(57)【要約】  ほぼ垂直に配置されて下から上に向かって貫流される多数の第１の蒸気発生管（１３）を含む第１の蒸発伝熱面（８）と、ほぼ垂直に配置されて下から上に向かって貫流される多数の第２の蒸気発生管（１４）を含む他の第２の蒸発伝熱面（１０）とを備え、第２の蒸発伝熱面（１０）が流れ媒体路において第１の蒸発伝熱面（８）に後置接続されている横置形の廃熱回収ボイラ用の貫流蒸発器貫流蒸発器（１）において、格別に高い寿命で格別に簡単な構造が可能にするために、多数の第２の蒸気発生管（１４）が内部流れ形状形成要素（２２）を有する。【選択図】図２
2012529613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ垂直に配置されて下から上に向かって貫流される多数の第１の蒸気発生管（１３）を含む第１の蒸発伝熱面（８）と、ほぼ垂直に配置されて下から上に向かって貫流される多数の第２の蒸気発生管（１４）を含む他の第２の蒸発伝熱面（１０）とを備え、第２の蒸発伝熱面（１０）が流れ媒体路において第１の蒸発伝熱面（８）に後置接続されており、多数の第２の蒸気発生管（１４）が内部流れ形状形成要素（２２）を有する、横置形の廃熱回収ボイラ用の貫流蒸発器（１）。
【請求項２】
内部流れ形状形成要素（２２）が螺旋ばね形状である請求項１記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項３】
各内部流れ形状形成要素（２２）の幾何学的形状が、各第２の蒸気発生管（１４）に関して流れ媒体の予め与えられた摩擦圧力損失が生じるように選ばれている請求項１又は２記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項４】
各内部流れ形状形成要素（２２）が、各第２の蒸気発生管（１４）に内面リブ（２３）の形で形成されている請求項１乃至３の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項５】
各内部流れ形状形成要素（２２）が、組込部材（２４）として、各第２の蒸気発生管（１４）に挿入されている請求項１乃至４の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項６】
多数の第２の蒸気発生管（１４）が互いに燃焼ガス路において管列（１１）として相前後して配置されている請求項１乃至５の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項７】
第１の蒸発伝熱面（８）が燃焼ガス路において第２の蒸発伝熱面（１０）に後置接続されている請求項１乃至６の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項８】
請求項１乃至７の１つに記載の貫流蒸発器（１）を備えた廃熱回収ボイラ（２）。
【請求項９】
燃焼ガス路においてガスタービンが前置接続されている請求項８記載の廃熱回収ボイラ（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ほぼ垂直に配置されて下から上に向かって貫流される多数の第１の蒸気発生管を含む第１の蒸発伝熱面と、ほぼ垂直に配置されて下から上に向かって貫流される多数の第２の蒸気発生管を含む他の第２の蒸発伝熱面とを備え、第２の蒸発伝熱面が流れ媒体路において第１の蒸発伝熱面に後置接続されている横置形の廃熱回収ボイラ用の貫流蒸発器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・蒸気複合タービン設備においては、ガスタービンからの膨張した作動媒体又は燃焼ガスに含まれる熱が蒸気タービン用の蒸気を発生させるために利用される。熱伝達はガスタービンに後置接続された廃熱回収ボイラで行なわれ、この廃熱回収ボイラには一般に予熱用、蒸気発生用、蒸気過熱用の多数の伝熱面が配置されている。これらの伝熱面は蒸気タービンの水・蒸気回路内に接続されている。この水・蒸気回路は一般に複数例えば３つの圧力段を含み、各圧力段は1つの蒸発器伝熱面を有することができる。
【０００３】
燃焼ガス路に廃熱回収ボイラとしてガスタービンに後置接続されたボイラに関しては、幾つかの選択可能な設計構想、即ち貫流ボイラとしての設計又は循環ボイラとしての設計が考慮の対象となる。貫流ボイラの場合、蒸発管として設けられた蒸気発生管の加熱によって、蒸気発生管内における流れ媒体は一回の貫流で蒸発させられる。これに対して自然循環ボイラ又は強制循環ボイラの場合、循環される水は蒸発管を通って貫流する際に部分的にしか蒸発させられない。蒸発していない水は、発生した蒸気を分離した後、更なる蒸発のために同じ蒸発管に改めて導入される。
【０００４】
貫流ボイラは自然循環ボイラ又は強制循環ボイラと異なって圧力制限がないので、高い生蒸気圧は熱効率を高め、従って化石燃料発電所のＣＯ2放出を少なくする。更に貫流ボイラは循環ボイラに比べて簡単な構造を有し、従って格別に少ない費用で製造できる。ガス・蒸気複合タービン設備の廃熱回収ボイラとして貫流原理に基づいて設計されたボイラの使用は、ガス・蒸気複合タービン設備の高い総合効率を簡単な構造のもとで達成するために格別に有利である。
【０００５】
廃熱回収ボイラとして設計された貫流ボイラは、基本的に２つの選択可能な構造形式のどちらか、即ち立て形構造又は横置形構造にて実施することができる。横置形構造の貫流ボイラは、加熱媒体又は燃焼ガス、例えばガスタービンからの排気ガスの貫流がほぼ水平方向になるように設計されている。これに対して立て形構造の貫流ボイラは、加熱媒体の貫流方向がほぼ垂直になるように設計されている。
【０００６】
横置形構造の貫流ボイラは、立て形構造の貫流ボイラに比べて格別に簡単な手段で格別に少ない製造・組立費用にて製造できる。この場合、特に、各個々の管列のうち流れ媒体路において後置された第２の蒸発伝熱面の複数の蒸気発生管において、これらの蒸気発生管に二相の流れ媒体の不均一な分布が発生することがあり、この二相の流れ媒体の不均一な分布が温度不均整分布を招くと共に異なった熱膨張によって機械的応力をもたらす。それゆえ、廃熱回収ボイラの破損を回避するために、従来においては、例えばこの応力を補償するための伸縮湾曲部材が取り付けられていた。しかし、この措置は、横置形構造の廃熱回収ボイラの場合、技術的にかなり費用がかかる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の課題は、格別に高い寿命において格別に簡単な構造を可能にする、上述の如き廃熱回収ボイラ用の貫流蒸発器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明によれば、多数の第２の蒸気発生管が内部プロフィル要素（内部
流れ形状形成要素）を有することによって解決される。
【０００９】
本発明は、廃熱回収ボイラもしくは貫流ボイラの格別に簡単な構造が、従来では通例の伸縮湾曲部材を省略することによって達成できるという考えから出発している。しかし、この場合、各個々の管列の並列接続された多数の蒸気発生管における温度不均整分布によって引き起こされる機械的応力を他の方法で低減しなければならない。これは特に水・蒸気混合物を供給される第２の蒸発器伝熱面において発生する。温度不均整分布は、１つの管列の多数の個別管の流れ媒体路入口における水と蒸気の異なる割合と、それから結果的に生じるこれらの管の異なった流量とによって引き起こされる。これらの管におけるこの異なる流量は、測地的圧力損失に比べて少ない蒸気発生管内の摩擦圧力損失によって引き起こされることが分かった。つまり、流れ媒体の高い蒸気割合を有する流れは少ない摩擦圧力損失のもとで比較的速やかに個々の蒸気発生管を通して流れるのに対して、高い水割合を有する流れは質量によって引き起こされる高い測地的圧力損失に基づいて不利な影響を受けて停滞しやすい。従って、この流量差を緩和するためには摩擦圧力を高めるべきである。これは、多数の第２の蒸気発生管が、このような付加的な摩擦圧力損失を生じさせる内部流れ形状形成要素を有することによって達成できる。
【００１０】
格別に高い付加的な摩擦圧力損失を達成するためには、管の内面での層流状態の境界層を減らすべきである。これは管内での乱流発生によって達成される。この効果は流れ媒体の渦の発生によって更に強められる。この渦発生は内部流れ形状形成要素が螺旋ばね形状であることによって可能である。
【００１１】
この摩擦圧力損失は、管の形状、燃焼ガス通路の寸法および温度条件のような他の動作パラメータに基づいて適切に決定されるべきである。各内部流れ形状形成要素の形状寸法は、各第２の蒸気発生管に関して、流れ媒体の予め与えられた摩擦圧力損失が生じるように選ばれているのが有利である。これにより温度不均整分布のなおも良好な回避が可能である。
【００１２】
有利な実施形態では、各内部流れ形状形成要素が、各第２の蒸気発生管に内面リブの形で形成されている。これは貫流蒸発器もしくは廃熱回収ボイラの格別に簡単な構造を可能にする。
【００１３】
既設のボイラへの改良部品追加装備もしくはボイラ構造における管形状に関するより高い柔軟性を達成するためには、各内部流れ形状形成要素が組込部材として各第２の蒸気発生管に挿入されているのが有利である。従って、内部流れ形状形成要素が独立した組込部材として形成されて、蒸気発生管の中に配置される。
【００１４】
有利な実施形態では、多数の第２の蒸気発生管が互いに燃焼ガス路において複数の管列として相前後して配置されている。これは、１つの蒸発伝熱面のために、より多い個数の並列接続された蒸気発生管を使用することを可能にし、このことは拡大された表面によって改善された熱流入を意味する。もちろん燃焼ガス流れ方向に相前後して配置された蒸気発生管は異なる加熱を受ける。特に燃焼ガス入口側の蒸気発生管では流れ媒体が相対的に強く加熱される。しかし、内部流れ形状形成要素を有する第２の蒸気発生管の上述の実施形態によって、これらの蒸気発生管においてもその加熱に適合した流量を達成することができるので、簡単な構造において廃熱回収ボイラの格別に長い寿命が達成される。
【００１５】
有利な実施形態では、第１の蒸発伝熱面が燃焼ガス路において第２の蒸発伝熱面に後置接続されている。これは、流れ媒体路において後置接続された、従って既に蒸発した流れ媒体を更に加熱するように設計された第２の蒸発伝熱面が、燃焼ガス通路の相対的に強く加熱される領域にあるという利点を提供する。
【００１６】
この貫流蒸発器を廃熱回収ボイラにおいて使用し、この廃熱回収ボイラをガス・蒸気複合タービン設備において使用するのが適切である。この場合にこのボイラが燃焼ガス路においてガスタービンに後置接続されているのが有利である。この接続の場合にはガスタービンの後に燃焼ガス温度を高めるための補助燃焼器を配置するのが目的に適っている。
【００１７】
本発明により得られる利点は、特に、第２の蒸気発生管に内部流れ形状形成要素を設けたことによって、流れ分布の改善と、それにともなう並列接続された第２の蒸気発生管同士の間の温度差およびその結果として生じる機械的応力の低減とが達成されることにある。それによって廃熱回収ボイラの寿命が著しく長くなる。内部流れ形状形成要素の適切な配置によって、伸縮湾曲部材のような費用のかかる他の措置を省略することができ、かくして同時に、廃熱回収ボイラもしくはガス・蒸気複合タービン設備の格別に簡単な低コストの構造が可能となる。
【００１８】
本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は横置形構造のボイラを簡略表示にて示す縦断面図である。
【図２】図２は内面リブ構造を有する蒸気発生管を示す縦断面図である。
【図３】図３は組込部材を有する蒸気発生管を示す縦断面図である。
【図４】図４は内部流れ形状形成要素がない場合の伝熱管入口における蒸気含有量に対する管温度のグラフを示す図である。
【図５】図５は内部流れ形状形成要素がある場合の伝熱管入口における蒸気含有量に対する管温度のグラフを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
全ての図において同じ部分には同一の参照符合が付されている。
【００２１】
図１による廃熱回収ボイラ２のための貫流蒸発器１は図示されていないガスタービンの排気ガス側に後置接続されている。廃熱回収ボイラ２は、ガスタービンからの排気ガスが矢印４によって示されたほぼ水平な燃焼ガス流れ方向に貫流することができる燃焼ガス通路５を成す囲壁３を有する。燃焼ガス通路３内には、貫流原理に基づいて設計された複数の蒸発伝熱面８，１０が配置されている。図１による実施例では２つの蒸発伝熱面８，１０が示されているが、しかしより多くの蒸発伝熱面を設けることもできる。
【００２２】
図1による蒸発伝熱面８，１０はそれぞれ管束の形で燃焼ガス流れ方向に相前後して配置された多数の管列１１もしくは１２を含んでいる。各管列１１，１２はさらにそれぞれ燃焼ガス流れ方向に並列配置された多数の蒸気発生管１３もしくは１４を含んでいるが、それらの蒸気発生管のうち、各管列１１，１２につきそれぞれ１つの蒸気発生管しか見えていない。ほぼ垂直に配置されかつ流れ媒体Ｗの貫流のために並列接続された第１の蒸発伝熱面８の第１の蒸気発生管１３は、出口側において、それらに共通な出口管寄せ１５に接続されている。同様にほぼ垂直に配置されかつ流れ媒体Ｗの貫流のために並列接続された第２の蒸発伝熱面１０の第２の蒸気発生管１４は、出口側において、それらに共通な出口管寄せ１６に接続されている。両蒸発伝熱面８，１０において相対的に高価な1つの管寄せ系が設けられていてもよい。第２の蒸発伝熱面１０の蒸気発生管１４は第１の蒸発伝熱面８の蒸気発生管１３に流れ技術的に降下管系１７を介して後置接続されている。
【００２３】
蒸発伝熱面８，１０から成る蒸発器系は流れ媒体Ｗを供給される。流れ媒体Ｗは、その蒸発器系の一回の貫流で蒸発され、第２の蒸発伝熱面１０から出た後は蒸気Ｄとして導出される。蒸発伝熱面８，１０から成る蒸発器系は、蒸気タービンの詳しくは示されていない水・蒸気回路に接続されている。蒸発伝熱面８，１０を含む蒸発器系に加えて、蒸気タービンの水・蒸気回路に図１に概略的に示された他の多数の伝熱面２０が接続されている。これらの伝熱面２０は、例えば過熱器、中圧蒸発器、低圧蒸発器および／又は予熱器とすることができる。
【００２４】
第２の蒸気発生管１４は、図２および図３に示されている螺旋ばね形状の内部流れ形状形成要素２２を有する。この内部形状は次のように選ばれている。即ち、蒸気発生管１４内において渦および乱流によって発生させられる流れ媒体Ｗの摩擦圧力損失が非常に高く、従って１つの管列１１内において均一な貫流が保証されているように選ばれている。それによって温度不均整分布が低減される。この内部流れ形状形成要素２２は、直接的に蒸気発生管１４内に内面リブ２３の形で形成することができる。代替として、組込部材２４を内部流れ形状形成要素２２として使用することもでき、これは特に既設の貫流蒸発器１に改良部品の追加装備をすることを可能にする。
【００２５】
温度差への内部流れ形状形成要素２２の効果が図４および図５に示されている。これらの図はそれぞれ管への入口における流れ媒体の蒸気割合２９に対してプロットされた中間管壁温度２５および管出口壁温度２７のグラフ表示である。図４は内部流れ形状形成要素２２のない状態を示す。この場合には蒸気割合２９に依存して中間管壁温度２５が約４６０℃と３６０℃との間で変化し、管出口壁温度２７が約４８０℃と３７０℃との間で変化する。これらの変化が、内部流れ形状形成要素２２のある状態を示す図５には、約４４０℃〜３９０℃もしくは４７０℃〜４０５℃まで減少することが示されている。従って、入口において異なる蒸気割合を有する管同士の間の温度差が明白に低減される。
【００２６】
流れ媒体路入口における異なる蒸気割合を有する管同士の温度差の低減によって廃熱回収ボイラ２の機械的な応力負担が軽減され、従来における通例の伸縮湾曲部材の省略によって簡単な構造と同時に格別に長い寿命が保証されている。
【符号の説明】
【００２７】
１          貫流蒸発器
２          廃熱回収ボイラ
３          囲壁
４          燃焼ガス流れ方向
５          燃焼ガス通路
８          蒸発伝熱面
１０        蒸発伝熱面
１１        管列
１２        管列
１３        蒸気発生管
１４        蒸気発生管
１５        出口管寄せ
１６        出口管寄せ
１７        降下管系
２０        他の伝熱面
２２        内部流れ形状形成要素
２５        中間管壁温度
２７        管出口壁温度
２９        蒸気割合
Ｄ          蒸気
Ｗ          流れ媒体
【図１】
2012529613.tif 000003
【図２】
2012529613.tif 000004
【図３】
2012529613.tif 000005
【図４】
2012529613.tif 000006
【図５】
2012529613.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月20日(2012.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直に配置されて下から上に向かって貫流される複数の第１の蒸気発生管（１３）を含む第１の蒸発伝熱面（８）と、垂直に配置されて下から上に向かって貫流される複数の第２の蒸気発生管（１４）を含む他の第２の蒸発伝熱面（１０）とを備え、第２の蒸発伝熱面（１０）が流れ媒体路において第１の蒸発伝熱面（８）に後置接続されており、複数の第２の蒸気発生管（１４）が内部流れ形状形成要素（２２）を有する、横置形の廃熱回収ボイラ用の貫流蒸発器。
【請求項２】
内部流れ形状形成要素（２２）が螺旋ばね形状である請求項１記載の貫流蒸発器。
【請求項３】
各内部流れ形状形成要素（２２）の幾何学的形状が、各第２の蒸気発生管（１４）に関して流れ媒体の予め与えられた摩擦圧力損失が生じるように選ばれている請求項１又は２記載の貫流蒸発器。
【請求項４】
各内部流れ形状形成要素（２２）が、各第２の蒸気発生管（１４）に内面リブ（２３）の形で形成されている請求項１乃至３の１つに記載の貫流蒸発器。
【請求項５】
各内部流れ形状形成要素（２２）が、組込部材（２４）として、各第２の蒸気発生管（１４）に挿入されている請求項１乃至４の１つに記載の貫流蒸発器。
【請求項６】
複数の第２の蒸気発生管（１４）が互いに燃焼ガス路において管列（１２）として相前後して配置されている請求項１乃至５の１つに記載の貫流蒸発器。
【請求項７】
第１の蒸発伝熱面（８）が燃焼ガス路において第２の蒸発伝熱面（１０）に後置接続されている請求項１乃至６の１つに記載の貫流蒸発器。
【請求項８】
請求項１乃至７の１つに記載の貫流蒸発器（１）を備えた廃熱回収ボイラ。
【請求項９】
燃焼ガス路においてガスタービンが前置接続されている請求項８記載の廃熱回収ボイラ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
第２の蒸気発生管１４は、図２および図３に示されている螺旋ばね形状の内部流れ形状形成要素２２を有する。この内部形状は次のように選ばれている。即ち、蒸気発生管１４内において渦および乱流によって発生させられる流れ媒体Ｗの摩擦圧力損失が非常に高く、従って１つの管列１２内において均一な貫流が保証されているように選ばれている。それによって温度不均整分布が低減される。この内部流れ形状形成要素２２は、直接的に蒸気発生管１４内に内面リブ２３の形で形成することができる。代替として、組込部材２４を内部流れ形状形成要素２２として使用することもでき、これは特に既設の貫流蒸発器１に改良部品の追加装備をすることを可能にする。
【国際調査報告】
2012529613.tif 000008
2012529613.tif 000009
2012529613.tif 000010
2012529613.tif 000011