や剥離を防止することができる。それとは逆に、多孔板３１と支持体３２との間に隙間Ｓが確保されていれば、必ずしも支持体３２が吊り下げ構造となっていなくても、多孔板３１の損傷や剥離を防止することができる。ただし、多孔板３１の損傷や剥離をより確実に防止するためには、支持体３２を吊り下げ構造とした上で、多孔板３１と支持体３２との間に隙間Ｓを確保することが好ましい。

１ ガスタービン
２ 排熱回収ボイラ
１１ 排ガス
１２ ダクト
２７ 伝熱管パネル
２９ 伝熱管
３０ 整流体
３１ 多孔板
３２ 支持体
３３ フレーム
３４ スペーサ部材
３５ サポート部材
３６ 係合突起
３７ 規制部材
Ｓ 隙間

Claims (8)

1. ガスタービンからの排ガスが導かれるダクトと、前記ダクトの内部に配置された伝熱管と、前記ダクト内で前記伝熱管よりも前記排ガスの流れ方向上流側に配置された整流体とを備え、前記排ガスを前記整流体によって整流して前記伝熱管へ導く排熱回収ボイラにおいて、 前記整流体は、前記ダクトの天井からサポート部材を介して吊り下げられる構造からなり、 前記整流体は、前記サポート部材により吊り下げられた支持体と、前記支持体よりも前記排ガスの流れ方向上流側に配置された多孔板とを有してなる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、 前記多孔板は前記支持体に隙間を介して取り付けられていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
3. 請求項２に記載の排熱回収ボイラにおいて、 前記整流体は複数の前記多孔板を有し、 前記各多孔板の周縁部は格子状のフレームに固定されており、前記フレームがスペーサ部材を介して前記支持体に取り付けられていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
4. 請求項２に記載の排熱回収ボイラにおいて、 前記排ガスの最大流速部分に配置された前記多孔板の孔径が、前記排ガスの最大流速部分よりも外側の領域に配置された前記多孔板の孔径よりも小さく設定されていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
5. 請求項２に記載の排熱回収ボイラにおいて、 前記支持体の幅方向の動きを規制する規制部材が前記ダクトの側壁に設けられていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
6. 請求項５に記載の排熱回収ボイラにおいて、 前記規制部材は、前記排ガスの流れ方向に沿う前記支持体の動きも規制していることを特徴とする排熱回収ボイラ。
7. 請求項２または５に記載の排熱回収ボイラにおいて、 前記ダクトの底部に前記支持体の下端部と当接可能な係合突起が設けられており、前記係合突起は、前記支持体の下端部を前記排ガスの流れ方向に挟むように配置されていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の排熱回収ボイラにおいて、 前記整流体は複数の前記多孔板を有し、 複数の前記多孔板は、前記排ガスの流れ方向と直交する面内を複数の領域に区画するように格子状に配置されていることを特徴とする排熱回収ボイラ。

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