(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスの流動域に、その上流側から順に高圧二次過熱器、二次再熱器、一次再熱器、高圧一次過熱器を備えるとともに、前記各熱交換器に加え中圧蒸発器、高圧蒸発器および中圧過熱器を備え、前記中圧蒸発器で発生した蒸気が前記中圧過熱器を通して加熱されると共に、蒸気タービンの高圧部から導かれる低温再熱蒸気と混合されて前記一次再熱器および二次再熱器を順次通して加熱され、該蒸気タービンの中圧部にかけて供給されるようにした排熱回収ボイラ装置において、
前記中圧過熱器を該高圧蒸発器より上流側の約４７０℃の排ガスが流れる排ガス流動域に配置し、該中圧過熱器出口蒸気が前記蒸気タービンからの約３９０℃となる低温再熱蒸気とほぼ同じ温度域に加熱されるようにしたことを特徴とする排熱回収ボイラ装置。
【請求項２】
排ガスの流動域に、その上流側から順に高圧二次過熱器、二次再熱器、一次再熱器、高圧一次過熱器を備えるとともに、前記各熱交換器に加え中圧蒸発器、高圧蒸発器および中圧過熱器を備え、前記中圧蒸発器で発生した蒸気が前記中圧過熱器を通して加熱されると共に、蒸気タービンの高圧部から導かれる低温再熱蒸気と混合されて前記一次再熱器および二次再熱器を順次通して加熱され、該蒸気タービンの中圧部にかけて供給されるようにした排熱回収ボイラ装置において、
前記高圧蒸発器の管群を２分割し、前記中圧過熱器を分割した２つの蒸発器の間の約４００℃の排ガスが流れる排ガス流動域に配置し、該中圧過熱器出口蒸気が前記蒸気タービンからの約３９０℃となる低温再熱蒸気とほぼ同じ温度域に加熱されるようにしたことを特徴とする排熱回収ボイラ装置。
【請求項３】
前記中圧過熱器の出口側経路にあって該中圧過熱器出口蒸気にスプレー水を混合する減温器と、前記減温器内に注入されるスプレー水量を調節する調節弁と、検出された低温再熱蒸気温度と設定温度との偏差に基づいて該調節弁の開度を調節する制御信号を出力する温度制御手段とを備えることを特徴とする請求項１記載の排熱回収ボイラ装置。
【請求項４】
排ガスの流動域に、その上流側から順に高圧二次過熱器、二次再熱器、一次再熱器、高圧一次過熱器を備えるとともに、前記各熱交換器に加え中圧蒸発器、高圧蒸発器および中圧過熱器を備え、前記中圧蒸発器で発生した蒸気が前記中圧過熱器を通して加熱されると共に、蒸気タービンの高圧部から導かれる低温再熱蒸気と混合されて前記一次再熱器および二次再熱器を順次通して加熱され、該蒸気タービンの中圧部にかけて供給されるようにした排熱回収ボイラ装置において、
該蒸気タービンからの低温再熱蒸気にスプレー水を混合する減温器と、前記減温器に注入されるスプレー水量を調節する調節弁と、検出された該中圧過熱器出口蒸気温度に基づいて該調節弁の開度を調節する制御信号を出力する温度制御手段とを備えることを特徴とする排熱回収ボイラ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンバインドサイクル発電プラントにおける排熱回収ボイラ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電プラントは高効率の達成が可能で、環境対策の面でも優れているコンバインドサイクル発電プラントが多く建設されている。このコンバインドサイクル発電プラントの主要な原動機であるガスタービンは大形化しており、高効率を得るために入口温度の高温化が進んでいる。このガスタービンの大形化および高温化に伴い、排熱回収ボイラは複圧式、３圧式のものが用いられ、再熱式排熱回収ボイラと蒸気タービンとからなる再熱サイクルで構成されるプラントも採用されるようになってきている。
【０００３】
図５を参照して従来技術の一例を説明する。コンバインドサイクル発電プラントはガスタービン装置１および蒸気タービン２の双方の出力によって発電機３を駆動する。排熱回収ボイラ４の熱源にはガスタービン装置１の排ガスが用いられ、蒸気タービン２には排熱回収ボイラ４で生じた蒸気が導入される。ガスタービン装置１は圧縮機で空気を圧縮し、これに燃料を混合して燃焼させ、約１３００℃の燃焼ガスを得て、これを膨張させて動力を発生させる。
【０００４】
ガスタービン装置１で仕事を終えた燃焼ガスは排ガスとして排熱回収ボイラ４に導かれる。この排ガスの温度は約６００℃の高温で二次過熱器５、二次再熱器６、一次再熱器７、一次過熱器８、高圧蒸発器９、中圧過熱器１１、高圧節炭器１２、中圧蒸発器１３の各管群を通り、さらに図示しない中圧節炭器および低圧節炭器を経て約１００℃のガスとして大気中に排出される。
【０００５】
排熱回収ボイラ４には高圧蒸発器９と結ばれる高圧ドラム１０および中圧蒸発器１３と結ばれる中圧ドラム１４が備えられ、高圧ドラム１０の給水が高圧蒸発器９に、中圧ドラム１４の給水が中圧蒸発器１３に導かれて先に述べた排ガスによって加熱され、蒸気タービン２の駆動用蒸気が発生する。高圧蒸発器９で発生した高圧の蒸気は高圧ドラム１０で気水分離された後、一次過熱器８において過熱蒸気とするために加熱される。この過熱蒸気は減温器１５でスプレー水と混合されて二次過熱器５出口蒸気温度が設定温度になるように調節され、二次過熱器５を通って主蒸気管１６から蒸気タービン２の高圧部に供給される。
【０００６】
蒸気タービン２で膨張した蒸気は低温再熱蒸気管１７を通して一次再熱器７に導かれる。途中、この蒸気は中圧過熱器１１の出口蒸気と混合されて一次再熱器７に流入する。加熱されて温度上昇した再熱蒸気は減温器１８でスプレー水と混合されて二次再熱器６出口蒸気温度が設定温度になるように調節された後、二次再熱器６を通って高温再熱蒸気管１９から蒸気タービン２の中圧部に供給される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、次世代の大容量コンバインドサイクル発電プラントにおいてはガスタービンの入口温度が１３００℃からより高温になる。このガスタービンを用いる蒸気タービンの高圧主蒸気圧力および温度はこれまで以上に高くなり、プラント効率も５０％を超えることも十分に可能になる。しかし、この高温、高圧の蒸気条件でプラント効率を達成しようとすると、蒸気タービン２の排気温度、すなわち低温再熱蒸気温度が従来の約３５０℃から約３９０℃程度に上昇し、中圧過熱器１１出口蒸気と混合させるとき、双方の蒸気の温度差が従来の２０〜３０℃から８０〜９０℃に上昇してしまう。この場合、双方の蒸気が合流する部分の配管等に過大な熱応力が生じ、機器寿命が大きく損なわれる可能性がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は低温再熱蒸気と中圧過熱器出口蒸気との温度差を可能な限り少なくして蒸気合流部で配管等に過大な熱応力が生じるのを防止するようにした排熱回収ボイラ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、排ガスの流動域に、その上流側から順に高圧二次過熱器、二次再熱器、一次再熱器、高圧一次過熱器を備えるとともに、前記各熱交換器に加え中圧蒸発器、高圧蒸発器および中圧過熱器を備え、前記中圧蒸発器で発生した蒸気が前記中圧過熱器を通して加熱されると共に、蒸気タービンの高圧部から導かれる低温再熱蒸気と混合されて前記一次再熱器および二次再熱器を順次通して加熱され、該蒸気タービンの中圧部にかけて供給されるようにした排熱回収ボイラ装置において、前記中圧過熱器を該高圧蒸発器より上流側の約４７０℃の排ガスが流れる排ガス流動域に配置し、該中圧過熱器出口蒸気が前記蒸気タービンからの約３９０℃となる低温再熱蒸気とほぼ同じ温度域に加熱されるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
さらに、第２の発明は、排ガスの流動域に、その上流側から順に高圧二次過熱器、二次再熱器、一次再熱器、高圧一次過熱器を備えるとともに、前記各熱交換器に加え中圧蒸発器、高圧蒸発器および中圧過熱器を備え、前記中圧蒸発器で発生した蒸気が前記中圧過熱器を通して加熱されると共に、蒸気タービンの高圧部から導かれる低温再熱蒸気と混合されて前記一次再熱器および二次再熱器を順次通して加熱され、該蒸気タービンの中圧部にかけて供給されるようにした排熱回収ボイラ装置において、前記高圧蒸発器の管群を２分割し、前記中圧過熱器を分割した２つの蒸発器の間の約４００℃の排ガスが流れる排ガス流動域に配置し、該中圧過熱器出口蒸気が前記蒸気タービンからの約３９０℃となる低温再熱蒸気とほぼ同じ温度域に加熱されるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は中圧過熱器の出口側経路にあって中圧過熱器出口蒸気にスプレー水を混合する減温器と、減温器内に注入されるスプレー水量を調節する調節弁と、検出された低温再熱蒸気温度と設定温度との偏差に基づいて調節弁の開度を調節する制御信号を出力する温度制御手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１２】
さらに、第４の発明は、排ガスの流動域に、その上流側から順に高圧二次過熱器、二次再熱器、一次再熱器、高圧一次過熱器を備えるとともに、前記各熱交換器に加え中圧蒸発器、高圧蒸発器および中圧過熱器を備え、前記中圧蒸発器で発生した蒸気が前記中圧過熱器を通して加熱されると共に、蒸気タービンの高圧部から導かれる低温再熱蒸気と混合されて前記一次再熱器および二次再熱器を順次通して加熱され、該蒸気タービンの中圧部にかけて供給されるようにした排熱回収ボイラ装置において、該蒸気タービンからの低温再熱蒸気にスプレー水を混合する減温器と、前記減温器に注入されるスプレー水量を調節する調節弁と、検出された該中圧過熱器出口蒸気温度に基づいて該調節弁の開度を調節する制御信号を出力する温度制御手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図において従来技術により説明された構成には図５で用いた符号と同一の符号を付しており、これらの詳細な説明は省略する。図１において、ガスタービン装置１から流出する高温の排ガスが導入される排熱回収ボイラ４は、排ガス流動域に縦列に並ぶ高圧二次過熱器５、二次再熱器６、一次再熱器７、高圧一次過熱器８、中圧過熱器１１、高圧蒸発器９、高圧節炭器１２および中圧蒸発器１３を備えている。すなわち、中圧過熱器１１は高圧蒸発器９より上流側の約４７０℃の排ガスが流れる排ガス流動域に配置されており、中圧過熱器１１の伝熱管内を流動する蒸気が上記約４７０℃の排ガスによって約３９０℃の温度に加熱されるようになっている。
【００１４】
本実施の形態は上記構成からなり、プラントの始動によりガスタービン装置１から排ガスが排熱回収ボイラ４に流入し、その入口温度が上昇する。高圧ドラム１０から高圧蒸発器９にかけて給水が流れ、排ガスによって加熱されて蒸気が発生する。この蒸気は高圧一次過熱器８および高圧二次過熱器５を通って約５４０℃の温度に過熱される。そして、主蒸気管１６を通って蒸気タービン２に流入する。
蒸気タービン２に流入した蒸気は蒸気タービン２内で膨張して圧力、温度が降下する。上記蒸気タービン２内で仕事を行い約３９０℃となった蒸気は低温再熱蒸気管１７に流れ、再び排ガスとの熱交換のために一次再熱器７にかけて流動する。
【００１５】
一方、低圧ドラム１４から中圧蒸発器１３にかけて給水が流れ、排ガスによって加熱されて主蒸気よりも圧力が低い中圧蒸気が発生する。この中圧蒸気は高圧蒸発器９より上流側の約４７０℃の排ガスが流れる排ガス流動域に設けられている中圧過熱器１１を通って約３９０℃の温度に加熱される。
【００１６】
この中圧過熱器１１出口蒸気は低温再熱蒸気管１７内を流れる約３９０℃の低温再熱蒸気と混合されて共に一次再熱器７にかけて流動する。この後、一次再熱器７に流れた低温再熱蒸気は排ガスにより加熱され、減温器１８で二次再熱器６出口蒸気温度が５４０℃になるように調節された後、蒸気タービン２に流入する。
【００１７】
このように本実施の形態によれば、中圧過熱器１１出口蒸気を低温再熱蒸気とほぼ同じ温度水準に保持することができ、蒸気の合流部において配管等に温度差に起因する過大な熱応力が生じるのを防ぐことが可能になる。
【００１８】
さらに、本発明の他の実施の形態を図２を参照して説明する。本実施の形態の高圧蒸発器２０は２分割された第１蒸発器２１と第２蒸発器２２とからなる。この第１蒸発器２１と第２蒸発器２２との間に中圧過熱器１１が配置されている。上記した点以外は図１の排熱回収ボイラ４と同一である。
【００１９】
本実施の形態は上記構成からなり、給水が中圧蒸発器１３に流れ、そこで排ガスによって加熱され、中圧蒸気が発生する。この中圧蒸気は約４００℃の排ガスが流れる中圧過熱器１１を通って約３９０℃の温度に加熱される。
【００２０】
この約４００℃の排ガスで加熱される中圧過熱器１１は排ガス温度の低下により比較的安価な炭素鋼からなる伝熱管を使用することが可能になる。すなわち、上記実施の形態においては中圧過熱器１１が約４７０℃の排ガス中に置かれ、空だき運転なども考慮すると、伝熱管には高価な合金鋼を用いねばならない。これに対し、温度が約４００℃程度では炭素鋼でも、仮に空だき等を想定しても、十分に耐えることができ、中圧過熱器１１を安価に構成し得る利点がある。
【００２１】
さらに、排ガス温度が３９０℃の中圧過熱器１１出口蒸気温度に近く、多少の中圧蒸気流量の変動があっても、常に３９０℃の温度水準に保つことができ、プラントの運転上も有利である。
【００２２】
このように本実施の形態によれば、蒸気の合流部において配管等に過大な熱応力が生じるのを防止できるのに加えて、排熱回収ボイラ４を安価に構成することができる。
【００２３】
さらに、好ましい実施の形態を図３を参照して説明する。排熱回収ボイラ４内の主要な機器配置は図１の実施の形態のものと同じである。すなわち、排熱回収ボイラ４は排ガス流動域に高圧二次過熱器５、二次再熱器６、一次再熱器７、高圧一次過熱器８、中圧過熱器１１、高圧蒸発器９、高圧節炭器１２および中圧蒸発器１３を備える。また、中圧過熱器１１から低温再熱蒸気管１７にかけて結ばれる蒸気管２３の経路には中圧過熱器出口蒸気にスプレー水を混合する減温器２４が備えられる。この減温器２４にはスプレー水管２５が接続されており、この経路には調節弁２６が介装されている。また、低温再熱蒸気温度を検出する温度検出器２７の出力と設定温度との偏差に基づいて調節弁２６の開度を調節する温度制御器２８が備えられる。
【００２４】
本実施の形態は上記構成からなり、中圧過熱器１１出口蒸気が減温器２４において所望の温度になるように調節される。プラント運転中、排ガス温度が刻々変化し、このとき、低温再熱蒸気および中圧過熱器１１出口蒸気温度も変動する。低温再熱蒸気温度が、たとえば３９０℃よりも降下したとき、温度検出器２７がこれを検出し、その出力が温度制御器２８において設定温度と比較され、偏差に基づいて調節弁２６の開度が僅かに閉じられる。減温器２４に流れるスプレー水は調節弁２６の閉動作により減少し、減温器２４内を流れる中圧蒸気に少ない量のスプレー水が注入される。
【００２５】
一方、低温再熱蒸気温度が３９０℃を超えて上昇したとき、温度制御器２８から与えられる偏差信号により調節弁２６が開動作する。このとき、減温器２４に流れるスプレー水は増加し、減温器２４内を流れる中圧蒸気により多いスプレー水が注入される。かくして、排ガス温度が変動するようなときも、中圧過熱器１１出口蒸気を低温再熱蒸気と同等の温度水準に保持することができる。
【００２６】
このように本実施の形態によれば、きめ細かな蒸気温度制御により蒸気の合流部において配管等に過大な熱応力が生じるのを確実に防止することができる。
【００２７】
さらに、上述のものと異なる実施の形態を説明する。図４において、排熱回収ボイラ４内の機器配置は従来技術によるものと同一である。低温再熱蒸気管１７の経路には低温再熱蒸気にスプレー水を混合する減温器２９が備えられる。この減温器２９にはスプレー水管３０が接続されており、この経路に調節弁３１が介装されている。また、中圧過熱器１１出口蒸気温度を検出する温度検出器３２の出力に従い調節弁３１の開度を調節する温度制御器３３が備えられる。
【００２８】
本実施の形態は上記構成からなり、低温再熱蒸気が減温器２９において中圧過熱器１１出口蒸気温度に見合うような温度に調節される。たとえば、中圧過熱器１１出口蒸気温度は蒸気タービン２の排気である低温再熱蒸気の温度３９０℃よりも一段と低い約３３０℃である。中圧過熱器１１出口蒸気温度が上限近い温度に上昇する間、温度制御器３３は減温器２９へのスプレー水量を調節する調節弁３１に十分なスプレー水量を確保するようにランプ状に開度を増す信号を出力する。これにより排ガス温度が変動するようなときも、低温再熱蒸気を中圧過熱器１１出口蒸気とほぼ同じ温度水準に下げることができる。
【００２９】
このように本実施の形態においても、蒸気の合流部において配管等に過大な熱応力が発生するのを防止することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように第１の発明によれば、中圧過熱器を高圧蒸発器より上流側の排ガス流動域に配置するようにしたので、中圧過熱器出口蒸気を蒸気タービンからの低温再熱蒸気とほぼ同じ温度域に保つことができ、蒸気の合流部の配管等に過大な熱応力が生じるのを防ぐことが可能である。
【００３１】
さらに、第２の発明によれば、高圧蒸発器の管群を２分割し、中圧蒸発器を分割した２つの蒸発器の間に配置するようにしたので、中圧過熱器出口蒸気を蒸気タービンからの低温再熱蒸気とほぼ同じ温度域に保つことができ、蒸気の合流部の配管等に過大な熱応力が生じるのを防ぐことが可能である。
【００３２】
また、第３の発明によれば、中圧過熱器出口蒸気にスプレー水を混合する減温器を設け、減温器内に注入されるスプレー水量を低温再熱蒸気温度と設定温度との偏差に基づいて制御するようにしたので、排ガス温度が変動するときも、中圧過熱器出口蒸気を低温再熱蒸気と同等の温度に保つことができ、蒸気の合流部の配管等に過大な熱応力が生じるのを防止することが可能である。
【００３３】
さらに、第４の発明によれば、蒸気タービンからの低温再熱蒸気にスプレー水を混合する減温器を設け、減温器内に注入されるスプレー水量を中圧過熱器出口蒸気温度に基づいて制御するようにしたので、排ガス温度が変動するときも低温再熱蒸気を中圧過熱器出口蒸気と同等の温度に保つことができ、蒸気の合流部の配管等に過大な熱応力が生じるのを防止することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による排熱回収ボイラ装置を示す系統図。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す系統図。
【図３】本発明の他の実施の形態を示す系統図。
【図４】本発明の他の実施の形態を示す系統図。
【図５】従来の排熱回収ボイラ装置の一例を示す系統図。
【符号の説明】
２  蒸気タービン
４  排熱回収ボイラ
６  二次再熱器
７  一次再熱器
９、２０  高圧蒸発器
１１  中圧過熱器
１５、１８、２４、２９  減温器
２６、３１調節弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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