(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速始動型排熱回収蒸気ボイラ（ＨＲＳＧ）であって、
ガス入口、
高圧気水分離器及び、前記高圧気水分離器と流体連通する複数の高圧蒸発管を含む高圧セクション、
中間圧気水分離器及び、前記中間圧気水分離器と流体連通する複数の中間圧蒸発管を含む中間圧セクション、
低圧気水分離器及び、前記低圧気水分離器と流体連通する複数の低圧蒸発管を含む低圧セクション、
ガス出口、
を含み、
前記高速始動型排熱回収蒸気ボイラが自然循環型のものであり、
前記高圧セクションが、高圧気水分離器に流体連結された高圧エコノマイザを更に含み、
前記ガス入口からガス出口に掛けて延びる流路が実質的に水平であり、
前記高圧気水分離器、前記中間圧気水分離器、及び前記低圧気水分離器のいずれもが竪置き式気水分離器であり、
前記中間圧気水分離器及び前記低圧気水分離器の壁厚が前記高圧気水分離器の壁厚より薄い高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項２】
前記竪置き式気水分離器が、
上部及び底部を有し垂直に伸延する円筒状の容器、
前記竪置き式気水分離器内の前記気水混合物を旋回させて前記竪置き式気水分離器内で蒸気を水から分離させるべく前記容器に気水混合物を提供する手段、
前記容器の上部内に位置付けられ、前記竪置き式気水分離器の内周部に沿って配置され、垂直に配向された、蒸気から水を除去するスクラバ手段、
前記容器から飽和蒸気を搬送する、飽和蒸気連結手段、
前記竪置き式気水分離器の壁を通して連結され、前記容器に前記給水を搬送する給水供給手段、
前記給水及び前記蒸気から分離された水を前記容器から搬送する手段、
を含む請求項１に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項３】
前記スクラバ手段が、前記竪置き式気水分離器の内周部に沿って垂直に配向した個別のスクラバ要素列にして、前記竪置き式気水分離器の壁の内側表面から離間され、かくして前記壁との間に実質的に開放された環状領域を創出するスクラバ要素列を含む請求項２に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項４】
前記竪置き式気水分離器が、
上部及び底部を有し、垂直に伸延する円筒状の容器、
前記容器の壁に連結されたノズルにして、少なくとも一つの高さにおいて接線方向に配向され、前記竪置き式気水分離器内の気水混合物を旋回させて前記竪置き式気水分離器内で蒸気を水から分離させるべく前記容器に気水混合物を提供するノズル、
前記容器の上部内に位置付けられ、前記竪置き式気水分離器の内周部に沿って配置され、垂直に配向された、蒸気から水を除去するスクラバ手段、
前記容器から飽和蒸気を搬送する、飽和蒸気連結手段、
前記容器に前記給水を搬送するべく前記容器に連結された給水供給手段、
前記給水及び前記蒸気から分離された水を前記容器から搬送する手段、
を含む請求項１に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項５】
前記接線方向に配向されたノズルが、水平方向に関してある角度で下方に傾斜される請求項４に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項６】
前記竪置き式気水分離器が、複数の高さで容器の壁に連結され、接線方向に配向され、傾斜されたノズルを含み、一つの高さにおける前記ノズルが、隣り合う高さにおけるノズルに関してスタガー配置され、かくして、種々の高さから前記ノズルにより搬送される気水のジェット間の干渉が回避される請求項４に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項７】
前記竪置き式気水分離器が、
上部及び底部を有し垂直に伸延する円筒状の容器、
前記竪置き式気水分離器内の前記気水混合物を旋回させて前記竪置き式気水分離器内で蒸気を水から分離させるべく前記容器に気水混合物を提供する手段、
前記容器の上部内に位置付けられ、前記竪置き式気水分離器の内周部に沿って配置され、垂直に配向された、蒸気から水を除去するスクラバ手段、
前記容器内で、前記スクラバ手段より下方で且つ前記容器の壁に連結されたノズルより上方に位置決めされたストリッパリングにして、前記ノズルが少なくとも一つの高さにおいて接線方向に配向され、前記竪置き式気水分離器内の気水混合物を旋回させて前記竪置き式気水分離器内で蒸気を水から分離するために気水混合物を前記容器に提供するノズルであるストリッパリング、
前記容器から飽和蒸気を搬送する、飽和蒸気連結手段、
前記容器に前記給水を搬送するべく前記容器に連結された給水供給手段、
前記給水及び前記蒸気から分離された水を前記容器から搬送する手段、
を含む請求項１に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項８】
前記ストリッパリングが、前記容器の内側表面に隣り合う中実の環状部分と、前記竪置き式気水分離器の中央領域の、切頭円錐上の、有孔部分とを有する請求項７に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項９】
前記竪置き式気水分離器が、
上部及び底部を有し垂直に伸延する円筒状の容器、
前記竪置き式気水分離器内の前記気水混合物を旋回させて前記竪置き式気水分離器内で蒸気を水から分離させるべく前記容器に気水混合物を提供する手段、
前記容器の上部内に位置付けられ、前記竪置き式気水分離器の内周部に沿って配置され、垂直に配向された、蒸気から水を除去するスクラバ手段、
前記容器から飽和蒸気を搬送する、飽和蒸気連結手段、
前記容器に前記給水を搬送するべく前記容器に連結された給水供給手段、
前記給水及び水における前記容器からの搬送時の回転を低減させる渦インヒビタ手段、
前記給水及び前記蒸気から分離された水を前記容器から搬送する手段、
を含む請求項１に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項１０】
前記竪置き式気水分離器が、給水及び気水混合物を受け、水から蒸気を分離させ、分離させた蒸気を前記竪置き式気水分離器から搬送し、前記給水を前記分離された水と混合させて前記竪置き式気水分離器から搬送する構成を有し、
前記竪置き式気水分離器が、
上部及び底部を有し且つ複数のゾーンをその内部に画定する、垂直に伸延する円筒状の容器を含み、
前記ゾーンが、
蒸気からの水の最終部分を除去するスクラバ手段を有する二次気水分離ゾーンと、
前記スクラバ手段の下方で且つボイラ気水入口ゾーンの上方に位置付けられ、傾斜された複数の接線方向ノズルを介して気水混合物を前記竪置き式気水分離器内に提供する連行分離ゾーンと、
前記ボイラ気水入口ゾーンより下方に位置付けた一次気水分離ゾーンにして、水が前記竪置き式気水分離器の底部へと旋回して降下する一次気水分離ゾーンと、
前記一次気水分離ゾーンより下方に位置付けた、竪置き式気水分離器水位操作ゾーンにして、ボイラ運転中は実質的に水が充満される変動水位を有する竪置き式気水分離器水位操作ゾーンと、
前記竪置き式気水分離器水位操作ゾーンより下方に位置付けた給水注入ゾーンにして、分離された水と混合させるべく給水を竪置き式気水分離器内に導入する給水注入ゾーンと、
前記給水注入ゾーンより下方に位置付けた下方渦排除ゾーンにして、前記竪置き式気水分離器からの搬送時の給水及び水の回転を低減させる下方渦排除ゾーンと、
を含む請求項１に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項１１】
前記竪置き式気水分離器が、複数の接線方向ライザ連結部を介して高圧蒸発管に流体連結される請求項１に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【請求項１２】
前記竪置き式気水分離器が、複数の直線ライザ連結部を介して高圧蒸発管に流体連結される請求項１に記載の高速始動型排熱回収蒸気ボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願のデータ：本件出願は２０１２年８月１３日付に提出された“Rapid Startup Heat Recovery Steam Generator”と題する米国仮特許出願第６１／６８２，４７０号の優先権を主張するものである。本発明は、前記仮特許出願は前記参照によりその全体を本明細書の一部とする。
【背景技術】
【０００２】
本発明は一般に発電分野に関する。詳しくは本発明は、一つ又は一つ超の竪置き式気水分離器を含む高速始動型排熱回収蒸気ボイラ（ＨＲＳＧ）を指向するものである。ＨＲＳＧは例えば、タービンを駆動して極めて効率的に電力を発生させるために使用し得る蒸気急発生用の高速始動型ボイラとして使用できる。
【０００３】
ＨＲＳＧは、ガスタービンからの高温の排気ガス流れ等の高温ガス流れからの熱エネルギー抽出あるいは回収に使用する装置である。抽出されたエネルギーは水を、発電用に使用可能な蒸気に変換するために使用される。ＨＲＳＧは排熱回収蒸気ボイラあるいはタービン排ガス蒸気ボイラとも称され得る。ＨＲＳＧは複合サイクル発電所で全体効率を向上させるべく使用され得る。
【０００４】
ＨＲＳＧは非燃焼的（即ち、ガスの顕熱のみを供給する）なものであり得、あるいは、要求伝熱表面を低減させ、蒸気生成量を増大させ、過熱蒸気温度を制御し、あるいは要求プロセス蒸気温度に合致させるべくガス温度を上昇させるべく燃焼させる補助燃料を含むものであり得る。
【０００５】
ＨＲＳＧは、ボイラバンクとして参照され得る１つ又は１つ超の複数の伝熱表面、例えば、熱交換器管を含む。高温ガスがボイラバンクの管の間及び周囲を通過すると、ボイラバンクを流動するのが水又は蒸気であるかに応じて、水が蒸気に変換され、あるいは蒸気が過熱される。
【０００６】
ＨＲＳＧは排気ガスの流れ方向（即ち、垂直あるいは水平）あるいは圧力レベル数（即ち、単一圧あるいは多重圧）等の多くの方法でグループ分けされ得る。竪型ＨＲＳＧの場合、排気ガス流れは水平管の上方を垂直方向に流れ、横型ＨＲＳＧの場合は垂直管の上方を水平に流れる。
【０００７】
単圧型ＨＲＳＧでは一つの蒸気ドラムを通して単圧レベルの蒸気を生成するが、多重圧型ＨＲＳＧでは２つ（ダブル圧）、３つ（トリプル圧）、あるいはそれ以上の蒸気ドラムが使用される。トリプル圧型ＨＲＳＧは３つのセクション、即ち、ＨＰ（高圧）セクション、ＩＰ（中間圧）セクション、そしてＬＰ（低圧）セクション、から構成される。効率を高める再熱セクションも使用され得る。各セクションは一般に、一つの蒸気ドラムと、水を蒸気に変換させる一つの蒸発セクションとを有する。蒸気はその後過熱器に通されて飽和点を越える温度となる。
【０００８】
説明したように、ＨＲＳＧは一つ又は一つ超の蒸気ドラムを含み得る。蒸気ドラムは、沸騰伝熱表面を出る気水混合物から飽和蒸気を分離させるよう設計された大型の円筒状容器である。自然循環型ＨＲＳＧでは蒸気ドラムは水平に配向される。飽和蒸気は、直接使用、加熱、及び又は発電用の一つ又は一つ超の出口ノズルを通して排出される。無蒸気化された水は、それ以降の蒸気生成用の給水と共に単数あるいは複数のボイラバンクに再循環される。
【０００９】
蒸気ドラムは代表的には、２相流体を接線方向からサイクロンに入力させることによるか、あるいは、固定プロペラタイプあるいは蛇行通路型の装置を介して発生させた遠心力を用いる。遠心作用は、気水混合物を出る蒸気を文字通り“圧搾”する。
【００１０】
代表的なＨＲＳＧの始動時立上がりレートを制限する一つの因子は蒸気ドラムのソーク時間である。ＨＲＳＧサプライヤは、低負荷始動時に蒸気ドラムの温度が徐々に上昇してその上部及び底部間の金属温度が均等化され得る最小ホールド時間を蒸気ドラム厚に基づいて指定する。蒸気ドラム温度を均等化させないと、底部の、水湿り表面に沿った金属温度が低くなり、上部の、蒸気湿り表面に沿った金属温度が高くなる。この温度差によりドラムに長手方向湾曲、即ちドラムハンプ（ｄｒｕｍ ｈｕｍｐ）が生じる。
【００１１】
ドラムハンプは、蒸気ドラムのライザやダウンカマーの高重量連結部に、大きく且つ蒸気ドラムのシェルの応力限界をも越える応力を付加し得る。ＨＲＳＧサプライヤは、それら連結部及び又はシェル材料への損傷度合いを判定するべく、代表的には、高速始動イベント数を監視して各コンポーネントに対する損傷を制御することを推奨している。
【００１２】
しかしながら高速始動型ボイラの人気は、風力及びソーラー等の再生可能エネルギー源の魅力故に今後も続くものと思われる。風力やソーラー発電にはしばしば不安定化することがあるため、電力系統への電力を切り換えてブラウンアウトやブラックアウトを回避する迅速負荷移行に対する需要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国仮特許出願第６１／６８２，４７０号
【特許文献２】米国特許第６，３３６，４２９号
【特許文献３】米国特許公開第２０１０／０１０１５６４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
高速始動型ボイラ用の新規設計のＨＲＳＧを開発及び提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本明細書において、一つ又は一つ超の竪置き式気水分離器を含む高速始動型排熱回収蒸気ボイラの種々実施形態が記載される。
本発明のある様相によれば、高速始動型排熱回収蒸気ボイラ（ＨＲＳＧ）であって、ガス入口、高圧セクション、随意的な再熱セクション、随意的な中間圧セクション、随意的な低圧セクション、ガス出口、を含む高速始動型排熱回収蒸気ボイラが提供される。前記高圧セクションは、高圧気水分離器と、この高圧気水分離器と流体連通する複数の高圧蒸発管とを含む。前記随意的な中間圧セクションは、中間圧気水分離器と、この中間圧気水分離器と流体連通する複数の中間圧蒸発管とを含む。
【００１６】
前記随意的な低圧セクションは、低圧気水分離器と、この低圧気水分離器と流体連通する複数の低圧蒸発管とを含む。高圧気水分離器、中間圧気水分離器、低圧気水分離器、の少なくとも一つは竪置き式気水分離器である。別の実施形態では中間圧気水分離器、及び又は、低圧気水分離器は蒸気ドラムである。
【００１７】
前記竪置き式気水分離器は、上部及び底部を有する、垂直方向に延びる円筒状容器と、気水混合物を容器に提供し、前記分離器内で前記気水混合物を旋回させてこの分離器内で蒸気を水から分離させる手段と、蒸気から水を除去するスクラバ手段にして、前記容器の上部内に位置付けられ且つ前記分離器の内周部に沿って配置した、垂直方向に配向したスクラバ手段と、前記容器から飽和蒸気を搬送する飽和蒸気連結手段と、前記分離器の一つの壁を通して連結した、給水を前記容器に搬送する給水供給手段と、前記給水と、蒸気から分離した水とを前記容器から搬送する手段と、を含み得る。
【００１８】
前記ガス入口からガス出口に掛けて、実質的に水平あるいは実質的に垂直であり得る流路が伸延される。
【００１９】
前記竪置き式気水分離器は、複数の接線方向ライザ連結部あるいは直線方向ライザ連結部を介して蒸発管に流体連結され得る。
【００２０】
本発明の他の様相によれば、ＨＲＳＧの改装方法が提供される。本方法には、ＨＲＳＧの高圧セクションから高圧蒸気ドラムを取り外すステップと、高圧蒸気ドラムを竪置き式高圧蒸気ボイラに交換するステップと、が含まれる。
【００２１】
随意的には前記方法には、ＨＲＳＧの中間圧セクションから中間圧蒸気ドラムを取り外すステップと、前記中間圧蒸気ドラムを竪置き式中間圧気水分離器に交換するステップと、が更に含まれる。
【００２２】
他の様相によれば、前記方法には更に、ＨＲＳＧの低圧セクションから低圧蒸気ドラムを取り外すステップと、前記低圧蒸気ドラムを竪置き式低圧気水分離器に交換するステップとが更に含まれる。
【００２３】
本発明の１様相によれば、高圧セクション、中間圧セクション、低圧セクションを含む高速始動型排熱回収蒸気ボイラが提供される。前記高圧セクションは、竪置き式気水分離器と、上端部位置の複数の高圧ライザ及び底端部位置の高圧ダウンカマー／リサイクルラインを介して前記竪置き式気水分離器に流体連結した高圧蒸発器と、高圧乾燥蒸気導管を介して前記竪置き式気水分離器に流体連結した高圧過熱器と、を含む。前記中間圧セクションは、中間圧蒸気ドラムと、前記中間圧蒸気ドラムに流体連結した中間圧エコノマイザと、中間圧ライザ及び中間圧ダウンカマー／リサイクルラインを介して前記中間圧蒸気ドラムに流体連結した中間圧蒸発器と、前記中間圧蒸気ドラムから延びる中間圧乾燥蒸気導管を介して前記中間圧蒸気ドラムに流体連結した中間圧過熱器と、を含む。前記低圧セクションは、低圧蒸気ドラムと、前記低圧蒸気ドラムに流体連結した低圧エコノマイザと、低圧ライザ及び低圧ダウンカマー／リサイクルラインを介して前記低圧蒸気ドラムに流体連結した低圧蒸発器と、前記低圧蒸気ドラムから延びる低圧乾燥蒸気導管と、を含む。
【発明の効果】
【００２４】
高速始動型蒸気ボイラ用の新規設計のＨＲＳＧが開発及び提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明に従う排熱回収蒸気ボイラ（ＨＲＳＧ）の１実施形態の側面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明に従う排熱回収蒸気ボイラ（ＨＲＳＧ）の１実施形態の平面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明に従う排熱回収蒸気ボイラ（ＨＲＳＧ）の１実施形態の斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａ〜１ＣのＨＲＳＧの高圧セクションの側面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ａ〜１ＣのＨＲＳＧの高圧セクションの平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、図１Ａ〜１ＣのＨＲＳＧの中間圧セクションの側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図１Ａ〜１ＣのＨＲＳＧの中間圧セクションの平面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、図１Ａ〜１ＣのＨＲＳＧの低圧セクションの側面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図１Ａ〜１ＣのＨＲＳＧの低圧セクションの平面図である。
【図５】図５は、本発明のＨＲＳＧで使用し得る竪置き式気水分離器の第１実施形態における側方断面図である。
【図６】図６は、個別の竪置き式気水分離器へのライザ管連結状態を例示する略平面図である。
【図７】図７は、ある高さのライザ管の、隣り合う高さのライザ管に関する配向及びスタガー状況を例示する、図６の竪置き式気水分離器の外周部を平坦化した略図である。
【図８】図８は、本発明のＨＲＳＧにおいて使用可能な竪置き式気水分離器の第２実施形態の側方断面図である。
【図９】図９は、図８の竪置き式気水分離器の矢印８−８に沿った断面平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の方法及び装置は添付した図面を参照することにより完全に理解されよう。各図面は、従来技術及び又は本発明を説明する都合上及びその容易化上、その概略を示したに過ぎないものであり、アセンブリあるいはその各コンポーネントに関するサイズやディメンションを示すものではない。
【００２７】
以下の説明では明瞭化のために特定用語を用いるが、それら用語は図面に例示するべく選択された実施形態の特定構造に対してのみ参照されることを意図したものであり、その記載範囲への限定を意図するものではない。以下の図面及びその説明については同じ参照番号で表すコンポーネントは同じ機能を有するものとする。
単一的に表現される構成は、特に断りがない限り複数的構成を含むものとする。
【００２８】
本願明細書及び請求範囲における数値には、同一の有効数字に換算した場合に同一となる数値及び、当該数値を決定するための本件出願に記載された形式の従来測定技法における実験誤差未満において記載数値とは異なる数値が含まれるものとする。
【００２９】
本明細書に含まれる範囲は、参照された終点及び、個別に組み合わせ得るものとする（例えば、“２グラム〜１０グラム”は、２グラム及び１０グラムである終端と、全中間値とからなる範囲を含む）。
【００３０】
“約”及び“実質的に”等の用語で修飾される数値はそれらの数値に限定されないものとする。修飾される“約”とは２つの終端の絶対値で定義される範囲を表すと考えるべきである。例えば、“約２〜約４”は“２〜４”をも表すものとする。
【００３１】
当業者には既知であるように、気水混合物を搬送する伝熱表面は、一般にボイラ蒸発面として参照され、蒸気をそこを通して搬送する伝熱面は過熱（あるいは関与する蒸気タービン構成によっては再熱）面として参照される。過熱面の形式に係わらず、管のサイズ、材料、直径、壁厚、配置構成及び数はアメリカ機械学会（ＡＳＭＥ）ボイラ及び圧力容器基準のセクションＩ、あるいは法律で定める如きその他の同等基準等の、適用ボイラ設計基準に従う運転温度や圧力に基づくものである。
【００３２】
本発明によれば、一つ又は一つ超の竪置き式気水分離器を含む高速始動型ＨＲＳＧ等の排熱回収蒸気ボイラが提供される。竪置き式気水分離器は、ＨＲＳＧ形式のボイラ用の、経済的で且つ、より信頼性のある蒸気分離コンポーネントを提供する。ボイラ始動時における竪置き式気水分離器の使用は、放出物低減、高効率化、及び、代替電源（例えば、風力や太陽発電）の不安定性を相殺する系統柔軟性を維持する上で役立つ。竪置き式気水分離器はその設計上、ガスタービンを間断無くランピングさせ得るため、特には高速始動中あるいは停止状況中、及び、過度の負荷変動中のボイラ可用性を高める上で有用であり得る。
【００３３】
最新の高速始動型ボイラでは従来型蒸気ドラムが使用される。高圧蒸気ドラムは２４００ｐｓｉａ（絶対値での１６５４８ｋＰａ）蒸気タービン用にサイズ化されており、ドラム厚を約７〜約８インチ（約１８〜２０ｃｍ）とする必要がある。このタイプの蒸気ドラムはボイラ設計寿命の半分未満で疲労問題が生じ得、例えば、仮に冷間条件下から３０分未満に高速始動させた場合、設計寿命３０年のボイラでは代表的には１５年未満で疲労を生じる。
【００３４】
本発明の竪置き式気水分離器は従来の水平蒸気ドラムとして類似機能を実行するが、より小型で小径の容器システムを使用可能であるような構成とされる。ある実施形態では、竪置き式高圧気水分離器は壁厚が約２．５〜約３．５インチ（約６．３〜８．９ｃｍ）及び約３インチ（約７．６ｃｍ）を含む約１．５〜約４．５インチ（約３．８〜約１１．４ｃｍ）である。これを調節することで熱応力が低減されるため、熱疲労設計寿命が延長され（同一温度変化に対する小径コンポーネントの熱疲労サイクル数は、より大径のコンポーネントにおけるそれよりずっと多くなるため）、かくして迅速な暖機運転と、より高速でのオンライン動作が可能となる。竪置き式中間圧気水分離器及び竪置き式低圧気水分離器の壁厚は竪置き式高圧気水分離器のそれより薄い。
【００３５】
竪置き式気水分離器は、蒸発器の上方管束ヘッダと略同一高さ位置で支持され得る。従って竪置き式気水分離器及びダウンカマーの熱膨張は前記管束の熱膨張に近似したものとなる。平行的に膨張することでサプライ及びライザの各連結ポイント位置での応力が最小化される。
【００３６】
竪置き式気水分離器の通常水位以下の全円筒状エリアは、蒸気ドラムとは異なり所望の保存時間までの給水保存用に利用可能であり、保水容積は竪置き式気水分離器の径ではなく長さで設定されることからその径が小さいため、壁厚は薄くなる。例えば、７２インチ（約１８３ｃｍ）径の高圧蒸気ドラムの壁厚は７〜８インチ（約１８〜２０ｃｍ）であるが、径３６インチ（約９１．４ｃｍ）の２台の竪置き式気水分離器では３インチ（約７．６ｃｍ）の壁厚を使用できる。
【００３７】
竪置き式気水分離器のコストは高圧蒸気ドラムのそれより低いことが期待される。このコスト削減は支持鋼材やライザ延長配管に関わる追加コストにより幾分相殺されよう。しかしながら、竪置き式気水分離器はそれでも尚、より安価なものであり得る。
【００３８】
従って、竪置き式気水分離器は、ドラムハンプの排除及び高速始動を含む、従来の水平蒸気ドラムに勝る多くの利益を提供する。竪置き式気水分離器は良好に位置決め、即ち、ＨＲＳＧの全設計構成内に入れ子させ得る。これにより、メンテナンス及び又は交換コスト上の簡易化及び低減等の追加的利益が生じる。
【００３９】
図１Ａ〜図１Ｃには本発明のＨＲＳＧ１０の一実施形態例が示される。ＨＲＳＧは３つのセクション、即ち、高圧セクション４０、中間圧セクション６０、低圧セクション８０、を含む。高温ガスがＨＲＳＧ１０の入口２０を通してＨＲＳＧに流入する。高温ガスは高圧セクション４０に流入し、そこでガスの熱エネルギーの幾分かが伝達されて高圧蒸気が生成される。これによりガスの温度が低下する。ガスは中間圧セクション６０に入り、そこでガスの熱が伝達されて中間圧蒸気が生成される。次いでガスは低圧セクション８０に入り、そこで再度、ガスの熱が伝達されて低圧蒸気が生成される。冷えたガスは出口２５を通してスタック３０に排出される。高圧セクション、中間圧セクション、低圧セクションは、図２〜図４を参照して更に詳しく説明される。
【００４０】
図２Ａ及び図２Ｂには高圧セクション４０の一実施形態例が示され、図２Ａではガスは図で左から右に流れ、図２Ｂでは底部から上部に流れる。高圧セクションは水予熱用のエコノマイザを含み得る。蒸発器４４の管の間部分及び周囲を流れる高温のガスが蒸発器内の水を蒸発させて湿り蒸気、即ち水／蒸気混合物を形成させる。水／蒸気混合物は上昇してライザ４６を貫いて蒸気ボイラ４８に流入する。蒸気ボイラ４８は竪置き式気水分離器であり、サイクロン効果を用いて蒸気と水とを分離する。水はリサイクルラインあるいはダウンカマー５６を介して蒸発器４４に回収される。乾燥蒸気、即ち、水を含まない蒸気は乾燥蒸気導管５８を流動して過熱器５４に向かう。過熱器５４内の蒸気温度は高温ガスからの熱伝達により更に上昇され、かくして過熱蒸気が発生する。高圧セクション４０内に生じた過熱蒸気は、例えば、蒸気タービンの回転による発電に利用され得る。図１Ｂ及び図１Ｃに例示するように、ＨＲＳＧは一つ又は一つ超の竪置き式高圧気水分離器４８を実装する構成を有し得る。図１Ｃに例示するように、竪置き式の形態上、ハシゴやメンテナンスプラットフォームを介してのメンテナンス、補修、あるいは交換のための、単数あるいは複数の蒸気ボイラ４８へのアクセスがより容易化される。
【００４１】
図３Ａ及び図３Ｂには中間圧セクション６０の一実施形態例が示される。中間圧セクション６０は、水予熱用のエコノマイザ６２と、水を蒸発させて湿り蒸気を発生させる蒸発器６４とを含む。湿り蒸気は上昇して流れ、ボイラ６８に向かう。ボイラ６８は水平配向された蒸気ドラムである。湿り蒸気は蒸気ドラム６８内で蒸気と水とに分離される。水はダウンカマー７６を介して蒸発器６４に回収される。乾燥蒸気は乾燥蒸気導管７８を介して過熱器７４へと流動する。乾燥蒸気は過熱器７４内で更に加熱されて過熱蒸気を発生する。過熱蒸気はライン７９から排出される。排出された蒸気は発電用に利用され得、あるいは複合サイクル発電所内でその他用途に利用され得る。
【００４２】
図４Ａ及び図４Ｂには低圧セクション８０の一実施形態例が示される。低圧セクション８０は水予熱用のエコノマイザ８２を含む。低圧セクション８０は蒸発器８４を更に含む。蒸発器８４の管の間部分及び周囲を流れる高温のガスがそれら管に熱を伝達し、かくして蒸発器８４内に湿り蒸気が発生する。湿り蒸気は上昇して流れ、ボイラ８８に向かう。ボイラ８８は蒸気ドラムである。蒸気ドラム８８は湿り蒸気を、ダウンカマー９６を介して蒸発器８４に回収される水と、乾燥蒸気導管９８を介して流動する乾燥蒸気とに分離する。乾燥蒸気はそのままで脱気あるいは工業プロセス用に使用され得、あるいは、低圧蒸気タービンからの発電用に低圧過熱器（図示せず）に送達され得る。
【００４３】
本発明の竪置き式気水分離器は、Wiener他の米国特許第６，３３６，４２９号及び又はIannacchione 他の米国特許公開第２０１０／０１０１５６４号に記載される如く設計され得る。前記２つの文献の記載内容はここでの参照により本明細書の一部とする。
【００４４】
本発明を理解する上で必要となり得る、熱交換器、ボイラ、及び又は、蒸気ボイラ分野における特定の用語あるいは原理の説明については、ここでの参照によりその全体を本明細書の一部とするところの、“Steam/its generation and use, 41st Edition, Kitto and Stults, Eds.,Copyright （商標登録）2005, The Babcock & Wilcox company”を参照されたい。
【００４５】
図５には竪置き式気水分離器の一設計例の概念が示される。各分離器１１２内にある間、飽和蒸気１３４は図５に例示する如く分離器１１２の上部位置のノズル１３２（飽和蒸気連結部）を通して放出され、その間、分離した飽和水１３６は下方に流れて気水分離器１１２の底部に入り、且つ、上部位置での遠心作用により回転が付与されている。飽和蒸気１３４は、蒸気が可能な限り乾燥されることが保証されるよう、分離器１１２の上部位置のスクラバ要素１３３を通過することが好ましい。分離器１１２の壁１３７の内側周囲部に沿って旋回する水が既存の飽和蒸気１３４に連行されぬよう、分離器１１２の上部にストリッパリング１３５をも用い得る。導管１２４を介して提供される給水２４が下方ポイント位置で分離器１１２に流入されて混合ポイントあるいは領域Ｍ位置で過冷却水と混合され、次いで、バッフル等の渦インヒビタ装置１３８を横断して下方に流れ、実際のダウンカマー５６に流入する。分離器１１２における水のインベントリは従来の単独の蒸気ドラムにおけるそれと比較してより少量であるため、分離器１１２の水位制御範囲Ｈは従来のドラムにおけるより非常に大きい高差に渡るものとすべきである（例えば、代表的な±６インチ（約１５．２ｃｍ）に比較して±６フィート（約１．８ｍ）。
このアスペクト故に、本発明では高圧（約２５００ｐｓｉｇ（ゲージ圧での約１７２３７．５ｋＰａ））用途においてさえ、かなり高い水位（即ち、“ポンプ揚程”）変動を収受可能である。
【００４６】
図５に戻り、次いで図６、図７を参照するに、コンパクトで効率的設計における気水分離器１１２が示される。気水混合物は、一つあるいは恐らくはもっと多くの高さ（図５及び図６参照）位置で分離器１１２の容器周囲に接線方向に配置した複数のノズル１２２を通るライザ管４６を介して分離器１１２の容器の上部付近に入る。接線方向から流入させる設計は、気水混合物に回転渦を創出させるためのものである。回転渦は水から蒸気を分離させるために必要な遠心力を提供する。図６には竪置き式気水分離器１１２と、この竪置き式気水分離器１１２の容器に入るライザノズル１２２の接線方向入口との平面図が示される。ノズル１２２は水の下方流れを促進する重力を使用するべく下方に傾斜（代表的には１５°）される。この傾斜は、複数のノズル１２２から来る各ジェット間の干渉をも回避させる。仮に一つ以上の高さのノズル１２２が必要である場合は種々の高さからの各ジェット間の干渉回避は必須のものとなる。これは、図６に示す竪置き式気水分離器１１２の外周部を平坦化した略図である図７において、ある高さのライザ管２０用のノズル１２２の、隣り合う高さのライザ管２０用の前記ノズル１２２に関する配向及びスタガー配置の様子を例示したように、異なる高さ位置のノズル１１２を適正にスタガー配置させることにより実現し得る。図では２つの高さを例示したが、高さ位置をもっと少なくあるいは多くできる。高さの位置数は、あるものは所定の分離器１１２に送達される気水混合物量等の本来関数的なものであり、他のものは壁厚や、所定の分離器１１２の隣り合うノズル貫通部間のリガメント等の本来構造的なものであるところの要素の組み合わせに基づく。これは、容器の内壁１１４（内側表面）に沿った遠心力作用を介する水からの随意的な蒸気分離をも生じさせる。
【００４７】
飽和状況下の蒸気、即ち、乾燥しているが過熱されない蒸気はストリッパリング１３５により押し上げられて屈曲路（例えば、波状板列）スクラバ１３３を通過し、そこで事実上全ての残留水分及び液滴が除去される。本質的に乾燥し、飽和状態下の蒸気１３４は分離器１１２を出、分離器１１２の上部位置の一つ又は一つ超の飽和蒸気連結部１３２を通過して流動する。そして飽和蒸気１３４はこれら飽和蒸気連結部１３２により種々の蒸気冷却式回路に搬送され、次いで種々の過熱ステージにおいて最終蒸気温度に加熱された後、高圧タービンに流動する。
【００４８】
他方、飽和水１３６は分離器１１２の内側表面１１４に沿って流れ、主に下方に流動する渦を形成し、エコノマイザ（図示せず）から連続的に供給される過冷却（飽和以下）給水２４と記号Ｍの位置で混合する。渦の形成により、水の少量部分が内側表面１１４を上昇してストリッパリング１３５に達する。ストリッパリング１３５は上昇移動する水１３６がスクラバ１３３に達するのを阻止する。給水２４と、分離飽和水１３６との強い混合を通して発生した水混合物は尚過冷却され、この水のカラムは尚、ノズル１２２により付与される飽和水の接線方向動作により回転される。分離器１１２の容器底部位置の渦インヒビタ装置１３８が、ダウンカマー５６を通して下方に流れる際に水が回転し続けるのを防止する。回転する流体のカラムは、ダウンカマー５６に接続した種々の路回路に流れを不均等分布させ、ダウンカマー５６の流体移送能力を制限する。
【００４９】
分離器容器内の水位を、代表的には、設定高さの数フィート上下である所定範囲Ｈ以内で安定するように制御することが重要である。これにより、分離器１１２の上部位置で蒸気流れ内に水がキャリーオーバーされ、水の衝撃やキャリーオーバー不純物により下流側の蒸気過熱表面が損傷したり、ダウンカマー５６に向かう水流れに蒸気がキャリーアンダーされ、水カラムを軽量化（静圧あるいはポンプ揚程の低下）させ、水のエンタルピー（熱容量）を増大させて早期沸騰及び炉回路内の気水混合物中の蒸気割合を増大させるのが防止される。後者は、炉回路の冷却、特に低下したポンプ揚程に関する冷却において有害であり得る。かくして、大型の分離器１１２によれば、多数の小型の遠心力分離器を使用する一つのドラムにおいて従来想定された分離機能が達成される。
【００５０】
図８及び図９には本発明に従う他の実施形態における竪置き式気水分離器１１２が例示される。本実施形態では、構造のみならず機能的観点において、図５に例示する実施形態の特徴の多くが使用され、かくしてそれらの共通特徴についてはその詳細な説明は反復されない。しかしながら、図８及び図９の実施形態では若干形態の異なるストリッパリング１４０と、完全に相違するスクラバ１４２構成とが使用される。本実施形態におけるストリッパリング１４０はやはり、分離器１１２の壁１３７の、一つ又は一つ超の高さで接線方向ノズル１２２を連結する場所の直ぐ上方で、内壁１１４（内側周囲部あるいは円周部）の周囲に伸延される。図示されるように、ストリッパリング１４０は、壁１３７の内側に隣り合う中実の環状部分と、分離器１１２の中心領域内の円錐状の有孔部分とを有し得る。蒸気はスクラバリング１４０の孔を通過し得、他方、水は、分離器１１２を出る以前の蒸気からスクラバ１４２により除去され、降下して分離器１１２の下方部分に戻され得る。ストリッパリング１４０の、壁１３７の内壁１１４に隣り合う中実の環状部分は、上昇する水１３６が、分離器１１２の、蒸気及び水を二次的に分離させる部分に到達するのを阻止するために使用される。
【００５１】
図８及び図９の実施形態ではスクラバ１４２は分離器１１２の内側周囲部に沿って、分離器１１２の壁１３７の内側表面１１４から離間してその間部分に実質的に開放された環状領域１４６を創出するように配列した、垂直方向に向けた各スクラバ要素１４４列を含む。スクラバ１４２の中央部分１３９は、蒸気がスクラバ１４２を通過せざるを得ないよう閉鎖されることを銘記されたい。同様に、スクラバ１４２の底部には、スクラバ１４２と、分離器１１２の壁１３７の内側表面との間を伸延するリング１４１が設けられる。これら２つの特徴は、蒸気がスクラバ１４２を通して搬送されることを保証する。かくして、蒸気は上昇して分離器１１２の上部に入ると、スクラバ１４２を含むこれらスクラバ要素１４４を横断及び貫通して徐々に旋回し、次いでノズル１２２を介して分離器１１２を出る。各スクラバ要素１４４を分離器１１２の内側に固定する支持体１４６が設けられる。各スクラバ要素１４４は、従来のアクセス開口部から必要に応じて取り外し及び点検できるような寸法とされ得る。図９では６セットのスクラバ要素１４４が示されるが、やはり所定の分離器１１２により被スクラブ蒸気量の必要性に応じて使用セット数をもっと少なくあるいは多くできる。更には、例えば、各プレートを本来水平に配列した山形形式プレートにおけるそれとは対照的に、収集された水分が各プレートに沿って流れ落ちるよう、山形形式のプレートを実質的に垂直とすることが好ましい。山形形式プレートを水平配列するのは、望ましからざることに、蒸気から除去された水が各プレート上に溜まり、吹き払われて飽和蒸気連結部１３２に入り込む恐れがあるために好ましくない。
【００５２】
図８を参照するに、機能的観点から、分離器１１２はその高さに沿って特定機能を有するあるいは画定する幾つかのゾーンを有するものと考え得る。上部の、二次気水分離ゾーン１５０は最終水分を蒸気から除去するゾーンである。スクラバ１４２を含む各竪置き式スクラバ要素１４４の高さは前記ゾーン１５０の長さを決定する。ゾーン１５０の下方の連行分離ゾーン１５２はスクラバ１４２の底部からノズル１２２の頂部高さまでを包囲し、ストリッパリング１４０を含む。接線方向ノズル１２２を連結し且つ気水混合物を分離器１１２の内部に提供する領域はボイラ気水流入ゾーン１５４として画定され、且つ、次の下方ゾーンを構成する。
【００５３】
水からの蒸気分離の大半は、水が一次気水分離ゾーン１５６内を下方の分離器１１２の底部方向へと旋回する際に実施される。一次気水分離ゾーン１５６の下方のゾーンは、蒸気発生運転中に水位変動にも係わらず実質的に水で充満される領域であって、通常水位運転範囲を定義する竪置き式分離器水位運転ゾーンと称される。前記通常水位運転範囲は、数フィート、恐らくは６〜３０フィート（約１．８〜９メートル）の高さＨを有し、分離器１１２の適正運転を保証するための、計装用の上下の各水位連結部１６４及び１６６が設けられる。
【００５４】
ゾーン１５８の下方は給水注入ゾーン１６０として参照され、給水２４を分離された水１３６と混合させるべく分離器１１２内に導入する領域を含む。最後に、給水注入ゾーン１６０の下側には、ダウンカマー１４までの下方部分が下方渦排除ゾーン１６２として画定され、前記ゾーンには先に説明した如き渦インヒビタ装置１３８が収納される。
【００５５】
既存のＨＲＳＧの改装方法も開示される。本方法には、高圧セクションから蒸気ドラムを取り外すステップが含まれる。本方法には更に、蒸気ドラムを本明細書に記載された如き竪置き式気水分離器で代替させるステップが含まれる。随意的には、中間圧セクション及び又は低圧セクション内の蒸気ドラムもまた、竪置き式気水分離器で代替され得る。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【符号の説明】
【００５６】
１４  ダウンカマー
２０  入口
２４  給水
２５  出口
３０  スタック
４０  高圧セクション
４４  蒸発器
４６  ライザ管
４８  竪置き式高圧気水分離器
５４  過熱器
５６  ダウンカマー
５８  乾燥蒸気導管
６０  中間圧セクション
６２  エコノマイザ
６４  蒸発器
６８  ボイラ
７４  過熱器
７６  ダウンカマー
７８  乾燥蒸気導管
７９  ライン
８０  低圧セクション
８２  エコノマイザ
８４  蒸発器
８８  ボイラ
９６  ダウンカマー
９８  乾燥蒸気導管
１１２  竪置き式気水分離器
１１４  内側表面
１２２  ライザノズル／接線方向ノズル
１２４  導管
１３２  飽和蒸気連結部（ノズル）
１３３  スクラバ要素
１３４  飽和蒸気
１３５  ストリッパリング
１３６  分離飽和水
１３７  壁
１３８  渦インヒビタ装置
１３９  中央部分
１４０  ストリッパリング／スクラバリング
１４１  リング
１４２  スクラバ
１４４  竪置き式スクラバ要素
１４６  環状領域／支持体
１５０  二次気水分離ゾーン
１５２  連行分離ゾーン
１５４  ボイラ気水流入ゾーン
１５６  一次気水分離ゾーン
１５８  ゾーン
１６０  給水注入ゾーン
１６２  下方渦排除ゾーン
１６４  水位連結部
【図１Ａ】
0006297563.tif 000002
【図１Ｂ】
0006297563.tif 000003
【図１Ｃ】
0006297563.tif 000004
【図２Ａ】
0006297563.tif 000005
【図２Ｂ】
0006297563.tif 000006
【図３Ａ】
0006297563.tif 000007
【図３Ｂ】
0006297563.tif 000008
【図４Ａ】
0006297563.tif 000009
【図４Ｂ】
0006297563.tif 000010
【図５】
0006297563.tif 000011
【図６】
0006297563.tif 000012
【図７】
0006297563.tif 000013
【図８】
0006297563.tif 000014
【図９】
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