JPH04366303A - 自然循環形排熱回収ボイラ - Google Patents

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】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンに代表され
る各種熱発生手段から排出される排ガスの熱を回収する
自然循環形熱回収ボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、蒸気タービン単体またはガスター
ビン単体を原動機としていた火力発電設備に代わり、両
者の利点を巧みに組み合わせたコンバインドサイクル発
電が活用されるようになってきている。

【０００３】このコンバインドサイクル発電プラントは
、ガスタービンから排出される排ガスの余熱を利用して
、排熱回収ボイラにより蒸気を発生させ、その蒸気を蒸
気タービンへ送って電力を取り出すものであって、エネ
ルギー効率、負荷変動の追従性などに優れている。

【０００４】図５にコンバインド発電プラントを構成す
る従来の自然循環形排熱回収ボイラの過熱器、蒸発器、
節炭器部分の一例を側面図に示す。自然循環形排熱回収
ボイラにおいては、図に示すようにガスタービンの排ガ
スＧを水平に導く横置き形が一般的である。図において
、排ガスダクト８の中を排ガス１１が流れ、その上流部
分から過熱器７、そして蒸発器５が配置されており、さ
らにその下流には節炭器２が配置されている。蒸発器５
は降水管４と上昇管６により蒸気ドラム３と接続されて
いる。

【０００５】給水は給水ポンプ１により節炭器２に送り
込まれて、排ガス１１により予熱されて蒸気ドラム３へ
送られる。蒸気ドラム３内の給水は降水管４から蒸発器
５、上昇管６、そして蒸気ドラム３を結ぶ循環回路を自
然循環し、その間、蒸発器５において排ガス１１によっ
て加熱され、蒸発する。蒸発により気水混合流体となっ
た流体は、蒸気ドラム３において蒸気と水に分離され、
その蒸気は過熱器７内で排ガス１１により加熱され、所
定の蒸気条件となって蒸気タービン（図示せず）へ送ら
れる。

【０００６】ところで、火力発電プラント向けの排熱回
収ボイラへの要求から、最近、複数の蒸気の圧力条件を
満たすため、上記の過熱器７、蒸発器５、節炭器２、場
合によっては再熱器も追加して、これらを１モジュール
とし、このモジュールを各圧力条件に合わせて２モジュ
ールを備えた２圧式、３モジュールを備えた３圧式など
の排熱回収ボイラを採用することが多くなってきている
。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】自然循環形排熱回収ボ
イラの蒸発器５内の水の循環は、蒸発器５を構成する蒸
発管と降水管４内の流体の密度差に重力が作用し、それ
により生じる圧力差が循環力を発生させるということを
原理としている。

【０００８】循環力は蒸気の発生する蒸発管側の管路に
ついて長手方向（高さ方向）の流体の密度を積分したも
のと、降水管側長手方向（高さ方向）について流体の密
度を積分したものの差に重力をかけたものとなる。すば
わち、Ｆを循環力、ρ１　を降水管内流体密度、ρ２　
を蒸発管内流体密度、ｇを重力加速度、ｌを蒸発器の高
さとすると次の式で表される。

【０００９】

【数１】

【００１０】蒸発器５内の水はほぼ飽和温度で、温度の
違いは小さいと考えられるから、上記に示す循環力の式
の中の流体密度は、降水管４と蒸発管の間の水の温度の
違いによる水の密度差よりも蒸発器５と上昇管６の中に
存在する蒸気に依存している。すなわち、蒸発器５と上
昇管６中に存在する蒸気の量、そして蒸気は水の密度（
比容積）差の関係が循環力を支配する。

【００１１】ここで圧力の違いによる循環力への影響を
考えると、低圧の蒸気では比容積が大きいため、蒸発時
の膨張量も大きく、大きな循環力を発生する。これに対
し、高圧では同量の蒸発量があったとしても、蒸気の比
容積が小さいので低圧蒸発器に比べて循環力は小さくな
る。

【００１２】蒸発器５の健全性を保つために、蒸発管内
の流速が十分高いこと、すなわち適切な循環力が発生し
ていることが重要であるから、高い圧力で使用する自然
循環形の蒸発器５では、水の循環力を得るためには上式
中のｌを大きくすること、すなわち蒸発管の高さを高く
することが必要である。

【００１３】そのため自然循環形排熱回収ボイラを計画
する場合、蒸発器５の高さはそのボイラの最高使用圧力
にて適切な水循環を得るために必要な最低限度以上にす
ることを要求され、また構造強度の面からは低くするこ
とが好ましい。以上のことから、必然的に蒸発管の高さ
、すなわち排ガスダクト８の高さが定まってくる。

【００１４】ところで、前述のごとく最近の排熱回収ボ
イラでは２圧式、３圧式を採用する傾向があるが、ダク
トの寸法を途中で変えない限り、最も高い圧力の蒸発器
５により定められたダクト寸法に中圧蒸発器や低圧蒸発
器が設置されることになる。さらにガスタービンの性能
向上による排ガス温度の上昇、大容量化によるガス量の
増加により、蒸気タービン効率向上のため、近年最高使
用圧力は上昇傾向にある。そのために複数の圧力を持つ
排熱回収ボイラの高圧側と低圧側の圧力差は大きくなっ
ている。

【００１５】水循環の原理から、低圧の蒸発器になるほ
ど蒸発器の必要な高さは低くなる。一般には蒸発管の高
さが高い分には蒸発器の水循環に関しては有利となり問
題とはならない。ところが必要以上に蒸発管が長いと低
圧蒸気の蒸発時の体積膨張量が大きいために蒸発管出口
部付近ではほとんど蒸気となって水が存在しなくなり、
蒸発管内壁が乾いてしまう。いわゆるドライアウトが発
生しやすくなるが、ドライアウトは熱効率を低下させる
ばかりでなく、管壁へのスケール付着を引き起こす。

【００１６】そのため、従来技術では自然循環形排熱回
収ボイラの蒸発器５の設計に際し、今後の蒸気条件の多
様化に対しては、高圧蒸気器の水循環の健全性を保ちつ
つ、低圧蒸発器でのドライアウトを防止することを両立
することは不可能であった。

【００１７】そこで本発明の目的は複圧式の自然循環形
排熱回収ボイラの高圧系および低圧系の双方の蒸発器で
水循環の健全性を保ち、かつドライアウトの発生を抑制
するようにした自然循環形排熱回収ボイラを提供するこ
とである。 ［発明の構成］

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の自然循環形排熱
回収ボイラは、低圧系の高さ方向に少なくとも２体に分
割し、蒸気ドラムとの間にそれぞれ閉回路を構成したこ
とを特徴とするものである。

【００１９】

【作用】このような自然循環形排熱回収ボイラは、サイ
ズの大きいダクト内に設置する場合でも蒸発管の長さを
短くすることができるため、蒸発管出口付近の蒸気体積
率を低く抑えることができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明を図１に示す実施例を参照して
説明する。図１は自然循環形排熱回収ボイラの構成要素
のうち過熱器７と蒸発器１１と節炭器２の１モジュール
を抜きだしたものである。

【００２１】排ガスダクト８の中を流れる排ガスＧの流
れ方向上流側には、過熱器７が配置されており、その下
流には蒸発器１１が配置されている。さらにその下流に
は節炭器２が配置されている。

【００２２】蒸発器１１は図のごとく高さ方向に２つに
分割し、第１および第２蒸発器１１ａ，１１ｂとして構
成される。伝熱管は垂直に配置されており、伝熱管内の
水は伝熱管を１回のみ通過するいわゆる１パス式である
。蒸発器１１に備えられる降水管１２、上昇管１３はそ
れぞれ専用の第１および第２の降水管１２ａ，１２ｂと
第１および第２上昇管１３ａ，１３ｂとにより蒸気ドラ
ム３と接続されている。排ガスダクト８の中では、排ガ
スＧはラギング１４により上下に分割され、第１および
第２蒸発器１１ａ，１１ｂと熱交換を行う。

【００２３】給水は給水ポンプ１により節炭器２へ送り
込まれる。さらに節炭器２において排ガスＧにより予熱
され、蒸気ドラム３へ送られる。蒸気ドラム３内の給水
は第１および第２降水管１２ａ，１２ｂを通り第１およ
び第２蒸発器１１ａ，１１ｂへ流入し、排ガスＧにより
加熱され蒸発する。気水混合流体となった給水は再び蒸
気ドラム３へ流入し、蒸気と水に分離され、蒸気は過熱
器７により所定の蒸気条件となって蒸気タービンへ送ら
れる。

【００２４】ところで、排ガスダクト８の高さは高圧側
の蒸発器内の水の循環を十分満足するものである。低圧
側の蒸発器１１もこのダクト高さに合わせてダクト高さ
にわたる伝熱管長さを用いたとすれば蒸発器１１出口部
での給水の蒸気体積率は高くなりすぎてしまう。図１に
示す本発明の実施例によれば、蒸発器１の高さは排ガス
ダクト８の高さの約半分である。そのため、ダクト高さ
の全長にわたって蒸発器１１の伝熱管を配置した場合に
比して、交換熱量は一方の蒸発器１１では約半分となる
。結果として、蒸発器１１出口付近の蒸気体積率を小さ
く抑えることができ、また、低圧であるため十分な循環
力が得られるので、水の循環量に関しての問題も生じに
くい。

【００２５】図２（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施例を
示している。ここでは、簡単のため蒸気ドラム・降水管
１２・蒸発器１１・上昇管１３の蒸発器系統のみを示し
て、他の部分は省略している。

【００２６】ところで、この第２実施例においては、蒸
発器１１の設置状況は第１実施例と同様である。第１お
よび第２蒸発器１１ａ，１１ｂにそれぞれ専用の第１お
よび第２蒸気ドラム１５ａ，１５ｂを設け、双方の蒸気
ドラム１５ａ，１５ｂの水位と蒸発器１１ａ，１１ｂと
の高さを適切にするため第２蒸発器１１ｂ用の第２蒸気
ドラム１５ｂを下げ、排ガスダクト８内に設置したもの
である。

【００２７】図３（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施例を
示している。ここでは、簡単のため蒸気ドラム１５・降
水管１２・蒸発器１１・上昇管１３の蒸発器系統のみを
示して、他の部分は省略している。

【００２８】ところで、この第３実施例においては、蒸
発器１１の設置状況は第１実施例と同様である。上下の
第１および第２の蒸発器１１ａ，１１ｂにそれぞれ専用
第１、第２、第３および第４の蒸気ドラム１５ａ，１５
ｂ，１５ｃ，１５ｄを設ける。蒸気ドラム１５ｂ，１５
ｄの水位と蒸発器１１ｂとの高さを適切にするため、第
２蒸発器１１ｂを下げ、排ガスダクト８の左右両側面に
設置したものである。第１および第２連通管１６ａ，１
６ｂは左右の蒸気ドラム１５ａ，１５ｃおよび１５ｂ，
１５ｄ内の水位を均等に保つため、両者を接続している
。

【００２９】図４は本発明の第４実施例を示している。 第４実施例においては、蒸発器系の設置状況は第１ない
し第３実施例の一つと同様としているが、少なくとも１
　つの蒸発器１１ｂの排ガスＧの上流側に排ガス用のダ
ンパ１７を設けている。この場合、蒸発器１１の後流側
には節炭器２もダクト高さ全長にわたるものではなく、
蒸発器１１と同様に高さ方向に２分割して配置される。 この実施例では、プラントの部分負荷において排ガスＧ
の量が少ない場合は、ダンパ１７を閉め、一方蒸発器の
みを利用することによって、交換熱量を少なくすること
が可能である。これにより部分負荷時の排ガスＧの温度
降下による排ガスＧの中の水分が凝縮することを防ぎ、
伝熱管の酸腐食を防止するものである。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
蒸発器系を構成する蒸発器を高さ方向に２体に分割し、
蒸気ドラムとの間にそれぞれ閉回路を構成したので、最
適な高圧系の蒸発器と低圧系の蒸発器を同一ダクトサイ
ズにても混在させることができる自然循環形排内回収ボ
イラを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る自然循環形排熱回収ボイラの一実
施例を示す構成図。

【図２】本発明の他の実施例を示す構成図。

【図３】本発明の他の実施例を示す構成図。

【図４】本発明のさらに異なる実施例を示す構成図。

【図５】従来の自然循環形排熱回収ボイラを示す構成図
。

【符号の説明】

１１…蒸発器 １１ａ…第１蒸発器 １１ｂ…第２蒸発器 １２…降水管 １２ａ…第１降水管 １２ｂ…第２降水管 １３…上昇管 １３ａ…第１上昇管 １３ｂ…第２上昇管 １５…蒸気ドラム １５ａ…第１蒸気ドラム １５ｂ…第２蒸気ドラム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　高圧系および低圧系の双方に節炭器お
   よび蒸発器を有する自然循環形排熱ボイラにおいて、前
   記低圧系の蒸発器を少なくとも２体に分割し、蒸気ドラ
   ムとの間にそれぞれ閉回路を構成したことを特徴とする
   自然循環形排熱回収ボイラ。