WO2014147737A1 - 排熱回収ボイラ及びそれを備える火力発電プラント - Google Patents

排熱回収ボイラ及びそれを備える火力発電プラント Download PDF

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recovery boiler
drum
duct
water
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吉田　卓弥
幸徳 片桐
永渕　尚之
恩敬 金
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株式会社日立製作所
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    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/22—Drums; Headers; Accessories therefor
    • F22B37/227—Drums and collectors for mixing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
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    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • F22B1/1807—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines
    • F22B1/1815—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines using the exhaust gases of combustion engines using the exhaust gases of gas-turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B21/00—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically
    • F22B21/002—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically involving a single upper drum

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust heat recovery boiler and a thermal power plant including the same.
  • a thermal power plant equipped with a combined cycle is attracting attention.
  • an exhaust heat recovery boiler including an evaporation pipe and a brackish water drum is provided.
  • the combustion exhaust gas discharged from the gas turbine provided in the thermal power plant is heat-exchanged with water in the combined cycle evaporator. Thereby, the heat which combustion exhaust gas has is given to water, the flowing water boils and steam is generated.
  • the technique described in Patent Document 1 includes a heat exchange unit in a casing, and in the exhaust heat recovery boiler in which the heat exchange unit is connected to a steam drum mounted on the top of the casing via a pipeline.
  • a support portion for transmitting the vibration of the casing generated by an external force to the steam drum only through the tube axis direction is provided, and the drum water of the steam drum is sloshing according to the frequency of the vibration of the casing.
  • the present invention relates to an exhaust heat recovery boiler provided with a partition plate that matches the frequency in the axial direction of the steam drum.
  • renewable energy such as wind power and solar light
  • renewable energy varies greatly depending on the weather and seasons. Therefore, in order to compensate for such fluctuations, it has been studied to use a thermal power plant together. Specifically, for example, it is conceivable to use solar energy preferentially during the daytime when sunlight is obtained, while using energy obtained by thermal power generation at night when sunlight cannot be obtained. Thereby, electric power is more stably supplied with respect to a demand end.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an exhaust heat recovery boiler capable of starting a thermal power plant at high speed and a thermal power plant including the same.
  • an exhaust heat recovery boiler capable of starting a thermal power plant at a high speed and a thermal power plant including the exhaust heat recovery boiler.
  • FIG. 1 is a view showing an exhaust heat recovery boiler 10 of the present embodiment.
  • 1A is a perspective view of the exhaust heat recovery boiler 10
  • FIG. 1B is a side view of the exhaust heat recovery boiler 10 in a direction parallel to the flow direction of high-temperature exhaust gas
  • FIG. It is sectional drawing of 1 (b).
  • the exhaust heat recovery boiler 10 includes a duct 2, a vertical rising pipe 3 (see FIG. 1 (c)), a header 4, a connecting pipe 6, and brackish water.
  • the duct 2 is a passage through which combustion exhaust gas (hot gas) from a heat source such as a gas turbine (not shown) flows. In the illustrated example, it flows into the duct 2 from the front side of the paper and is discharged from the back side of the paper.
  • a heat source such as a gas turbine (not shown)
  • the vertical rising pipe (evaporating pipe) 3 is provided in the duct 2 and allows water to flow therethrough. As shown in FIG. 1C, the vertical ascending pipe 3 is disposed through the duct 2 in the vertical direction. Water is supplied from below the duct 2, and heat is exchanged with the combustion exhaust gas flowing through the duct 2. Vapor generated in the vertical riser 3 and heated liquid water (gas phase and liquid phase. These are collectively referred to as “vapor etc.” hereinafter) pass through a header 4 provided on the upper surface of the duct 2. The water is supplied to the brackish water drum 7.
  • the header 4 bundles and joins steam or the like discharged from the plurality of vertical ascending pipes 3 when it is taken out of the duct 2.
  • the vertical ascending pipes 3 are provided concentrically, and the vertical ascending pipes (evaporating pipes) existing on the same circumference join together by the header 4 when passing through the duct 2 and exiting upward. Has been. Therefore, the header 4 is hollow as shown in FIG.
  • the vertical riser 3 and the header 4 are collectively referred to as “evaporator”.
  • the connecting pipe 6 supplies steam or the like merged in the header 4 to the brackish water drum 7.
  • the water supplied from below the vertical ascending pipe 3 flows through the vertical ascending pipe 3, the header 4 and the connecting pipe 6 in this order, and is supplied to the brackish water drum 7.
  • the inside of the header 4 and the inside of the brackish water drum 7 communicate with each other through a plurality of connecting pipes 6.
  • four (a plurality) of the connecting pipes 6 are provided radially with respect to the side surface of the brackish water drum 7.
  • the brackish water drum 7 is provided with a water supply pipe (not shown) so that a predetermined amount of water flows into the brackish water drum 7.
  • the water surface at this time is as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b).
  • the brackish water drum 7 separates steam from a two-phase state such as steam discharged from the vertical riser 3. That is, the brackish water drum 7 is provided in the duct 2 and separates steam generated by heating the water flowing through the vertical ascending pipe (evaporating pipe) 3 by the combustion exhaust gas (hot gas) flowing through the duct 2. Is. Steam or the like is supplied to the brackish water drum 7 through the connecting pipe 6. Of the supplied steam or the like, liquid water is stored at the bottom of the brackish water drum 7. On the other hand, the steam is supplied to the steam turbine through a main steam pipe 8 connected to a steam turbine (not shown).
  • connection position from the connecting pipe 6 to the brackish water drum 7 is a height near the water surface on the side surface of the brackish water drum 7 as in the illustrated example, the steam separated from the water surface above the water surface and below the water surface It is preferable because it can efficiently separate the flow from the water stored in the water and efficiently suppress the entrainment of water in the steam.
  • the water stored at the bottom is led to the entrance side of the vertical ascending pipe 3 through a pipe (not shown) and flows again through the vertical ascending pipe 3.
  • a pipe not shown
  • the brackish water drum 7 is provided apart from the header 4.
  • the shape of the brackish water drum 7 will be described.
  • the cross-sectional shape of the water surface direction of the water stored in the braided water drum 7 is circular.
  • the brackish water drum 7 has a donut shape (see FIG. 2A).
  • the cross-sectional shape corresponding to this shape is a hollow circular shape.
  • deformation and stress occur due to the difference in coefficient of thermal expansion between the liquid water contact surface and the vapor contact surface.
  • the lower half becomes transiently hotter than the upper half during start-up due to the heat transfer coefficient of the lower half being higher than the upper half of the water, the lower half will Since it expands larger than the upper half, in the case of a horizontal cylindrical drum as in the prior art, the drum is convexly deformed downward as seen from the horizontal plane. The stress resulting from such deformation is concentrated at both horizontal ends of the drum.
  • the brackish water drum 7 has a shape in which no end is formed. Therefore, concentration of stress can be avoided and deformation of the brackish water drum 7 in the vertical direction can be prevented.
  • Such deformation and stress concentration are caused by the difference in temperature distribution that occurs transiently due to the difference in heat transfer coefficient, the interaction of each part including the structural constraint of the brackish water drum 7, etc.
  • the above has been described from the viewpoint of the vertical deformation of the drum and the stress concentration at the end due to this.
  • the area of the portion corresponding to the two circular end faces of the cylindrical drum is reduced as compared with a case where the volume is the same as that of the steam drum (cylindrical drum) described in Patent Document 1 described above. can do.
  • the surface area can be reduced, and the surface from which heat escapes can be reduced. Thereby, the heat retention of the brackish water drum 7 improves.
  • the weight of the brackish water drum 7 is generally proportional to the surface area of the brackish water drum 7. Therefore, the weight of the brackish water drum 7 can be reduced by reducing the surface area as compared with the prior art. Thereby, the heat capacity of the brackish water drum 7 can be reduced. When the heat capacity decreases, the temperature change of the brackish drum 7 easily follows the temperature change of steam or the like supplied to the brackish drum 7. In addition, since the amount of material used is reduced, it is also an advantage that the product price can be reduced.
  • the temperature of the brackish drum 7 is less likely to be lowered, and when steam or the like is supplied immediately after startup, the brackish drum 7 can be quickly heated to separate the steam. Therefore, the startability of the thermal power plant is improved.
  • the “circular shape” includes the concept of “substantially circular shape”.
  • the “substantially circular shape” is, for example, an ellipse.
  • the “circular shape” is a concept in which the outer shape of the cross section is a circular shape.
  • a hollow circle is also included in the “circular shape”. Therefore, the cross section of the brackish water drum 7 whose appearance is a donut shape is circular.
  • the brackish water drum 7 may be provided in combination.
  • FIG. 2 is three cross-sectional views of the exhaust heat recovery boiler of the present embodiment.
  • 2A is a top view taken along line AA of FIG. 1B
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 1B
  • FIG. It is CC sectional view taken on the line of b).
  • the upper surface of the header 4 and the side surface of the brackish water drum 7 are connected by a connecting pipe 6. And the inside of the header 4 and the inside of the brackish water drum 7 are connected by the connecting pipe 6. As a result, steam or the like that merges in the header 4 is supplied to the brackish water drum 7.
  • the header 4 includes a circular header at the center, two annular headers around the circular header, and the periphery of the annular header. Are combined with four headers.
  • the four headers are provided facing the outside of the duct 2.
  • Each header is in communication with each other.
  • the circular header and the two annular headers are merged when the vertical rising pipes 3 existing on the same circumference come out of the duct 2. However, in FIG. 2, for simplification of illustration, some of these headers are omitted. In this way, the steam or the like that flows through the vertical ascending pipe 3 (not shown in FIG. 2B) and is supplied into the header 4 is supplied to the brackish water drum 7 through the four connecting pipes 6. It is like that.
  • a plurality of vertical rising pipes 3 are provided through the duct 2.
  • the arrangement density of the vertical rising pipes 3 provided in a portion close to the side wall of the duct 2 is a portion far from the side wall of the duct 2 (E in FIG. 2C). This is smaller than the arrangement density of the vertical ascending pipes 3 provided in the section).
  • the arrangement density is the number of arrangements per cross-sectional area.
  • the wall surface of the duct 2 is relatively cold. Therefore, even if the combustion exhaust gas flows through a portion near the wall surface in the flow direction of the combustion exhaust gas in the duct 2, the temperature in the vicinity of the wall surface hardly rises. Further, the combustion exhaust gas hardly flows in the vicinity of the wall surface of the duct 2. Therefore, in the duct 2, the arrangement density of the vertical ascending pipes 3 arranged in the vicinity of the wall surface is smaller than the arrangement density inside which the temperature rises relatively easily. By arranging the vertical rising pipe 3 in this way, the heat of the combustion exhaust gas can be given to the water flowing through the vertical rising pipe 3 more efficiently.
  • the heat transfer area of the vertical riser 3 is changed according to the temperature and heat quantity distribution of the combustion exhaust gas in the duct 2, the heat recovery efficiency is improved and stabilized in the exhaust heat recovery boiler provided with the brackish water drum 7. It is possible to improve the performance.
  • the vertical rising pipe 3 is concentric in a direction perpendicular to the direction in which the combustion exhaust gas (hot gas) flows through the duct 2. It is provided in the shape. Combustion exhaust gas flows more easily near the center of the flow in the duct 2 than near the wall surface. Therefore, by arranging the vertical rising pipe 3 concentrically, the contact area of the vertical rising pipe 3 with the combustion exhaust gas can be broadened as a whole. Thereby, the heat exchange efficiency in the duct 2 increases.
  • FIG. 3 is a block diagram of a thermal power plant 100 including the exhaust heat recovery boiler of the present embodiment.
  • the thermal power plant 100 includes a gas turbine including a compressor 12, a combustor 13, and a turbine 14, two generators 15, an exhaust heat recovery boiler 10, and a steam turbine 11.
  • the brackish water drum 7 is provided in the exhaust heat recovery boiler 10 as described above.
  • the combustion exhaust gas discharged from the gas turbine 14 flows through the duct 2 of the exhaust heat recovery boiler 10 as described above.
  • the exhaust heat recovery boiler 10 water is heated by the heat of the combustion exhaust gas. Steam or the like obtained by heating is supplied to a brackish water drum 7 (not shown in FIG. 3), and the steam separated as described above is supplied to the steam turbine 11.
  • turbine blades (not shown) are rotated, and power is generated by the generator 15 connected to the rotor to which the turbine blades are attached.
  • the combustion exhaust gas after heating water is exhausted outside.
  • the thermal power plant 100 can be started at a high speed. Therefore, for example, by operating the thermal power plant 100 together with the power plant using renewable energy, it is possible to quickly follow the fluctuation in the amount of power generated by the fluctuation of the renewable energy and stably supply power.
  • the brackish water drum in the exhaust heat recovery boiler 10 may be the brackish water drum 7A shown in FIG.
  • the brackish water drum 7 ⁇ / b> A is configured so that the cross section in the water surface direction of water stored in the brackish water drum 7 ⁇ / b> A has a circular shape like the brackish water drum 7.
  • the brackish water drum 7A has a disk shape. Even if the brackish water drum 7A is configured in this way, the same effect as the brackish water drum 7 can be obtained.
  • a plurality of brackish water drums 7A may be provided in combination.
  • the brackish water drum may be a brackish water drum 7B shown in FIG.
  • the cross-sectional shape in the water surface direction of the water stored in the brackish drum 7B is circular like the brackish drum 7 described above.
  • the brackish water drum 7B has an inverted conical shape. Even if the brackish water drum 7B is configured in this way, the same effect as the brackish water drum 7 can be obtained.
  • a plurality of brackish water drums 7B may be provided in combination.
  • the brackish water drum may be a brackish water drum 7C shown in FIG.
  • the brackish water drum 7 ⁇ / b> C has a circular cross-sectional shape in the water surface direction of the water stored in the brackish water drum 7 ⁇ / b> C, similar to the brackish water drum 7 described above.
  • the brackish water drum 7C has a spherical shape. Even if the brackish water drum 7C is configured in this way, the same effect as the brackish water drum 7 described above can be obtained.
  • a plurality of brackish water drums 7C may be provided in combination.
  • the brackish water drum 7 may be arranged in parallel outside the duct 2 as shown in FIG.
  • the brackish drums 7 by arranging the brackish drums 7 in parallel, according to the width of the duct 2 (the length in the direction perpendicular to the flow direction of the combustion exhaust gas), the number of brackish drums 7 to be arranged is set appropriately. Can do.
  • the exhaust heat recovery boiler 10 is a vertical exhaust heat recovery boiler.
  • a pipe corresponding to the vertical ascending pipe 3 in FIG. 1 and the like is provided so as to be perpendicular to the flow direction of the combustion exhaust gas.
  • such piping is, for example, a folded horizontal or sloped straight pipe, a spiral rising pipe, and the like.
  • a header 4 is provided as in FIG. 8.
  • the exhaust heat recovery boiler shown in FIG. 8 is particularly suitable when the exhaust heat recovery boiler is installed in a small site where the duct 2 cannot be installed in the lateral direction.
  • the connecting pipe 6 is provided with a slight inclination with respect to the side surface of the brackish water drum 7 as shown in the figure, but may be provided in parallel.
  • the communication pipe 6 is provided extending in the radial direction of the brackish water drum 7, but may be provided with an angle with respect to the radial direction.
  • the upper surface of the duct 2 and the bottom surface of the brackish water drum 7 are parallel, but may be in a substantially parallel state. That is, the brackish water drum 7 may be provided slightly inclined with respect to the upper surface of the duct 2.
  • the main steam pipe 8 is connected to the upper surface of the brackish water drum 7 at one location.
  • a plurality of main steam pipes are provided at equal intervals in the circumferential direction and discharged through these.
  • the steam may be supplied to the steam turbine after being merged.
  • a conical main steam pipe is disposed so that the bottom surface faces the ridge so that the steam rises uniformly from the ridge portion on the top surface of the brackish water drum 7, and the steam turbine is connected to the steam turbine through the apex of the main steam pipe. Steam may be supplied.

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Abstract

　高温ガスが通流するダクトと、前記ダクト内に設けられ、水が通流する蒸発管と、前記ダクト外に設けられ、前記ダクトを通流する高温ガスにより、前記蒸発管を通流する水が加熱されて生成した蒸気を分離する汽水ドラムと、を備え、前記汽水ドラムにおける、前記汽水ドラム内に貯留される水の水面方向の断面形状が円形状であることを特徴とする、排熱回収ボイラ、及び、排熱回収ボイラを備えることを特徴とする、火力発電プラント。これにより、火力発電プラントを高速起動可能な排熱回収ボイラ及びそれを備える火力発電プラントを提供することができる。

Description

排熱回収ボイラ及びそれを備える火力発電プラント
　本発明は、排熱回収ボイラ及びそれを備える火力発電プラントに関する。
　高い発電効率の観点から、コンバインドサイクルを備える火力発電プラントが注目されている。コンバインドサイクルにおいては、蒸発管、汽水ドラム等を含む排熱回収ボイラが備えられている。火力発電プラントに備えられるガスタービンから排出された燃焼排ガスは、コンバインドサイクルの蒸発器において水と熱交換される。これにより、燃焼排ガスの有する熱が水に与えられ、通流する水が沸騰し、蒸気が発生する。
　排熱回収ボイラにおいては、例えば起動直後等、燃焼排ガスの温度が低い場合、あるいは排熱回収ボイラの型式によっては通常運転中においても、水を沸騰させる蒸発管において水を完全には蒸発させず、液体の水（高温の水）と蒸気とが混在する二相状態とすることがある。そこで、蒸気のみを蒸気タービンに供給するため、発生した蒸気は、液体の水（高温の水）とともにいったん汽水ドラムに供給される。汽水ドラムにおいては、液体の水と蒸気とに分離される。そして、分離された蒸気は過熱器によって過熱され、過熱された蒸気によって蒸気タービンが駆動される。これにより、前記のガスタービンとは別に発電するようになっている。
　このような汽水ドラムとして、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１に記載の技術は、ケーシングに熱交換部を収容するとともに、ケーシングの頂部に載設する蒸気ドラムに上記熱交換部を管路を介して接続する排熱回収ボイラにおいて、上記管路に、外力により発生する上記ケーシングの振動を、管軸方向のみを介して、上記蒸気ドラムに伝えるサポート部を備える一方、上記ケーシングの振動の周波数に対応させて上記蒸気ドラムのドラム水をスロシングさせ、その周波数を一致させる仕切り板を、上記蒸気ドラムの軸方向に備えた排熱回収ボイラに関する。
特開平１０－２０５７０５号公報
　化石燃料資源の枯渇、地球温暖化の防止等の観点から、例えば風力、太陽光等の再生可能エネルギの利用が注目されている。ただ、再生可能エネルギは、天候、季節等による変動が大きい。そこで、このような変動を補完するために、火力発電プラントを併用することが検討されている。具体的には、例えば、太陽光が得られる昼間においては太陽光エネルギを優先的に利用する一方、太陽光が得られない夜間においては火力発電により得られるエネルギを利用することが考えられる。これにより、電力が、需要端に対してより安定的に供給される。
　前記の観点から、自然エネルギの供給が停止又は減少した場合には、火力発電プラントを迅速に起動して発電を行い、変動の少ない電力供給が望まれている。即ち、火力発電プラントが短時間で高速に起動され、自然エネルギの変動に対応できることが望まれている。
　火力発電プラントが起動すると、前記のように、汽水ドラムに水（高温の水）と蒸気とが供給される。すると、汽水ドラム内には高温の水が貯溜し、その上方を蒸気が通流する。液体と気体とでは、熱の伝達率が異なる。具体的には、液体の熱伝達率の方が、気体の熱伝達率よりも大きい。そのため、汽水ドラム内において、高温の水と高温の蒸気とが内壁面に接触した場合、高温の水からの熱が汽水ドラム内壁により伝達し易い。この結果、液体の水の接触面と蒸気の接触面とで温度の差が生じる。これにより、これらの接触面において熱膨張率に差が生じて、汽水ドラムに変形や応力が生じることがある。
　そこで、このような急激な温度変化を避けるために、汽水ドラムに供給される水及び蒸気（混合流体）の供給量に上限を設けなければならないことがある。そして、上限値が設定されると、起動の速度が制限されることになる。そのため、このことが、起動時間を短縮するにあたって制約になるという課題がある。
　本発明は前記課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、火力発電プラントを高速起動可能な排熱回収ボイラ及びそれを備える火力発電プラントを提供することにある。
　本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、貯溜される水の水面方向の断面が円形状である汽水ドラムを備える排熱回収ボイラとすることにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
　本発明によれば、火力発電プラントを高速起動可能な排熱回収ボイラ及びそれを備える火力発電プラントを提供することができる。
本実施形態の排熱回収ボイラを示す図である。 本実施形態の排熱回収ボイラの３つの断面図である。 本実施形態の排熱回収ボイラを備える火力発電プラントのブロック図である。 本実施形態の排熱回収ボイラの変更例を示す図である。 本実施形態の排熱回収ボイラの変更例を示す図である。 本実施形態の排熱回収ボイラの変更例を示す図である。 本実施形態の排熱回収ボイラの変更例を示す図である。 本実施形態の排熱回収ボイラの変更例を示す図である。
　以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を、図面を参照しながら説明する。ただし、本実施形態は以下の内容に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。
　図１は、本実施形態の排熱回収ボイラ１０を示す図である。図１（ａ）は、排熱回収ボイラ１０の斜視図、図１（ｂ）は排熱回収ボイラ１０の、高温排ガスの通流方向に平行な方向の側面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の断面図である。図１（ａ）～（ｃ）に示すように、排熱回収ボイラ１０は、ダクト２と、垂直上昇管３（図１（ｃ）参照）と、管寄せ４と、連絡管６と、汽水ドラム７と、を備えている。
　ダクト２は、図示しないガスタービン等の熱源からの燃焼排ガス（高温ガス）が通流するものである。図示の例においては、紙面手前側からダクト２に流入し、紙面奥側から排出されるようになっている。
　垂直上昇管（蒸発管）３は、ダクト２内に設けられ、水が通流するものである。垂直上昇管３は、図１（ｃ）に示すように、ダクト２を上下方向に貫通して配置されている。水は、ダクト２の下方から供給され、ダクト２を通流する燃焼排ガスとの間で熱交換されるようになっている。垂直上昇管３内で生成した蒸気及び加熱された液体の水（気相及び液相。以下、これらまとめて「蒸気等」と言う）は、ダクト２の上面に設けられている管寄せ４を通じて汽水ドラム７に供給されるようになっている。
　管寄せ４は、複数の垂直上昇管３から排出された蒸気等をダクト２の外部に出す際に束ねて合流させるものである。詳細は後記するが、垂直上昇管３は同心円状に設けられ、同一円周上に存在する垂直上昇管（蒸発管）同士が、ダクト２を貫通して上側に出る際に管寄せ４によって合流されている。そのため、管寄せ４は、図１（ｃ）に示すように中空になっている。
　なお、垂直上昇管３及び管寄せ４をまとめて「蒸発器」と呼称する。
　連絡管６は、管寄せ４において合流された蒸気等を汽水ドラム７に供給するものである。即ち、垂直上昇管３の下方から供給された水は、垂直上昇管３、管寄せ４及び連絡管６をこの順で通流して、汽水ドラム７に供給されるようになっている。管寄せ４の内部と汽水ドラム７の内部とは、複数の連絡管６に通じて連通している。図示の例では、連絡管６は、汽水ドラム７の側面に対して、放射状に４本（複数）備えられている。連絡管６が放射状に設けられていることにより、複数個所から均一に汽水ドラム７に蒸気を供給することができる。これにより、汽水ドラム７内での過度の水面変動を抑制することができる。その結果、火力発電プラントの運転安定性が向上する。なお、汽水ドラム７には図示しない水供給管が設けられ、所定量の水が汽水ドラム７内に流入するようになっている。この時の水面は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すようになる。
　汽水ドラム７は、垂直上昇管３から排出された蒸気等の二相状態から、蒸気を分離するものである。即ち、汽水ドラム７は、ダクト２に設けられ、ダクト２を通流する燃焼排ガス（高温ガス）により、垂直上昇管（蒸発管）３を通流する水が加熱されて生成した蒸気を分離するものである。蒸気等は、連絡管６を通じて汽水ドラム７に供給される。供給された蒸気等のうち、液体の水は、汽水ドラム７の底部に貯溜するようになっている。一方、蒸気は、蒸気タービン（図示しない）に接続される主蒸気配管８を通じて、蒸気タービンに供給されるようになっている。
　また、連絡管６から汽水ドラム７への接続位置は、図示する例のように、汽水ドラム７側面の水面付近の高さであれば、ドラム内で水面よりも上側に分離する蒸気と水面下に貯留する水との流れを効率的に分離でき、蒸気中に水が同伴することを効率的に抑制できるため好適である。
　なお、底部に貯溜した水は、図示しない管を通じて、垂直上昇管３の入り口側に導かれて、再度垂直上昇管３内を通流するようになっている。また、図示においては簡略化しているが、汽水ドラム７は、管寄せ４に対して離間して設けられている。
　ここで、汽水ドラム７の形状について説明する。汽水ドラム７の形状は、汽水ドラム７内に貯溜される水の水面方向の断面形状が円形状になっている。具体的には、汽水ドラム７は、図１に示す例においては、ドーナツ（円環）形状になっている（図２（ａ）参照）。この形状に対応する断面形状は中空円形状である。汽水ドラム７をこのような形状にすることにより、汽水ドラム７において端部（角）が形成されないようにすることができる。
　前記のように、液体の水の接触面と蒸気の接触面とにおける熱膨張率の差により、変形や応力が発生する。例えば水面を境に下半部分が上半部分よりも熱伝達率が高いことに起因して、起動中に過渡的に下半部分が上半部分よりも高温になった場合、下半部分が上半部分よりも大きく膨張するため、従来のように水平円筒型のドラムの場合、水平面からみてドラムは下に凸に変形する。このような変形に起因する応力はドラムの水平両端部に集中する。しかしながら、汽水ドラム７は、端部が形成されない形状になっている。そのため、応力の集中を避けることができ、汽水ドラム７の上下方向の変形も防止することができる。なお、このような変形や応力集中は、熱伝達率の相違に起因して過渡的に生じる温度分布の相違、汽水ドラム７の構造的な拘束を含む各部位の相互作用等によって生じるが、ここでは説明の便宜上、ドラムの上下変形とこれによる端部への応力集中の観点で述べた。
　さらに、例えば前記の特許文献１に記載の蒸気ドラム（円筒様ドラム）と同一の容積となるように作製した場合と比較して、円筒様ドラムの２つの円形端面に相当する部位の面積を削減することができる。その結果、表面積を削減でき、熱が逃げる面を減少させることができる。これにより、汽水ドラム７の保温性が向上する。
　また、汽水ドラム７の重量は、通常は汽水ドラム７の表面積にほぼ比例する。そのため、表面積が従来よりも減少することにより、汽水ドラム７の重量を減少させることができる。これにより、汽水ドラム７の熱容量を低下させることができる。熱容量が低下すると、汽水ドラム７に供給される蒸気等の温度変化に対して、汽水ドラム７の温度変化が追従し易くなる。なお、材料使用量が削減されるので製品価格を低減できるのも利点である。
　そして、これらの理由によって、汽水ドラム７の温度低下が生じにくくなるとともに、起動直後に蒸気等が供給された場合に、迅速に汽水ドラム７を昇温させて蒸気を分離することができる。従って、火力発電プラントの起動性が向上する。
　なお、汽水ドラム７の断面形状は、前記のように円形状であるが、この「円形状」には「略円形状」の概念も含まれるものとする。この「略円形状」とは、例えば楕円である。また、「円形状」は、断面の外形が円形状の概念であり、例えば中空円等も「円形状」に含まれるものとする。従って、外観がドーナツ形状の汽水ドラム７は、その断面が円形状となる。なお、汽水ドラム７は、複数組み合わせて設けてもよい。
　図２は、本実施形態の排熱回収ボイラの３つの断面図である。図２（ａ）は、図１（ｂ）のＡ－Ａ線上面図、図２（ｂ）は、図１（ｂ）のＢ－Ｂ線断面図、図２（ｃ）は、図１（ｂ）のＣ－Ｃ線断面図である。
　図２（ａ）に示すように、管寄せ４の上面と汽水ドラム７の側面とが、連絡管６によって接続されている。そして、管寄せ４の内部と汽水ドラム７の内部が連絡管６によって連通している。これにより、管寄せ４において合流した蒸気等が汽水ドラム７に供給されるようになっている。
　図２（ｂ）に示すように、管寄せ４は、中心に円形状の管寄せと、当該円形状の管寄せの周囲に２つの円環状の管寄せと、当該円環状の管寄せの周囲に４つの管寄せとが組み合わされて構成されている。この４つの管寄せは、ダクト２の外側に面して設けられている。それぞれの管寄せは相互に連通している。
　また、前記円形状の管寄せと、前記２つの円環状の管寄せと、は、同一円周上に存在する垂直上昇管３同士がダクト２外に出る際に合流させている。ただし、図２においては、図示の簡略化のために、これらの管寄せのうち一部の管寄せを省略して示している。このようにして、垂直上昇管３（図２（ｂ）においては図示しない）を通流して管寄せ４内部に供給された蒸気等は、４本の連絡管６を通じて汽水ドラム７に供給されるようになっている。
　図２（ｃ）に示すように、複数の垂直上昇管３がダクト２を貫通して設けられている。これらのうち、ダクト２の側壁に近い部位（図２（ｃ）の例えばＤ部）に設けられる垂直上昇管３の配設密度は、ダクト２の側壁から遠い部位（図２（ｃ）のＥ部）に設けられる垂直上昇管３の配設密度よりも小さくなっている。ここで、配設密度とは、断面積あたりの配置本数である。
　火力発電プラントの起動直後、ダクト２の壁面は比較的低温である。そのため、ダクト２内の燃焼排ガスの通流方向において、壁面に近い部位に燃焼排ガスが通流しても、壁面近傍の温度は上昇しにくい。また、ダクト２の壁面近傍は燃焼排ガスが通流しにくい。そこで、ダクト２内において、壁面近傍に配設される垂直上昇管３の配設密度は、比較的温度の上がりやすい内部の配設密度よりも小さくなっている。このように垂直上昇管３を配設することにより、燃焼排ガス有する熱を、より効率よく垂直上昇管３を通流する水に与えることができる。また、ダクト２内の燃焼排ガスの温度及び熱量の分布に対応して垂直上昇管３の伝熱面積を変化させているため、汽水ドラム７を備える排熱回収ボイラにおける熱回収効率の向上及び安定性の向上を図ることができる。
　また、ダクト２の側壁面から遠い部位（図２（ｃ）のＥ部）においては、垂直上昇管３は、ダクト２を燃焼排ガス（高温ガス）が通流する方向に垂直な方向に、同心円状に設けられている。ダクト２内の流れの中心付近は壁面近傍と比べて燃焼排ガスが通流しやすい。そのため、垂直上昇管３を同心円状に配置することにより、垂直上昇管３の燃焼排ガスとの接触面積を全体的に広くすることができる。これにより、ダクト２内における熱交換効率が上昇する。
　以上、本実施形態の排熱回収ボイラの構成及び効果を説明した。そして、本実施形態の排熱回収ボイラは、火力発電プラントに好適である。具体的な適用方法を図３に示す。なお、前記の各部材と同じ部材については同じ符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
　図３は、本実施形態の排熱回収ボイラを備える火力発電プラント１００のブロック図である。火力発電プラント１００は、圧縮機１２と燃焼器１３とタービン１４とからなるガスタービンと、２つの発電機１５と、排熱回収ボイラ１０と、蒸気タービン１１と、を備えている。汽水ドラム７は、前記のように、排熱回収ボイラ１０に備えられている。
　圧縮機１２に取り込まれた外気（空気）は、燃焼器１３において燃料（図示しない）とともに燃焼される。これにより、高温の燃焼排ガスが生成する。そして、生成した燃焼排ガスはタービン１４に供給される。タービン１４においては、図示しないタービン翼が回転され、タービン翼が取り付けられたロータに接続されている発電機１５により発電が行われるようになっている。
　ガスタービン１４から排出された燃焼排ガスは、前記のように排熱回収ボイラ１０のダクト２を通流する。そして、排熱回収ボイラ１０において、水が燃焼排ガスの熱によって加熱される。加熱して得られた蒸気等は汽水ドラム７（図３では図示していない）に供給され、前記のように分離された蒸気が蒸気タービン１１に供給される。そして、蒸気タービン１１においては、図示しないタービン翼が回転され、タービン翼が取り付けられたロータに接続されている発電機１５により発電が行われるようになっている。なお、水を加熱した後の燃焼排ガスは、外部へ排気される。
　なお、発電機１５と、ガスタービンのロータ、蒸気タービン１１のロータの接続関係については、図３のように、ガスタービンと蒸気タービン１１のロータが別々になっており、それぞれに異なる発電機１５が接続されている場合の他に、ガスタービンと蒸気タービン１１のロータが１本で共通になっており、これに発電機１５が接続されている場合（図示しない）がある。
　本実施形態の排熱回収ボイラ１０を図３に示す火力発電プラント１００に適用することにより、火力発電プラント１００の高速起動化を図ることができる。従って、例えば再生可能エネルギによる発電プラントとともに火力発電プラント１００を運転することにより、再生可能エネルギの変動による発電量の変動に迅速に追従して、電力を安定して供給することができる。
　以上、本実施形態の排熱回収ボイラ及びその適用例を説明したが、本実施形態の排熱回収ボイラは前記の例に何ら限定されるものではない。なお、以下の変更例において、前記したものと同様のものについては同様の符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。
　例えば、排熱回収ボイラ１０における汽水ドラムは、図４に示す汽水ドラム７Ａであってもよい。汽水ドラム７Ａは、前記した汽水ドラム７と同様、汽水ドラム７Ａ内部に貯溜する水の水面方向の断面が円形状となるように構成されている。具体的には、汽水ドラム７Ａは円盤形状になっている。汽水ドラム７Ａをこのように構成しても、前記した汽水ドラム７と同様の効果が得られる。なお、汽水ドラム７Ａは、複数組み合わせて設けてもよい。
　また、例えば、汽水ドラムは、図５に示す汽水ドラム７Ｂであってもよい。汽水ドラム７Ｂは、前記した汽水ドラム７と同様、汽水ドラム７Ｂ内部に貯溜する水の水面方向の断面形状が円形状になっている。具体的には、汽水ドラム７Ｂは逆円錐形状になっている。汽水ドラム７Ｂをこのように構成しても、前記した汽水ドラム７と同様の効果が得られる。なお、汽水ドラム７Ｂは、複数組み合わせて設けてもよい。
　さらに、例えば、汽水ドラムは、図６に示す汽水ドラム７Ｃであってもよい。汽水ドラム７Ｃは、前記した汽水ドラム７と同様、汽水ドラム７Ｃ内部に貯溜する水の水面方向の断面形状が円形状になっている。具体的には、汽水ドラム７Ｃは球形状になっている。汽水ドラム７Ｃをこのように構成しても、前記した汽水ドラム７と同様の効果が得られる。なお、汽水ドラム７Ｃは、複数組み合わせて設けてもよい。
　また、例えば、汽水ドラム７は、図７に示すようにダクト２の外部に並設されていてもよい。このように汽水ドラム７を並設することにより、ダクト２の幅（燃焼排ガスの通流方向に垂直な方向の長さ）に応じて、配設される汽水ドラム７の数を適宜設定することができる。
　さらに、前記した各実施形態において、汽水ドラム７は、燃焼排ガスの通流方向に平行に設けられていたが、図８に示すように、汽水ドラム７に対して垂直な方向に設けられていてもよい。この排熱回収ボイラ１０は、竪型の排熱回収ボイラである。図８においては図示していないが、図１等における垂直上昇管３に相当する配管が、燃焼排ガスの通流方向に垂直になるように設けられている。このような配管は、具体的には例えば、折り返された水平又は勾配付きの直管、スパイラル形状の上昇管等である。
　図８において、図１等と同様に管寄せ４が設けられている。図８に示す排熱回収ボイラは、ダクト２を横方向に設置することができない狭小敷地に排熱回収ボイラを設置する場合に、特に好適である。
　また、例えば、連絡管６は、図示のように汽水ドラム７の側面に対してやや傾斜して設けられているが、平行に設けられていてもよい。また、連絡管６は、図示の例では、汽水ドラム７の径方向に延在して設けられているが、径方向に対して角度を有して設けられていてもよい。
　さらに、例えば、各図において、ダクト２の上面と汽水ドラム７の底面とは平行になっているが、略平行の状態であってもよい。即ち、汽水ドラム７は、ダクト２の上面に対して、やや傾いて設けられていてもよい。
　また、例えば、前記の各実施形態において、汽水ドラム７の上面に主蒸気配管８が１箇所で接続されているが、例えば周方向に複数等間隔で主蒸気配管を設け、これらを通じて排出される蒸気が合流された後に蒸気タービンに供給されるようにしてもよい。また、汽水ドラム７上面の尾根部分から均等に蒸気が上昇するように、尾根に底面が対向するように円錐形状の主蒸気配管を配設し、当該主蒸気配管の頂点部を通じて、蒸気タービンに蒸気が供給されるようにしてもよい。
２　ダクト
３　垂直上昇管（蒸発管）
４　管寄せ
６　連絡管
７　汽水ドラム
７Ａ　汽水ドラム
７Ｂ　汽水ドラム
７Ｃ　汽水ドラム
１０　排熱回収ボイラ
１００　火力発電プラント

Claims (5)

  1. 　高温ガスが通流するダクトと、
    　前記ダクト内に設けられ、水が通流する蒸発管と、
    　前記ダクト外に設けられ、前記ダクトを通流する高温ガスにより、前記蒸発管を通流する水が加熱されて生成した蒸気を分離する汽水ドラムと、を備え、
    　前記汽水ドラムにおける、前記汽水ドラム内に貯留される水の水面方向の断面形状が円形状である
    ことを特徴とする、排熱回収ボイラ。
  2. 　前記汽水ドラムにおける、前記汽水ドラム内に貯留される水の水面方向の断面形状が中空円形状である
    ことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の排熱回収ボイラ。
  3. 　前記蒸発管は、前記ダクトを高温ガスが通流する方向に垂直な方向に同心円状に設けられ、
    　同一円周上に存在する前記蒸発管同士が、前記ダクト外で管寄せによって合流されている
    ことを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の排熱回収ボイラ。
  4. 　前記蒸発管と前記汽水ドラムとを連通する複数の連絡管を備え、
    　前記連絡管は、前記汽水ドラムに対して放射状に設けられている
    ことを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項に記載の排熱回収ボイラ。
  5. 　請求の範囲第１項又は第２項に記載の排熱回収ボイラを備えている
    ことを特徴とする、火力発電プラント。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS6415002U (ja) * 1987-07-10 1989-01-25
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