(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガス流路内に配置された蒸発器と、該蒸発器で加熱された水と蒸気からなる流体から蒸気を分離する蒸気ドラムと、該蒸気ドラムからの蒸気を過熱するための排ガス流路内に配置された過熱器と、該過熱器からの蒸気を排ガス流路外部に導く過熱器出口蒸気管とを備えた排熱回収ボイラにおいて、
過熱器出口蒸気管は過熱器出口の第１垂直部と該第１垂直部に続く第１水平部と該第１水平部に続く第２垂直部と該第２垂直部に続く第２水平部とからなる略Ｕ字状管からなり、過熱器出口蒸気管内の蒸気の流通を止める止弁を過熱器出口蒸気管の第２水平部又は第２垂直部に設置し、ドレン弁を第１水平部の下部に接続し、第１水平部と止弁前流側の第２水平部又は第２垂直部との蒸気圧の差圧を計測する差圧計を設け、過熱器出口蒸気管内のドレン排出時において、前記差圧計の検出値が設定差圧に達するとドレン弁を開く制御装置を設けたことを特徴とする排熱回収ボイラ。
【請求項２】
排ガス流路内に配置された蒸発器と、該蒸発器で加熱された水と蒸気からなる流体から蒸気を分離する蒸気ドラムと、該蒸気ドラムからの蒸気を過熱するための排ガス流路内に配置された過熱器と、蒸気ドラムと過熱器との間に設けられる蒸気流路となる蒸気ドラム出口連絡管と、過熱器からの蒸気を排ガス流路外部に導く過熱器出口蒸気管とを備えた排熱回収ボイラにおいて、
過熱器出口蒸気管は過熱器出口の第１垂直部と該第１垂直部に続く第１水平部と該第１水平部に続く第２垂直部と該第２垂直部に続く第２水平部とからなる略Ｕ字状管からなり、過熱器出口蒸気管内の蒸気の流通を止める止弁を過熱器出口蒸気管の第２水平部に設置し、ドレン弁を第１水平部の下部に接続し、蒸気ドラム又は蒸気ドラム出口連絡管あるいは過熱器出口蒸気管のいずれかと止弁の前流側の第２水平部を接続するバランス配管を設置したことを特徴とする排熱回収ボイラ。
【請求項３】
排ガス流路内に配置された蒸発器と、該蒸発器で加熱された水と蒸気からなる流体から蒸気を分離する蒸気ドラムと、該蒸気ドラムからの蒸気を過熱するための排ガス流路内に配置された過熱器と、該過熱器からの蒸気を排ガス流路外部に導く過熱器出口蒸気管とを備えた排熱回収ボイラにおいて、
過熱器出口蒸気管は過熱器出口の第１垂直部と該第１垂直部に続く第１水平部と該第１水平部に続く第２垂直部と該第２垂直部に続く第２水平部とからなる略Ｕ字状管からなり、また、ドレン弁を第１水平部の下部に接続し、過熱器出口蒸気管内の蒸気の流通を止める止弁をドレン弁の接続位置より後流側の過熱器出口蒸気管の第２水平部に設置し、過熱器出口近傍の過熱器蒸気管の第１垂直部と止弁設置位置より前流側の第２水平部との間に蒸気流路となる連絡管を設けたことを特徴とする排熱回収ボイラ。
【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の保護方法に関わり、特に、蒸気ドラムで発生した蒸気を主蒸気管を経て蒸気タービンに供給する排熱回収ボイラにおいて発生するウオーターハンマーを防止するのに最適なドレンの排出に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８に従来技術における排熱回収ボイラの系統図を示す。まず、給水ポンプ１により供給された給水は節炭器２を通り、蒸気ドラム３へと供給される。蒸気ドラム３の水は降水管４と蒸発器５を通り、蒸気ドラム３へと戻る。蒸気ドラム３より発生した蒸気は、蒸気ドラム出口連絡管６、過熱器入口寄せ７、過熱器８、過熱器出口寄せ９、過熱器出口蒸気管１０及び過熱器出口止弁１１を通り、図示していない蒸気タービンへ供給される。
【０００３】
一方、図示していないガスタービンからの高温排ガスは煙道１３の中に設置された過熱器８、蒸発器５及び節炭器２でそれぞれ熱交換し、蒸気を発生させる。
【０００４】
ところで、バンキング中にはタービン側が停止しており、過熱器出口蒸気管１０にはドレンが凝縮する。このドレンを排出する目的でドレン弁１２が設置されている。
【０００５】
ドレン排出は従来はタービン起動時にドレン弁１２を開くことにより行われていたが、ボイラ起動時、特に長い停止時間の後に行うコールドスタート時にはドレンが多量に溜まっており、またドラム圧が小さくなることから十分にドレン排出ができなかった。そのため、特開平６−１０１８０２号公報や特開平６−２４９４０２号公報記載のように、ホットバンキング中に残圧が高いうちに一定時間ドレン弁を全開してドレンを抜いていた。しかし、バンキング効果を高めるため、過熱器８の出口蒸気管１０に過熱器出口止弁１１を設置する場合が近年多くなり、しかも過熱器出口止弁１１の補修を考えて比較的高所にある歩道等に止弁１１を設置するため過熱器８の出口蒸気管１０はＵ字管構成となる場合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、図９に示すように、過熱器出口蒸気管１０の第１垂直部１０ａ、第１水平部１０ｂ及び第２垂直部１０ｃの内部と第２水平部１０ｄに設けられた過熱器出口止弁１１の前までの第２水平部１０ｄ内にドレンが溜まっている場合、第２水平部１０ｄに設けられる過熱器出口止弁１１は閉じられているため、第１水平部１０ｂに接続した配管に設けられたドレン弁１２を開いても、図１０（ａ）に示すようにＵ字管構成となっている過熱器出口蒸気管１０内に滞留している過熱器８側のドレンが先に抜け、過熱器８側と過熱器止弁１１側にヘッド差Ｈが生じる。
【０００７】
過熱器８側のドレンが第１水平部１０ｂに達すると、上記ヘッド差Ｈがあるため、止弁１１側のドレンが、急激に過熱器８側に流れ、第１水平部１０ｂ内に過熱器８側の蒸気を巻き込むことになり、巻き込まれた蒸気がドレンにより冷却され、急激にドレン化する。このとき、図１０（ｂ）に示すように、蒸気が急激にドレン化してできた空間をドレン水が埋めようとしてドレン水が衝突し、激しい衝撃（ウオーターハンマーと称することとする。）が生じる。
【０００８】
Ｕ字管水平部１０ｂにおいてウオーターハンマーが発生した場合、振動や衝撃により過熱器出口蒸気管１０が破損するという問題があった。
【０００９】
本発明の課題は上記課題を解決するために、排熱回収ボイラのバンキング中および再起動時などのドレン排出時にウオーターハンマーが起こらないように、ドレンを抜く制御、及び配管系統構成を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）排ガス流路内に配置された蒸発器と、該蒸発器で加熱された水と蒸気からなる流体から蒸気を分離する蒸気ドラムと、該蒸気ドラムからの蒸気を過熱するための排ガス流路内に配置された過熱器と、該過熱器からの蒸気を排ガス流路外部に導く過熱器出口蒸気管とを備えた排熱回収ボイラにおいて、過熱器出口蒸気管は過熱器出口の第１垂直部と該第１垂直部に続く第１水平部と該第１水平部に続く第２垂直部と該第２垂直部に続く第２水平部とからなる略Ｕ字状管からなり、過熱器出口蒸気管内の蒸気の流通を止める止弁を過熱器出口蒸気管の第２水平部又は第２垂直部に設置し、ドレン弁を第１水平部の下部に接続し、第１水平部と止弁前流側の第２水平部又は第２垂直部との蒸気圧の差圧を計測する差圧計を設け、過熱器出口蒸気管内のドレン排出時において、前記差圧計の検出値が設定差圧に達するとドレン弁を開く制御装置を設けた排熱回収ボイラ。
【００１２】
（２）排ガス流路内に配置された蒸発器と、該蒸発器で加熱された水と蒸気からなる流体から蒸気を分離する蒸気ドラムと、該蒸気ドラムからの蒸気を過熱するための排ガス流路内に配置された過熱器と、蒸気ドラムと過熱器との間に設けられる蒸気流路となる蒸気ドラム出口連絡管と、過熱器からの蒸気を排ガス流路外部に導く過熱器出口蒸気管とを備えた排熱回収ボイラにおいて、過熱器出口蒸気管は過熱器出口の第１垂直部と該第１垂直部に続く第１水平部と該第１水平部に続く第２垂直部と該第２垂直部に続く第２水平部とからなる略Ｕ字状管からなり、過熱器出口蒸気管内の蒸気の流通を止める止弁を過熱器出口蒸気管の第２水平部に設置し、ドレン弁を第１水平部の下部に接続し、蒸気ドラム又は蒸気ドラム出口連絡管あるいは過熱器出口蒸気管のいずれかと止弁の前流側の第２水平部を連絡するバランス配管を設置し排熱回収ボイラ。
【００１３】
（３）排ガス流路内に配置された蒸発器と、該蒸発器で加熱された水と蒸気からなる流体から蒸気を分離する蒸気ドラムと、該蒸気ドラムからの蒸気を過熱するための排ガス流路内に配置された過熱器と、該過熱器からの蒸気を排ガス流路外部に導く過熱器出口蒸気管とを備えた排熱回収ボイラにおいて、過熱器出口蒸気管は過熱器出口の第１垂直部と該第１垂直部に続く第１水平部と該第１水平部に続く第２垂直部と該第２垂直部に続く第２水平部とからなる略Ｕ字状管からなり、また、ドレン弁を第１水平部の下部に接続し、過熱器出口蒸気管内の蒸気の流通を止める止弁をドレン弁の接続位置より後流側の過熱器出口蒸気管の第２水平部に設置し、過熱器出口近傍の過熱器蒸気管の第１垂直部と止弁設置位置より前流側の第２水平部との間に蒸気流路となる連絡管を設けた排熱回収ボイラ。
【００１６】
以上の各解決手段により、バンキング中又はボイラ再起動時のドレン排出時に水平配管内への蒸気の巻き込みが発生せず、ウオーターハンマーを防止できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。図１に、参考例として圧力計の差圧からドレン弁を制御し、ウオーターハンマーの生じない制御装置を設置した排熱回収ボイラの例について示す。図１に示す排熱回収ボイラにおいて、図８で説明したボイラと同一機能を奏する構成部分については同一番号を付して、その説明は省略する。
【００１８】
ドラム３内の圧力を計測するドラム圧力計１４と過熱器出口蒸気管１０内の圧力を計測する過熱器出口圧力計１５を設け、前記２つの圧力計１４、１５で得られた圧力値は制御装置１９内にそれぞれ設けられた圧力発信器１６で電気信号に変換され、この電気信号に基づき圧力計１４、１５の圧力差が圧力比較装置１７で比較される。前記圧力差に基づく信号は制御装置１９の出力としてドレン弁１２の開閉制御に用いられる。例えば、圧力計１４、１５の圧力差が約１．５ｍＨ2Ｏとなったときにドレン弁１２を１０〜２０％開度とし、ドレンを排出する。
【００１９】
図４にドレン弁１２を開くタイミングについて示す。
ドラム圧力計１４により測定されるドラム３の圧力と過熱器出口圧力計１５により測定される過熱器８の出口圧力は、バンキング中にドレンが溜まることから、両者の圧力には時間経過と共にドレンがＵ字状の過熱器出口蒸発管１０の垂直部１０ｃに達し、水頭に相当する圧力差を生じる。前記圧力差が設定した圧力になると圧力比較装置１７から、ドレン弁１２を１０〜２０％開放する電気信号が伝わり、ドレン弁１２をゆっくり開放する。ドレンが抜けるに従って、水頭より生じた圧力差が緩和され、ドラム３の圧力と過熱器８の出口圧力の圧力差が小さくなり、ドレンがすべて、過熱器出口蒸気管１０から抜け出ると圧力差はほとんど０となる。この時ドレン弁１２を全閉する制御信号が与えられ、ドレン弁１２が閉まる。さらに、時間経過と共にドレンが溜まるため、圧力差が生じてくるが、上記のような制御装置１９を組み込むことにより、ウオーターハンマーを起こすことなくドレンの効果的な排出が可能となる。
【００２０】
また、図２に示すように過熱器出口止弁１１前流側の過熱器出口蒸気管１０の第２水平部１０ｄ及び過熱器出口蒸気管１０の第１水平部１０ｂの圧力差を差圧計１８により計測し、この差圧値から制御装置１９によりドレン量を推定し、上記した図４に示す制御手順と同様な方法によりドレン弁１２の開度を制御することによっても同様にウオーターハンマーを防止することができる。
【００２１】
また、図３に示すように、過熱器出口止弁１１が第１水平部１０ｂの後流側の垂直部１０ｃに設置してある場合にも、その前流側の垂直部１０ｃに差圧計１８を設置し、第１水平部１０ｂと垂直部１０ｃとの圧力差を差圧計１８で計測し、この差圧値からドレン量を推定し、上記した図４に示す制御手順と同様な方法によりドレン弁１２の開度を制御することによっても同様にウオーターハンマーを防止することができる。
【００２２】
このような制御システムを設置することにより、バンキング中の過熱器出口蒸気管１０内でのウオーターハンマーを防止できる。
【００２３】
図５に示す本発明の実施の形態は、バランス配管２０を蒸気ドラム出口連絡管６と過熱器出口止弁１１前流側の間に設置した場合の配管系統を有する排熱回収ボイラの例について示す。図５に示す排熱回収ボイラにおいて、図８で説明したボイラと同一機能を奏する構成部分については同一番号を付して、その説明は省略する。
【００２４】
バランス配管２０を蒸気ドラム出口連絡管６と過熱器出口止弁１１前流側にある過熱器出口蒸気配管１０との間に設置した場合、通常運転中に蒸気が過熱器８をバイパスするため、そのバイパス蒸気の流量を調節するか又は流さないようにする事が必要である。その目的で、バランス配管２０にはオリフィス２２あるいは弁（図示せず）を設置することもある。バンキング中にドレンを抜く場合、垂直部１０ａ、１０ｃのドレンはほぼ同時に低下するため、Ｕ字管水平部１０ｂ、１０ｄにおいてバランス配管２０を設置していない場合のように蒸気の巻き込みが生じないため、ウオーターハンマーは起こらない。
なお、バランス配管２０の取り出し位置を蒸気ドラム出口連絡管６でなく、蒸気ドラム３とすることもできる。
【００２５】
図５に示した配管系統と同様に図６に示す構成からなる配管系統でも、上記と同様な作用が得られるためウオーターハンマーを生じない。
この場合は過熱器出口管寄せ９近傍付近の過熱器出口蒸気配管１０の第１垂直管１０ａと第２水平管１０ｄを接続するバイパス管２３を設けると、バンキング中にドレンを抜く場合、垂直部１０ａ、１０ｃのドレンはほぼ同時に低下するため、Ｕ字管水平部１０ｂ、１０ｄにおいてバイパス配管２３を設置していない場合のように蒸気の巻き込みが生じないため、ウオーターハンマーは起こらない。
【００２６】
図７に示す参考例は過熱器出口蒸気配管１０の水平部１０ｂにドレン弁１２を設け、ドレン弁１２の後流側の水平部１０ｂに過熱器出口弁１１を設置した場合の配管系統図を示す。この場合、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）で説明したような蒸気巻き込みを起こすことのない配管系統であるため、ウオーターハンマーを起こすことなくドレンの排出が可能である。さらに、上記各図に示した構成を併用することにより、ウオーターハンマーを未然に防止できる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、蒸気巻き込みを起こすことのない配管系統であるため、バンキング時などにウオーターハンマーを起こすことなく、蒸気配管からドレンの排出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例である圧力計の差圧からドレン弁の開度を制御する排熱回収ボイラの概略図である。
【図２】 本発明の実施の形態の過熱器出口蒸気管の差圧計の差圧値からドレン弁の開度を制御する排熱回収ボイラの概略図である。
【図３】 本発明の実施の形態の過熱器出口蒸気管の差圧計の差圧値からドレン弁の開度を制御する排熱回収ボイラの概略図である。
【図４】 本発明の参考例及び実施の形態のドレン弁を開けるタイミングについて示す図である。
【図５】 本発明の実施の形態のバランス配管を設置した場合の配管系統を示す排熱回収ボイラの概略図である。
【図６】 本発明の実施の形態のバイパス配管を設置した場合の配管系統を示す排熱回収ボイラの概略図である。
【図７】 本発明の参考例の配管系統を示す排熱回収ボイラの概略図である。
【図８】 従来技術における排熱回収ボイラの系統を示す図である。
【図９】 従来技術における排熱回収ボイラのバンキング時のドレン滞留状態を示す図である。
【図１０】 従来技術における排熱回収ボイラのドレン弁開によりドレン排出状況およびハンマー発生時の状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 給水ポンプ ２ 節炭器
３ 蒸気ドラム ４ 降水管
５ 蒸発器 ６ 蒸気ドラム出口連絡管
７ 過熱器入口寄せ ８ 過熱器
９ 過熱器出口管寄せ １０ 過熱器出口蒸気管
１０ａ 第１垂直管 １０ｂ 第１水平部
１０ｃ 第２垂直管 １０ｄ 第２水平部
１１ 過熱器出口止弁 １２ ドレン弁
１３ 煙道 １４ ドラム圧力計
１５ 過熱器出口圧力計 １６ 圧力発信器
１７ 圧力比較装置 １８ 差圧計
１９ 制御装置 ２０ バランス配管
２２ オリフィス ２３ バイパス配管
【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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