(57)【要約】【課題】助燃装置を構成する加熱源より下流側の伝熱管群の支持構造部材を加熱源の上流側の排ガス温度まで低下させ、上記支持構造部材に低合金鋼やオーステナイト系ステンレス鋼等の通常使用される部材で構成可能とする。【解決手段】複数の伝熱管群を配列したダクト内に排ガスを導入し、その排ガスの熱回収を行うとともに、上記伝管群間にボイラ外部から供給されるエネルギーによる加熱源１１を配設した排熱回収ボイラに関する。ダクトの外壁１内に伝熱管群４、５の熱交換部分の上部或いは下部又はその両部において排ガスの流れ方向に延びる内壁８ａ、８ｂを設置し、内壁８ａ、８ｂとダクト外壁１間に形成される空間９ａ、９ｂに非伝熱部である支持構造部材６を配置する。そして、排ガスの一部を加熱源１１の上流側から内壁とダクト外壁間に形成される空間９ａ、９ｂ内に導入するようにした。【選択図】  図１
2005042961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の伝熱管群を配列したダクト内に排ガスを導入し、その伝熱管群により排ガスの熱回収を行うとともに、上記伝管群間にボイラ外部から供給されるエネルギーによる加熱源を配設した排熱回収ボイラにおいて、上記ダクトの外壁内に伝熱管群の熱交換部分の上部或いは下部又はその両部において排ガスの流れ方向に延びる内壁を配設し、上記内壁とダクト外壁間に形成される空間に非伝熱部である支持構造部材等を配置するとともに、上記排ガスの一部を加熱源の上流側から上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入するようにしたことを特徴とする排熱回収ボイラ。
【請求項２】
加熱源より上流に配設された伝熱管群の上流側の排ガスの一部を上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入するようにしたことを特徴とする、請求項１記載の排熱回収ボイラ。
【請求項３】
加熱源より上流に配設された伝熱管群と上記加熱源との間の排ガスの一部を上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入するようにしたことを特徴とする、請求項１記載の排熱回収ボイラ。
【請求項４】
上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入された排ガスを、加熱源より下流に配設された伝熱管群の下流側において排ガス本流に合流させるようにしたことを特徴とする、請求項２又は３記載の排熱回収ボイラ。
【請求項５】
上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内への排ガスの導入口或いは上記内壁とダクト外壁間に形成される空間からの排ガス本流への流出口は、伝熱管群と内壁との間に形成された間隙であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の排熱回収ボイラ。
【請求項６】
複数の伝熱管群を配列したダクト内に排ガスを導入し、その伝熱管群により排ガスの熱回収を行うとともに、上記伝管群間にボイラ外部から供給されるエネルギーによる加熱源を配設した排熱回収ボイラの運転方法において、上記ダクトの外壁内に伝熱管群の熱交換部分の上部或いは下部の少なくとも一方に上記排ガスの流れ方向に延びる内壁を配置するとともに、上記内壁とダクト外壁間に前記伝熱管群の支持構造部材等を配置し、上記排ガスの一部を上記加熱源の上流側から上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入して上記支持構造部材を冷却することを特徴とする排熱回収ボイラの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱回収ボイラ及びその運転方法に係り、特に排気ガス温度を上昇させるために外部エネルギーによる加熱源をボイラ内部に配設した排熱回収ボイラ及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から発電効率を向上させるために、ガスタービンによる発電に加えガスタービンの排ガスの排熱を回収して蒸気を発生させ、その蒸気を用いて蒸気タービンによる発電も行うコンバインドサイクル発電設備が採用される傾向にあり、またこのコンバインドサイクル発電設備は発電効率及び発電出力の向上のため、さらに大容量化の傾向にある。
【０００３】
一般的な排熱回収ボイラ内の構造を図５に示す。図中符号１はボイラダクトの外壁であり、そのボイラダクトの外壁１内に管寄せ母管２に接続された多数の伝熱管３を複数個配列した例えば高圧過熱器や低圧過熱器等の伝熱管群４、５…が順次ボイラダクト内の排ガスの流れに沿って配列されている。そして、これら上部或いは下部の管寄せ母管２がそれぞれ支持部材６を介して上記外壁１の内面に連結され、上記伝熱管群４、５…が外壁１内に支持されている。しかして、上記ボイラダクト内に排ガス７を流通させることによって、その伝熱管３内を流れる流体と排ガスとの熱交換により各伝熱管群４、５…の伝熱管３内を流れる流体が加熱される。
【０００４】
ところで、上記ボイラダクト内には伝熱に寄与する伝熱管３以外に、伝熱管３の管寄せ母管２や管群を支持する支持部材６等の熱交換に寄与しない部分が多くある。したがって、このような状態でボイラダクト内の全断面に排ガスを導入すれば、伝熱管３以外の空間を通過する排ガスが多量に発生するため、熱効率が著しく低下する等の問題がある。
【０００５】
そこで、従来からボイラダクトの外壁１内の上部及び下部に内壁８ａ、８ｂを配設し、上下の内壁８ａ、８ｂと外壁１とにより形成された空間９ａ、９ｂ内に、上記伝熱管３の管寄せ母管２や管群を支持する支持部材６等の熱交換に寄与しない部分を配置して上記熱交換に寄与しない部分を排ガス７より隔離し、これにより排ガスの伝熱部外の通過を避け、熱効率を大幅に向上させることが行われている。そして、この外壁１内の内壁８ａ、８ｂと伝熱管群４、５…との間の隙間１０が小さいほど熱効率が上昇し望ましいとされてきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２４３６０７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
近年、さらなる発電出力の向上のため、排熱回収ボイラ内に外部からのエネルギー供給による加熱源が設置される傾向にある。この加熱源は、ボイラダクト内で排ガスに残存する酸素により天然ガス等の燃料を燃焼させて排ガスの温度を上昇させる、通常、助燃装置と称されるものであって、ボイラダクト内に設けられている２つの伝熱管群４と伝熱管群５との間に設けられている。
【０００８】
ところが、このような場合、上記加熱源の下流側では著しく排ガス温度が上昇し、７００℃〜８００℃程度にまで達する場合がある。その際、加熱源の下流側の伝熱管群の管寄せ母管２や支持部材６等の支持構造部材はボイラダクト内の内壁により排ガス主流から隔離されているが、ボイラ内の伝熱部のように内部に水や蒸気を内包していないため、最終的には排ガス主流の温度に極めて近くなる。
【０００９】
したがって、このような高温により、通常構造部材として使用される炭素鋼、低合金鋼及びオーステナイト系ステンレス鋼の許容応力が著しく低下し、十分な強度を有する構造にする為には、非常に大きな断面性能を有する部材を用いざるを得ず、内部に水や蒸気を内包する耐圧部材と比べ板厚等、部材断面選定が不可能な場合すらあり得る。また可能な限り大きな断面を選定した場合でも、かかる高温域で、設計時に要求される十分な寿命を確保するのは難しく、またかかる高温域で強度を有する部材は一般的に高価であり、経済的な機器を提供するのが困難であり、加えて、高強度の部材との接合部の信頼性を確保するのも困難である等の問題がある。
【００１０】
本発明は、このような点に鑑み、上記加熱源より下流側の伝熱管群の支持構造部材を加熱源の上流側の排ガス温度まで低下させ、上記支持構造部材に低合金鋼やオーステナイト系ステンレス鋼等の通常使用される部材で構成可能とした排熱回収ボイラを得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、複数の伝熱管群を配列したダクト内に排ガスを導入し、その伝熱管群により排ガスの熱回収を行うとともに、上記伝管群間にボイラ外部から供給されるエネルギーによる加熱源を配設した排熱回収ボイラにおいて、上記ダクトの外壁内に伝熱管群の熱交換部分の上部或いは下部又はその両部において排ガスの流れ方向に延びる内壁を設置し、上記内壁とダクト外壁間に形成される空間に非伝熱部である支持構造部材等を配置するとともに、上記排ガスの一部を加熱源の上流側から上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、加熱源より上流に配設された伝熱管群の上流側の排ガスの一部を上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、加熱源より上流に配設された伝熱管群と上記加熱源との間の排ガスの一部を上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項２又は３に係る発明において、上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入された排ガスを、加熱源より下流に配設された伝熱管群の下流側において排ガス本流に合流させるようにしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４に係る発明において、上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内への排ガスの導入口或いは上記内壁とダクト外壁間に形成される空間からの排ガス本流への流出口は、伝熱管群と内壁との間に形成された間隙であることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明は、複数の伝熱管群を配列したダクト内に排ガスを導入し、その伝熱管群により排ガスの熱回収を行うとともに、上記伝管群間にボイラ外部から供給されるエネルギーによる加熱源を配設した排熱回収ボイラの運転方法において、上記ダクトの外壁内に伝熱管群の熱交換部分の上部或いは下部の少なくとも一方に上記排ガスの流れ方向に延びる内壁を配置するとともに、上記内壁とダクト外壁間に前記伝熱管群の支持構造部材等を配置し、上記排ガスの一部を上記加熱源の上流側から上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入して上記支持構造部材を冷却することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１の実施の形態を示す図であって、ボイラダクトの外壁１内に多数の伝熱管３を複数個配列した例えば高圧過熱器や低圧過熱器等の伝熱管群４、５…が順次ボイラダクト内の排ガスの流れに沿って配列されている。そして、これら伝熱管群４、５…の上部及び下部がそれぞれ支持部材６を介して上記外壁１の内面に連結され、上記伝熱群４、５…がそれぞれ外壁１内に支持されている。しかして、上記ボイラダクト内に排ガス７を流通させることによって、その伝熱管３内を流れる流体と排ガスとの熱交換により伝熱管３内を流れる流体が加熱される。
【００１９】
また、ボイラダクトの外壁１内の上部及び下部には内壁８ａ、８ｂが配設されており、上下の内壁８ａ、８ｂと外壁１とにより形成された空間９ａ、９ｂ内に、上記伝熱管群４、５…の支持部材６等の熱交換に寄与しない部分が挿入配置されている。
【００２０】
上記構成は従来のものと同一であるが、本発明に於いては上記伝熱管群４、５の間に、ボイラ外部から供給されるエネルギーによる加熱源１１が配設されており、その加熱源１１の上流に配設されている伝熱管群４の上流側と内壁８ａ、８ｂとの間にはそれぞれ間隙１２ａ、１２ｂが形成されている。また、加熱源の下流に配設されている伝熱管群５の下流側と内壁８ａ、８ｂとの間にも間隙１３ａ、１３ｂが形成されている。
【００２１】
しかして、排熱回収ボイラの作動中においては、図示しないガスタービンから排出された排ガスは伝熱管群４において排熱の一部が回収され、その後加熱源１１により加熱されて温度が上昇された後、伝熱管群５等の下流の伝熱管群等においてさらに順次熱交換が行われ、排熱がさらに回収される。
【００２２】
ところで、上記加熱源１１の上流に配設されている伝熱管群４より上流位置における排ガスの一部が伝熱管群４の上流側と内壁８ａ、８ｂとの間にそれぞれ形成された間隙１２ａ、１２ｂを通って、上下の内壁８ａ、８ｂと外壁１とにより形成された空間９ａ、９ｂ内に流入し、その空間９ａ、９ｂ内に配置されている支持部材６等を冷却しながら通過し、加熱源１１の下流に配設されている伝熱管群５の下流側と内壁８ａ、８ｂとの間に形成されている間隙１３ａ、１３ｂを通って、上記伝熱管群５を通過した排ガス主流１４に合流する。すなわち、排ガスの一部が図中矢印１５に示すように流れ、その間伝熱管群４、５の支持部材等の冷却が行われる。
【００２３】
排ガス主流側は多数の管群を通過する際の圧力損失により、ガス流れに沿って静圧が減少するため、常に空間９ａ、９ｂよりも低い圧力となる。よって、加熱源１１の下流における伝熱管群５とその伝熱管群５の下流側の内壁８ａ、８ｂとの間に形成された間隙１３ａ、１３ｂを通じて排ガス主流１４が空間９ａ、９ｂ内に逆流することはない。
【００２４】
したがって、加熱源１１の下流における伝熱管群５の支持部材等の構造部材の到達する温度は、加熱源１１の上流における伝熱管群４の上流側の排ガス７の温度に保たれる。これにより、加熱源１１より下流における伝熱管群５の構造部材の設計温度を加熱源１１下流の排ガス主流１６の温度に比べて大幅に低い温度とすることができる。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施の形態を示す図であり、加熱源１１の上流に配設されている伝熱管群４の下流側と内壁８ａ、８ｂとの間に間隙１２ａ、１２ｂが形成されている。その他の点は図１に示すものと同一である。
【００２６】
しかして、空間９ａ、９ｂに流入する排ガスの温度は伝熱管群４で熱交換されているため、伝熱管群４に流入する排ガス７の温度よりも低下している。したがって、第１の実施の形態に比較して加熱源１１の下流における伝熱管群５の構造部材を冷却する効果は大きくなる。ただし、間隙１２ａ、１２ｂを通って空間９ａ、９ｂに流入する排ガスすなわちショートパスガスに加熱源１１の下流の高温ガスが混合する可能性があるため、加熱源１１と上流の伝熱管群４とを十分離す必要があり、排熱回収ボイラの排ガス流れ方向の全長が第１の実施の形態に比較して長くなる。
【００２７】
図３は、本発明の第３の実施の形態を示す図であり、第１の実施の形態と伝熱管群５の下流側と内壁８ａ、８ｂとの間に間隙１３ａ、１３ｂが形成されていない点で相違しておりだけであり、その他の点は同一である。
【００２８】
しかして、この場合には排ガスの一部は矢印１５に示すように流れ、排ガスショートパスの流れは生じないが、空間９ａ、９ｂの温度は、伝熱管群４の上流側の排ガス温度と同一となり、加熱源１１の下流における伝熱管群５の構造部材の冷却効果が生じる。
【００２９】
図４は、本発明の第４の実施の形態を示す図であり、第２の実施の形態と伝熱管群５の下流側と内壁８ａ、８ｂとの間に間隙１３ａ、１３ｂが形成されていない点で相違しておりだけであり、その他の点は同一である。
【００３０】
しかして、この場合空間９ａ、９ｂに流入する排ガスの温度が第１の実施の形態に比較して低くなる効果は第２の実施の形態と同じである。また、加熱源１１の下流における伝熱管群５の下流側と内壁８ａ、８ｂとの間に間隙１３ａ、１３ｂが形成されていないが、伝熱管群５の構造部材の冷却効果が生じることは第３の実施の形態と同じである。
【００３１】
なお、上記実施の形態においては、伝熱管群と内壁との間の間隙から排ガスが空間９ａ、９ｂ内に流入或いは流出するようにしたものを示したが、上記と同様な位置に排ガス導入口或いは流出口を設けてもよいことは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、ダクトの外壁内に伝熱管群の熱交換部分の上部或いは下部又はその両部において排ガスの流れ方向に延びる内壁を設置し、上記内壁とダクト外壁間に形成される空間に非伝熱部である管寄せ及び支持構造部材を配置するとともに、上記排ガスの一部を助燃装置を構成する加熱源の上流側から上記内壁とダクト外壁間に形成される空間内に導入するようにしたので、上記加熱源より下流側の伝熱管群の支持構造部材を加熱源上流の排ガス温度まで低下させることができる。したがって、上記支持構造部材に使用する材質を低合金鋼やオーステナイト系ステンレス鋼等の通常使用される部材で構成可能で且つ板厚等の断面性能を合理的な寸法に設計できる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す側断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す側断面図。
【図３】本発明の第３の実施の形態を示す側断面図。
【図４】本発明の第４の実施の形態を示す側断面図。
【図５】一般的な排熱回収ボイラの内部構造の概略を示す側断面図。
【符号の説明】
１  外壁
４、５  伝熱管群
６  支持構造部材
８ａ、８ｂ  内壁
９ａ、９ｂ  空間
１１  加熱源
１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ  間隙
【図１】
2005042961.tif 000003
【図２】
2005042961.tif 000004
【図３】
2005042961.tif 000005
【図４】
2005042961.tif 000006
【図５】
2005042961.tif 000007