JPH06257703A - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 起動時あるいは低負荷時における節炭器での
スチーミングあるいは節炭器出口と蒸気ドラムとを結ぶ
給水連絡管に設置された給水調節弁の出口でのフラッシ
ングにより発生した蒸気を含む給水がそのまま蒸気ドラ
ムに流入してもドラム水位制御上あるいは構造強度上の
問題を生じる虞れがない排熱回収ボイラを提供する。 【構成】 給水内管３２の上半部に口径の小さい小孔３
９を管軸方向に沿って多数穿ち、一方、下半部に口径が
小孔３９より大きい透孔４０を複数穿設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン等の排ガ
スにより蒸気を発生する排熱回収ボイラに係り、特に給
水中に蒸気泡が含まれた状態で蒸気ドラムに導かれると
き、ドラム水位制御上あるいは構造強度上の不具合を生
じない排熱回収ボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンと蒸気タービンとを組み合
わせたコンバインドサイクル発電プラントは、ガスター
ビンからの 500〜 600℃程度の排ガスを排熱回収ボイラ
に取入れ、その高温排ガスの持つエネルギーを伝熱管内
を流れる水あるいは蒸気に吸収し、発生した蒸気で蒸気
タービンを駆動することにより、プラント全体の熱効率
を向上させるものである。

【０００３】このようなコンバインドサイクル発電プラ
ントで使用される排熱回収ボイラの構成を図７を参照し
て説明する。図７は２つの異なった圧力レベルの蒸気を
発生する排熱回収ボイラの構成の一例である。

【０００４】図７において、ガスタービン（図示せず）
からの排ガスは、排熱回収ボイラ１内に設置された高圧
過熱器２、高圧蒸発器３、高圧節炭器４、低圧蒸発器
５、低圧節炭器６を順次経て熱交換した後に、煙突（図
示せず）より大気に放出される。

【０００５】一方、蒸気タービン（図示せず）で仕事を
した蒸気は復水器（図示せず）で冷却されて復水とな
り、復水器ホットウエル（図示せず）に貯えられる。こ
の復水は復水ポンプ（図示せず）でホットウエルから抽
出され、低圧給水管７を介して低圧節炭器６に供給され
る。低圧節炭器６では既に他の熱交換器での熱交換で低
温になった排ガスとの熱交換で給水を加熱する。低圧節
炭器６で加熱された給水は、低圧連絡管８および低圧給
水調節弁９を介して低圧蒸気ドラム１０へ供給される。
低圧蒸気ドラム１０に供給された給水は缶水と共に低圧
蒸発器５に導入され、ここで排ガスとの熱交換を行い、
蒸気を発生した後に低圧蒸気ドラム１０に戻る。ここで
発生した蒸気は低圧蒸気ドラム１０で湿分を除去された
後、低圧主蒸気管１１を介して蒸気タービン（図示せ
ず）の低圧段落へ供給される。

【０００６】また、低圧節炭器６出口において給水の一
部は、低圧連絡管８から分岐した高圧給水ポンプ吸込管
１２を介して高圧給水ポンプ１３に導かれ、ここで昇圧
された後、高圧給水管１４を介して高圧節炭器４へ供給
される。高圧節炭器４で排ガスと熱交換し、昇温した給
水は高圧連絡管１５および高圧給水調節弁１６を介して
高圧蒸気ドラム１７に供給される。高圧蒸気ドラム１７
に供給された給水は、缶水と共に高圧蒸発器３に導入さ
れ、排ガスとの熱交換を行い、蒸気を発生した後に高圧
蒸気ドラム１７に戻る。ここで発生した蒸気は高圧蒸気
ドラム１７で湿分を除去された後、高圧蒸気連絡管１８
を介して高圧過熱器２に供給され、排ガスと熱交換して
過熱蒸気となり、高圧主蒸気管１９を経て蒸気タービン
（図示せず）の高圧段落へ供給される。

【０００７】次に、上述したような排熱回収ボイラにお
いて従来使用されている蒸気ドラムの構造の一例を図８
を参照して説明する。節炭器（図示せず）を出た給水
は、給水調節弁（図示せず）を経て給水入口３１より蒸
気ドラム３０内部に導入される。蒸気ドラム３０内部に
流入した給水は給水内管３２に導かれ、この給水内管３
２の軸方向に設けられた多数の給水噴出孔３３より缶水
中に注入される。蒸気ドラム３０の下部に溜まっている
缶水は、降水管出口３４より出て降水管（図示せず）を
経て蒸発器（図示せず）へ導かれる。蒸発器へ導かれた
缶水は、伝熱管外部を流れる排ガスとの熱交換によりそ
の一部が蒸発し、気水混合流となり、上昇管（図示せ
ず）を経て上昇管入口３５より再び蒸気ドラム３０内に
流入する。蒸気ドラム３０内に戻ったこの気水混合流
は、サイクロンセパレータ３６に導かれ、ここで大まか
に蒸気と水とに分離され、分離された水は缶水に流入す
る。一方、サイクロンセパレータ３６で分離された蒸気
は、蒸気ドラム３０の気相部を通って含まれている水滴
の一部をさらに分離した後、シェブロンスクラバ３７に
導入される。シェブロンスクラバ３７に流入した蒸気は
その中に含んでいる大部分の湿分を除去された後、蒸気
出口３８より出て、過熱器あるいは蒸気タービンへ導か
れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般に、このような排
熱回収ボイラでは、起動時や低負荷時に節炭器内を流れ
る給水の温度が給水の圧力に対応する飽和温度に達し
て、給水の一部が蒸発するスチーミングが発生すること
が知られている。このスチーミングが生じた場合、節炭
器内の流動が不安定になったり、発生した蒸気泡が蒸気
ドラムの缶水中に導入されて缶水の水位を乱し、ドラム
の水位制御の安定性を阻害する等の問題を引き起こす。
また、蒸気ドラム内の低温の水に冷却された蒸気が急速
に凝縮し、ウォーターハンマ現象が発生する。このため
上記制御上の問題に加えて構造強度上の問題も発生す
る。

【０００９】このような節炭器におけるスチーミングの
発生を防止する方法として、例えば特公平3-30764 号公
報においては、節炭器４、６出口と蒸気ドラム１７、１
０とを結ぶ給水連絡管１５、８の途上に給水調節弁１
６、９を設置し、この給水調節弁１６、９における圧力
損失分だけ節炭器４、６内流体の圧力を蒸気ドラム１
７、１０内圧力より高く保つことにより節炭器４、６に
おけるスチーミングの発生を防止する方法を提案してい
る（図７参照）。この方法によれば、節炭器４、６での
スチーミングの発生を防止することができ、節炭器４、
６内の流動不安定を防止することができる。しかし、給
水調節弁１６、９出口では、給水圧力は蒸気ドラム１
７、１０内圧力に戻り、さらに給水調節弁１６、９出口
直後では一時的により圧力が低下するため、ここで給水
がフラッシュし、発生した蒸気が蒸気ドラム１７、１０
内に流入する危険性は解消されず、上述した蒸気ドラム
の水位制御上および構造強度上の問題は残る。

【００１０】こうした節炭器内での給水のスチーミング
あるいは給水調節弁出口でのフラッシングにより発生し
た蒸気を含んだ給水を受け入れても、蒸気ドラム内で水
位制御上および構造強度上の問題を生じない方法として
は、特公平3-53521 号公報において、蒸気ドラム内に給
水専用の気水分離装置を設置して、ここで給水中の蒸気
を分離する方法が提案されている。しかし、この方法に
おいては、給水量は通常、蒸発器の循環水量の 10%以下
と圧倒的に少ないことから設置される気水分離装置の個
数は少なく、したがって、設置場所も偏ってしまう。こ
のため、若干温度の低い給水と缶水との混合が十分に行
われないまま、降水管に流入することになり、蒸発器に
供給される給水温度が不均一になって発生蒸気量も一様
でなくなり、上昇管出口に設置された気水分離装置の一
部が過負荷となり、湿分分離効率が低下する虞れがあ
る。また、缶水温度も一様でないことから蒸気ドラム胴
のメタル温度に分布が生じ、熱応力が生じる可能性があ
る。また、給水専用の気水分離装置を設置することによ
り蒸気ドラム内での水位変動の吸収に有効な内容積が減
少するため、蒸気ドラム内径あるいは長さを大きくして
有効な内容積を確保する必要が生じる。

【００１１】したがって、本発明の目的は起動時あるい
は低負荷時における節炭器内でのスチーミングあるいは
節炭器出口と蒸気ドラムとを結ぶ給水連絡管に設置され
た給水調節弁の出口でのフラッシングにより発生した蒸
気を含む給水がそのまま蒸気ドラムに流入してもドラム
水位制御上あるいは構造強度上の問題を生じる虞れがな
く、安定した運転を長期にわたり保持可能にした排熱回
収ボイラを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、排ガスの流動域内にあって給水を排ガスと
熱交換させて加熱する節炭器と、排ガスの流動域外で前
記節炭器から給水連絡管を通して送られる給水を貯える
蒸気ドラムとを備えてなる排熱回収ボイラにおいて、前
記節炭器から前記給水連絡管を経て前記蒸気ドラム内部
に流入する給水を前記蒸気ドラム内に均一に分配する給
水内管の上半部に口径の小さい多数の小孔を、また、下
半部に口径がその小孔より大きい複数の透孔を設けたこ
とを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】本発明の理解を容易にするため、まず、蒸気／
水の混合二相流の水平管内における流動様式について説
明する。蒸気と水の混合二相流体が水平管内を流動する
際の流動様式には多様な形態が存在することはこれまで
の多くの研究により周知となっている。この流動状態は
蒸気と水の流量割合や運転圧力、流量により変化する
が、これらのパラメータと流動状態とを関係付けたもの
としては図３に示したベーカー線図が有名である。図３
では横軸は水の流量の蒸気流量に対する比と無次元パラ
メータの積を、縦軸は蒸気流量と無次元パラメータの積
を表している。この図では水平円管内を流れる流体の、
液相流量が多くなる程右側に、また、蒸気流量が多くな
るほど上方にプロットされる。

【００１４】通常、排熱回収ボイラの起動時の部分負荷
運転状態では、給水流量も少なく、また、発生蒸気量も
少ないので運転状態での流動状態は図３の左下の成層流
の領域になる。成層流という流動様式を模式的に図示す
ると図４のようになる。すなわち、水平配管内の二相流
の流動は上方を蒸気が流れ、下部を給水が流れるといっ
たように分離して流動する形態となる。一方、蒸気ドラ
ムの給水内管は蒸気ドラムの長手軸方向に長いので、こ
の気液分離は必ず実現することになる。

【００１５】したがって、給水を蒸気ドラム内に均一に
分配する給水内管の上半部に多数の口径の小さい小孔を
設け、一方、下半部にそれよりも口径の大きい透孔を設
けたものにおいては小孔を通って給水中の蒸気が流出
し、一方、透孔を通って給水が流出する。これにより、
缶水中に蒸気泡が流入することにより引き起こされる水
位制御上および構造強度上の問題を解消することができ
る。

【００１６】しかも、上記小孔および透孔を有する給水
内管を蒸気ドラムの長手方向に十分長くすることにより
缶水温度分布の不均一に起因する上昇管出口部の気水分
離装置の湿分分離効率の低下や蒸気ドラム胴の熱応力の
発生等の問題も併せて解消することができる。また、給
水専用の気水分離装置を設置する場合に比べて、より内
径あるいは長さの小さな蒸気ドラムでも水位制御に必要
な容量を確保することが可能である。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。図１は本発明の一実施例である蒸気ドラムの横
断面を、また、図２は同じく縦断面を示している。な
お、これらの図において図８に示された構成と同じもの
については同一の符号を付し、説明を省略する。

【００１８】図１および図２において、蒸気ドラム３０
の長手方向に沿って給水内管３２が延びている。この給
水内管３２には下半部および上半部を管軸方向に複数の
透孔が穿設されている。これらの透孔は、上半部に設け
られた小孔３９は口径の小さいもので、一方、下半部に
設けられた透孔４０は口径が小孔３９よりも大きくなっ
ている。また、給水内管３２の設置位置はその中心高さ
が蒸気ドラム３０の標準水位と等しく設置されるのが好
ましい。次に、上記のように構成した蒸気ドラム３０の
作用を説明する。

【００１９】先に説明した通り、節炭器でのスチーミン
グあるいは給水調節弁出口でのフラッシングにより発生
した蒸気を含んだ給水をそのまま蒸気ドラム３０内に導
入した場合、従来技術のように給水内管３２が没水して
いると蒸気泡が水中に流入するため、急速な凝縮による
ウォータハンマや水位制御の不安定状態が発生する。こ
こで、本実施例においては給水内管３２の上半部に口径
の小さい多数の小孔３９が穿たれており、給水中の蒸気
がこの小孔３９を通って流出する。一方、下半部には小
孔３９よりも口径の大きい複数の透孔４０が穿たれてお
り、そこを通って給水が流出する。このとき、給水内管
３２の上半部にある小孔３９から流出する蒸気は蒸気ド
ラム３０の標準水位の上方の空間、すなわち、気相部に
流出する。

【００２０】このように本実施例によれば、上半部に多
数の口径の小さい小孔３９、下半部に複数のより口径の
大きい透孔４０を設けた給水内管３２を蒸気ドラム３０
の標準水位近傍に設置したので、スチーミングやフラッ
シングにより発生した蒸気を含んだ給水が蒸気ドラム３
０内に導入された場合でも缶水中に蒸気が流入すること
がなく、水面を乱すことによる水位制御の不安定を防止
でき、また、缶水中に放出された蒸気の急激な凝縮によ
るウォータハンマおよびこれに伴う構造強度上の問題も
防止することができる。

【００２１】また、本実施例は本来蒸気ドラム３０内に
設置される給水内管３２の構造に係わるものであり、給
水中の蒸気を分離するための専用の気水分離装置等を新
たに設置する必要がないことから、起動時等における水
位変動を吸収するのに有効な内容積が上記構成を用いる
前と比べて変わらないため、蒸気ドラム３０の内径ある
いは長さを大きくする必要がないという二次的な効果を
有している。本発明の他の実施例を図５を参照して説明
する。なお、図１および図８に示された構成と同じもの
については同一の符号を付し、説明を省略する。本実施
例の蒸気ドラム３０は給水内管３２の上方にバッフル４
１を設けている。

【００２２】スチーミングやフラッシングにより発生し
た蒸気を含んだ給水が流入した場合、上述のように給水
内管３２内は蒸気が上方を、水が下方を流れる成層流状
態となり、給水内管３２上部の小孔３９からは蒸気が吹
き出す。一方、定格運転時などスチーミングやフラッシ
ングが生じない場合には蒸気ドラム３０に流入する給水
は水の単相流であり、給水内管３２上部の小孔３９から
は給水が吹き出すと考えられる。バッフル４１がない場
合、吹き出した給水の一部がシェブロンスクラバ３７に
流入する蒸気流が巻き込まれ、蒸気ドラム出口蒸気の乾
き度の低下およびキャリーオーバを発生することが考え
られる。しかし、給水内管３２上方にバッフル４１を設
置することで、吹き出す給水の流動方向が変わり、吹き
出した給水がシェブロンスクラバ３７に流入する蒸気流
に巻き込まれるのを防止することができる。

【００２３】したがって、本実施例によれば、上記実施
例と同様、スチーミングやフラッシングにより発生した
蒸気を含んだ給水が蒸気ドラム３０内に導入された場合
でも缶水中に蒸気が流入しないので、蒸気が水面を乱す
ことによる水位制御の不安定を防止することができ、ま
た、缶水中に放出された蒸気の急激な凝縮によるウォー
タハンマおよびこれに伴う構造強度上の問題も防止する
ことができる。さらに通常運転中等、給水中に蒸気が含
まれない場合に給水内管３２上半部の小孔３９から吹き
出した給水をシェブロンスクラバ３７に流入する蒸気が
巻き込むことから起こされる蒸気ドラム出口での蒸気の
乾き度の低下およびキャリオーバの発生を防止すること
ができる。

【００２４】さらに、上記実施例と異なる他の実施例を
図６を参照して説明する。なお、図１および図８に示さ
れた構成と同じものについては同一の符号を付し、説明
を省略する。本実施例の蒸気ドラムでは給水入口３１出
口にレデューサ４２を介して給水内管３２を接続してお
り、給水内管３２により大口径の配管として構成され
る。

【００２５】スチーミングやフラッシングにより発生し
た蒸気を含んだ給水が流入した場合、上述のように給水
内管３２内は蒸気が上方を、水が下方を流れる成層流状
態となって流れるが、この気相と液相の分離は流速が遅
いほど完全なものとなる。本実施例では給水内管３２に
より大口径の配管を採用することにより給水内管３２内
での給水の流速を下げている。これにより蒸気と給水の
分離を促進させ、缶水中へ吹き出す給水中に蒸気が混入
することをより効果的に防止することができる。本実施
例によれば、スチーミングやフラッシングにより発生し
た蒸気を含んだ給水が蒸気ドラム３０内に導入された場
合でも缶水中に蒸気が流入するのを初めに述べた実施例
と比べてより効果的に防止することができる。このた
め、蒸気が水面を乱すことによる水位制御の不安定を防
止することができ、また、缶水中に放出された蒸気の急
激な凝縮によるウォータハンマおよびこれに伴う構造強
度上の問題もなくすことができる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように本発明による排熱回収
ボイラは、蒸気ドラム内に設置される給水内管の上半部
に口径の小さい小孔を、下半部にその小孔より口径の大
きい透孔を設けているので、起動時や低負荷運転時等に
節炭器内でスチーミングか生じ、あるいは給水調節弁出
口での給水のフラッシングが起こる場合も給水中の蒸気
が缶水中に注入されず、気相部に逃がすことができる。
したがって、安定した水位制御が可能であり、かつ、ウ
ォータハンマによる構造強度上の問題の発生を防止する
ことが可能であって、安定した運転を長期にわたり保持
できるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る排熱回収ボイラの蒸気ドラムの横
断面図。

【図２】図１に示された蒸気ドラムの縦断面図。

【図３】水平管内の混合二相流の流動様式を判定するた
めのベーカー線図。

【図４】水平管内の混合二相流の流動様式を示す模式
図。

【図５】本発明の他の実施例を示す横断面図。

【図６】本発明の他の実施例を示す縦断面図。

【図７】従来の排熱回収ボイラの一例を示す構成図。

【図８】従来技術による排熱回収ボイラの蒸気ドラムの
横断面図。

【符号の説明】

１………排熱回収ボイラ ２………高圧過熱器 ３………高圧蒸発器 ４………高圧節炭器 ５………低圧蒸発器 ６………低圧節炭器 ７………低圧給水管 ８………低圧給水連絡管 １０………低圧蒸気ドラム １３………高圧給水ポンプ １４………高圧給水管 １５………高圧給水連絡管 １７………高圧蒸気ドラム ３０………蒸気ドラム ３２………給水内管 ３９………小孔 ４０………透孔 ４１………バッフル ４２………レデューサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排ガスの流動域内にあって給水を排ガス
   と熱交換させて加熱する節炭器と、排ガスの流動域外で
   前記節炭器から給水連絡管を通して送られる給水を貯え
   る蒸気ドラムとを備えてなる排熱回収ボイラにおいて、
   前記節炭器から前記給水連絡管を経て前記蒸気ドラム内
   部に流入する給水を前記蒸気ドラム内に均一に分配する
   給水内管の上半部に口径の小さい多数の小孔を、また、
   下半部に口径がその小孔より大きい複数の透孔を設けた
   ことを特徴とする排熱回収ボイラ。