(57)【要約】  ドラム温度過渡を制御する方法。蒸発器システム（２００）は、互いに流体連通した蒸発器（２０２）と、ドラム（２０４）と、ポンプ（２０６）とを含む。ポンプ（２０６）は、蒸発器システム（２００）の始動時に一時的な圧力勾配を生ぜしめ、流体が蒸発器（２０２）において沸点に達する前に蒸発器からドラムへ流体を搬送するために機能する。流体が蒸発器（２０２）において沸点に達した後、流体は蒸発器システムにおいて自然に循環する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器システムであって、該蒸発器システムは、蒸発器と、ドラムと、ポンプとを含み、前記蒸発器と、前記ドラムと、前記ポンプとは互いに流体連通している蒸発器システムの始動中に、一時的な圧力勾配を生ぜしめ、
前記蒸発器において流体がその沸点に達する前に前記蒸発器から前記ドラムへ流体を搬送し、
前記蒸発器において前記流体がその沸点に達した後に自然循環を介して前記蒸発器システムに流体を循環させることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記ポンプは、遠心ポンプ又はジェットポンプである、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記流体は、水である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記流体は、蒸気である、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記蒸発器システムは、該蒸発器システムから前記ポンプを隔離するための弁をさらに有する、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記蒸発器システムは、降下管をさらに有し、前記蒸気ドラムにおけるより低い圧力の領域から前記蒸発器におけるより高い圧力の領域まで前記降下管において圧力降下が生ぜしめられる、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ポンプは、前記蒸気ドラムの下流でかつ前記蒸発器の上流に設けられている、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記ジェットポンプは、前記蒸気ドラムの下流に設けられており、かつ前記蒸気ドラムと流体連通した降下管と流体連通している、請求項２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本明細書には、排熱回収ボイラにおける蒸発器システムにおけるドラム温度過渡を制御する方法が開示される。より具体的には、本明細書には、排熱回収ボイラにおけるドラム温度過渡を制御するために始動時に一時的な強制循環を使用する方法が開示される。
【０００２】
背景
排熱回収ボイラは、一般的に、３つの主な構成要素、つまり蒸発器と、過熱器と、エコノマイザとを有する。ユニットの作動要求に適合するように、様々な構成要素は統合される。幾つかの排熱回収ボイラは、過熱器を有さなくても、又は再熱器などの付加的な構成要素を有してもよい。
【０００３】
図１は、蒸発器１０２と、蒸気ドラム１０４とを有する排熱回収ボイラの典型的な従来の蒸発器システム１００の図である。蒸気ドラム１０４は、蒸発器１０２と流体連通している。自然循環式排熱回収ボイラにおいて、蒸発器１０２において沸騰が開始するまでは、流れが生ぜしめられない又は最小限の流れが生ぜしめられる。これは、一般的に、蒸気ドラム１０４の温度の極めて急速な上昇を生じる。
【０００４】
例えば、コールドスタートの場合、蒸気ドラム１０４内の水温は、１０分未満で１５℃から１００℃に上昇することができる。これは、蒸気ドラム１０４の壁部における大きな熱勾配、ひいては圧縮応力を生じる。蒸気ドラム１０４における圧力が上昇すると、ドラム壁部を通じた温度勾配は減じられ、その結果、圧力による応力は、ドラムにおける支配的な応力となる。圧力（蒸気ドラム１０４における上昇した圧力）による応力は、引張応力である。ドラムのための応力範囲は、全負荷（圧力）における最終的な引張応力と、初期圧縮熱応力との差によって決定される。ボイラ設計基準（ＡＳＭＥ及びＥＮなど）は、設計圧力における応力に制限を課している。例えばＥＮ−１２９５２−３などの幾つかの基準は、始動−停止サイクルのための許容可能な応力範囲に対する制限をも含んでいる。これらの制限は、疲労損傷、及び作動温度において鋼の表面に形成される磁鉄鉱層のひび割れなどの現象に対して保護することが意図されたものである。
【０００５】
蒸気ドラム１０４における圧力が上昇すると、設計条件におけるドラムシェルにおける引張応力が、設計基準に規定された許容応力限界を超えないことを保証するために、蒸気ドラム１０４の壁厚も増大させられる。しかしながら、蒸気ドラム１０４の壁厚が増大すると、熱応力が大きくなる。つまり、そのためにドラムを設計することができる最大圧力は、初期熱的過渡によって制限される。
【０００６】
コンバインドサイクル発電プラントのために望ましい程度の運転柔軟性を有することも望ましい。なぜならば、電力需要が変化すると、これらの発電プラントはしばしば停止させられ、再始動させられるからである。太陽及び風などの再生可能エネルギ源を加えることは、このような再生可能資源からの電力出力における変動により、コンバインドサイクル発電プラントを停止及び再始動させる必要性を増大させる。熱的過渡によるこれらの始動時のドラムにおける応力は、その運転寿命にわたって排熱回収ボイラを停止及び始動させることができる総回数をも制限する恐れがある。
【０００７】
したがって、ドラムにおける温度過渡を減じることが望ましい。これは、慣用の自然循環によって達することができるよりも高い圧力におけるドラム型ボイラの使用を可能にし、かつ／又はより多い始動サイクルを可能にする。
【０００８】
概要
本明細書には、蒸発器システムであって、該蒸発器システムは、蒸発器と、ドラムと、ポンプとを含み、前記蒸発器と、前記ドラムと、前記ポンプとは互いに流体連通している蒸発器システムの始動中に、一時的な圧力勾配を生ぜしめ、前記蒸発器において流体がその沸点に達する前に前記蒸発器から前記ドラムへ流体を搬送し、前記蒸発器において前記流体がその沸点に達した後に自然循環を介して前記蒸発器システムに流体を循環させることを含む方法が開示される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来の蒸発器システムの図である。
【図２】本発明の蒸発器システムの典型的な実施の形態の図である。
【図３】本発明の蒸発器システムの典型的な実施の形態の別の図である。
【００１０】
詳細な説明
ここで、様々な実施の形態が示されている添付の図面を参照して発明を以下により完全に説明する。しかしながら、本発明は、多くの様々な形態において具体化されてよく、ここに示された実施の形態に限定されると解されるべきではない。むしろ、これらの実施の形態は、この開示が徹底した完全なものとなり、かつ当業者に発明の範囲を完全に伝達するように提供されている。全体を通じて同じ符号は同じ要素を指示する。
【００１１】
１つの要素が別の要素"上に"あるというときは、１つの要素は別の要素上に直接にあってもよく、又はそれらの間に介在する要素が存在してもよいと理解される。対照的に、１つの要素が別の要素"上に直接に"あるというときは、介在する要素は存在しない。ここで使用される場合、「及び／又は」とは、関連する列挙されたアイテムのうちの１つ以上のいずれか及び全ての組合せを含む。
【００１２】
様々な要素、構成要素、領域、層及び／又はセクションを説明するために本明細書において第１、第２、第３などの用語が使用されるが、これらの要素、構成要素、領域、層及び／又はセクションはこれらの用語によって限定されるべきでないことが理解される。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層又はセクションを別の要素、構成要素、領域、層又はセクションから区別するためだけに使用される。つまり、以下で説明される第１の要素、構成要素、領域、層又はセクションは、本発明の開示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層又はセクションと称することができる。
【００１３】
本明細書において使用される用語は、特定の実施の形態を説明するためだけのものであり、限定することを意図したものではない。ここで使用される場合、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、単数の記載は複数も含むことが意図されている。「含む」及び／又は「含んでいる」、又は「有する」及び／又は「有している」は、本明細書で使用される場合、言及された特徴、領域、整数、ステップ、作動、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上のその他の特徴、領域、整数、ステップ、作動、要素、構成要素及び／又はそれらのグループの存在又は付加を排除しないことがさらに理解される。
【００１４】
さらに、「下側の」又は「下部」及び「上側の」又は「上部」などの相対的な用語は、図面に例示されたような、１つの要素の、別の要素に対する関係を説明するためにここでは使用されることがある。相対的な用語は、図示された向きに加え、装置の様々な向きを含むことが意図されている。例えば、図面のうちの１つにおける装置が反転されると、他の要素の「下側」にあると説明されていた要素は、今度は他の要素の「上側」に向きづけられることになる。従って、「下側」という典型的な用語は、図面の特定の向きに応じて、「下側」及び「上側」の向きの両方を含むことができる。同様に、図面のうちの１つにおける装置が反転されると、他の要素の「下」又は「下方」にあると説明されていた要素は、今度は他の要素の「上」に向きづけられることになる。「下」又は「下方」という典型的な用語は、上下の両方の向きを含むことができる。
【００１５】
そうでないことが定義されない限り、本明細書において使用される全ての用語（技術用語及び科学用語）は、本発明が属する技術の分野における当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書に定義されたような用語は、関連技術及びこの開示の文脈における意味と一貫する意味を有するものと解されるべきであり、ここにそのように明示的に定義されない限り、理想化された又は過剰に形式的な意味に解されることはない。
【００１６】
理想化された実施の形態の概略的な例示である横断面図を参照して、典型的な実施の形態がここで説明される。これにより、例えば、製造技術及び／又は公差の結果としての例示の形状からのずれが予測される。つまり、ここに説明された実施の形態は、ここに例示されたような領域の特定の形状に限定されると解されるべきではなく、例えば製造から生じる形状のずれを含む。例えば、平坦として例示又は説明された領域は、通常、粗い及び／又は非線形の特徴を有してよい。さらに、例示された鋭角は、丸みづけられていてよい。つまり、図示された領域は、本質的に概略的であり、それらの形状は、ある領域の正確な形状を例示しようとするものではなく、本願の請求項の範囲を限定しようとするものではない。
【００１７】
本明細書には、蒸発器から蒸気ドラムまで加熱された流体を循環させるためのポンプを有する蒸発器システムが開示されている。ポンプは、蒸気ドラムの加熱を開始するために始動中に循環を提供し、これは、ドラムにおける温度変化の速度を低減する。蒸気ドラムにおける温度変化の速度のこの低減は、ドラムにおける低減された熱応力を生じる。典型的な実施の形態において、流体は水である。
【００１８】
ポンプは、遠心ポンプ、ジェットポンプ、又は同様のものであってよく、その目的は、蒸発器システムにおける圧力勾配を提供することであり、この圧力勾配は、蒸発器に存在する流体（例えば水）が沸騰し始める前に蒸発器から蒸発ドラムへの流体循環を促進する。１つの実施の形態において、ポンプは、蒸発器に存在する流体が沸騰し始める前に、蒸発器に対する蒸発ドラムにおけるより低い圧力を生ぜしめる。蒸発ドラムにより低い圧力を生ぜしめると、蒸発器からの流体は蒸発ドラムに引き込まれ、ドラムを漸進的に加熱させる。漸進的な加熱は、蒸発器における流体が沸点に達するまで生じ、沸点においてポンプは停止又は隔離されてよい。ポンプが停止させられた後、自然循環は、蒸発器システムにおける流体の循環を促進する。
【００１９】
従って、ポンプは、蒸気ドラムが沸騰流体の温度に達するまで、短時間だけ作動する。これは、通常使用されている他の比較されるポンプよりもサイズの小さなポンプを許容する。これは、蒸気ドラムの壁部における応力も低減する。
【００２０】
図２を参照すると、本発明の蒸発器システム２００は、蒸発器２０２と、蒸気ドラム２０４と、ポンプ２０６とを有する。ポンプ２０６は、蒸気ドラム２０４及び蒸発器２０２と流体連通している。一実施の形態において、ポンプ２０６は蒸気ドラム２０４の下流に位置する。蒸気ドラムは蒸発器２０２の下流に位置する。
【００２１】
ポンプ２０６の入口と出口との間に、一方向逆止め弁２０８が配置されている。逆止め弁２０８は、蒸気ドラム２０４から下流へのポンプ２０６を介した蒸発器２０２への流れのみを許容する。逆止め弁はさらに、蒸発器２０２から下流へ蒸気ドラム２０４への流体流れのみを許容する。ポンプ２０６は、それぞれポンプの上流及び下流に配置された第１の弁２１０及び第２の弁２１２を有する。第１の弁２１０及び第２の弁２１２は、望まれる場合にはポンプ２０６を蒸発システム２００から隔離することができる。第１の弁２１０及び第２の弁２１２は、電気式、空圧式又は手動式に作動させることができる。
【００２２】
一実施の形態において、蒸発器システム２００の作動の１つの方法において、自然循環式排熱回収ボイラにおいて通常生じる急速なドラム温度上昇を排除するために排熱回収ボイラの始動中に蒸発器２０２から蒸気ドラム２０４へ流体を循環させるために、ポンプ２０６が使用される。蒸気ドラム２０４の温度が所定の値に達すると、ポンプ２０６は隔離され、蒸発器２０２は自然循環の下で作動する。始動後にポンプ２０６を隔離することができるので、ポンプは、完全な流れ負荷、圧力及び温度のためにサイズ決めされなくてよい。これは、常時循環のために使用される比較されるポンプと比較した場合、ポンプ２０６のコストを削減する。
【００２３】
図３に示された別の実施の形態において、蒸発器システム２００は、蒸発器システムにおける圧力勾配を生ぜしめるジェットポンプ３０６（エダクタ）を有し、圧力勾配は、蒸発器２０２に存在する流体（例えば水）が沸騰し始める前に蒸発器２０２から蒸気ドラム２０４への流体循環を促進する。一実施の形態において、ジェットポンプ３０６は、蒸発器に存在する流体が沸騰し始める前に、蒸発器に対する蒸発ドラムにおけるより低い圧力を生ぜしめる。
【００２４】
ジェットポンプ３０６は、蒸気ドラム２０４と流体連通した降下管３０８に低圧を生ぜしめ、その結果、流体は蒸発器２０２から蒸気ドラム２０４へ引き込まれる。細い降下管３０８における高速の流体流は、蒸気ドラム２０４に対して降下管３０８において低圧を誘発し、この低圧は、ひいては降下管３０８に流れを生ぜしめる。低圧が降下管３０８に生ぜしめられると、蒸気ドラム２０４は蒸発器２０２よりも低い圧力になり、これにより流体は蒸発器２０２から蒸気ドラム２０４へ流れる。一実施の形態において、ジェットポンプ３０６の作動によって降下管３０８に生ぜしめられる低圧は、蒸発器２０２から蒸気ドラム２０４への流体の循環を駆動する。
【００２５】
ジェットポンプ３０６は、第１の弁３１０及び第２の弁３１２と流体連通している。第１の弁３１０は、蒸気ドラム２０４内への給水の流れを制御するために使用されるのに対し、第２の弁３１２は、ジェットポンプ３０６を降下管から隔離するために使用される。
【００２６】
図３のジェットポンプ３０６は、蒸発器２０２に存在する流体が沸騰し始める前に蒸発器２０２から蒸気ドラム２０４への一時的な流体流れを許容するという点において、図２のポンプ２０６と同様の形式で機能する。
【００２７】
上述のように、蒸気ドラムへの流体の一時的な循環のためのポンプの使用は、複数の利点を有する。これらは、通常使用される他の比較されるポンプよりもサイズの小さなポンプを使用することを含む。これは、蒸気ドラムの壁部における応力をも低減し、一時的な循環を利用しない蒸発器システムにおいて現在使用されているものよりも大きな壁厚を有する蒸気ドラムの使用を可能にする。これは、ひいては、より高圧における蒸気ドラムの作動、又はより多くの停止−始動サイクルを許容する。
【００２８】
様々な典型的な実施の形態を参照して発明を説明したが、発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更が加えられてよく、前記実施の形態の要素の代わりに均等物が代用されてよいことが理解されるであろう。加えて、発明の基本的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を発明の開示に適応させるために、多くの変更がなされてよい。従って、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施の形態に発明は限定されないが、発明は、添付の請求項の範囲に該当する全ての実施の形態を含むことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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