JPS60501025A - 蒸気発生器及びそれを用いた複合サイクル式発電プラント - 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】 蒸気発生器及びそれを用いた 本発明は蒸気発生器（すなわちぎイラー）に関し、特に貫流（ｏｎｃｅ−ｔｈｒ ｏｕｇｈ）型の新規な改良された蒸気発生器に関するものである。

背景技術 ／り３３年ヶ月＝２ｊ日１３ｕｒｎＳ等に付与された米国特許第１．り０３；、 ／ｌＡ２号；／９乙ｊ年３月／乙日Ｅｖａｎｓに付与された同第３．／７３．ｐ ｏｓ号；及び／り乙７年／！月／２日　にａｍｍに付与された同第３，３３；７ ．ｌＡ１１号に示されているように、これまで数多くの貫流型ぎイラーが設計さ れてきた。／り６７年ｇ月１ｇ日に発行された米国特許第３．／ｌＡ’Ａ、ｇ３ 乙号は、／よシ多いレベルで蒸気が生成される蒸気発生プラントを記載している 。これに開示され特許された蒸気発生器は、全く異ったものである。しかし、い わゆる貫流型ぎイラーはこれまで一般的に、通常のボイラーと同尤方向に沿って 設計されてきた。

従来の蒸気ボイラーは多数の経済的欠点を有し、特に≠００θ〜２！；０００Ｋ ｗ程度のガスタービンを用いた小容量の複合式サイクルへの応用で運転上の問題 を多く生じている。

始動と停止の手順が複雑である。有人運転が不可欠で、上記手順を実施するのに 約７時間を要する。

又従来のぎイラーは単一圧力だけで蒸気を発生するので、熱回収率が低い。従っ て、経費をかけたとしても、発熱率においてわずかな改良が得られるに過ぎない 。

管、弁棒、継手、その他の箇所からのリークは、従来のボイラーにおいて一般的 である。これらを補修したシ栓止めするのは、困難で時間を要し、ひいては割高 となる。そして、過剰の給水消費、保守コスト及び性能の悪化がもたらされる。

更に従来のボイラーは、設置及び点検時に伴う損傷や冷凍を生じる恐れがある。

本発明は、上記のような７つ以上の問題を解消することを意図している。

発明の開示 本発明の７つの特徴によれば、貫流型ぎイラーは気体流入口と気体流出口を有す る垂直ケ＝／／グから成る。

頂部の支持構造体がケーシノグ内に配設され、複数の独立した蒸気発生回路が支 持構造体から垂下している。各蒸気発生回路は、水平方向の管走行部を含む単一 のサイン状低圧管と、低圧管に対して組入れられた高圧管で構成されている。給 水ポンプが、低及び高圧管内へ水を流入させる。

本発明は２重圧力の蒸気発生が可能な新規の？イ乏−９すなわち蒸気を２種の異 った圧力レベルで共通のガス路を共有する１つの液圧的に独立したボイラーへ上 昇させることができる新規のボイラーを提供することにある。

その結果、−磁的な複合サイクル式発電・プラントにおける従来のボイラーと比 べ、熱の回収効率が２７〜．２５％改善される。ボイラーは貫流型の構成で、水 から過熱蒸気への変化は、それぞれ高圧部と低圧部を有する連“縞状の管又は回 路内で生じる。水や蒸気と接触するボイラーの構成部品は全て、ステンレス鋼又 はその他の耐腐食材で作製される。これによって、給水中の溶解酸素及び声を制 御するため従来のボイラーで必要だった複雑な化学的処理が省け、保守・運転コ ストが削減され、更に運転の自動化が可能となる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の原理に従って構成されそれを実施し゛た貫流型のぎイラーを含 む複合サイクル式発電プラントの概略図： 第２図はボイラーの正面図で、ぎイラーケーン／グの一部を破断しその内部の構 成部品を示しだ図；第３図はボイラーの内部構成部品の全体的概略図；第≠Ａ図 はボイラー中その内部で蒸気が発生される多数の略同−な回路組体の７つの左側 端面図：第≠Ｂ図は回路組体に組込まれた端部支持ストラッグの側面図； 第ｊＡ図は各回路組体に組込まれた中央支持ストラツプの側面図； 第ｊＢ図は中央支持ストラップの端面図：及び第６図は回路組体管の流入端にお ける構造の部分断面以下図面を参照すると、第１図は本発明の原理に従っで構成 されそれを実施した複合サイクル式発電デラ／ト２０を示している。このプラン トの構成部品は大部分、従来使われているか又はそうでなくともよく知られてい るものである。これらの構成部品は、本発明の理解に必要な範囲でのみ説明する 。

発電プラント２０の主々構成部品に゛は、交流発電機２４に駆動接続されたガス タービンエンジン２２．ガスタービンエンジン２２から排出される高温ガスから 回収された熱エネルギーにより内部で蒸気が発生される本発明の原理を実施した 貫流型ボイラー２６．及び交流発電機２４に駆動接続され、ボイラー２６内の蒸 気を動力流体として使用する蒸気タービン２８が含まれる。

発電プラント２０では、蒸気タービン２８も例示の負荷つま力交流発電機２４． を駆動する。しかし蒸気タービンは、ガスタービンエンノン２２で駆動される負 荷と異る負荷を駆動するのにも同様に使える。

図示のガスタービンエン・ジンは従来一般的な構成である；すなわち、圧縮機３ ０．燃焼器３２、圧縮ｄ＆３０を駆動するガス発生タービン３４、及び交流発電 機２４を駆動する発電タービン３６から成る。一般に≠、２７〜１’、２℃の温 度範囲で発電タービン３６から排出される高温ガスが、蒸気発生器２６のケーン フグ３８内に導かれ、そこを上方に通過して流れる。通常これらの高温ガスは、 は！／／２℃の温度でスタック４０を通じ大気中へ排出される。このようにして 回収される熱は、複合サイクル式発電シラ／トで従来使われている非燃焼ぎイラ ーで回収可能なものより、２／〜２．、！−％高い。

第１図に示したぎイラー２６は、貫流型の２重圧力構造を有する。つまりボイラ ー２６は蒸気発生モジュール４２（第２，３図参照）を含む。本発明の原理に基 く具体的な７つのボイラー設計では、該モノコーールがそれぞれ高圧管４６と低 圧管４８を有する４０基の蒸気発生回路組体から構成されろうこれらの各管内で は、水から飽和蒸気への相変化及び飽和蒸気から過熱蒸気への変化が、高温ガス タービンエンノンの排気ガス流に対する効率的な向流の関係で水が下方へ流れる 際、管の入口５０（又は５２）から出口５４（又は５６）へ延びた連続的な流路 中で生ずる。従って、容管の異った領域が給水の加熱器、蒸発器及び過熱器とし て機能する。

ボイラー２６の管４６内で発生した高圧蒸気は２重圧力型蒸気タービンエンクン ２８の高圧部へ流入し、ピイラー内で発生した低圧蒸気は同タービンの低圧部へ 流入する。

タービン２８から排出した蒸気は通常の水冷表面型凝縮器６２内へ流入し、そこ で蒸気が凝縮される（所望なら、冷謀として空気を用いる等別型の凝縮を代りに 使ってもよい）。凝縮物は、ボイラー２６に必要な貯蔵給水６ を含むホットウェル６４内に貯えられる。このように比較的小容量のシステム構 成部品の中に給水を貯えられるということは重要である。何故なら、従来型ボイ ラーのドラム内に含まれ、こ＼に示す新規なボイラーで除かれた大量の飽和水は 安全性を脅かすもので、蒸気ぎイラーの有人運転に必要な広範囲の法規制を生み 出してきたからである。これはコスト有利であると共に、複合サイクル式発電プ ラント２０の遠隔無人運転を可能とする。

凝縮蒸気はホットウェル６４から凝縮物ポンプ６６によって、凝縮物浄化器６８ へ循環される。こ＼で酵解固体が凝縮物から除かれた後、その凝縮物は給水ポン プ７０によって流量制御弁７２を介し蒸気発生器２６へポンプ吸入される。この 弁が給水の流量を、ガスタービンエンジン２２から蒸気発生器内へ供給される高 温ガスのエンタルピーに一致させる。蒸気発生管４６．４８に対する入口５０． ５２の上流側における固定オリアイス７４が、給水を高圧管４６と低圧管４８へ 適切な比率で分割する。

上述のように、水性流体と接触する上記ボイラー構成部品の作製は、ぎイラー２ ６へ供給される給水から溶解酸素を化学的に除去する必要又は給水のＰＨを制御 する必要を取除けることが予期せず認められた。一方、ホットウェルの脱気によ る溶解酸素の物理的除去が、ＰＨ制御をしなくともボイラー構成部品の腐食を防 止するのに適切なことが認められた。

ホットウェルｄ脱気は、凝縮機６２を介しホントウニホットウェルと凝縮機から 真空ポンプによって排除される酸素は一般に、認知し得る量の連行水を含む。従 って、排除空気は通常の分離器７９内へポンプ吸入される。空気は分離器７９か ら大気中へ放出される一方、水はトラノ′ｆ８０を介し分離器７９から凝縮器６ ２へ戻される。

こ＼に開示し上述した蒸気発生器の重要な利点の７つは、給水を補給する必要が わずかである点にある。例えば、こ＼に開示する型の７つのぎイラーは一例の設 計点において毎時乙、７９ｇ　Ｋｇの蒸気を生ずるように構成される。このボイ ラーに必要な補給水の量は毎時ｒ、４ｔｔ以下である。これに対し、同等容量を 持つ従来のブローダウン型ボイラーに必要な補給水の量は毎時約／７０ｔである 。

このように必要な補給水はまず鉱物質が除去され、次いで補給水ライン８６を介 してホントウェル６４に供給される。

次に第２，３図を更に！シく参照すると、ボイラー２６の蒸気発生モノュール４ ２を構成する≠θ基の別々の回路組体４４はそれぞれ、Ｕ字状の端部ぺ、ンドで 接続されたｌり本の水平走行管部を含む蛇行状の高圧管４６と、これら高圧管に 対して組入れられ、Ｕ字状の端部ペンドで接続された／６本の走行管部を含む蛇 行状の低圧管４８とを有する。この例示ボイラーにおし・て、低圧管４８と高圧 管４６の給水部における管外径は１３ｇ、７３；ｍｒｎ。

壁厚は／　’Ａ　７３　ｍｍである。高圧管４６．の、蒸発器及び過熱器部分に おける管外径はそれら管内での圧力降下を減しるため／フ０．３　ｍｍに増大さ れ、それら画部分における壁厚は／、ｆ１７！ｒｍｍ　である。

第≠Ａ図に明らかなように、管の走行はジグザグ状で、中心から中心まで約！； 　０１　ｍｍ離間している。不可欠ではないが、ノブザブ的な管走行形状は、蒸 気発生ぎイラーモジュール４２の単位体積当シに対し最大の熱伝達面積を与えら れるので好ましい。特に本発明による一般的なボイラーでは、≠列のジグザグ状 走行管が７列の平行管で得られるのと同じ高温ガスから給水への熱伝達を与える 。

連続するラセン状フィン（第２図に概略的に示し参照番号７８で表わす）が、高 及び低圧管４６．４８両方を取巻いている。こ＼で論じている例示のボイラーで は、厚さ乙、３３；ｍｍ、高さりＪ’：　２　！；　ｍｍのフィンが使われてい る。これらのフィンは、外径／３；ｇ、７３ｍｍの管では約３乙ツタｍｍ　、外 径／　９０．３；　ｍｍの管では約、、２　ｇ、　、２．２　ｍｍ離間して位置 する。フィン付管は裸管と比べ１０倍の熱伝達表面積を与えられるの゛で、フィ ン付配管の使用は本発明の別の重要な実用的特徴である。

上記のように耐腐食材を用いることによって、保守・運転コストの削減、自動運 転の簡単化、運転員によるミスの可能性回避等数多くの望ましい特性が得られ、 これによってボイラー給水のＰＨを制御したシ、その溶解酸素含有量を化学的に 制御する必要が除かれる。このため管４６．４８は、一般にニッケルークロム− 鉄を含む高温と腐食に対して強い合金等の材料で作製される。

水−蒸気回路中における別のざイラー構成部品も、上記のような耐腐食材あるい はその池の例として型３１６又は３２１ステンレス鋼等の耐腐食材で作製される 。

管４６．４８及びその池水や蒸気と接触するぎイラー構成部品を上述のごとき材 料で作製する別の利点は、ぎイラーを長期間にわたってドライ運転できることに ある。

上記のように、この運転モードは高温ガスと接触するボイラー管及びその池の表 面から、ススや池のガス側汚染を防ぐのに使うことができる。

上記の目的で耐腐食材を用いることの更に別の利点は、ボイラーが海洋環境で腐 食に耐えられるように彦り、沖合プラットフォームや同様の用途に極めて適した ものになることにある。

再び図面を参照とすると、各回路組体４４における高圧管４６と低圧管４８の水 平走行部は垂直端部ストラップ８０と垂直中央ストラッグ８２に固定されている （第グＡ、　ｇ１３．　３Ａ及びｊＢ図参照）。

端部ストラップは、フィン付領域の端部で管にろう付けされた屑状スリーブ８４ を受入れるように形成されている。≠θ基の回路組体４４は第３図に示すように 並列状に配置され、端部ストラップ８０がボイラー２６を通１０ る高温ガスの流路を限定する２つの側壁を形成するように結合している。

各回路組体４４の中央ストラップ８２は、各管走行部の中央でフィンにろう付け されたスリーブ８６を受入れるように切欠きされている。この構成は、管走行部 の連続的なフィン形成を可能とする点で重要である。中央ストラップは、スリー ブ８６（図示せず）のフレアをストラップの反対側に互い違いにすることによっ て位置される。

更に第！、３図を参照すると、高及び低圧蒸気発生管４６．４８と端部及び中央 ストラッグ又は・・ンガー８０゜８２から構成された回路組体４４が、ボイラー ２６を通るがス路を横切る水平支持体８８．９０及び９２から垂下している。特 に端部・・ンガー８０は、支持ストラッグ９４．９６によってビーム８８．９２ から垂下されている。ストラップ９４．９６の上端は、締付具９８によって対応 するハンガー８０にピン止めされている。中央ハンガー８２め上端は、中央支持 ビーム９ｏに沿って延びた突起（図示せず）と係合するように形成されている。

各回路組体４４の管を吊下げ、る上記のハンガー及びストラップ構成は、高い熱 フンブライアンスラ与える点で重要である。これはボイラー２６のドライ運転を 可能とし、ぎイシーに構造上の損傷を生ずることなくガス側汚染を除去できるよ うにする。

ビーム８８．９０及び９２は、ボスト−ビーム構造ノコールドフレーム１００か ら支持されている。このフレームの詳細は本発明の一部を構成しないので、こ＼ では説明しない。

コールドフレームは、前方ライナー１０２と後方ライナー（図示せず）も支持し ている。これら２つのライナーは回路組体４４０組立てられた端部ストラップ８ ｏと協働し、ボイラー２６を通るガス路を限定する。

更ニコールドフレーム１００からは、前方ノ＃ネル１０４、！つの側方・ぞネル １０６（そのうち一方のみを図示）及び後方パネル（図示せず）から成る外側ケ ーシングが支持されている。・ぐネルはスイーサ１０８によって、組立てられた 端部ストラッグ８０と前方及び後方内側ライナーから隔てられている。

これは重要な安全上の特徴である。リーク又は破裂によって漏出した蒸気はボイ ラーを通って上方に導かれ、スタ゛ツク４０から排出されるため、ボイラーの近 くにいる人員に危険を及ぼさない。

又コールドフレーム１００は、給水入ロヘソグー１１０゜１１２も支持している 。第、２鉢に示すように、蒸気比ロヘソ！−１１４，１１６は、Ｎイラー２６の 外側ケーシング内に密閉されそれによって支持されているので、“ボイラ一温度 が上昇すると、蒸気は下方へ降下可能となる。

更にこれによって、漏出蒸気が近傍の人員に危険を及ぼすことなく、ヒイシーか ら安全に送出されることが保証されている。

ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、６ 国際調査報告 １０電ｅ＋ｙｎｄｅｍｌ＾ｐｐＨｃａｕａｎＮａ、ＰＣＴ／ＵＳ８４１００５２ ８ＡＮＮＥＸ　Ｔｏ　Ｔｈｄ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥ ＰＯＲＴ　ＯＮ第１頁の続き ■Ｉｎｔ、ＣＩ、’　識別記号　庁内整理番号０発　明　者　キャムベル　アレ ン　エイチ　アメリカ合衆国　カリフォルニア州　９２０２４　エンチニタスセ ロストリート　６２５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 Ｚ　反対端にそれぞれガス流入口とガス流出口（４ｏ）を有する垂直ケーシング （３８）； 上記ケーシング（３８）内の頂部支持構造体（８８゜９０．９２）； 上記支持構造体（８８，９０，９２）から吊下げられた複数の独立した蒸気発生 回路（４４）で、それぞれ水平方向の管走行部を含む単一のサイン状低圧管（４ ８）とこれら低圧管（４８）に対して組入れられた高圧管（４６）から成る上記 各回路（４４）；及び上記紙及び高圧管（４８，４６）内へそれらの入口端（５ ０，５２）から水を流入させる給水ポンプ（７０）； を備えた貫流型ボイラー（２６）。 λ、水性流体と接触する全ての構成部品が耐腐食材で作製されている請求の範囲 第７項記載の貫流型ぎイラー３、　前記低及び高圧管（４８，４６）が連続した ラセン状の外側フィン（７８）を備えている請求の範囲第１項記載の貫流型ボイ ラー（２Ｇ）。 弘　前記低及び高圧管（４８，４６）のそれぞれの入口端（５２，！５０）に、 これら管（４８，４６）の残部における圧力降下より充分高く管（４８，４６） 内における流れの不安定性を減少せしめる圧力降下をそれらの流入口、に発生さ せるオリフィス手段（１２２）が設けられている請求の範囲第１項記載の貫流型 ボイラー（２６）。 左　前記低及び高圧管（４８、４６）の走行部内で発生゛した蒸気を受取る出ロ ヘノダー（１１４，１１６）を備え、これら出ロヘソダー（１］、　４　、−１ １６　）が前記？イラーケーシノグ（３８）内に密閉されることにより、ボイラ ー（２６）内で発生した蒸気及びリーク又は破裂に伴う漏出蒸気が前記排ガス流 出口（４０）を介しケーシング（３８）から安全に排出される請求の範囲第２項 記載の貫流型ボイラー（２６）。 乙、　前記回路組体（４４）を隣接した並置の関係で吊下げる手段（８０，８２ ）が、水平方向に配置され相互に離間したビームと、前記各蒸気発生回路（４４ ）の高及び低圧管（４６，４８）を支持する独立した一組の中央及び端部ストラ ップ（８２，８０）とかう成る請求の範囲第１項記載の貫流型ボイラー（２６） 。 （２６）を通る垂直ガス流路を限定する内側ライナ一手段（１０２）を有する請 求の範囲第１項記載の貫流型ぎイラー（２６）。 ｇ、　ガスタービンエンジン（２２）１貫流型ボイラー（２６）； 該ボイラーに給水を流入せしめる手段（７０，７２）；上記ガスタービンエンジ ン（２−２）からの排出ガス１５ を貫流型ボイラー（２６）を通して流し、給水を蒸気へ変換する手段（１０２） ； 蒸気タービン（２８）；及び 上記ボイラーで発生した蒸気を蒸気タービンに流せしめ、蒸気タービンを駆動す る手段； から成る複合サイクル式発電プラン）（２０）。 ２　前記蒸気タービン（２８）が高圧部と低圧部を有し、前記ぎイラー（２６） が液圧的に独立した高及び低圧蒸気発生手段（４６，５０，５４）、（４８，５ ２゜５６）を有し、発電プラントが更に上記高及び低圧蒸気発生手段から蒸気タ ービンの高及び低圧部へ蒸気を搬送する手段を備えた請求の範囲第ｇ項記載の複 合サイクル式発電ｆラン）　（２０）。 １０前記貫流型ゴイラー（２６）の高圧蒸気発生手段（４６、５０，、５４）と 低圧蒸気発生手段（４８゜５２．５６）の両方へ給水を供給する単一の給水ポン プ（７０）を有する請求の範囲第ｇ項記載の複合サイクル式発電プラント（２０ ）。 ／／、前記蒸気タービン（２８）から排出された蒸気を凝縮する凝縮手段（６２ ）と、凝縮物を受取るホットウェル（６４）とを有し、上記ホットウェル（６４ ’）が発電プラント（２０）用の貯蔵給水を含む請求の範囲第ｇ項記載の複合サ イクル式発電プラント（２０）。 ／！、水性流体と接触する貫流型ボイラー（２６）の構成部品全てが、耐腐食材 で作製されている請求の範囲第に項記載の複合サイクル式発電グラン）（２０） 。 ／３．前記貫流鴬ピイラー（２６）がケーノノグ（３８）；該ケーンフグ（３８ ）の下方及び上方端にそれぞれ設けられたガス流入口とガス流出口（４０）；及 び各々水平方向の管走行部を含む単一のサイン状低圧管（４８）とこれら低圧管 （４８）に対して組入れら、れた高圧管（４６）とから成る複数の独立した蒸気 発生回路（４４）；を有する請求の範囲第ｇ項記載の複合サイクル式発電ｆラン ）　（２０）。 ／ｌＡ、前記偶及び高圧管（４８，４６）内で発生した蒸気を受取る出口ヘッダ ー（１１４，１１６）を備え、咳出ロヘノダー（１１４，１１１６）が？イラー ケ−７ノグ（３８）内に密閉されることにより、ボイラー（２６）内で発生した 蒸気及びリーク又は破裂に伴って漏出した蒸気が上記ケーシングから安全に送出 される請求の範囲第１３項記載の複合サイクル式発電グラノ　ト　（２０）。 ／左前記偶及び高圧管（４８，４６）の入口（５２，５０）とそれぞれ連通する 第１及び第スの人口ヘッダー（１１０，１１２）と、前記ポンプ（７０）とヘッ ダー（１１０，１１２）の間に流れ回路の関係で配置され給水の流れを両者間に 分割するオリフィス手段（７４）を有する請求の範囲第１≠項記載の複合サイク ル式発電プラント（２０）。 ／乙前記貫流型ゴイラー（２６）内の低及び高圧管７ （４８，４６）の入口端（５２，５０）に、これら管（４８，４６）の残部にお ける圧力降下よシ充−分高く管（４８，４６）内における流れの不安定性を減少 せしめる圧力降下をそれらの流入口に発生させるオリフィス手段（１２２）が設 けられている請求の範囲第１４’項記載の複合サイクル式発電シラ：／）（２０ ）。 １７前記低及び高圧管（４８，４６）が連続的なラセン状の外側フィン（７８） を備えている請求の範囲第１１１項記載の複合サイクル式発電プラン）（２０） 。