(57)【要約】【課題】貫流式排熱回収ボイラの蒸発器循環系統に加熱系統を設置することにより高速での起動を可能とすると共に制御性に優れ、且つ信頼性の高い排熱回収ボイラを提供すること。【解決手段】燃焼排ガス流路内の下流側から上流側に節炭器１と蒸発器２と過熱器４を順次配置し、節炭器１から蒸発器２、汽水分離器３及び過熱器４へ流体を順次流す流体配管をそれぞれ設け、さらに汽水分離器３で分離された水を蒸発器２に戻す循環配管１５を設けている。ボイラの運転待機中には蒸発器２入口に戻る循環配管１５にある蒸気注入ノズル１２を経由して補助蒸気系統７から供給される蒸気により蒸発器２内部の水が加温され、循環ポンプ６を用いて循環させることで蒸発器２及びその連絡管１４内の水の温度低下が防止され、一定温度に保たれ、ボイラを再起動する際に蒸発器２の系統で温度変化が緩和され、短時間で起動可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼排ガス流路内の下流側から上流側に向けて節炭器と蒸発器と過熱器を含む熱交換器を順次配置し、節炭器から蒸発器、蒸発器から汽水分離器及び汽水分離器から過熱器へ流体を順次流す流体配管をそれぞれ設け、さらに汽水分離器で汽水混合流体から分離した水を蒸発器に戻す循環配管を設けた貫流式排熱回収ボイラにおいて、
該循環配管に圧力ポンプを設置し、該圧力ポンプの下流側に補助蒸気供給系統を設置したことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
【請求項２】
燃焼排ガス流路内の下流側から上流側に節炭器と蒸発器と過熱器を含む熱交換器を順次配置し、節炭器から蒸発器、蒸発器から汽水分離器及び汽水分離器から過熱器へ流体を順次流す流体配管をそれぞれ設け、さらに汽水分離器で汽水混合流体から分離した水を蒸発器に戻す循環配管を設けた貫流式排熱回収ボイラにおいて、
該循環配管の並列位置に汽水混合流体から分離した水を蒸発器に戻す圧力ポンプを備えた補助循環配管を設け、該圧力ポンプの下流側に補助蒸気供給系統を設置したことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラ。
【請求項３】
燃焼排ガス流路内の下流側から上流側に低圧節炭器と節炭器と蒸発器と過熱器を含む熱交換器を順次配置し、節炭器から蒸発器、蒸発器から汽水分離器及び汽水分離器から過熱器へ流体を順次流す流体配管をそれぞれ設け、さらに汽水分離器で汽水混合流体から分離した水を蒸発器に戻す循環配管を設けた貫流式排熱回収ボイラにおいて、
前記低圧節炭器の出口流体配管からの流体を低圧節炭器の入口流体配管に向けて流体を流す圧力ポンプを備えた低圧節炭器再循環配管を接続し、前記汽水分離器で分離した水を蒸発器に戻す循環配管から分岐して前記低圧節炭器再循環配管の圧力ポンプの上流側に流体を流す分岐循環配管を接続し、前記低圧節炭器再循環配管の圧力ポンプの下流側から前記汽水分離器で分離した水を蒸発器に戻す循環配管の蒸発器入口部に流体を流す蒸発器循環配管を接続し、該蒸発器循環配管に補助蒸気供給系統を設置した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、ガスタービンと排熱回収ボイラと蒸気タービンからなる複合発電プラント、いわゆるコンバインドプラントの排熱回収ボイラに係わり、特に貫流式排熱回収ボイラのシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
前記コンバインドサイクルプラントは、起動停止を頻繁に行う運用が求められることが多く、その主機の一つである排熱回収ボイラに対しても起動時間短縮が可能なシステムが要求されている。  
図７にコンバインドサイクルにおける従来の自然循環式排熱回収ボイラ概略系統図を示す。ガスタービンからの高温排ガスが流れる流路である排熱回収ボイラ内には高温部から低温部に向けて順に過熱器４、蒸発器２及び節炭器１などが配置されている。
【０００３】
給水は該節炭器１で加熱された後に、高温排ガス流路の外側に配置されている汽水分離ドラム２４に送られる。該汽水分離ドラム２４で蒸気から分離された水は蒸発器２に送られ、該蒸発器２で加熱され蒸気となり、再び汽水分離ドラム２４内に送られ、汽水分離ドラム２４内で分離された蒸気は、該汽水分離ドラム２４から過熱器４に送られて過熱器４で過熱されて蒸気タービンに供給される。
【０００４】
図８にコンバインドサイクルにおける従来の貫流式排熱回収ボイラ概略系統図を示す。この場合も排熱回収ボイラ内には高温部から低温部に向けて順に過熱器４、蒸発器２及び節炭器１が配置されている。節炭器１において加熱された給水は蒸発器２へ送られ、蒸気となった後、汽水分離器３で汽水分離され、分離された蒸気は過熱器４で過熱されて蒸気タービンへ送られる。その際、汽水分離器３では蒸発器２で蒸気に状態変化した水から飽和水分を取り除くことになるが、ボイラ起動時には比較的多量の飽和水が発生することから、分離された水は汽水分離器貯水タンク５に回収された後、蒸発器２の入口に再循環させて熱の回収を図っている（特表２００１−５０５６４５号公報）。
【０００５】
また、特開２００３−２９４２０１号公報には、自然循環型排熱回収ボイラの起動前に給水をボイラ系内で循環させる給水循環手段を設けて、ボイラ系内の給水全体を徐々に昇温させてスチームハンマーを発生させないようにした構成が開示されている。この発明では給水循環手段に供給される給水は加熱される場合もあるが、その加熱手段としてボイラ系内の蒸気を使用する例が開示されいる。
【０００６】
また、特開２０００−４６３０１号公報には、コンバインドサイクルプラントの自然循環型排熱回収ボイラにおけるガスタービンの起動点火の前に脱硝装置の排ガス上流側に設置した蒸発器内の缶水に外部蒸気を導入してボイラ起動時の脱硝装置入口温度を上げて脱硝触媒の性能を維持させ、同時に蒸発器の熱交換部のスチームハンマーを回避する構成が開示されている。
【特許文献１】特表２００１−５０５６４５号公報
【特許文献２】特開２００３−２９４２０１号公報
【特許文献３】特開２０００−４６３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
自然循環型ボイラでは循環される水を蒸発して蒸気とするための蒸発管において、該蒸発管内を流れる間に水を全て蒸気化することはできなく、蒸発していない水は汽水分離ドラムに送られ、蒸気と分離することが必要である。  
これに対して貫流式ボイラでは蒸発管内の水は循環されないで、ボイラ出口部では十分過熱された蒸気となるように、ボイラ入口からボイラ出口に向かって流れる間に蒸気化される。
【０００８】
ところで、排熱回収ボイラ運転停止時には、通常熱の拡散により配管内部の水温が徐々に低下する。そのため、プラントの再起動時には、温度の急上昇による排熱回収ボイラ各部で熱疲労が生じないようにガスタービンの起動速度を抑える必要があり、排熱回収ボイラを設置したコンバインドサイクルプラントにおいて特に要求される高速での起動の妨げになる問題があった。
【０００９】
前記自然循環型ボイラでは大径、厚肉の高圧汽水分離ドラムを用いるために熱疲労を抑制するようにガスタービンの起動速度を抑える必要があり、前記排熱回収ボイラ運転停止後のプラントの高速再起動ができない。そのため、最近では高速起動に適した貫流式ボイラが注目されている。
【００１０】
そこで、本発明は貫流式排熱回収ボイラの蒸発器循環系統に加熱系統を設置することにより貫流式排熱回収ボイラのさらなる起動時間の短縮を可能とすると共に制御性に優れ、且つ信頼性の高い排熱回収ボイラを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明には上記課題は次の解決手段により解決される。  
請求項１記載の発明は、燃焼排ガス流路内の下流側から上流側に向けて節炭器（１）と蒸発器（２）と過熱器（４）を含む熱交換器を順次配置し、節炭器（１）から蒸発器（２）、蒸発器（２）から汽水分離器（３）及び汽水分離器（３）から過熱器（４）へ流体を順次流す流体配管（１４など）をそれぞれ設け、さらに汽水分離器（３）で汽水混合流体から分離した水を蒸発器（２）に戻す循環配管（１５）を設けた貫流式排熱回収ボイラにおいて、該循環配管（１５）に圧力ポンプ（６）を設置し、該圧力ポンプ（６）の下流側に補助蒸気供給系統（７）を設置した貫流式排熱回収ボイラである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、燃焼排ガス流路内の下流側から上流側に節炭器（１）と蒸発器（２）と過熱器（４）を含む熱交換器を順次配置し、節炭器（１）から蒸発器（２）、蒸発器（２）から汽水分離器（３）及び汽水分離器（３）から過熱器（４）へ流体を順次流す流体配管（１４など）をそれぞれ設け、さらに汽水分離器（３）で汽水混合流体から分離した水を蒸発器（２）に戻す循環配管（１５）を設けた貫流式排熱回収ボイラにおいて、該循環配管（１５）の並列位置に汽水混合流体から分離した水を蒸発器（２）に戻す圧力ポンプ（１６）を備えた補助循環配管（１７）を設け、該圧力ポンプ（１６）の下流側に補助蒸気供給系統（７）を設置した貫流式排熱回収ボイラである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、燃焼排ガス流路内の下流側から上流側に低圧節炭器（８）と節炭器（１）と蒸発器（２）と過熱器（４）を含む熱交換器を順次配置し、節炭器（１）から蒸発器（２）、蒸発器（２）から汽水分離器（３）及び汽水分離器（３）から過熱器（４）へ流体を順次流す流体配管（１４など）をそれぞれ設け、さらに汽水分離器（３）で汽水混合流体から分離した水を蒸発器（２）に戻す循環配管（１５）を設けた貫流式排熱回収ボイラにおいて、前記低圧節炭器（８）の出口流体配管からの流体を低圧節炭器（８）の入口流体配管に向けて流体を流す圧力ポンプ（９）を備えた低圧節炭器再循環配管（１０）を接続し、前記汽水分離器（３）で分離した水を蒸発器（２）に戻す循環配管（１５）から分岐して前記低圧節炭器再循環配管（１０）の圧力ポンプ（９）の上流側に流体を流す分岐循環配管（１８）を接続し、前記低圧節炭器再循環配管（１０）の圧力ポンプ（９）の下流側から前記汽水分離器（３）で分離した水を蒸発器（２）に戻す循環配管（１５）の蒸発器入口部に流体を流す蒸発器循環配管（１９）を接続し、該蒸発器循環配管（１９）に補助蒸気供給系統（７）を設置したことを特徴とする貫流式排熱回収ボイラである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、汽水分離器（３）で汽水混合流体から分離した水を蒸発器（２）に戻す蒸発器循環配管（１５）に補助蒸気供給系統（７）を設置して蒸発器（２）の供給される流体を加温することで、排熱回収ボイラの起動時間の短縮が可能となる。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、汽水分離器（３）で汽水混合流体から分離した水を蒸発器（２）に戻す循環配管（１５）の並列位置に設けた補助循環配管（１７）に補助蒸気供給系統（７）を設置して蒸発器（２）の供給される流体を加温することで、排熱回収ボイラの起動時間の短縮が可能となる。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、汽水分離器（３）で汽水混合流体から分離した水を蒸発器（２）に戻す循環配管（１５）から分岐した分岐循環配管（１８）内の流体を圧力ポンプ（９）の上流側の低圧節炭器再循環配管（１０）に流し、さらに圧力ポンプ（９）の下流側から蒸発器循環配管（１９）を経由して蒸発器（２）の入口部に接続した蒸発器循環配管（１５）に流し、蒸発器循環配管（１９）に補助蒸気供給系統（７）を設置して蒸発器（２）の供給される流体を加温することで、排熱回収ボイラの起動時間の短縮が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を図面と共に説明する。なお、本発明の実施例を説明するに当たり、次のことを前提としている。  
すなわち、貫流式ボイラの蒸発器は自然循環式ボイラの蒸発器とは、その構造が異なり、貫流式ボイラでは水を蒸発器に戻す循環配管が必要であるが、自然循環式ボイラでは蒸発器には水を戻さない。また貫流式ボイラでは汽水分離器は起動時にのみ汽水分離するために設置されるが、自然循環式ボイラではボイラの全運転範囲で汽水分離のために汽水分離器が用いられる。このように貫流式ボイラと自然循環式ボイラとを同列視することはできない。
【実施例１】
【００１８】
図１に本発明のコンバインドサイクル用貫流式排熱回収ボイラの実施例の構成について詳述する。この場合も排熱回収ボイラ内には高温部から低温部に向けて順に過熱器４、蒸発器２及び節炭器１、場合によっては低圧節炭器８及び／又は再熱器（図示せず）が配置されている。また、低圧節炭器８の出口配管から入口配管に向けて循環配管１０と再循環ポンプ９を低温腐蝕防止のために設け、再循環ポンプ９の出入口の循環配管１０には止め弁１３を配置している。 また、低圧節炭器８から出た流体はポンプ１１により節炭器１に送られ、該節炭器１で加熱された給水は蒸発器２へ送られて蒸気となった後、汽水分離器３で汽水分離され、分離された蒸気は過熱器４で過熱されて蒸気タービンへ送られる。その際、汽水分離器３では蒸発器２で蒸気に状態変化した水から飽和水分を取り除くことになるが、ボイラ起動時には比較的多量の飽和水が発生することから、分離された水を汽水分離器貯水タンク５に回収した後、蒸発器２の入口に再循環させ、熱の回収を図っていることは図８で説明したとおりである。
【００１９】
本実施例では、汽水分離器貯水タンク５から蒸発器２入口に戻る循環配管１５の中間に蒸気注入ノズル１２を備えた補助蒸気注入系統７を設置すると共に、汽水分離器貯水タンク５と補助蒸気系統７の中間に循環ポンプ６を設置している。
【００２０】
上記排熱回収ボイラは起動時には蒸発器２は水が張られた状態であり、蒸発器２の内部の流体は水である。ボイラの定常運転時には、蒸発器２では水の蒸発が起こり、水と蒸気の二相流が生じる。該二相流が汽水分離器３で汽水分離され、分離された蒸気は過熱器４で過熱されて蒸気タービン（図示せず）へ送られる。  
また排熱回収ボイラの運転停止の初期には蒸発器２は、残熱により水の蒸発が起こっているが、徐々に冷却されて水の蒸発が起こらなくなり、水と蒸気の二相流が水相だけになる。
【００２１】
さらにボイラの運転待機中には蒸発器２入口に戻る循環配管１５にある蒸気注入ノズル１２を経由して補助蒸気系統７から供給される蒸気により蒸発器２内部の水が加温され、循環ポンプ６を用いて循環させることで蒸発器２及びその連絡管１４内の水の温度低下が防止され、一定温度に保たれる。 
こうして、排熱回収ボイラを再起動する際に蒸発器２及び流体が流れる系統で温度変化が緩和され、短時間で起動可能となる。また、前記再起動時に蒸発器２入口に戻る循環配管１５に設けた蒸気注入ノズル１２に補助蒸気系統７から供給される蒸気が該循環配管１５内を流れる水と混合され、ウォーターハンマーの発生を防止する。
【００２２】
図５に排熱回収ボイラ運転停止及び再起動時の蒸発器２内での水の温度変化を示す。図５に示すように、従来ボイラ停止時に蒸発器２内の水が１００℃まで低下するのに対し、補助蒸気を供給することで一定温度（２００℃）に保つことができるため、温度変化が緩和され、短時間で起動可能になる。
【００２３】
また、図６に従来の自然循環式排熱回収ボイラと本実施例で用いた貫流式排熱回収ボイラの起動時間の比較を示す。従来の自然循環式排熱回収ボイラの起動時間はホット起動時に約６０分、貫流式排熱回収ボイラの起動時間は約４０分に対し、本発明を用いた場合は約３０分で起動可能となる。このように本実施例では貫流式排熱回収ボイラの起動時間が従来の貫流式排熱回収ボイラに比較しても短くなる。
【実施例２】
【００２４】
図２に本発明の他の実施例について詳述する。本発明では、図１に示す実施例１の構成の汽水分離器貯水タンク５から蒸発器２入口に戻る循環配管１５に循環ポンプ６を設ける代わりに、循環配管１５に並行に循環ポンプ１６を備えた補助循環配管１７を設け、該補助循環配管１７に蒸気注入ノズル１２を介して補助蒸気系統７から供給される蒸気を供給する構成を採用する。
【００２５】
図２に示す構成で排熱回収ボイラの運転停止時には循環配管１５に設けた電動弁１０を閉じ、補助蒸気系統７から補助循環配管１７に供給される蒸気により蒸発器２に循環させる給水を加熱し、蒸発器２及び連絡管１４の温度低下を防止する。補助蒸気系統７には図４に示す蒸気注入ノズル１２を設置しているので、補助循環配管１７内では蒸気と水のミキシングがスムーズに行われ、ウォーターハンマーの発生が防止できる。  
本実施例により蒸発器２内の給水が高温で保護されることになり、排熱回収ボイラを再起動する際に蒸発器系統で温度変化が緩和され短時間で起動可能となる。
【００２６】
なお、排熱回収ボイラの起動初期に流体のヘッド差のみの循環力を利用するため、図１に示す循環ポンプ６を循環配管１５に設置していない。そのため図１に示す循環配管１５に補助蒸気系統７を追加した構成に比較してボイラ運転停止時には循環配管１５内の流体の温度低下が早いという問題がある。  
表１には実施例１と実施例２の起動時と通常運転時と運転停止時と待機時における使用される流体流路を分かりやすくまとめている。
【表１】
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【実施例３】
【００２７】
図３に示す実施例について詳述する。本実施例では図１に示す実施例１の構成の汽水分離器貯水タンク５から蒸発器２入口に戻る循環配管１５から分岐して低圧節炭器８出口に戻る分岐循環配管１８を設置する。そして蒸発器２入口に戻る循環配管１５には図１に示す循環ポンプ６を設けないで止め弁２０を設ける。また、低圧節炭器８の出入口は循環配管１０で接続され、該循環配管１０には低圧節炭器再循環ポンプ９を設け、さらに低圧節炭器再循環ポンプ９の出入口には止め弁１３，１３を設ける。また低圧節炭器８入口側の止め弁１３へ流体を供給するの循環配管１０から分岐させて蒸発器２入口に戻る循環配管１５に接続する循環配管１９を設ける。この循環配管１９には蒸気注入ノズル１２を設け、該蒸気注入ノズル１２には補助蒸気系統７から蒸気を供給できる構成を備えている。
【００２８】
上記構成において、排熱回収ボイラの運転停止時は低圧節炭器８の出入口を接続する循環配管１０にある止め弁１３を閉じる。前記止め弁１３を閉じた状態で低圧節炭器再循環ポンプ９の吐出圧を利用して汽水分離器貯水タンク５出口の流体（水）を循環配管１５から分岐循環配管１８を経由して低圧節炭器再循環ポンプ９入口に送り、再循環配管１０から循環配管１９に設けられた蒸気注入ノズル１２において、前記流体（水）は補助蒸気系統７からの蒸気と混合されて蒸発器２に送られる。
【００２９】
こうして補助蒸気系統７から供給される蒸気により循環給水は加熱され、蒸発器２及びその連絡管１４の温度低下を防止することができる。  
また、補助蒸気系統７には図４に示す蒸気注入ノズル１２を設置して蒸気と水のミキシングを行い、ウォーターハンマーの発生を防止する。
【００３０】
本実施例により蒸発器２内の給水が高温で保護されることになり、排熱回収ボイラを再起動する際に蒸発器系統で温度変化が緩和され、短時間で起動可能となる。  
表２には実施例３の起動時と通常運転時と運転停止時と待機時における使用される流体流路を分かりやすくまとめている。
【表２】
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さらに表３に実施例１、２、３を採用した場合の各々の利点を比較して示す。
【表３】
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【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明により、排熱回収ボイラコンバインドプラントの起動時間短縮が期待でき、また電力需要に合わせた起動特性の高い発電設備としてコンバインドサイクルプラントの優位性をさらに高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施例１の概略系統図である。
【図２】本発明の実施例２の概略系統図である。
【図３】本発明の実施例３の概略系統図である。
【図４】本発明の実施例で使用する流体配管への蒸気注入ノズルの概略図である。
【図５】本発明の実施例の蒸発器内での水の温度変化を示す図である。
【図６】本発明の実施例の貫流式排熱回収ボイラと従来の自然循環式排熱回収ボイラの起動時間の比較を示す図である。
【図７】従来の自然循環式排熱回収ボイラの概略系統図である。
【図８】従来の貫流式排熱回収ボイラの概略系統図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    節炭器                  ２    蒸発器
３    汽水分離器              ４    過熱器
５    汽水分離器貯水タンク    ６，１６  循環ポンプ
７    補助蒸気系統            ８    低圧節炭器
９    低圧節炭器再循環ポンプ  １０  電動弁
１１  給水ポンプ              １２  蒸気注入ノズル
１３，２０  止め弁            １４  連絡管
１５  蒸発器循環配管          １７  補助循環配管
１８  分岐循環配管            １９  循環配管
２４  汽水分離ドラム
【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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