(57)【要約】【課題】貫流ボイラを併用しなくても必要とする蒸気量を得ることができ、且つ従来に比べてエネルギー効率の高い排熱回収ボイラを提供する。【解決手段】本発明に係る排熱回収ボイラ１１は、ガスタービンから排出される排ガスの流れ方向に沿って、第１の蒸発器１４、ダクトバーナ１６、第２の蒸発器１７、及び節炭器１９が順に配置され、第１の蒸発器１４には第１の気水分離器１５が、第２の蒸発器１７には第２の気水分離器１８がそれぞれ接続されている。排熱回収ボイラ１１では、第１の蒸発器１４と第２の蒸発器１７の間にダクトバーナ１６が設置されているので、従来の排熱回収ボイラに比べてダクトバーナ１６の耐熱温度までの温度上昇量が大きく、従来の排熱回収ボイラに比べて回収できる飽和蒸気量が増加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンから排出される排ガスの流れ方向に沿って、第１の蒸発器、ダクトバーナ、第２の蒸発器、及び節炭器が順に配置され、
前記第１の蒸発器には第１の気水分離器が、前記第２の蒸発器には第２の気水分離器がそれぞれ接続されていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
【請求項２】
請求項１記載の排熱回収ボイラにおいて、前記第１の蒸発器の上流側に第１の過熱器、前記ダクトバーナと前記第２の蒸発器の間に第２の過熱器が配置されていることを特徴とする排熱回収ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンから排出される排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラに関し、特にダクトバーナ付き排熱回収ボイラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電機と排熱回収ボイラを組み合わせたコージェネレーションシステム(Combined Heat and Power)は、タービン発電機を駆動して電力を得ると共に、ガスタービンから排出される排ガスの熱を排熱回収ボイラで回収して蒸気又は温水を得るシステムである。電力と蒸気を同時に必要とする事業所等では、コージェネレーションシステムは、電力と蒸気の供給を別個に受ける場合に比べてエネルギー効率が高く経済性に優れている。
【０００３】
排熱回収ボイラは、ガスタービンから排出される排ガス熱量に応じた蒸気量を生成して供給するが、近年では、排ガスを加熱する助燃装置（ダクトバーナ）を備えた排熱回収ボイラが増えている。
ダクトバーナ付き排熱回収ボイラでは、ガスタービンから排出される排ガスは、排熱回収ボイラ入口に設置されているダクトバーナにより追い焚きされて排ガス温度が高められた後、排熱回収ボイラ内に流入する。排熱回収ボイラ内には、蒸発器、節炭器が排ガスの流れ方向に沿って設置されており、排ガスとボイラ給水との熱交換が蒸発器で行われ蒸気が発生する。
【０００４】
ダクトバーナ付き排熱回収ボイラにおいて蒸気量を増加させる場合、ダクトバーナの燃焼量を増やすことが行われるが、それに伴って排ガス温度が上昇する。排ガス温度が上昇するとダクトバーナの温度も上昇するため、ダクトバーナの耐熱温度を超えないように最大蒸気量が設定されている。最大蒸気量を超える蒸気量が必要となる場合は、貫流ボイラを併設し、不足する蒸気量を補うことが行われている。
また、ダクトバーナ付き排熱回収ボイラでは、蒸発器及び節炭器における熱回収によって節炭器出口付近において排ガス温度が低下し、低温腐食が発生することがある。そのため、低温腐食が起きる限界温度に対してかなり余裕をもった排ガス温度となるように稼働されており、熱利用の観点で見ると望ましいことではない。
【０００５】
そこで、特許文献１では、過熱器、蒸発器、節炭器を備えた排熱回収ボイラにおいて、過熱器と蒸発器のそれぞれの入口に追い焚き用のダクトバーナを設けた排熱回収ボイラが開示されている。特許文献１によれば、従来技術と比較して排熱回収ボイラ入口の排ガス温度の低減ならびに過熱器出口蒸気温度の上昇を抑制することが可能になるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１１６２０８号公報
【特許文献２】特開２００１−１９３９０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１記載の排熱回収ボイラの場合、２台のダクトバーナを使用するため、例えば幅約４ｍの燃焼室が必要となり、排熱回収ボイラのサイズが大きくなることから、導入時の設備費が高くなるという課題がある。また、ダクトバーナの制御系も複雑になる。
【０００８】
そこで、特許文献２では、排ガス流路を構成するケーシング（ダクト）内の上流側にダクトバーナを配置した排熱回収ボイラにおいて、蒸発器を構成する伝熱管群を２分割し、蒸発器の分割された２つの伝熱管群（前流側蒸発器と後流側蒸発器）の間に過熱器及び／又は再熱器の一部を配置し、過熱器及び／又は再熱器の他部をダクトバーナの上流側に配置した排熱回収ボイラが開示されている。
しかし、特許文献２記載の排熱回収ボイラの場合、前流側蒸発器と後流側蒸発器を１台の気水分離器（ドラム）で制御するため、蒸発器ごとの制御が難しく、制御性が悪いという課題がある。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、貫流ボイラを併用しなくても必要とする蒸気量を得ることができ、且つ従来に比べてエネルギー効率の高い排熱回収ボイラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係る排熱回収ボイラは、ガスタービンから排出される排ガスの流れ方向に沿って、第１の蒸発器、ダクトバーナ、第２の蒸発器、及び節炭器が順に配置され、
前記第１の蒸発器には第１の気水分離器が、前記第２の蒸発器には第２の気水分離器がそれぞれ接続されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明に係る排熱回収ボイラでは、ダクト入口付近に配置した第１の蒸発器における熱交換により温度が低下した排ガスをダクトバーナで追い焚きする。そのため、従来の排熱回収ボイラに比べてダクトバーナの耐熱温度までの温度上昇量が大きく、追い焚きガス量を増加させることができる。これにより、投入熱量が増え、従来の排熱回収ボイラに比べて回収できる飽和蒸気量（以下、「飽和蒸気」を単に「蒸気」と呼ぶことがある。）が増加する。
【００１２】
ガスタービンにおいて、例えば、外気を取り込み空気比約２．８で燃料を燃焼する場合、燃料量に対して排ガス量は約３３倍程度となる。一方、ダクトバーナは、ガスタービン出口排ガス中の残存酸素を使用するため外気を取り込む必要がなく、追い焚き燃料量が排ガス量の増分量となる。従って、本発明に係る排熱回収ボイラでは、追い焚き燃料量を増やしても、従来の排熱回収ボイラに比べて、投入燃料量に対する排ガス量は相対的に小さくなる。つまり、排熱が減少したことを意味する。因って、本発明に係る排熱回収ボイラは、従来の排熱回収ボイラに比べて排熱が少なくエネルギー効率が高い。
【００１３】
さらにまた、本発明に係る排熱回収ボイラでは、各蒸発器が気水分離器を備えているので、蒸発器ごとの制御が容易であり、高い制御性を実現することができる。
【００１４】
また、本発明に係る排熱回収ボイラでは、前記第１の蒸発器の上流側に第１の過熱器、前記ダクトバーナと前記第２の蒸発器の間に第２の過熱器が配置されていてもよく、これにより、過熱蒸気を生成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る排熱回収ボイラでは、第１の蒸発器と第２の蒸発器の間にダクトバーナが設置されているので、従来の排熱回収ボイラに比べてダクトバーナの耐熱温度までの温度上昇量が大きく、従来の排熱回収ボイラに比べて回収できる飽和蒸気量が増加する。その結果、貫流ボイラを併用しなくても必要とする蒸気量を得ることができ、且つ従来に比べて高いエネルギー効率を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る排熱回収ボイラの構成を示す模式図である。
【図２】同実施の形態に係る排熱回収ボイラと従来の排熱回収ボイラそれぞれにおける排ガス流れ方向の機器構成と排ガス温度Ｔとの関係を示した線図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る排熱回収ボイラの構成を示す模式図である。
【図４】実施例と貫流ボイラを備えている従来例それぞれについて同量の蒸気を発生させる際の燃料投入量の内訳を示したグラフである。
【図５】実施例と貫流ボイラを備えていない従来例それぞれについて燃料投入量の内訳を示したグラフである。
【図６】ガスタービンの負荷率が７５％時における、実施例と貫流ボイラを備えている従来例それぞれについて同量の蒸気を発生させる際の燃料投入量の内訳を示したグラフである。
【図７】ガスタービンの負荷率が７５％時における、実施例と貫流ボイラを備えていない従来例それぞれについて燃料投入量の内訳を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１の構成を図１に示す。
本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１は、ガスタービン（図示省略）から排出される排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラであって、排熱回収ボイラ１１の外殻を構成するダクト１３の入口１３ＩＮにガスタービンが、出口１３ＯＵＴに煙突２０がそれぞれ接続されている。ダクト１３内には、ガスタービンから排出される排ガスの流れ方向に沿って、第１の蒸発器１４、ダクトバーナ１６、第２の蒸発器１７、及び節炭器１９が順に配置され、第１の蒸発器１４には第１の気水分離器１５が、第２の蒸発器１７には第２の気水分離器１８がそれぞれ接続されている。また、排熱回収ボイラ１１は、給水源となるボイラ給水タンク２３を備えている。
【００１９】
本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１では、ガスタービンから排出された排ガスは、第１の蒸発器１４において熱吸収された後、ダクトバーナ１６によって追い焚きされる。ダクトバーナ１６によって追い焚きされた排ガスは、第２の蒸発器１７、次いで節炭器１９においてそれぞれ熱吸収された後、煙突２０から大気中に放出される。
【００２０】
図２に、本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１と従来の排熱回収ボイラそれぞれの排ガス流れ方向の機器構成と排ガス温度Ｔとの関係を示した線図を示す。図中の符号３０は給水温度、符号３１は本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１における排ガス温度、符号３２は従来の排熱回収ボイラにおける排ガス温度である。
同図からわかるように、従来の排熱回収ボイラにおける排ガス温度は、ダクト入口付近においてダクトバーナによってダクトバーナ耐熱温度近くまで加熱された後、徐々に低下するのに対し、本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１における排ガス温度は、第１の蒸発器１４において熱吸収されて低下した後、ダクトバーナ１６によってダクトバーナ耐熱温度近くまで加熱された後、徐々に低下する。従って、従来の排熱回収ボイラに比べてダクトバーナ耐熱温度までの温度上昇量が大きく、従来の排熱回収ボイラに比べて回収できる飽和蒸気量が増加する。
【００２１】
また、本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１では、ガスタービン出口排ガスは、第１の蒸発器１４において熱吸収され温度低下した後、ダクトバーナ１６に流入する。ダクトバーナ１６では、外気を取り込まず追い焚き燃料のみ投入するため、投入燃料量と同じだけの排ガス量が増分量として発生する。その後、排ガスは、第２の蒸発器１７、次いで節炭器１９においてそれぞれ熱吸収された後、煙突２０から大気中に放出される。
節炭器１９出口では排熱となるが、前述したように、追い焚き燃料量を増やした場合、従来の排熱回収ボイラに比べて、投入燃料量に対する排ガス量は相対的に小さくなる。因って、本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１は、従来の排熱回収ボイラに比べて排熱が少なくエネルギー効率が高い。
【００２２】
一方、ボイラ給水タンク２３に貯留されているボイラ給水は、先ず節炭器１９に送給され、節炭器１９において排ガスと熱交換を行い昇温される。節炭器１９において昇温されたボイラ給水は第１の気水分離器１５及び第２の気水分離器１８に分配される。第１の気水分離器１５に送給されたボイラ給水は、第１の蒸発器１４に送給され、第１の蒸発器１４において排ガスと熱交換を行って水蒸気となり、再び第１の気水分離器１５に送給され飽和蒸気と水に分離される。同様に、第２の気水分離器１８に送給されたボイラ給水は、第２の蒸発器１７に送給され、第２の蒸発器１７において排ガスと熱交換を行って水蒸気となり、再び第２の気水分離器１８に送給され飽和蒸気と水に分離される。第１の気水分離器１５及び第２の気水分離器１８においてそれぞれ分離された飽和蒸気は客先に送給される。
【００２３】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る排熱回収ボイラ１２の構成を図３に示す。
本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１２は、第１の蒸発器１４の上流側に第１の過熱器２１、ダクトバーナ１６と第２の蒸発器１７の間に第２の過熱器２２が配置されている点が第１の実施の形態に係る排熱回収ボイラ１１と異なっている。
【００２４】
本実施の形態に係る排熱回収ボイラ１２では、第１の気水分離器１５において分離された飽和蒸気が第１の過熱器２１に送給され、第２の気水分離器１８において分離された飽和蒸気が第２の過熱器２２にそれぞれ送給される。第１の過熱器２１及び第２の過熱器２２に送給された飽和蒸気は第１の過熱器２１及び第２の過熱器２２においてそれぞれ過熱されて過熱蒸気となり、蒸気タービン（図示省略）に送給され、発電が行われる。この場合においても第１の実施の形態と同様にエネルギー効率が上がる。
【００２５】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
【実施例】
【００２６】
本発明の効果について検証するために実施したシミュレーションについて説明する。
シミュレーションでは、実施例として第１の実施の形態に係る排熱回収ボイラを、従来例としてダクト入口にダクトバーナを備える排熱回収ボイラを想定した。また、従来例に係る排熱回収ボイラは貫流ボイラを備えているものと貫流ボイラを備えていないものの２種類を想定した。
シミュレーションにおける前提条件を表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
実施例における投入熱量は３６６６Ｎｍ３／ｈ（ガスタービン：１６２９Ｎｍ３／ｈ、ダクトバーナ：２０３７Ｎｍ３／ｈ）、蒸気回収量は３８．９０４ｔ／ｈであった。一方、従来例における投入熱量は３７２９Ｎｍ３／ｈ（ガスタービン：１６２９Ｎｍ３／ｈ、ダクトバーナ：１５１２Ｎｍ３／ｈ、貫流ボイラ：５８８Ｎｍ３／ｈ）、蒸気回収量は３８．９０４ｔ／ｈ（排熱回収ボイラ：３１．７９５ｔ／ｈ、貫流ボイラ：７．１０９ｔ／ｈ）であった。
【００２９】
実施例と貫流ボイラを備えている従来例それぞれについて同量の蒸気を発生させる際の燃料投入量の内訳を図４に示す。ただし、シミュレーションにおけるガスタービンの負荷率は１００％とした。なお、エネルギー効率は、投入燃料に対してどれだけエネルギーを取り出せたかを示し、発電効率＋熱回収効率で定義する。
実施例のエネルギー効率は９１．６％、従来例のエネルギー効率は９０．０％となり、実施例は従来例に比べて１．６％の効率向上が認められた。
【００３０】
また、実施例と貫流ボイラを設けない場合の従来例それぞれにおける燃料投入量の内訳を図５に示す。ただし、シミュレーションにおけるガスタービンの負荷率は１００％とした。なお、ボイラ効率は、投入燃料に対してどれだけ蒸気を取り出せたかを示し、熱回収効率で定義する。
貫流ボイラを除いてみても、ガスタービンとダクトバーナを備える排熱回収ボイラのボイラ効率は、実施例が７９．１％、従来例は７５．４％となり、実施例は従来例に比べて３．７％の効率向上が認められた。これより、排ガス量が相対的に減少した効果が表れていることが確認できる。
【００３１】
コージェネレーションシステムでは、売電のスキームが無いなどの理由で、電力需要に追従する運用がある。このような運用では、電力需要が下がると、ガスタービン出力を低下させ発電出力を下げて対応する。図６は、ガスタービンの負荷率が７５％時における、実施例と貫流ボイラを備えている従来例それぞれについて同量の蒸気を発生させる際の燃料投入量の内訳を示したものである。ガスタービンの負荷率が７５％の時、実施例のエネルギー効率は９１．９％、従来例のエネルギー効率は９０．１％となり、実施例は従来例に比べて１．８％の効率向上が認められる。
【００３２】
また、ガスタービンの負荷率が７５％時における、実施例と貫流ボイラを備えていない従来例それぞれについて燃料投入量の内訳を図７に示す。ガスタービンの負荷率７５％において貫流ボイラを設けない場合、ガスタービンとダクトバーナからなるボイラ効率は、実施例が８０．５％、従来例が７６．６％となり、実施例は従来例に比べて３．９％の効率向上が認められる。
【００３３】
次に、エネルギー効率の向上による経済的効果について試算した。
年間の運転時間が８０００時間の標準的なガスタービンコージェネレーションシステムにおいて、ガスタービンの負荷率１００％における運転時間：ガスタービンの負荷率７５％における運転時間＝３：１、ガス代金が５１［円／Ｎｍ３］であると仮定した場合、本発明に係る排熱回収ボイラは、従来の排熱回収ボイラに比べて年間２５．３[百万円]の経費削減効果が得られる結果となった。
【符号の説明】
【００３４】
１１、１２：排熱回収ボイラ、１３：ダクト、１３ＩＮ：入口、１３ＯＵＴ：出口、１４：第１の蒸発器、１５：第１の気水分離器、１６：ダクトバーナ、１７：第２の蒸発器、１８：第２の気水分離器、１９：節炭器、２０：煙突、２１：第１の過熱器、２２：第２の過熱器、２３：ボイラ給水タンク、３０：給水温度、３１：本実施の形態に係る排熱回収ボイラにおける排ガス温度、３２：従来の排熱回収ボイラにおける排ガス温度
【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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【図６】
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【図７】
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