(57)【要約】ほぼ垂直の燃焼ガス流れ方向（ｙ）に燃焼ガスが貫流される煙道（６）の中に蒸発器貫流伝熱面（８）が配置され、この蒸発器貫流伝熱面（８）が流れ媒体（Ｗ）側において並列接続された多数の蒸発管（１２）を有している貫流ボイラにおいて、比較的大きな質量流量密度で流れ媒体を供給する場合でも、特に高い運転安定性および安全性を有するようにする。そのために、蒸発器貫流伝熱面（８）は本発明に基づいて、煙道（６）に対して対向流で流れ媒体（Ｗ）によって貫流される伝熱面セグメント（２０）を有し、該伝熱面セグメント（２０）の流れ媒体側出口（１６）が、燃焼ガス流れ方向（y）に見て、運転中に圧力に関して蒸発器貫流伝熱面（８）内で生ずる飽和蒸気温度が運転中における伝熱面セグメント（２０）の出口（１６）の位置における燃焼ガス温度と設定最大偏差以下でしか異なっていない、ように位置づけられている。
2007504425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ垂直の燃焼ガス流れ方向（ｙ）に燃焼ガスが貫流される煙道（６）の中に蒸発器貫流伝熱面（８）が配置され、この蒸発器貫流伝熱面（８）が流れ媒体（Ｗ）側において並列接続された多数の蒸気発生管（１２）を有している貫流ボイラにおいて、蒸発器貫流伝熱面（８）が煙道（６）に対して対向流で流れ媒体（Ｗ）によって貫流される伝熱面セグメント（２０）を有し、該伝熱面セグメント（２０）の流れ媒体側出口（１６）が、運転中に蒸発器貫流伝熱面（８）内で生ずる飽和蒸気温度が運転中における伝熱面セグメント（２０）の出口（１６）の位置における燃焼ガス温度と設定最大偏差以下でしか異なっていないように位置づけられたことを特徴とする貫流ボイラ。
【請求項２】
最大で７０℃の最大偏差が設定されたことを特徴とする請求項１記載の貫流ボイラ。
【請求項３】
蒸発器貫流伝熱面（８）が、前記伝熱面セグメント（２０）に流れ媒体側で前置接続された第２の伝熱面セグメント（２２）を有することを特徴とする請求項１又は２記載の貫流ボイラ。
【請求項４】
第２伝熱面セグメント（２２）が燃焼ガス流れ方向（ｙ）に対向するように敷設されたことを特徴とする請求項３記載の貫流ボイラ。
【請求項５】
第２伝熱面セグメント（２２）が燃焼ガス流れ方向（ｙ）に対して平行になるように敷設されたことを特徴とする請求項３記載の貫流ボイラ。
【請求項６】
燃焼ガス側においてガスタービンが前置接続されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の貫流ボイラ。
【請求項７】
垂直の燃焼ガス流れ方向（ｙ）に燃焼ガスが貫流する煙道（６）内に蒸発器貫流伝熱面（８）を配置し、該伝熱面（８）を流れ媒体（Ｗ）側で並列接続した多数の蒸気発生管（１２）を備える貫流ボイラの運転方法において、
流れ媒体（Ｗ）を、燃焼ガス流れ方向（ｙ）に見て蒸発器貫流伝熱面（８）から、運転中にかかる燃焼ガス温度が運転中に圧力損失のために蒸発器貫流伝熱面（８）内に生ずる飽和蒸気温度と設定最大偏差以下でしか異なっていない位置で排出することを特徴とする方法。
【請求項８】
流れ媒体（Ｗ）を、蒸発器貫流伝熱面（８）からの出口の直前で燃焼ガスと対向流で導くことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
最大で７０℃の最大偏差を設定することを特徴とする請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
流れ媒体（Ｗ）を、蒸発器貫流伝熱面（８）への流入直後に燃焼ガスに対して対向流で導くことを特徴とする請求項７から９の１つに記載の方法。
【請求項１１】
流れ媒体（Ｗ）を、蒸発器貫流伝熱面（８）への流入直後に燃焼ガスに対して平行に導くことを特徴とする請求項７から９の１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ほぼ垂直の燃焼ガス流れ方向に燃焼ガスが貫流する煙道内に蒸発器貫流伝熱面が配置され、該伝熱面が流れ媒体側において並列接続された多数の蒸気発生管を備える貫流ボイラに関する。
【０００２】
ガス・蒸気複合タービン設備では、ガスタービンからの膨張済み作動媒体又は燃焼ガス（高温ガス）に含まれる熱を、蒸気タービン用蒸気を発生するために利用する。その熱伝達は、ガスタービンに後置接続された廃熱ボイラで行われ、通常、廃熱ボイラ内に、給水加熱用、蒸気発生用および蒸気過熱用の複数の伝熱面が配置されている。これら伝熱面は蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。その水・蒸気回路は、通常複数の、例えば３つの圧力段を有し、各圧力段は各々蒸発器伝熱面を有する。
【０００３】
燃焼ガス側で、ガスタービンに廃熱ボイラとして後置接続されたボイラに対し、種々の設計構想、即ち貫流ボイラとして或いは循環ボイラとしての設計が考えられる。貫流ボイラの場合、蒸発管として利用される蒸気発生管の加熱は、蒸気発生管における一回の貫流で流れ媒体を蒸発させる。これに対し自然循環ボイラや強制循環ボイラの場合、循環する水は、蒸発管の一回の貫流で部分的にしか蒸発されない。その際未蒸発の水は、発生した蒸気の分離後に、一層の蒸発のために同じ蒸発管に改めて導入される。
【０００４】
自然循環ボイラや強制循環ボイラと異なり、貫流ボイラは圧力制限を受けず、従って生蒸気圧は、液状媒体と蒸気状媒体との間にほんの僅かな圧力差しか存在しない水の臨界圧（ＰKri≒２２１bar）よりかなり高くできる。高い生蒸気圧は、高い熱効率に貢献し、従って化石燃料式発電所のＣＯ2発生量の低減に貢献する。また、貫流ボイラは循環ボイラに比べて単純な構造を有し、従って特に安価に製造できる。従って、ガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラとして貫流原理に基づいて設計したボイラの利用は、ガス・蒸気複合タービン設備の高い総効率を単純な構造で得るために特に有利である。
【０００５】
廃熱ボイラは、ガスタービンからボイラに供給される燃焼ガスが煙道を垂直方向に、特に下から上に向けて貫流することで、技術的に特に単純に形成できる。その場合、蒸発器貫流伝熱面を形成する蒸気発生管の流れ媒体側および燃焼ガス側における配管敷設に対して、基本的に２つの構成が考えられる。即ち、煙道の内部に敷設された蒸気発生管が、流れ媒体によって所謂クロス流或いは対向流で貫流され、即ち流れ媒体は各伝熱面管を連続的に通過して煙道内における燃焼ガス流と交差して貫流し、従って、これはクロス流配管敷設と呼ばれる。煙道の片側から反対側に延びる平行な管部材が互いに転流部材を経て、前記管部材が垂直方向に連続して燃焼ガス流れ方向と逆向きに貫流されるよう接続され、従って、これは対向流配管敷設と呼ばれる。即ち、これは全体として、クロス流配管敷設および対向流配管敷設の混合形式である。クロス流特性は以下の論究において重要ではない。従って、以下でこの配管敷設は対向流配管敷設としか呼ばない。対向流配管敷設における蒸発器伝熱面が流れの安定に関し問題があることは、一般に知られている。特に、蒸発器伝熱面の全ての並列管への流れの一様な分配は、技術的経費を必要とする。
【０００６】
対向流配管敷設と異なる形態は、蒸気発生管がクロス／平行流で貫流される所謂平行流配管敷設である。この場合、水平に導かれた管部材は、上述のクロス流配管敷設のように転流部材を経て互いに接続されているが、それら管部材は、垂直方向に連続して燃焼ガス流れ方向に貫流される。そのため、これは平行流配管敷設と呼ばれる。即ちそれは全体として、クロス流接続と平行流配管敷設との組合せである。クロス流特性は以下の論究に対して重要ではない。従って、この配管敷設は以下では単に平行流配管敷設と呼ぶ。平行流配管敷設は比較的大きな伝熱面を必要とし、ためにかなり高額の製造・組立費を伴う。
【０００７】
欧州特許出願公開第０４２５７１７号明細書で、貫流ボイラの上述した利点を有するボイラが公知である。その蒸発器貫流伝熱面は、多数の管部分を対向流方向に敷設し、他の多数の管部分を平行方向に敷設することで、対向流配管敷設と平行流配管敷設との組合せとして設計されている。この配管敷設方式によって、純粋な対向流配管敷設よりも大きな流れ安定性が得られる。また、純粋な平行流配管敷設を利用する場合に必要な高い技術的および設備的経費が減少する。
【０００８】
このボイラの場合、基本的な問題は所謂温度傾斜状態にある。即ち、流れ媒体側で並列接続され互いに隣接する蒸気発生管の出口における温度差にある。この温度差は、管亀裂或いは他の損傷を生じさせる。この温度傾斜状態を防止すべく、貫流ボイラは流れ媒体の特に小さな質量流量密度に対し設計されるが、これは、ボイラの設計パラメータの選択において柔軟性を制限する。
【０００９】
本発明の課題は、比較的大きな質量流量密度で流れ媒体を供給する場合でも、蒸気発生管が互いに異なる加熱を受ける際も、特に温度傾斜状態に対し高い安定性を有する冒頭に述べた形式の貫流ボイラを提供することにある。また、このボイラを運転するために特に適した上述の様式の方法を提供することにある。
【００１０】
貫流ボイラに関する課題は、蒸発器貫流伝熱面が煙道に対し対向流で流れ媒体により貫流される伝熱面セグメントを有し、該セグメントの流れ媒体側出口が、運転中に蒸発器貫流伝熱面内で生ずる飽和蒸気温度が運転中における伝熱面セグメントの出口の位置における燃焼ガス温度と設定最大差以下でしか異ならないよう位置づけられることで解決される。
【００１１】
本発明は、蒸発器貫流伝熱面に比較的大きな質量流量密度で流れ媒体を供給される際、各管の局所的に異なる加熱が、過剰加熱管が少量の流れ媒体で貫流され、不足加熱管が多量の流れ媒体で貫流されるように流れ状態に影響を与えるという考えから出発する。この場合、過剰加熱管は不足加熱管よりも悪く冷却され、このため発生温度差は自ら強まる。これを流れ状態の能動的影響なしでも効果的に防止すべく、配管系統は、起こり得る温度差の基本的且つ全体的な制限に対し適切に設計せねばならない。そのため、蒸発器貫流伝熱面の出口で流れ媒体が、少なくとも主に蒸気発生管内の圧力によって与えられる飽和蒸気温度を有さねばならないという認識が利用される。しかし他方では、流れ媒体は最高で、蒸発器貫流伝熱面からの流れ媒体の流出個所における燃焼ガスが有する温度を有する。起こり得る温度傾斜状態を主に限界づけるこれら両方の限界温度を適当に調和することで、起こり得る最大温度傾斜状態も適当に制限できる。蒸発器貫流伝熱面を、流出側の対向流セグメントと、該セグメントに燃焼ガス側および流れ媒体側において前置接続されたセグメントとに区分けすることで、出口が燃焼ガス流れ方向に自由に位置させられ、この結果補助的な設計パラメータが利用できる。その際両制限温度を調和するのに特に適した方策は、蒸発器貫流伝熱面の出口を燃焼ガスの流れ方向で適切に位置づけることである。
【００１２】
煙道内での燃焼ガスの温度分布に関する蒸発器貫流伝熱面の出口の位置は、約５０℃の最大偏差を維持すべく選択し、もって有用な材料および他の設計パラメータに関して、特に大きな運転安全性を保証するとよい。
【００１３】
上記構造の貫流ボイラにおける他の問題は、所謂流れ振動による流れ安定性の悪化にある。蒸気発生管の過剰加熱時に、蒸発が起こる蒸気発生管の内部領域が管の内部にかなり変位したとき、この流れ振動が生ずる。蒸気発生管の内部での蒸発領域の転位は、蒸発器貫流伝熱面の内部での流れの圧力損失に望ましくない影響を与える。従って、蒸気発生管の不均一な加熱に敏感に反応するボイラの場合、全蒸気発生管の入口に、蒸発器貫流伝熱面の内部での流れの圧力損失を比較的大きな範囲にわたり制御可能とする絞りが設けられる。これに適した設計パラメータも用意すべく、蒸発器貫流伝熱面は、前記伝熱面セグメントに流れ媒体側で前置接続されたもう１つの第２伝熱面セグメントを有し、該セグメントは、燃焼ガス側で、第１伝熱面セグメントの上流に配置される。
【００１４】
第１伝熱面セグメントに流れ媒体側で前置接続された第２伝熱面セグメントは、同様に対向流セクションの形に形成するか、燃焼ガス流れ方向に対し平行に敷設するとよい。
【００１５】
煙道内への伝熱面セグメントの上記の配置により、排気ガスの熱を流れ媒体に効果的に伝達する純粋な対向流配管敷設の利点が十分に維持され、同時に、流れ媒体側出口での有害な温度差に対する高い固有安全性が得られる。
【００１６】
このボイラは、ガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラとして有効に利用される。該ボイラは、燃焼ガス側でガスタービンに後置接続するとよい。この構成で、ガスタービンの下流には、燃焼ガス温度を高めるための補助燃焼装置を配置すると有効である。
【００１７】
本発明の方法に関する課題は、燃焼ガス流れ方向に見て蒸発器貫流伝熱面から、流れ媒体を運転中にかかる燃焼ガス温度が運転中に圧力損失のために蒸発器貫流伝熱面内に生ずる飽和蒸気温度と設定最大偏差以下でしか異ならない位置で排出することで解決される。
【００１８】
流れ媒体を蒸発器貫流伝熱面からの出口の前で燃焼ガス流れ方向に対し対向流で導くとよい。伝熱面セグメントにおいて、流れ媒体は蒸気発生管を燃焼ガス流れ方向と逆向きに貫流する。即ち、上から下に貫流する。蒸発器貫流伝熱面へのこのような供給の際、出口の位置が比較的簡単に変更でき、煙道における燃焼ガスの温度分布に合わせることができる。約５０℃の最大温度差を設定するとよい。
【００１９】
本発明による利点は、特に煙道内の燃焼ガスの温度分布に合わせた蒸発器貫流伝熱面の流れ媒体側出口の位置の設定により、全体として流れ媒体の蒸発時に得られる流れ媒体の飽和蒸気温度と出口個所での燃焼ガス温度との温度差を非常に狭く制限でき、このため流れ状態と無関係に僅かな出口側温度差しか生じないことにある。これに伴い、あらゆる運転状態で、流れ媒体の温度の十分な平衡を保証できる。更に蒸発器貫流伝熱面の流れ媒体側入口を蒸発器貫流伝熱面の燃焼ガス側入口に適当に位置づけることで、貫流ボイラ伝熱面は、純粋な対向流配管敷設よりも流れ的に安定化する。この結果、ボイラの特に高い流れ安定性と、特に高い運転安全性とを保証できる。更に出口温度の絶対高さを制限し、もって材料特性に伴い規定される許容限界温度の超過を確実に防止できる。
【００２０】
以下、図を参照し本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号を付している。
【００２１】
図１における貫流ボイラ１は、図示しないガスタービンに排気ガス側に、廃熱ボイラの形で後置接続されている。貫流ボイラ１は囲壁２を有し、該囲壁２は、ガスタービンからの排気ガスが矢印４で示すほぼ垂直の燃焼ガス（高温ガス）流れ方向ｙに貫流できる煙道（燃焼ガス通路）６を形成している。この煙道６内に、各々貫流原理で設計された複数の伝熱面、特に蒸発器伝熱面８が配置されている。図１の実施例の場合、蒸発器貫流伝熱面８のみを示すが、多数の貫流伝熱面を設けることもできる。
【００２２】
蒸発器貫流伝熱面８で形成された蒸発器系に流れ媒体Ｗが供給され、媒体Ｗは蒸発器貫流伝熱面８の１回の貫流で蒸発し、蒸発器貫流伝熱面８からの流出後、蒸気Ｄとして排出され、通常過熱のため更に過熱器伝熱面に供給される。蒸発器貫流伝熱面８で形成された蒸発器系は、蒸気タービンの図示しない水・蒸気回路に接続されている。蒸気タービンの水・蒸気回路に、蒸発器系の他に、図１に示さない他の複数の伝熱面が接続されている。該伝熱面は、例えば過熱器、中圧蒸発器、低圧蒸発器および／又は給水加熱器である。
【００２３】
図１の貫流ボイラ１の蒸発器貫流伝熱面８は、流れ媒体Ｗの貫流のために並列接続された多数の蒸気発生管１２を管束の形で備える。多数の蒸気発生管１２は、各々燃焼ガス流れ方向ｙに見て横に並べて配置されている。図は、横に並べて配置した蒸気発生管１２の内の１本のみを示す。各蒸気発生管１２は水平に貫流される多数の管部材を有し、該部材は２つ毎に、垂直に貫流される管部材で接続されている。換言すれば、蒸気発生管は煙道６の内部に蛇行して敷設されている。そのように並べて配置した蒸気発生管１２の、流れ媒体側の蒸発器伝熱面８への入口１３に、共通の入口管寄せ１４が前置接続され、蒸発器伝熱面８からの出口１６に、共通の出口管寄せ１８が後置接続されている。
【００２４】
貫流ボイラ１は、比較的大きな質量流量密度で流れ媒体を供給する際も、互いに隣り合う蒸気発生管１２の出口１６での温度傾斜状態とも呼ぶ顕著な温度差を徹底して抑制し、かつ特に高い運転安全性を保証すべく設計している。そのため蒸発器貫流伝熱面８は、流れ媒体側に見て後部領域に、燃焼ガス流れ方向ｙに対し対向流で設置された（第１）伝熱面セグメント２０を有する。更に、蒸発器貫流伝熱面８は、第１伝熱面セグメント２０に加えて、該セグメント２０に流れ媒体側で前置接続されたもう１つの第２伝熱面セグメント２２を持つ。この配管構成で、燃焼ガス流れ方向ｙでの出口１６の位置が選択できる。貫流ボイラ１でこの位置は、運転中に圧力に応じて蒸発器貫流伝熱面８内で生ずる流れ媒体Ｗの飽和蒸気温度が、運転中における伝熱面セグメント２０の出口１６の位置又は高さにおける燃焼ガス温度と約５０℃の設定最大差以下でしか異ならないように選択されている。出口１６での流れ媒体Ｗの温度が、常に少なくとも飽和蒸気温度と同じでなければならず、他方で、この個所での燃焼ガス温度より高くならないので、異なる加熱を受ける管の間に生じ得る温度差は、他の対抗処置なしに約５０℃の最大値に制限される。
【００２５】
同時に技術的経費を制限した、特に高い流れ安定性は、蒸気発生管の対向流配管設置と平行流配管設置の組合せで達成される。その際第１伝熱面セグメント２０は第２伝熱面セグメント２２に連結部材２４で接続される。蒸発器貫流伝熱面８は、第２伝熱面セグメント２２と該セグメント２２に流れ媒体側で後置接続された連結部材２４と、部材２４に流れ媒体側で後置接続された第１伝熱面セグメント２０を備える。図１の貫流ボイラ１では、第２伝熱面セグメント２２を同様に燃焼ガス流れ方向ｙに対し対向流で設置している。
【００２６】
自明の如く、図１と２に示す蒸発器貫流伝熱面８の異なる配管敷設は、特に大きな流れ安定性を与える。特に流れ振動の発生を確実に防止できる。流れ振動は、各蒸気発生管１２の異なる加熱が、該蒸気発生管１２の内部の蒸発領域を流れ媒体Ｗの流れ方向に沿って大きく転位させた際に生ずる。この際に、流れ振動は、蒸発器貫流伝熱面８の貫流時に生ずる流れ媒体Ｗでの圧力損失を、管の入口における絞りにより人為的に高めることで防止できる。しかし、図１と２に示す配管構成では、流れ振動の問題は生じない。異なった時に蒸発領域が各蒸気発生管１２の内部において、ほんの僅かしか変位しないことを確認した。従って、流れを安定化すべく、圧力損失の僅かな人為的増大しか必要ない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】貫流ボイラの部分概略縦断面図。
【図２】図１の貫流ボイラの異なった実施例の部分縦断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１  貫流ボイラ、６  煙道、８  蒸発器貫流伝熱面、１２  蒸気発生管、１６  流れ媒体側出口、２０、２２  伝熱面セグメント、Ｗ  流れ媒体、ｙ  燃焼ガス流れ方向
【図１】
2007504425.tif 000003
【図２】
2007504425.tif 000004
【国際調査報告】
2007504425.tif 000005
2007504425.tif 000006
2007504425.tif 000007
2007504425.tif 000008
2007504425.tif 000009
2007504425.tif 000010