(57)【要約】【課題】安定した蒸気特性が得られる排熱回収ボイラを提供する。【解決手段】分配器15内に錐形構造体34を設置し、開口が錐形構造体34の頂部と対向するように一次蒸発器出口連絡管16が分配器15の上部に取り付けられ、開口で錐形構造体34の下部を取り囲むように複数本の二次蒸発器入口連絡管14が分配器15の下部周辺に取り付けられていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス流れ方向の下流側に一次蒸発器、上流側に二次蒸発器が設置され、前記一次蒸発器と前記二次蒸発器との間に分配器を設けて、前記一次蒸発器と前記分配器の間が一次蒸発器出口連絡管で連結され、前記分配器と前記二次蒸発器の間が複数本の二次蒸発器入口連絡管で連結されて、前記一次蒸発器からの気液二相流を前記分配器を通して前記二次蒸発器に分配して導入する貫流式排熱回収ボイラにおいて、
前記分配器の内側底部に錐形構造体が頂部を上側にして設置され、
前記一次蒸発器出口連絡管の開口が前記錐形構造体の頂部と対向するように前記一次蒸発器出口連絡管が前記分配器の上部に取り付けられ、
前記二次蒸発器入口連絡管の開口で前記錐形構造体の下部を取り囲むように、前記複数本の二次蒸発器入口連絡管が前記分配器の下部周辺に取り付けられていることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
【請求項２】
請求項１記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記複数本の二次蒸発器入口連絡管が前記分配器の下部周辺に等間隔で取り付けられていることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
【請求項３】
請求項１または２記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記複数本の二次蒸発器入口連絡管が前記錐形構造体の傾斜面と同じ方向に傾斜して取り付けられていることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記錐形構造体が円錐形構造体であることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記一次蒸発器が高圧一次蒸発器、前記二次蒸発器が高圧二次蒸発器であることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項記載の貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記二次蒸発器の排ガス流れ方向上流側に排ガス温度を上昇するための助燃バーナが設置されていることを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンバインドサイクル発電設備に装備される貫流式排熱回収ボイラに係り、特に一次蒸発器からの気液二相流を分配器を通して二次蒸発器に分配して導入する構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの排ガスから熱交換によって蒸気を発生させ、その蒸気を用いて蒸気タービンを駆動して発電する、所謂、コンバインドサイクル発電設備において、前記ガスタービンの排ガスから熱を回収する設備として排熱回収ボイラが設置されている。このコンバインドサイクル発電設備の特長を生かして急速起動、停止運用による起動損失の低減、蒸気条件の高級化による発電効率の向上策として蒸気ドラムを設置しない貫流式の排熱回収ボイラが採用されている。また大型のコンバインドサイクル発電設備では、排熱回収ボイラの蒸気系統を高圧系、中圧再熱系及び低圧系の３系統で構成し、排熱回収の効率向上を図っている。
【０００３】
このような再熱三重圧方式で貫流式の排熱回収ボイラを構成した場合、蒸発器の構成は貫流式の設計上、一次蒸発器と二次蒸発器の組合せとなり、一次蒸発器出口連絡管と二次蒸発器入口連絡管の間には、径の大きい１本の連絡管から径の小さい複数本の連絡管へと分岐するためにマニホールドが存在し、二次蒸発器入口連絡管へ内部流体を均質、均等に分配する機能を持つ機器として分配器と称されている。この分配器により二次蒸発器入口連絡管へ送られる流体の均質、均等化性能を上げることで、二次蒸発器での安定した管内流動と伝熱性能を得ることが可能となる。
【０００４】
本発明は後述するように、分配器内部の構造及び支持構造を工夫することにより、排熱回収ボイラのより広い運用範囲で分配器の均等、均質化性能を得ることができる。また、本発明は助燃、多軸構成などによりプラント出力の比較的広い排熱回収ボイラに対して特に有効である。
【０００５】
まず、一般的なコンバインドサイクル発電設備の概略構成について、図８を用いて説明する。ガスタービン３７で天然ガスなどを燃焼させて発電を行ない、ガスタービン３７で発生した高温の排ガスＧは排熱回収ボイラ３８に送られる。排熱回収ボイラ３８では排ガスＧからの熱回収により水が蒸気に変換され、発生した高温の蒸気Ｓは蒸気タービン３９に送られ、発電機４０を回して発電を行うシステムになっている。
【０００６】
貫流式排熱回収ボイラの概略構成を図９ならびに図１０に示す。図９は排熱回収ボイラを側面から視た概略構成図、図１０は排熱回収ボイラを上面から視た概略構成図である。
【０００７】
ガスタービンからの排ガスＧは排熱回収ボイラのボイラ入口１から導入され、入口ダクト３で流路が拡大された後、本体ケーシング４内に設置されている最初の熱交換器である高圧三次過熱器６、二次再熱器７で熱交換される。その後、助燃バーナ８での燃焼により排ガス温度が上昇し、高圧二次過熱器９、一次再熱器１０、高圧一次過熱器１１で熱交換される。
【０００８】
ボイラに供給された高圧の給水は高圧一次節炭器３０、高圧二次節炭器２８、高圧三次節炭器２０で予熱された後、高圧一次蒸発器１７、高圧二次蒸発器１３に導入され、個々で過熱されて高圧汽水分離器１２に送られた後、高圧一次過熱器１１に供給される。高圧一次蒸発器１７と高圧二次蒸発器１３の間に高圧分配器１５が設置されている。図１０は高圧分配器１５が４基設置されている例を示しており、４本の高圧一次蒸発器出口連絡管１６にそれぞれ高圧分配器１５が接続されている。
【０００９】
図中の２はボイラ出口、５は出口ダクト、１４は高圧二次蒸発器入口連絡管、１８は排煙脱硝触媒、１９は中圧過熱器、２１は低圧過熱器、２２は中圧汽水分離器、２３は中圧二次蒸発器、２４は中圧二次蒸発器入口連絡管、２５は中圧分配器、２６は中圧一次蒸発器出口連絡管、２７は中圧一次蒸発器、２９は中圧節炭器、３１は低圧蒸気ドラム、３２は低圧蒸発器、３３は低圧節炭器である。
【００１０】
排熱回収ボイラでは助燃バーナ８を設置し、助燃バーナ８を運用させて燃焼することにより発生蒸気量を増やし、蒸気タービン出力を増加させることがある。助燃バーナ８は通常、高圧蒸発器よりガス流れ方向上流側の高圧過熱器、再熱器の中間位置、あるいは排熱回収ボイラの入口に設置され、排ガス温度を上昇させる。
【００１１】
そのため蒸気量増加に伴い蒸気タービンの運用範囲が広がるだけでなく、排熱回収ボイラ内での排ガス特性が変化することから、一次蒸発器出口での蒸気含有率や二次蒸発器出口での過熱度の変化幅が大きくなる。ここで高圧一次蒸発器及び高圧二次蒸発器の分割に当っては高圧一次蒸発器出口における蒸気含有率を通常５０％から７０％程度になるように設定し、高圧二次蒸発器出口での過熱度は通常２０℃から５０℃程度になるように設定されている。
【００１２】
ボイラ運転時には高圧二次蒸発器出口の過熱度を監視し、前記設定範囲内になるように給水流量を制御し、高圧一次蒸発器出口における蒸気含有率は前記設定範囲内で運用される。この際、高圧一次蒸発器出口の流体は高圧一次蒸発器出口連絡管により蒸発器下部へと下降し、分配器により複数本の高圧二次蒸発器入口連絡管に分岐され、高圧二次蒸発器へ送られる。
【００１３】
図１１ならびに図１２は、従来の分配器１５の切断側面図ならびに切断平面図である。これらの図に示すように高圧一次蒸発器出口連絡管１６から送られた流体は分配器１５の上部から入り、分配器１５の側面に放射状に接続された複数本の高圧二次蒸発器入口連絡管１４へと送られる。図１２では、分配器１５の側面に高圧二次蒸発器入口連絡管１４が１２本放射状に接続された例が示されている。
【００１４】
コンバインドサイクル発電設備に装備される排熱回収ボイラに関しては、例えば下記の特許文献を挙げることができる。
【特許文献１】特表２００１−５０５６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
分配器１５内では流体が気体と液体が混在した気液二相流状態となっており、分配器１５の上部中央から下向きに流入された前記気液二相流が分配器１５の平面状の底部に当って流れ方向が転換される際、流体の跳ね返りまたは淀みが生じ、さらに上部から流入して来る流体と衝突し、二相流の混合状態に偏りが生じる。図１２に示すように分配器１５の外周には高圧二次蒸発器入口連絡管１４が均等に配置されているが、前述のように二相流の混合状態に偏りが生じるため、各高圧二次蒸発器入口連絡管１４に均等、均質に分配されない虞がある。また、ボイラの運転状態によって気液二相流体の圧力、蒸気含有率は変動することから、ボイラの運転状態によって分配性能が低下する虞もがある。
【００１６】
図１３に、分配器で均等、均質な二相流分配が行なわれなかった場合の例を示す。このような場合には、高圧二次蒸発器での熱吸収に偏りを生じ、同図に示すように高圧二次蒸発器出口蒸気温度にバラツキが生じ、また高圧二次蒸発器管のメタル温度にも差が発生する。その結果、伝熱性能の低下により蒸発量が低減するだけでなく、温度差及び部分的なメタル温度上昇による強度的な問題が発生することもある。このようなことは、中圧系においても同様に発生する問題である。なお、低圧系は貫流式の利点が少なく、自然循環式を採用することが多いため前述のような問題は発生し難い。
【００１７】
本発明の目的は、安定した蒸気特性が得られる排熱回収ボイラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、排ガス流れ方向の下流側に一次蒸発器、上流側に二次蒸発器が設置され、前記一次蒸発器と前記二次蒸発器との間に分配器を設けて、前記一次蒸発器と前記分配器の間が一次蒸発器出口連絡管で連結され、前記分配器と前記二次蒸発器の間が複数本の二次蒸発器入口連絡管で連結されて、前記一次蒸発器からの気液二相流を前記分配器を通して前記二次蒸発器に分配して導入する貫流式排熱回収ボイラにおいて、
前記分配器の内側底部に錐形構造体が頂部を上側にして設置され、
前記一次蒸発器出口連絡管の開口が前記錐形構造体の頂部と対向するように前記一次蒸発器出口連絡管が前記分配器の上部に取り付けられ、
前記二次蒸発器入口連絡管の開口で前記錐形構造体の下部を取り囲むように、前記複数本の二次蒸発器入口連絡管が前記分配器の下部周辺に取り付けられていることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記複数本の二次蒸発器入口連絡管が前記分配器の下部周辺に等間隔で取り付けられていることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、前記複数本の二次蒸発器入口連絡管が前記錐形構造体の傾斜面と同じ方向に傾斜して取り付けられていることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第４の手段は前記第１ないし第３の手段において、前記錐形構造体が円錐形構造体であることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第５の手段は前記第１ないし第４の手段において、前記一次蒸発器が高圧一次蒸発器、前記二次蒸発器が高圧二次蒸発器であることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第６の手段は前記第１ないし第５の手段において、前記二次蒸発器の排ガス流れ方向上流側に排ガス温度を上昇するための助燃バーナが設置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は前述のような構成になっており、錐形構造体の設置により複数本の二次蒸発器入口連絡管に対して気液二相流体を等質、等分に分配でき、その結果安定した蒸気特性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に本発明の実施形態を図と共に説明する。図１は第１の実施形態に係る分配器の一部を透視した斜視図、図２はその分配器の切断側面図である。
【００２６】
図２に示されているように、分配器１５は、円筒部４１と、その円筒部４１の上側開口部を閉塞する皿状の蓋部４２と、前記円筒部４１の下側開口部を閉塞する皿状の底部４３とを有して、全体的に円筒形をしている。この分配器１５の内側で前記底部４３の中央部には、円錐形構造物３４が設置、固定されている。図２に示すように円錐形構造物３４の外径は、底部４３の内径と等しいか、あるいはそれよりも若干径小に設計されている。
【００２７】
前記蓋部４２の中央部には大径の１本の高圧一次蒸発器出口連絡管１６が差し込まれ、その出口連絡管１６の下端は前記円錐形構造物３４の頂部近くまで延びており、かつ、出口連絡管１６の開口中心と円錐形構造物３４の頂点とが上下方向において略一致している。
【００２８】
前記底部４３の外周部には、小径の複数本の高圧二次蒸発器入口連絡管１４が等間隔で放射状に取り付けられている。図２に示すように各高圧二次蒸発器入口連絡管１４の入口開口部は前記円錐形構造物３４の傾斜面の下部と対向して、円錐形構造物３４の下部を取り囲むように配置されている。前記円錐形構造物３４の周面の傾斜角度は、３０度から６０度が好適である。
【００２９】
このような構造をした分配器１５においては、前記高圧一次蒸発器出口連絡管１６から導入された気液二相流４４は分配器１５内の気液レベルや気液二相流の混合状態の影響を受けることなく、前記円錐形構造物３４の頂部においてほぼ均等に放射状に広がり、円錐形構造物３４の傾斜面に沿って勢い良く流れ落ち、放射状に広がった気液二相流４４は均質な状態のまま各高圧二次蒸発器入口連絡管１４に均等に分配することができる。
【００３０】
図２にこの分配器１５を用いて均等、均質に二相流分配が行なわれた場合の例を示している。図１２と比較して明らかなように高圧二次蒸発器出口での蒸気温度のバラツキがなく、安定した蒸気特性が得られる。
【００３１】
図４は第２の実施形態に係る分配器の一部を透視した斜視図、図３はその分配器の切断側面図である。本実施形態で前記第１の実施形態と相違する点は、前記第１の実施形態では分配器１５に対して各高圧二次蒸発器入口連絡管１４を水平方向に配置したが、本実施形態では各高圧二次蒸発器入口連絡管１４を円錐形構造物３４の傾斜角とほぼ一致するように、同じ方向に傾きを持って取り付けられて、各高圧二次蒸発器入口連絡管１４の入口開口が円錐形構造物３４の傾斜面と連なっている点である。本実施形態では円錐形構造物３４の傾斜面に沿って流れ落ちる気液二相流４４は重力の影響を受け、第１の実施形態より安定した分配が可能である。
【００３２】
前記実施形態では円錐形構造体を用いたが本発明はこれに限定されるものではなく、例えば三〜十二角錐形構造体などの多角錐形構造体を用いることもできる。さらに、円錐形構造体または多角錐形構造体の傾斜面に、流体の流れをガイドする例えば直線状のフィンあるいは溝などからなるガイド手段を設けることもできる。
【００３３】
前記実施形態では図２に示すように頂部の尖った円錐形構造体を用いたが本発明はこれに限定されるものではなく、円錐形構造体または多角錐形構造体の頂部に丸みを付けることもできる。
【００３４】
排熱回収ボイラの運転中に蒸発器管及び連絡管の熱伸びの影響により分配器が傾き、分配器の内部が水平に保たれず、そのために気液二相流が重力の影響により均等、均質に分配されない虞がある。図６、図７に示す第３実施形態はこのような問題を解消するためのもので、図６は分配器の支持構造を示す正面図、図７は分配器の支持構造を示す底面図である。
【００３５】
図６に示すように、排熱回収ボイラの煙道を区画形成する本体ケーシング４ａから４本のサポート支柱３６ａを立て、そのサポート支柱３６の上部付近に４本の梁３５を架設して、この４本の梁３５で分配器１５の一部（本実施形態では分配器１５の下部）を支持する構造になっている。
【００３６】
このようにボイラ本体によって分配器１５を支持することにより、ボイラ運転時の分配器１５の傾きを抑制して、気液二相流の均等、均質配分の機能が維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る一部を透視した分配器の斜視図である。
【図２】その分配器の切断側面図である。
【図３】その分配器を用いて均等、均質に二相流分配が行なわれた場合の蒸気特性図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る一部を透視した分配器の斜視図である。
【図５】その分配器の切断側面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る分配器の支持構造を示す正面図である。
【図７】その支持構造を示す底面図である。
【図８】コンバインドサイクル発電設備の概略構成図である。
【図９】排熱回収ボイラを側面から視た概略構成図である。
【図１０】その排熱回収ボイラを上面から視た概略構成図である。
【図１１】従来の分配器の切断側面図である。
【図１２】その分配器の切断平面図である。
【図１３】均等、均質に二相流分配が行なわれなかった場合の蒸気特性図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：ボイラ入口、２：ボイラ出口、３：入口ダクト、４：本体ケーシング、５：出入口ダクト、６：高圧三次過熱器、７：二次再熱器、８：助燃バーナ、９：高圧二次過熱器、１０：一次再熱器、１１：高圧一次過熱器、１２：高圧汽水分離器、１３：高圧二次蒸発器、１４：高圧二次蒸発器入口連絡管、１５：高圧分配器、１６：高圧一次蒸発器出口連絡管、１７：高圧一次蒸発器、１８：排煙脱硝触媒、１９：中圧過熱器、２０：高圧三次節炭器、２１：低圧過熱器、２２：中圧汽水分離器、２３：中圧二次蒸発器、２４：中圧二次蒸発器入口連絡管、２５：中圧分配器、２６：中圧一次蒸発器出口連絡管、２７：中圧一次蒸発器、２８：高圧二次節炭器、２９：中圧節炭器、３０：高圧一次節炭器、３１：低圧蒸発ドラム、３２：低圧蒸発器、３３：低圧節炭器、３４：円錐形構造物、３５：梁、３６：サポート支柱、３７：ガスタービン、３８：排熱回収ボイラ、３９：蒸気タービン、４１：円筒部、４２：蓋部、４３：底部、４４：二相流体、Ｇ：排ガス。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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