(57)【要約】  多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される第１の蒸気発生管（１３）を含む第１の蒸発伝熱面（８）と、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される別の第２の蒸気発生管（１４）を含む別の第２の蒸発伝熱面（１０）とを備え、第２の蒸発伝熱面（１０）が流れ媒体側において第１の蒸発伝熱面（８）に後置接続されている横置形構造の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器（１）は、特に高寿命でありながら特に簡単な構造を可能にするものでなければならない。このために、全負荷運転時に生じる第２の蒸気発生管（１４）内の平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように、第２の蒸気発生管（１４）が設計される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される第１の蒸気発生管（１３）を含む第１の蒸発伝熱面（８）と、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される別の第２の蒸気発生管（１４）を含む別の第２の蒸発伝熱面（１０）とを備え、第２の蒸発伝熱面（１０）が流れ媒体側において第１の蒸発伝熱面（８）に後置接続されている横置形構造の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器（１）であって、全負荷運転時に生じる第２の蒸気発生管（１４）内の平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように、第２の蒸気発生管（１４）が設計されている貫流蒸発器（１）。
【請求項２】
所定の最小質量流量密度が、１８０ｋｇ／ｍ2ｓである請求項１記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項３】
第２の蒸気発生管（１４）の内径が、第２の蒸気発生管（１４）において全負荷運転時に生じる平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように選定されている請求項１又は２記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項４】
第２の蒸気発生管（１４）の内径が所定の動作パラメータに基づいて求められた最小直径を下回らない請求項１から３の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項５】
第２の蒸気発生管（１４）の内径が２０ｍｍと４０ｍｍとの間にある請求項１から４の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項６】
燃焼ガス側において多数の第２の蒸気発生管（１４）が管列（１１）として互いに直列配置されている請求項１から５の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項７】
燃焼ガス側において第１の蒸発伝熱面（８）が第２の蒸発伝熱面（１０）に後置されている請求項１から６の１つに記載の貫流蒸発器（１）。
【請求項８】
請求項１から７の１つに記載の貫流蒸発器（１）を備えた廃熱ボイラ（２）。
【請求項９】
燃焼ガス側においてガスタービンが前置接続されている請求項８記載の廃熱ボイラ（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される第１の蒸気発生管を含む第１の蒸発伝熱面と、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される別の第２の蒸気発生管を含む別の第２の蒸発伝熱面とを備え、第２の蒸発伝熱面が流れ媒体側において第１の蒸発伝熱面に後置接続されている横置形構造の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス・蒸気タービン複合設備においては、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ボイラにおいて行われ、この廃熱ボイラには一般に、給水予熱用、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・蒸気回路中に接続されている。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つの蒸発伝熱面を有することができる。
【０００３】
ガスタービンの燃焼ガス側に廃熱ボイラとして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や、循環ボイラとしての設計が考慮される。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、蒸気発生管内の流れ媒体は１回のみ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、循環される水が蒸発管を通り抜ける際に部分的にしか蒸発させられない。その際に蒸発しなかった水は、更なる蒸発のために、発生蒸気と分離された後に同じ蒸発管に再び導入される。
【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、圧力制限を受けない。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放出を低減する。更に、貫流ボイラは循環ボイラに比べて簡単な構造を有するので、特に少ない費用で製造可能である。従って、簡単な構造でガス・蒸気タービン複合設備の総合効率を高めるためには、ガス・蒸気タービン複合設備の廃熱ボイラとして、貫流原理に基づいて設計されたボイラを使用するのが特に有利である。
【０００５】
廃熱ボイラとして設計される貫流ボイラは、基本的には選択可能な２つの構造形式の一方で、即ち、立て形構造か横置形構造かのいずれか一方で実施される。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ガスがほぼ水平方向に貫流す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、加熱媒体がほぼ垂直方向に貫流す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とは異なり、特に簡単な手段と特に少ない製作・組立費用により製造可能である。特に流れ媒体側において後置された第２の蒸発伝熱面の蒸気発生管では、各個別管列内において蒸気発生管への流れ媒体の不均一な分配が発生することがあり、この不均一な分配は温度勾配をもたらし、そして異なる熱膨張によって機械的な応力をもたらす。従って、廃熱ボイラの損傷を回避するために、これまでは、例えば、これらの応力を補償するための伸縮湾曲管が設けられていた。しかし、この措置は、横置形構造の廃熱ボイラの場合、技術的にかなり費用がかかることがある。
【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、特に高い寿命において特に簡単な構造を可能にする上述の様式の廃熱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、全負荷運転時に生じる第２の蒸気発生管を通る平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように、第２の蒸気発生管が設計されていることによって解決される。
【０００９】
本発明は、廃熱ボイラもしくは貫流蒸発器の特に簡単な構造が、従来では通例の伸縮湾曲管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、各個別管列の並列接続された蒸気発生管における温度勾配によって引き起こされる機械的な応力は他の方法で低減されなければならない。これらの機械的な応力は、特に、水・蒸気混合物を供給される第２の蒸発伝熱面において発生する。温度勾配は、管列の個別管の流れ側入口において水と蒸気の割合が異なり、その結果として生じるこれらの管の流量が異なることによって引き起こされる。第２の蒸発伝熱面の蒸気発生管のパラメータを直接的に変更することによって、流れの静的な安定化を達成すると同時に廃熱ボイラの特に簡単な構造を達成することができる。その際に、全負荷時に生じる第２の蒸気発生管を通る平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように第２の蒸気発生管を設計することによって、温度勾配の低減を達成することができる。
【００１０】
所定の最小質量流量密度が１８０ｋｇ／ｍ2ｓであると有利である。このように選定された質量流量密度を達成するための蒸気発生管の設計は、第２の蒸発伝熱面の各個別管列における流れの特に良好な静的安定化をもたらし、従って第２の蒸発伝熱面の各個別管列の並列接続された蒸気発生管における特に良好な温度均衡をもたらす。
【００１１】
各管におけるこのような異なる質量流量密度は、蒸気発生管における測地学的圧力損失に比べて少ない摩擦圧力損失によって引き起こされることが判明した。即ち、蒸気成分の多い流れ媒体の流れは、摩擦圧力損失が少ない場合、比較的速やかに個々の蒸気発生管を通流し、これに対し水成分の多い流れは、質量により引き起こされるその高い測地学的圧力損失によって不利な影響を受けて停滞しやすい。従って、流量を一様にするためには、摩擦圧力損失を高めなければならない。これは、第２の蒸気発生管の内径を、全負荷運転時に生じる平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように有利に選定することによって達成することができる。
【００１２】
しかし、最小質量流量を確保するための内径の低減は任意に広範に行なうべきでない。種々の動作パラメータに基く最小直径が望まれる。例えば、蒸気発生管の表面は十分な熱注入を可能にしなければならない。この関連で蒸気発生管はしばしば外側にリブも設けられ、このことがまたもや、ある種の最小直径を必要とする。強度および安定性の理由から最小厚も必要である。更には内径が小さすぎると、流れ媒体の水成分の測地学的圧力損失が少なくなり、所望の効果の逆の状態が生じて、高い水成分を有する流れは並列の蒸気発生管において高すぎる速度に達する。従って、第２の蒸気発生管の内径が所定の動作パラメータに基づいて求められた最小直径を下回らないようにするのが有利である。
【００１３】
第２の蒸気発生管の内径が２０ｍｍと４０ｍｍとの間にあるのが有利である。というのは、この範囲内での内径の選定は、第２の蒸気発生管における質量流量密度を、蒸気発生管における摩擦圧力損失が次のような範囲内にあるように規定するからである。即ち、摩擦圧力損失のこの範囲では、水成分の多い貫流および蒸気成分の多い貫流が、比較的少ない温度差を有する出口温度をもたらす。それゆえ、第２の蒸発伝熱面の各管列内の温度差が最小にされ、同時にその他の必要な動作条件が満たされる。
【００１４】
有利な実施態様においては、多数の第２の蒸気発生管が互いに燃焼ガス側において管列として直列に配置されている。これは、蒸発伝熱面のためにより多く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、このことは拡張された表面積によって熱注入が改善されることを意味する。とりわけ、燃焼ガス流れ方向に直列に配置された蒸気発生管は加熱の度合いが異なる。特に、燃焼ガス入口側の蒸気発生管では流れ媒体が比較的強く加熱される。しかし、全負荷について最小質量流量密度を下回らないように蒸気発生管を上記のように設計することによって、これらの蒸気発生管においてもその加熱に適合した貫流を達成することができる。これによって簡単な構造で廃熱ボイラの特に長い寿命が得られる。
【００１５】
有利な実施態様においては、第１の蒸発伝熱面が燃焼ガス側において第２の蒸発伝熱面に後置されている。これは、流れ媒体側において後置接続され、従って既に蒸発させられ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、燃焼ガス通路の比較的強く加熱される領域にも置かれるという利点をもたらす。
【００１６】
この種の貫流蒸発器は廃熱ボイラにおいて使用されるのが適切であり、またこの廃熱ボイラはガス・蒸気タービン複合設備において使用される。このボイラが燃焼ガス側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、ガスタービンの後方に燃焼ガス温度を高めるための追加燃焼装置を配置すると有利である。
【００１７】
本発明により得られる利点は、特に、全負荷運転時に生じる第２の蒸気発生管を通る平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように第２の蒸気発生管を設計することによって、流れの静的な安定化が達成され、従って並列接続された蒸気発生管の間における温度差とその結果として生じる機械的応力との低減が達成されることにある。それによって廃熱ボイラの寿命が特に長くなる。蒸気発生管をこのように設計することによって、伸縮湾曲管のような他の高価な技術的手段が省略可能であり、従って同時に廃熱ボイラもしくはガス・蒸気タービン複合発電所の特に簡単で費用を節減した構造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は横置形構造のボイラを簡略縦断面図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施例を図面に基づいて更に詳細に説明する。図は横置形構造のボイラを簡略縦断面図で示す。
【００２０】
図による廃熱ボイラ２用の貫流蒸発器１は、詳しく示されていないガスタービンの排ガス側に後置接続されている。廃熱ボイラ２は囲壁３を有し、この囲壁３は、ガスタービンからの排ガスが矢印４で示されたほぼ水平な燃焼ガス方向に貫流することができる燃焼ガス通路５を形成している。燃焼ガス通路５内には貫流原理に従って設計された多数の蒸発伝熱面８，１０が配置されている。図による実施例には、それぞれ２つの蒸発伝熱面８，１０が示されているが、しかしそれより多い蒸発伝熱面が設けられてもよい。
【００２１】
図による蒸発伝熱面８，１０は、それぞれ管束の形で、燃焼ガス方向に直列配置された多数の管列１１もしくは１２を含む。更に、各管列１１，１２は、それぞれ燃焼ガス方向に並列配置された多数の蒸気発生管１３もしくは１４を含み、それらの蒸気発生管は各管列１１，１２についてそれぞれ１本しか示されていない。第１の蒸発伝熱面８におけるほぼ垂直に配置されかつ流れ媒体Ｗの貫流に対して並列接続された第１の蒸気発生管１３が、出口側において、共通な出口管寄せ１５に接続されている。第２の蒸発伝熱面１０における同様にほぼ垂直に配置されかつ流れ媒体Ｗの貫流に対して並列接続された第２の蒸気発生管１４が、同様に出口側において、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において比較的もっと高価な管寄せ装置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装置１７を介して後置接続されている。
【００２２】
蒸発伝熱面８，１０からなる蒸発器系には流れ媒体Ｗが供給され、この流れ媒体Ｗは、蒸発器系の１回の貫流時に蒸発させられ、第２の蒸発伝熱面１０から出た後は蒸気Ｄとして排出される。蒸発伝熱面８，１０からなる蒸発器系は、蒸気タービンの詳しく示されていない水・蒸気回路中に接続されている。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・蒸気回路中には、図に概略的に示された多数の別の伝熱面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／又は予熱器であってよい。
【００２３】
第２の蒸気発生管１４は、全負荷時において予め設定された１８０ｋｇ／ｍ2ｓの最小質量流量密度を下回らないように設計されている。この場合に、第２の蒸気発生管１４の内径は２０ｍｍから４０ｍｍまでの間にあるので、一方では強度、熱注入等の必要な動作パラメータが満たされ、他方では第２の蒸発伝熱面１０の管列内の温度勾配が最小限にされる。それによって、廃熱ボイラ２の機械的な応力負荷が低減され、従来通例の伸縮湾曲管の省略による簡単な構造と同時に特に長い寿命が保証される。
【符号の説明】
【００２４】
１          貫流蒸発器
２          廃熱ボイラ
３          囲壁
４          燃焼ガス方向
５          燃焼ガス通路
８          第１の蒸発伝熱面
１０        第２の蒸発伝熱面
１１        管列
１２        管列
１３        第１の蒸気発生管
１４        第２の蒸気発生管
１５        出口管寄せ
１６        出口管寄せ
１７        降下管
２０        別の伝熱面
Ｄ          蒸気
Ｗ          流れ媒体
【図１】
2012519831.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成24年2月24日(2012.2.24)
【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】
複数の垂直に配置され下から上に向かって貫流される第１の蒸気発生管（１３）を含む第１の蒸発伝熱面（８）と、複数の垂直に配置され下から上に向かって貫流される別の第２の蒸気発生管（１４）を含む別の第２の蒸発伝熱面（１０）とを備え、第２の蒸発伝熱面（１０）が流れ媒体側において第１の蒸発伝熱面（８）に後置接続されている横置形構造の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器（１）の設計方法であって、最小質量流量密度が予め設定され、全負荷運転時に生じる第２の蒸気発生管（１４）内の平均質量流量密度が前記設定最小質量流量密度を下回らないように、第２の蒸気発生管（１４）が設計されている貫流蒸発器（１）の設計方法。
【請求項２】
設定最小質量流量密度が、１８０ｋｇ／ｍ2ｓである請求項１記載の方法。
【請求項３】
第２の蒸気発生管（１４）の内径が、第２の蒸気発生管（１４）において全負荷運転時に生じる平均質量流量密度が設定最小質量流量密度を下回らないように選定されている請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
請求項１から３の１つに記載の方法により設計される貫流蒸発器。
【請求項５】
第２の蒸気発生管（１４）の内径が所定の動作パラメータに基づいて求められた最小直径を下回らない請求項４記載の貫流蒸発器。
【請求項６】
第２の蒸気発生管（１４）の内径が２０ｍｍと４０ｍｍとの間にある請求項４又は５記載の貫流蒸発器。
【請求項７】
燃焼ガス側において複数の第２の蒸気発生管（１４）が管列（１２）として互いに直列配置されている請求項４から６の１つに記載の貫流蒸発器。
【請求項８】
燃焼ガス側において第１の蒸発伝熱面（８）が第２の蒸発伝熱面（１０）に後置されている請求項４から７の１つに記載の貫流蒸発器。
【請求項９】
請求項４から８の１つに記載の貫流蒸発器（１）を備えた廃熱ボイラ。
【請求項１０】
燃焼ガス側においてガスタービンが前置接続されている請求項９記載の廃熱ボイラ。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される第１の蒸気発生管を含む第１の蒸発伝熱面と、多数のほぼ垂直に配置され下から上に向かって貫流される別の第２の蒸気発生管を含む別の第２の蒸発伝熱面とを備え、第２の蒸発伝熱面が流れ媒体側において第１の蒸発伝熱面に後置接続されている横置形構造の廃熱ボイラ用の貫流蒸発器の設計方法および貫流蒸発器に関する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
従って、本発明の課題は、特に高い寿命において特に簡単な構造を可能にする上述の様式の廃熱用ボイラ用の貫流蒸発器の設計方法並びに貫流蒸発器を提供することにある。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この課題は、本発明によれば、方法に関しては、最小質量流量密度を予め所定の値に設定し、全負荷運転時に生じる第２の蒸気発生管を通る平均質量流量密度がこの所定の最小質量流量密度を下回らないように、第２の蒸気発生管が設計されていることによって解決される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
各管におけるこのような異なる質量流量密度は、蒸気発生管における測地学的圧力損失に比べて少ない摩擦圧力損失によって引き起こされることが判明した。即ち、蒸気成分の多い流れ媒体の流れは、摩擦圧力損失が少ない場合、比較的速やかに個々の蒸気発生管を通流し、これに対し水成分の多い流れは、質量により引き起こされるその高い測地学的圧力損失によって不利な影響を受けて停滞しやすい。従って、流量を一様にするためには、摩擦圧力損失を高めなければならない。これは、第２の蒸気発生管の内径を、全負荷運転時に生じる平均質量流量密度が所定の最小質量流量密度を下回らないように有利に選定することによって達成することができる。
また、前記貫流蒸発器に関する課題は、上述の方法によって設計された貫流蒸発器によって解決される。
【国際調査報告】
2012519831.tif 000004
2012519831.tif 000005
2012519831.tif 000006
2012519831.tif 000007