JPH11287402A - 排熱回収ボイラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 伝熱パネル内の伝熱管の本数が増加しても、
管内流速が大きくでき、熱回収率が高く維持できる排熱
回収ボイラを提供する。 【解決手段】 排ガス通路６内に配置した過熱器１０、
再熱器２９、蒸発器８および節炭器７などの熱交換器の
うち、前記蒸発器を除く少なくとも１つの熱交換器は、
多数の伝熱管２２が排ガス通路６の幅方向に配置され、
その伝熱管２２の両端にはヘッダが接続された伝熱パネ
ル１８から構成された排熱回収ボイラにおいて、伝熱パ
ネル１８の少なくとも一部は、伝熱管２２を排ガス通路
の幅方向に分割すると共に、伝熱管２２の一端に接続さ
れるヘッダとして、隙間を介して分離した別管体からな
る入口ヘッダ１９と出口ヘッダ２０を、前記分割した伝
熱管２２にそれぞれ接続して設け、他端に接続されるヘ
ッダとして中間ヘッダ２５を全伝熱管に接続して設けた
構成になっていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排熱回収ボイラに
係り、特に過熱器、再熱器および節炭器などに用いられ
る伝熱パネルの構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、高効率発電の一環として、コンバ
インドサイクルプラントが注目されている。このコンバ
インドサイクルプラントは、まずガスタービンによる発
電を行ない、そのガスタービンから排出される排ガス中
の保有熱を排熱回収ボイラによつて熱回収し、さらにこ
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、両方のタービンで発電するものである。

【０００３】図５は、従来のコンバインドサイクルプラ
ントの概略構成図である。同図において、空気供給管１
からの空気Ａと燃料供給管２からの燃料Ｆを燃焼器３で
混合して燃焼させ、その燃焼ガスでガスタービン４を回
転させて、ガスタービン４による発電を行なう。

【０００４】このガスタービン４から排出された排ガス
Ｇは、排熱回収ボイラの排ガス通路６へ導入される。こ
の排ガス通路６には下流側から上流側に向けて節炭器
７、蒸発器８、ドラム９および過熱器１０がそれぞれ配
置されている。又、近年、ガスタービン排ガス温度の高
温化に伴い、蒸発器８と過熱器１０との間に再熱器２９
が配置される場合もある。

【０００５】一方、被加熱流体である給水ＷＦは給水ポ
ンプ１１より給水管１２を経て節炭器７に供給され、こ
れで所定の温度まで予熱された後、ドラム９に供給され
る。ドラム９に供給された給水ＷＦは、ドラム９の降水
管１３を経て蒸発器８、ドラム９の順で自然循環または
強制循環され、その間に加熱されてドラム９内で水と蒸
気に分離される。水は再び降水管１３、蒸発器８および
ドラム９へと再循環されるが、蒸気は過熱器１０へ送ら
れ、ここでさらに昇温された後、主蒸気管１４より蒸気
タービン１５へ供給され、蒸気タービン１５によって発
電を行なう。前記再熱器２９がある場合には、蒸気ター
ビン１５からの蒸気を再熱器２９に送ってそこで蒸気を
過熱し、その過熱蒸気を再び蒸気タービン１５へ送って
発電する。なお、図中の１６は発電機、１７は復水器で
ある。

【０００６】図６は前記節炭器７、再熱器２９および過
熱器１０などに使用されている伝熱パネルの斜視図であ
る。この伝熱パネル１８は同図に示すように、入口下部
ヘッダ１９から導入された水又は蒸気は、多数並設され
た伝熱管２２にて加熱されながら下方から上方へ流れて
出口上部ヘッダ２０により取り出され、連絡管２１を経
由して次の伝熱パネル１８へと移動する。

【０００７】このように従来の伝熱パネル１８では、入
口下部ヘッダ１９からの被加熱流体は伝熱管２２を下か
ら上への一方向のみ流れ、出口上部ヘッダ２０から連絡
管２１を経て、次の伝熱パネル１８へと流れる仕組みに
なっている。

【０００８】図１０も従来の排熱回収ボイラの概略構成
図である。同図に示すように排ガスＧの流れ方向上流側
より過熱器４１、蒸発器４２ならびに節炭器４３が順次
配置されている。給水ポンプ（図示せず）から送られて
きた水は節炭器４３の入口に導入され、節炭器４３内で
上昇、下降を繰り返しながら熱吸収され、流量調整弁４
４を通ってドラム４５へ導かれる。

【０００９】導入された水はドラム４５内で缶水と混合
され、蒸発器４２にて飽和蒸気となって過熱器４１に導
かれ、高温に過熱された後に蒸気タービン（図示せず）
に供給される。

【００１０】この排熱回収ボイラにおいて、排ガスの熱
量が低下すると蒸発量が少なくなるため、節炭器４３の
入口側に配置されている給水流量調整弁４６で給水流量
を調整するようになっている。このとき、給水ポンプの
特性から節炭器４３の内圧は、負荷が低下しても高く維
持されるようになっており、それによって節炭器４３内
でのスチーミングを防止している。特に変圧運転を行な
う場合、過熱器４１や蒸発器４２においては飽和蒸気温
度が低下することになるため、この方法によって節炭器
４３の内圧を高く維持することはスチーミング防止に有
効である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述した伝熱パネル１
８における伝熱管２２の管内熱伝達率は、ほぼ管内流速
の０．８乗に比例するため、流速が速いほど熱回収率は
良くなり、反対に管内流速が遅いほど熱回収率は悪い。

【００１２】ところで最近、現地での据付期間を短縮す
るため、排熱回収ボイラ５を工場で図７に示すように排
熱回収ボイラモジュール２３にする傾向にある。この場
合同図に示す如く、排熱回収ボイラモジュール２３の下
に、輸送用重機２４（例えばドーリーなど）を入れて、
排熱回収ボイラモジュール２３をそのままの状態で建設
現地まで輸送する方式が採られている。そのため排熱回
収ボイラ５の横幅Ｌ１は輸送用重機２４を入れる関係
上、輸送用重機２４の横幅Ｌ２よりも広くなり、排熱回
収ボイラをモジュール化しない場合の横幅Ｌ３よりもか
なり広い。

【００１３】そのため必然的に伝熱パネル１８の伝熱管
本数も多くなる。従って個々の管内流速が低下し、十分
な熱回収が行なわれない。これを補うためにはバネル数
を増加する必要があり、それに伴って重量が増加したり
大型化したり、不経済であるなどの問題を有している。

【００１４】これらの問題を解決するため、図８に示す
ような伝熱パネル１８が提案されている（実開昭６２−
１２５８０７号公報）。この伝熱パネル１８は、伝熱管
２２の両端に配置されるヘッダ１９ならびにヘッダ２０
をそれぞれ複数に分割して分割パネルを作り、各分割パ
ネルをパネル連絡管２１で接続する構造になっている。
このようにすれば、従来の伝熱パネルに比較して個々の
伝熱管２２における管内流速を増し、熱回収効率を高め
ることができる。

【００１５】しかし、この構成のものにおいても問題が
ない訳ではない。すなわち伝熱パネルの分割数に応じて
パネル連絡管２１の数が増える訳であるが、このパネル
連絡管２１の存在によって圧力損失が大となるばかりで
なく、アンバランスフローを生じることがある。特に節
炭器の場合にアンバランスフローを生じると、部分的に
水の流れない伝熱管が生じ、そのため管内で蒸気が発生
してウォーターハンマー現象が起こり、伝熱管を損傷す
る欠点がある。

【００１６】図１０に示すような構成の排熱回収ボイラ
では、流量調整弁４４の出口において流体がフラッシン
グし、特に変圧運転においては流量調整弁４４の出入口
の圧力差が大きく、それに伴ってフラッシングも激しく
なり、流量調整弁４４の摩耗が顕著になる。

【００１７】このようなことが起こらないようにするた
めには、節炭器４３出口の流体エンタルピーを低くした
設計にする必要がある。しかし節炭器４３出口の流体エ
ンタルピーを低くすることは、結果的には排熱回収ボイ
ラの蒸発量を低下することになり、コンバインドサイク
ルプラントなどではプラント効率の低下を招来すること
になり、好ましいことではない。

【００１８】本発明の目的は、前述した従来技術の欠点
を解消して、伝熱パネル内の伝熱管の本数が増加して
も、管内流速が大きくでき、熱回収率が高く維持できる
排熱回収ボイラを提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、排ガス通路内に配置した過熱器、再熱
器、蒸発器および節炭器などの熱交換器のうち、前記蒸
発器を除く少なくとも１つの熱交換器は、多数の伝熱管
が排ガス通路の幅方向に配置され、その伝熱管の両端に
はヘッダが接続された伝熱パネルから構成された排熱回
収ボイラを対象とするものである。

【００２０】そして前記伝熱パネルの少なくとも一部
は、伝熱管を排ガス通路の幅方向に分割すると共に、前
記伝熱管の一端に接続されるヘッダとして、隙間を介し
て分離した別管体からなる入口ヘッダと出口ヘッダを、
前記分割した伝熱管にそれぞれ接続して設け、他端に接
続されるヘッダとして中間ヘッダを全伝熱管に接続して
設けた構成になっていることを特徴とするものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明は前述のような構成になっ
ており、伝熱管の管内流速が速くなり、そのため熱回収
効率が高く維持できる。また、入口ヘッダを通る低温流
体と出口ヘッダを通る高温流体の間に温度差が生じる。
そのため入口ヘッダと出口ヘッダを１本の連続したヘッ
ダで構成すると前記温度差によりヘッダならびにそれに
接続されている伝熱管の変形、損傷を生じる。その点本
発明は入口ヘッダと出口ヘッダが隙間を介して分離した
別管体になっているため、前記温度差によるヘッダや伝
熱管の変形、損傷が解消される。

【００２２】以下、本発明の実施の形態を図とともに説
明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る伝熱
パネルの正面図である。

【００２３】同図に示す伝熱パネル１８では、紙面に向
かって垂直方向に延びたガス通路内に多数本の伝熱管２
２が配置されているが、この伝熱管２２は紙面に向かっ
て左右にほぼ２分され、中間部にガスパス防止板２７が
挿入されている。紙面に向かって右側の伝熱管２２（領
域ａ）の一端には入口ヘッダ１９が接続され、一方、左
側の伝熱管２２（領域ｂ）の一端には出口ヘッダ２０が
接続されている。この入口ヘッダ１９と出口ヘッダ２０
とは完全に分離しており、図に示すように両者の隙間に
対応した伝熱管２２と伝熱管２２の間にガスパス防止板
２７が配置されている。また、全伝熱管２２の他端は、
入口ヘッダ１９ならびに出口ヘッダ２０と対向する位置
に設けられた中間ヘッダ２５にそれぞれ接続されてい
る。

【００２４】この構造の伝熱パネル１８においては、例
えば水などの被加熱流体は入口ヘッダ１９から導入さ
れ、領域ａ側の伝熱管２２を通り、中間ヘッダ２５を経
て、領域ｂ側の伝熱管２２を通ってから出口ヘッダ２０
から排出され、従来のものと異なり被加熱流体が二方向
に流れるようになっている。

【００２５】なお本発明の実施の形態においては、図５
に示す過熱器１０、再熱器２９、蒸発器８および節炭器
７のうち、蒸発器８を除く過熱器１０、再熱器２９およ
び節炭器７を前記伝熱パネル１８で構成したものであ
る。

【００２６】それは、蒸発器８の伝熱管２２内では被加
熱流体は沸騰しながら熱伝達されるのであるから、管内
の流速を上げても伝熱効率の向上にはほとんど影響しな
いためである。これに対して過熱器１０、再熱器２９お
よび節炭器７における伝熱管２２内での被加熱流体は水
あるいは蒸気のみの一相であるため、流速を上げるとそ
れに応じて伝熱効率が向上する。

【００２７】この実施の形態のように、入口ヘッダ１９
と出口ヘッダ２０とを分離した場合、領域ａにおける左
端の伝熱管２２ａと領域ｂにおける右端の伝熱管２２ｂ
との隙間が必然的に大きくなる。そうなると排ガスＧが
その隙間を通ってショートパスして熱回収効率が低減す
るから、ショートパスを防止して熱回収効率を高めるた
めにガスパス防止板２７が配置されている。

【００２８】第１の実施の形態では入口ヘッダ１９と出
口ヘッダ２０の長さがほぼ等しいが、図２に示す第２の
実施の形態の場合は、入口ヘッダ１９と出口ヘッダ２０
の長さを変えている。このように入口ヘッダ１９と出口
ヘッダ２０の長さを交互に変えることによって、パネル
Ａの分割部をショートパスした排ガスの熱を、下流側に
位置するパネルＢで熱回収するようにしている。この実
施の形態では、入口ヘッダ１９を短く、出口ヘッダ２０
を長くしているが、これとは反対側に入口ヘッダ１９を
長く、出口ヘッダ２０を短くすることもできる。

【００２９】図３に示す第３の実施の形態において前記
第１の実施の形態と異なる点は、図１の伝熱パネル１８
は縦位置に配置されたものであるのに対し、図３の伝熱
パネル１８は横位置に配置したものであり、他の構成は
図１のものと同一である。

【００３０】図４は、本発明の第４の実施の形態を示し
たものである。コンバインドサイクルプラントの場合、
ガスタービンの起動時、低負荷時に、排熱回収ボイラの
節炭器７の給水出口部で蒸気が発生する欠点がある。そ
れは起動時、低負荷時には高負荷時に比べて図５に示す
排ガス通路６の入口での排ガス温度が低く、このために
節炭器７の上流側に配置されている過熱器１０、再熱器
２９ならびに蒸発器８の伝熱パネル１８での熱吸収量は
少なくなる。

【００３１】従って、節炭器７入口の排ガス温度は過熱
器１０、再熱器２９、蒸発器８での熱吸収量が少なくな
るのでそれだけ高くなり、節炭器７の伝熱パネル１８で
の熱吸収量は逆に多くなり、この熱吸収量の増加に伴っ
て節炭器７の伝熱パネル１８の内、給水出口に近い、つ
まり排ガスの流れからみて上流側の伝熱パネル１８（節
炭器７の排ガス上流に位置する伝熱パネル１８）でスチ
ーミングが発生する。そしてスチーミングが発生する
と、ウォーターハンマーを併発し、伝熱管２２を損傷す
る恐れがあるため好ましくない。

【００３２】よって、図１または図２に示す伝熱パネル
１８を全て節炭器７に使った場合、給水出口部の伝熱パ
ネル１８Ｃの入口ヘッダ１９から中間ヘッダ２５に流れ
る下降流の伝熱管２２内で蒸気が発生すると、その蒸気
が停滞し、ウォーターハンマーを生じるという問題があ
る。

【００３３】そこでこの図４に示す実施の形態では、蒸
気が発生すると予測される給水出口部の伝熱パネル１８
Ｃを上昇流のみの伝熱パネル１８、即ち図６に示す伝熱
パネル１８とし、その他の伝熱パネル１８Ｄ〜１８Ｈを
図１または図２に示す伝熱パネル１８とすることによっ
て、節炭器７での熱回収を高め、さらに蒸気が発生して
も停滞を起こすことなく、ドラム９に給水することがで
きる。

【００３４】ここで蒸気が発生する領域が広い場合に
は、伝熱パネル１８Ｄも上昇流のみの伝熱パネル１８と
し、伝熱パネル１８Ｃと伝熱パネル１８Ｄを接続する連
結管の径を小さくして、連結管内流速を高め、蒸気の停
滞を無くし、伝熱パネル１８Ｄから伝熱パネル１８Ｃへ
給水することもできる。

【００３５】図９は、本発明の第５の実施の形態を説明
するための図である。同図に示すように排ガスＧの流れ
方向上流側から下流側に沿って過熱器４１，蒸発器４
２，高温側節炭器４３ｂならびに低温側節炭器４３ａが
順次配置されている。

【００３６】給水ポンプ（図示せず）より送られてくる
給水は、低温腐食防止のため節炭器４３ａ内の高温の水
と適量混合し、排ガスＧの露点（約４５℃）以上に加熱
して節炭器４３ａに供給される。節炭器４３ａに送られ
た水は、上昇、下降を繰り返しながら排ガスＧからの熱
を吸収した後、上昇管のみで構成されている高温側節炭
器４３ｂに節炭器連絡管４７を通して供給される。この
ように高温側節炭器４３ｂを上昇管のみで構成すれば、
その中で蒸気を発生してもそれが滞留することはなく、
結局、ウォーターハンマーは生じない。

【００３７】高温側節炭器４３ｂ出口の流体（水、また
は蒸気を含んだ気水混合流体）は、ドラム連絡管１８を
通ってドラム４５に導かれ、ドラム４５内の缶水と混合
され、蒸発器４２に流入する。蒸発器４２で発生した飽
和蒸気はドラム４５内で気水分離され、過熱器連絡管４
９により過熱器４１に導かれ、過熱蒸気となって蒸気タ
ービン（図示せず）に送られる。

【００３８】排熱回収ボイラの負荷変化に伴う給水量制
御は、低温側節炭器４３ａと高温側節炭器４３ｂとを連
絡する節炭器連絡管４７の途中に設けられている流量調
整弁４６で行なわれる。そのため、低温側節炭器４３ａ
内は所定の高い圧力に維持することができ、低温側節炭
器４３ａ内でのスチーミングが防止できる。

【００３９】また、高温側節炭器４３ｂは上昇管のみで
構成されているため、スチーミングを発生しても問題に
はならないから、ドラム４５入口の流体エンタルピーを
高めた設計が可能であり、蒸気量を増すことでコンバイ
ンドサイクルプラントなどのプラント効率を高めに設計
することができる。

【００４０】さらに高温側節炭器４３ｂでの熱吸収量を
多くすれば、それだけ蒸発量を増加することができると
ともに、低温側節炭器４３ａ入口のガス温度が低下し、
さらに低温側節炭器４３ａでのスチーミングが生じ難い
という効果がある。

【００４１】高温側節炭器４３ｂとドラム４５との間を
連絡するドラム連絡管４８の途中には、オリフィスまた
はオリフィスチューブなどからなる圧力損失付与部５０
と切換弁５１とが併設されている。部分負荷で低温側節
炭器４３ａ出口の流体温度が上昇して、流量調整弁４６
出口においてフラッシングが発生し易くなると、前記切
換弁５１により流体を圧力損失の大きい圧力損失付与部
５０に導くことにより、フラッシングを防止することが
できる。さらにこのようなことから、流量調整弁４６入
口の流体エンタルピーをこれらの限界近くまで高めるこ
とができ、そのために蒸発量を更に増加して、プラント
効率をいっそう向上することが可能である。

【００４２】

【発明の効果】請求項１記載の本発明は前述のような構
成になっており、管内流速が速くでき、そのため熱回収
効率が高く維持できる。また、入口ヘッダを通る低温流
体と出口ヘッダを通る高温流体の間に温度差が生じる。
そのため入口ヘッダと出口ヘッダを１本の連続したヘッ
ダで構成すると前記温度差によりヘッダならびにそれに
接続されている伝熱管の変形、損傷を生じる。その点本
発明は入口ヘッダと出口ヘッダが隙間を介して分離した
別管体になっているため、前記温度差によるヘッダや伝
熱管の変形、損傷が解消される。

【００４３】請求項２記載の本発明は前述のような構成
になっており、入口ヘッダと出口ヘッダを隙間を介して
分離することにより、その隙間に対応する伝熱管と伝熱
管の間が開くが、そこにガスパス防止部材を配置するこ
とにより、排ガスのショートパスが阻止でき、熱回収効
率をさらに高めることができる。

【００４４】請求項３記載の本発明は前述のような構成
になっており、１つの伝熱パネルの入口ヘッダと出口ヘ
ッダの隙間を、隣に配置された伝熱パネルの入口ヘッダ
または出口ヘッダと対向することにより、入口ヘッダと
出口ヘッダの隙間を通過した排ガスの保有熱がその後流
側の伝熱パネルで回収され、熱回収効率をさらに高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る伝熱パネルの
正面図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に係る伝熱パネルの
平面図である。

【図３】本発明の第３の実施の形態に係る伝熱パネルの
正面図である。

【図４】本発明の第４の実施の形態に係る排熱回収ボイ
ラの節炭器付近の概略構成図である。

【図５】従来のコンバインドサイクルプラントの概略構
成図である。

【図６】従来の伝熱パネルの斜視図である。

【図７】モジュール化した排熱回収ボイラを輸送する状
態を示す説明図である。

【図８】従来提案された排熱回収ボイラの概略構成図で
ある。

【図９】本発明の第５の実施の形態に係る排熱回収ボイ
ラの概略構成図である。

【図１０】従来の排熱回収ボイラの概略構成図である。

【符号の説明】

５ 排熱回収ボイラ ６ 排ガス通路 ７ 節炭器 ８ 蒸発器 ９ ドラム １０ 過熱器 １８ 伝熱パネル １９ 入口下部ヘッダ１９ ２０ 出口上部ヘッダ ２２ 伝熱管 ２５ 中間ヘッダ ２９ 再熱器 ２７ ガスパス防止板 ４１ 過熱器 ４２ 蒸発器 ４３ 節炭器 ４３ａ 低温側節炭器 ４３ｂ 高温側節炭器 ４５ ドラム ４６ 流量調節弁 ４７ 節炭器連絡管 ４８ ドラム連絡管 ５０ 圧力損失付与部 ５１ 切換弁

フロントページの続き (72)発明者 三宅 祥介 東京都千代田区大手町二丁目６番２号 バ ブコツク日立株式会社内 (72)発明者 ▲吉▼崎 弘師 広島県呉市宝町６番９号 バブコツク日立 株式会社呉工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排ガス通路内に配置した過熱器、再熱
   器、蒸発器および節炭器などの熱交換器のうち、前記蒸
   発器を除く少なくとも１つの熱交換器は、多数の伝熱管
   が排ガス通路の幅方向に配置され、その伝熱管の両端に
   はヘッダが接続された伝熱パネルから構成された排熱回
   収ボイラにおいて、 前記伝熱パネルの少なくとも一部は、伝熱管を排ガス通
   路の幅方向に分割すると共に、前記伝熱管の一端に接続
   されるヘッダとして、隙間を介して分離した別管体から
   なる入口ヘッダと出口ヘッダを、前記分割した伝熱管に
   それぞれ接続して設け、 他端に接続されるヘッダとして中間ヘッダを全伝熱管に
   接続して設けた構成になっていることを特徴とする排熱
   回収ボイラ。
2. 【請求項２】 請求項１記載において、前記伝熱管の入
   口ヘッダと出口ヘッダとの隙間に対応する伝熱管と伝熱
   管の間にガスパス防止部材が配置されていることを特徴
   とする排熱回収ボイラ。
3. 【請求項３】 請求項１記載において、前記伝熱パネル
   を排ガス流れ方向に複数段配置し、隣接する伝熱パネル
   の入口ヘッダと出口ヘッダの長さが互いに異なり、１つ
   の伝熱パネルの入口ヘッダと出口ヘッダの隙間が、隣に
   配置された伝熱パネルの入口ヘッダまたは出口ヘッダと
   対向していることを特徴とする排熱回収ボイラ。
4. 【請求項４】 請求項１記載において、前記熱交換器が
   節炭器であって、その節炭器が、排ガス流れ方向上流側
   に配置された高温側節炭器と、下流側に配置された低温
   側節炭器を有し、その低温側節炭器の伝熱パネルは前記
   入口ヘッダと出口ヘッダと中間ヘッダを設けた上昇管と
   下降管の組み合わせで構成され、前記高温側節炭器の伝
   熱パネルは入口下部ヘッダと出口上部ヘッダを設けた上
   昇管のみで構成されていることを特徴とする排熱回収ボ
   イラ。