JPS6294723A

JPS6294723A - 過給機

Info

Publication number: JPS6294723A
Application number: JP23415385A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Ogasawara; 英之小笠原
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1985-10-18
Filing date: 1985-10-18
Publication date: 1987-05-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、ボイラ、加熱炉等の燃焼装置へ燃焼用空気を
加圧供給する過給機に関するものである。

従来の技術現在、電力需要は著しく増加しており、ベース負荷用と
しては原子力発電でまかない、原子力以外の発電設備は
昼夜の電力需要の大きな変動に見合うように運用される
ようになってきている。従って火力発電においても、前
記の電力需要の変動に見合った中間負荷調整用として、
昼間は全負荷、液間は停止という運転が要求されている
。このため今後の火力発電設備に要求される条件は、（
ｉ）急速起動停止が可能なこと、（ｉｉ）起動停止時熱損失を極力低減すること（ボイラ
の小型化）、（ｉｉｉ）高効率であること、であり、目下研究開発が進められている。

又、自家発電用ボイラにおいても、現在大容量、高温、
高圧化が進み、同様の要求が出されている。

上記のうち、高効率化に関連して、ガスタービンの高温
排ガスの有する熱量を有効に回収し、蒸気タービンサイ
クルに導入し、プラント全体の熱効率の向上をはかる、
いわゆるガスー蒸気コンバインドサイクル方式が拾頭し
ている。

一方、小容量ボイラにおいて、コンバインドサイクル方
式の一形態°である排ガスタービン過給機（以下ターボ
チャージャという。）を用いた過給ボイラ（自給サイク
ル）の開発が進められてきた。

第４図にターボチャージャ付ボイラの系統図を示す。即
ち、ボイラ１０の燃焼排ガスにより、圧縮機２１とター
ビン２２とからなるターボチャージャ２０のタービン２
２を駆動して圧縮機２１の動力とし、該圧縮機２１から
の空気をエアヒータ２４を経て燃焼用空気として、ボイ
ラ主バーナ１１に供給している。起動時又はボイラ低負
荷時のタービン自立点（サージング限界以下）ではブー
スタファン２３又は蒸気タービンによる動力の補助を要
する。２５はボイラ燃焼排ガス系路、２６はボイラ燃焼
排ガスバイパス系路、２７は空気系路である（他の第１
図と同一個所は同一符号である）。

発明が解決しようとする問題点上記のごときターボチャージャを配設することによる利
点は、第１に燃焼用空気の静圧を高く（０，５〜６ａｔ
ｇ）とれるため、火炉の輻射伝熱面積及び接触伝熱面積
を大幅に減少させることができる。第２に燃焼用空気の
送風動力が起動時を除いて不要となり、ボイラ効率が向
上する、の２点が挙げられるが、それにもかかわらず次
のような理由から、特殊な分野（戦艦など）を除いて実
用化されていない。

ｉ）タービン本体が大きくなり、コストが高い。

ｉｉ）ターボチャージャの自立点以上では、燃焼排ガス
をバイパスさせる必要があり、ボイラ低負荷による自立
点以下では、ファン又は蒸気タービンによる補助動力が
必要である。

ｍ）一旦タービンで膨張した燃焼排ガスは、殆ど大気圧
近くまで圧力が下がるため、ターボチャージングによる
熱伝達の増大に伴い、重量容積の軽減は、タービン後の
熱回収器（ボイラ本体、エコノマイザ、エアヒータ等）
では再現できず。

ターボチャージャ入ロガス温度を高めてタービンの自給
範囲を広めても、ボイラ全体としては小さくならない。

ｉｖ）加圧燃焼によりもたらされる火災の輻射力の増大
により火炉を小さく設計できるはずであるが、実際は低
ＮＯＸ対策を施さねばならず、火炉を小さくできない。

■）従来の大型ボイラの構造をあまり変えずに過給を考
えた場合、火炉がパックスティによる支持構造であるた
め、その耐圧能力に低い限界が存在し、パックスティに
よる火炉支持構造での過給圧力は数千ミリ水柱と自動的
に決まってしまい、ターボチャージャをコンバインドプ
ラントとして効率向上を主目的とした過給の手段として
使おうとすると、炉内圧を十分高められないため、ター
ビンから余剰出力が得られず、発電機を回すことができ
ない。従って自給サイクル（送風動力不要及びボイラの
小型化）としてしか利用できず、タービンのメリットが
出ない。

本発明は、従来のターボチャージャによる過給手段にお
ける、上記のごとき問題点を解決しうる過給機を提供し
ようとするものである。

問題点を解決するための手段本発明の過給機は、燃焼装置に燃焼用空気を加圧供給す
る過給機であって、ガスタービンと該ガスタービンの燃
焼ガスのジェット推力により空気を吸引して燃焼装置に
加圧供給するエゼクタとからなることを特徴とするもの
である。

作用本発明の過給機は、従来のターボチャージャのごとくボ
イラの燃焼排ガスを利用するのではなく、ガスタービン
（通常ジェットエンジン）とエゼクタとで構成され、ガ
スタービンの燃焼ガスが、エゼクタに噴出し、ジェット
推力により噴出燃焼ガスの数倍ないし数十倍の空気を吸
引して、空気−ガス混合物を数千ミリ水柱程度に加圧し
、かつ空気を該燃焼ガスで加熱して、ボイラ主バーナ燃
焼用空気として供給することができる。

実施例本発明の実施例を図面に基き説明する。第１図は、発電
用ボイラに配設した本発明の過給機の一実施例を示す系
統図である。１はボイラ１０に燃焼用空気を供給する本
発明の過給機であり、該過給機１は圧縮機２、バーナ３
及びタービン４とからなるガスタービン５とエゼクタ６
とで構成され、バーナ３の燃焼ガス７がタービン４を駆
動した後、エゼクタ６のジェットノズル８から噴出し、
この燃焼ガスのジェット推力でエゼクタ６が多量の空気
を吸引し、空気−ガス混合物９となり、エゼクタ６に接
続したボイラ燃焼用空気ダクトを経てボイラ１０のボイ
ラ主バーナ１１に燃焼用空気として供給される。１２は
蒸気・水系路、１３は蒸気タービン。

１４は発電機、１５はボイラ排ガス系路、１６は煙突で
ある。

上記の過給機１を配設したボイラ１０において、過給機
上のエゼクタ６によりガスタービン４の噴出燃焼ガス７
のジェット推力で、該噴出燃焼ガス・量の数倍ないし数
十倍の多量の空気を吸引して。

ボイラ燃焼用空気−ガス混合物として数千ミリ水柱程度
加圧し、かつ吸引した空気を加熱し、ボイラ主バーナの
燃焼用空気として供給することができる。

ガスタービン４は、通常ジェットエンジンが用いられ、
特に航空機転用型が利用でき、信頼性が高く、小型、軽
量で防振装置、冷却水を必要とせず、好適である。又ジ
ェットエンジンの排ガスに含まれている酸素を、ジェッ
トノズル内で再燃焼させて高温にし再加速させる、アフ
ターバーナを取り付けることにより、５０％以上の大幅
な出力向上が容易に可能となり、十分な推力を発生させ
ることができ、エンタルピーは降下せず、燃焼用空気を
供給する過給機には有利である。なおガスタービン４と
しては、低価格の陸用ガスタービンも用いることができ
、アフターバーナを取り付けることにより十分な推力を
発生させることができる。

さらにガスタービンは、噴出燃焼ガス量がボイラの必要
空気量の数分の−ないし数十分の−であるため、ボイラ
排ガス全量が通過する従来のターボチャージャのタービ
ンに比べて小型で十分である。

又エゼクタ６は、できる限り小量の、しかも低速ジェッ
トで多量の空気を吸引加圧できる高効率のものが好まし
い。特にジェットエンジンを用いると、容易に音速を越
えたジェットを作り出すことができるため、超音速に伴
う衝撃波を積極的に利用して吸引及び加圧を行なう高効
率エゼクタが好適である。

過給機１を配設したボイラでは、火炉後の熱回収に用い
る接触伝熱管群の抵抗を高くとるため。

管群部の流速が大きくなるように、燃焼ガス通過断面積
を減少した設計を行なうことが望ましい。

一方通過断面積を減少した場合、ガス流れに直角方向の
伝熱管は短くなり、しかも多くの本数を入れることがで
きない。このため短い伝熱管をガス流れ方向に多くの段
数としなければならず、流速の増大による伝熱面積の減
少にもかかわらず、多くの製作工数を要し、又接触伝熱
管群部がガス流れ方向に細長くなり、コストダウンをさ
またげる要因となる。その対策として、第３図に例示す
るごとく、接触伝熱管として、例えば外面に管軸と、（
イ）平行に数本の浅い溝１７ａを形成した管１７Ａ、（
ロ）螺旋状に数本の浅い溝１７ｂを形成した管１７Ｂ、
（ハ）交叉螺旋状に浅い溝１７ｃを形成した管１７Ｃな
どの外面ライフル管、クロスライフル管のごとく、燃焼
ガス流速をあまり極端に上げなくとも抵抗を高くでき、
かつ接触熱伝達率も高い伝熱管を用いれば、ボイラはよ
り小型に、低コストで製作することができる。

上記のごとく、本発明の過給機を配設することにより、
次のような結果が得られる。

ｉ）燃焼用空気を加圧供給できるため、炉内圧を高くで
き、接触伝熱面積を大幅に少なくできる。

例えば炉内圧で３０００ミリ水柱まで過給したとすると
、従来のボイラでは３５０ミリ水柱程度であるので、８
．５倍の静圧差を炉後の接触伝熱管群でとることができ
、接触熱伝達率では、α＝（も、５）’　６５＝　２．
０、即ち２倍とすることができる。このため輻射熱伝達
を考慮せずに接触部の伝熱面積は１／２に減少すること
になる。

ｉｉ）過給機に用いたガスタービン（ジェットエンジン
）の、高温の燃焼ガスの熱エネルギーもボイラで回収さ
れる。電動機により送風機を駆動する従来の方式に比べ
て、ガスタービンでの燃焼ガスのエンタルピ低下は、圧
縮機のエンタルピ上昇で回収され、ガスタービン内部で
のエンタルピはあまり低下せず、ガスタービンで消費さ
れた熱量は、そのままボイラ入熱として加えることがで
きる。このようにガスタービンはバーナであると言うこ
とができ、ガスタービンから取り出される送風動力費は
不要であり、従来の送風動力として消費されている熱量
分、ボイラ効率が向上することになる。

ｉｕ）従来のターボチャージャを配設したボイラにおい
ては、自立点以上ではボイラ燃焼排ガスをバイパスさせ
、ボイラ低負荷の自立点以下（サージング限界以下）で
はブーストファン、又は蒸気タービンによる動力の補助
が必要であったが、本発明の過給機を配設すれば、バイ
パスも補助動力も全負荷にわたり不要となる。これはガ
スタービンとボイラが連動されておらず、それぞれが独
立した存在であるからである。即ちガスタービンの制御
回転範囲内では、タービンの出力に比例して空気は自動
的に比例吸引され。

サージング域以下まで空気量を減少させたい場合は、タ
ービンを制御回転範囲内に保ち、空気ダンパを絞って空
気量を制御することができる。

ｉｖ）ボイラ主バーナの低ＮＯＸ燃焼については、２段
燃焼法あるいは３段燃焼システムにより、燃焼室熱負荷
が軽い場合には、十分な低Ｎｏｚ燃焼が可能であるが、
かかるボイラにも適用することができる。

ｉ）燃焼用空気は高温の燃焼ガスで吸引するから、必ず
しも空気予熱機を要しない。

ｖｉ）ガスタービン（ジェットエンジン）では短時間で
あれば、過負荷運転ができる（ピーク負荷に対応）ため
、その分ボイラを小さく設計できる。ただ過負荷運転で
は当然ボイラ効率が落ちることになるが、短時間であれ
ば、ボイラ本体の小型化による放熱損失の減少分で補な
われる。

次に、第２図は、過給機に用いたガスタービンから動力
も取り出した。アフターバーナ付きの過給機１を発電用
ボイラに配設した場合の一実施例を示し、１８はアフタ
ーバーナ、１９は負荷１例えば発電機である。

発明の効果本発明の過給機は、ボイラ等の主バーナへ燃焼用空気を
加圧供給でき、炉内圧を高くとれ、接触伝熱面積を大幅
に減少でき、又ガスタービンの排出熱も回収され、全負
荷にわたって補助動力も不要となり、ボイラ効率が向上
し、重量容積が著しく軽減され、しかも用いるガスター
ビンは小型で十分であり、アフターバーナを取付けて大
幅な出力向上を行い、かつ動力も取り出すことができ、
従来のターボチャージャのごとく特殊な、分野にしか適
用されないものと異なり、各種用途のボイラ、その他の
燃焼装置に広く用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発電用ボイラに配設した場合の本発明の過給機
の一実施例を示す系統図、第２図は同じく発電用ボイラ
に配設した場合の本発明過給機の他の実施例を示す系統
図、第３図は本発明の過給機を配設したボイラに用いる
接触伝熱管を例示する側面図及び横断面図、第４図は発
電用ボイラに配設した従来のターボチャージャの一例を
示す系統図である。１・・・過給機、２・・・圧縮機、３・・・バーブ、４
・・・タービン、５・・・ガスタービン、６・・・エゼ
クタ、８・・・ジェットノズル、９・・・空気−ガス混
合物、１０・・・ボイラ、１１・・・主バーナ、１２・
・・蒸気・水系路、・１３・・・蒸気タービン、１４・
・・発電機、１６・・・煙突、１７Ａ、１７Ｂ。１７ｃ・・・接触伝熱管、１８・・・アフターバーナ、
１９・・・発電機代理人　　　森　　本　　義　　弘手続補正書（自発）　　・昭和６１年２月７日昭和６０　　年特　許　願第　２３４１５３　　　号２
、発明の名称過給機３、補正をする者ｒＪｉ件との関係　　　特許出願人名称　（５１１）日立造船株式会社４、代　理　人ｉｌｏ　和　　　　　年　　　　　月　　　　　日６　
補正により増加する発明の数７補正の対象明細書の発明の詳細な説明の欄亡ｒ−ろ　へり　。明細書の発明の詳細な説明の欄（１）第２頁第１４行目「拾頭」とあるを「台頭」と補正する。（２）第３頁第５行目「自立点」と「（サー」の間にｒ以下」を加入する。（３）第４頁第８行目「伴い、」とあるを「伴う」と補正する。（４）第４頁第１４行目「火災」とあるを「火炎」と補正する。（５）第７頁第６行目「ガスタービン４」とあるを「タービン４」と補正する
。（６）第７頁第１３行目「ガスタービン４」とあるを「ガスタービン５」と補正
する。（７）第８頁第３行目「−ビン４としては、」とあるを「−ピン５としては、
」と補正する。

Claims

【特許請求の範囲】

１、燃焼装置に燃焼用空気を加圧供給する過給機であっ
て、ガスタービンと該ガスタービンの燃焼ガスのジェッ
ト推力により空気を吸引して燃焼装置に加圧供給するエ
ゼクタとからなることを特徴とする過給機。