(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン等の排熱発生源から排出される排熱を利用し、蒸発器出口管寄せより高い位置に設置された蒸気ドラムから供給されて多数の蒸発器管内を流れる給水を加熱して蒸気を発生させる蒸発器を備えた排熱回収ボイラの運転起動方法であって、前記給水を前記蒸発器管から蒸気を集めて前記蒸気ドラムへ導く蒸発器出口管寄せより低く設定された運転起動水位以下に下げる運転起動準備を完了した後、前記排熱発生源の運転を開始して所定時間経過後、あるいは前記給水が所定温度に達した後に前記給水を通常運転水位まで上げることを特徴とする排熱回収ボイラの運転起動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン等から排出される排気ガスの排熱を利用して蒸気を生成する排熱回収ボイラの運転起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排熱回収ボイラは、たとえばガスタービン等と組み合わせて構成されるコンバインドサイクル発電プラントに使用されている。コンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービンによって発電機を駆動して発電し、さらに、ガスタービンから排出される排気ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる。この蒸気を蒸気タービンへ供給すれば発電機の駆動に利用することができるので、蒸気タービンによっても発電することができ、従って、高効率で環境に優しい発電プラントとして注目されている。
【０００３】
このようなコンバインドサイクル発電プラントにおいて、ガスタービン等の排熱発生源から排出される排熱を利用して蒸気を発生させる装置として、排熱回収ボイラ（Heat Recovery Steam Generator）が知られている。
以下では、排熱回収ボイラの一例として、コンバインド用三圧再熱自然循環排熱回収ボイラ（以下では、「ＨＲＳＧ」と略す）を図４に示して簡単に説明する。
【０００４】
同図に示す従来のＨＲＳＧ１０は、下方から上方に向かって排気ガスＧを導くケーシング１１内に、排気ガスＧの流れ方向である下から上に向かって順番に、高圧蒸発器１２、中圧蒸発器１３及び低圧蒸発器１４が配置されている。
高圧蒸発器１２は、高圧蒸気ドラム１５から供給されて多数の蒸発器管１６内を流れる給水をガスタービン排気Ｇで加熱して高圧蒸気ＳＨを生成する。この場合の給水は、後述する中圧蒸発器１３の給水Ｗ１から分岐させてケーシング１１内を通過する給水管１７を流れ、ガスタービン排気Ｇの排熱で予熱されたものが使用される。
【０００５】
中圧蒸発器１３は、中圧蒸気ドラム１８から供給されて多数の蒸発器管１９内を流れる給水Ｗ１をガスタービン排気Ｇで加熱して中圧蒸気ＳＩを生成する。なお、給水Ｗ１の給水管２０はケーシング１１内を通過しており、従って、ガスタービン排気Ｇで予熱された給水が使用される。
低圧蒸発器１４は、低圧蒸気ドラム２１から供給されて多数の蒸発器管２２内を流れる給水Ｗ２をガスタービン排気Ｇで加熱して高圧蒸気ＳＨを生成する。なお、給水Ｗ２の給水管２３はケーシング１１内を通過しており、従って、ガスタービン排気Ｇで予熱された給水が使用される。
【０００６】
さて、上述した高圧蒸発器１２、中圧蒸発器１３及び低圧蒸発器１４について標準的な系統模式図を図３に示す。なお、図中の符号３０は蒸発器、３１は蒸気ドラム、３２は降水管、３３は蒸発器入口管寄せ、３４は蒸発器管、３５は蒸発器出口管寄せ、３６Ｌは左側蒸発器出口連絡管、３６Ｒは右側蒸発器出口連絡管、３７は給水管、３８は飽和蒸気管、Ｗは給水である。
【０００７】
この蒸発器３０では、給水管３７を介して蒸気ドラム３１内に給水Ｗの供給を受ける。この給水Ｗは、左右一対の降水管３２から蒸発器入口管寄せ３３へ流出し、さらに、蒸発器入口管寄せ３３から多数の蒸発器管３４へ分配される。
蒸発器管３４は、一端が蒸発器入口管寄せ３３に接続され、他端が蒸発器出口管寄せ３５に接続されたＵ字状の管である。給水Ｗは、蒸発器管３４内を流れることによって蒸発器管３４の周囲を下から上へ上昇していく高温のガスタービン排気Ｇに加熱され、蒸気及び水の二相流となって蒸発器出口管寄せ３５へ流入する。
【０００８】
この後、蒸気及び水の二相流は、左側蒸発器出口連絡管３６Ｌ及び右側蒸発器出口連絡管３６Ｒに分流して蒸気ドラム３１へ戻る。蒸気ドラム３１では、飽和蒸気管３８を通って飽和蒸気が流出し、水は降水管３２から流出する給水Ｗと合流して再循環する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した構成の排熱回収ボイラにおいては、メンテナンス等で運転停止させたガスタービンを再起動する時、蒸気ドラム３１内の通常運転水位まで給水が溜まっているので、蒸発器３０の給水循環系統内には外気温度程度まで温度低下した低温の給水Ｗが存在している。
この状態でガスタービンを起動すると、ガスタービン排気Ｇの温度が徐々に上昇するにつれて蒸発器管３４で蒸気を発生する。この蒸気は、左側蒸発器出口連絡管３６Ｌ及び右側蒸発器出口連絡管３６Ｒに分流して蒸気ドラム３１へ流れようとするが、この時、蒸発器出口管寄せ３５及び左右の蒸発器出口連絡管３６Ｌ，３６Ｒ内で低温の給水Ｗによって急激に冷却されて凝縮する。
【００１０】
このようにして蒸気が凝縮すると、急激な体積の減少によって周辺の給水Ｗに流れが生じるので、周辺の給水Ｗが衝突して異音や振動を発生するスチームハンマと呼ばれる現象の発生が懸念される。
なお、スチームハンマとは、蒸気配管系において、凝縮水が残留していたり、凝縮水と蒸気が逆流しているような場合に、蒸気と凝縮水が衝突して、ウォータハンマに似た騒音と振動を発生する現象のことである。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、ガスタービン等の排熱発生源を起動する際にスチームハンマが生じるのを防止できる排熱回収ボイラの運転起動方法の提供を目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の排熱回収ボイラの運転起動方法は、ガスタービン等の排熱発生源から排出される排熱を利用し、蒸発器出口管寄せより高い位置に設置された蒸気ドラムから供給されて多数の蒸発器管内を流れる給水を加熱して蒸気を発生させる蒸発器を備えた排熱回収ボイラの運転起動方法であって、前記給水を前記蒸発器管から蒸気を集めて前記蒸気ドラムへ導く蒸発器出口管寄せより低く設定された運転起動水位以下に下げる運転起動準備を完了した後、前記排熱発生源の運転を開始して所定時間経過後、あるいは前記給水が所定温度に達した後に前記給水を通常運転水位まで上げることを特徴とするものである。
【００１５】
このような排熱回収ボイラの運転起動方法によれば、給水を通常運転水位より低い運転起動水位以下に下げる運転起動準備を完了した後、排熱発生源の運転を開始して所定時間経過後、あるいは給水が所定温度に達した後に給水を通常運転水位まで上げるようにしたので、給水が運転水位以下にある状態で発生した蒸気は温度の低い給水と接触することなく蒸気ドラムへ導かれ、蒸気が凝縮して発生するスチームハンマを防止することができる。
この場合、前記運転起動水位は、蒸発器管から蒸気を集めて蒸気ドラムへ導く蒸発器出口管寄せより低く設定されていることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る排熱回収ボイラ及びその運転起動方法の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態では、従来例として図３に示した蒸発器３０の系統模式図に対応する図面に基づいて説明するが、上述した従来例と同様の構成部材には同じ符号を付してある。
【００１７】
＜第１の実施形態＞
図１において、図中の符号３０は蒸発器、３１は蒸気ドラム、３２は降水管、３３は蒸発器入口管寄せ、３４は蒸発器管、３５は蒸発器出口管寄せ、３６は蒸発器出口連絡管、３７は給水管、３８は飽和蒸気管、３９はドレン弁、４０は給水ポンプ、５０は制御部、５１は水位制御手段、Ｗは給水である。
【００１８】
この蒸発器３０では、給水管３７を介して蒸気ドラム３１内に給水Ｗの供給を受ける。この給水Ｗは、降水管３２から蒸発器入口管寄せ３３へ流出した後、さらに、蒸発器入口管寄せ３３から多数が平行に並べられている蒸発器管３４へ分配される。
蒸発器管３４は、一端が蒸発器入口管寄せ３３に接続され、他端が蒸発器出口管寄せ３５に接続されたＵ字状の管である。蒸発器入口管寄せ３３及び蒸発器出口管寄せ３５は共に水平に設置されており、蒸発器出口管寄せ３５が蒸発器入口管寄せ３３より高いレベルに位置している。
【００１９】
給水Ｗは、蒸発器管３４内を流れることによって蒸発器管３４の周囲を下から上へ上昇していく高温のガスタービン排気Ｇに加熱され、蒸気及び水の二相流となって蒸発器出口管寄せ３５へ流入する。
この後、蒸気及び水の二相流は、蒸発器出口管寄せ３５に接続された蒸発器出口連絡管に導かれて蒸気ドラム３１へ戻る。蒸気ドラム３１では、飽和蒸気が飽和蒸気管３８を通って蒸気タービン等の次工程へ流出し、水は降水管３２から流出する給水Ｗと合流して蒸発器管３４へ再循環する。
【００２０】
このようにして、蒸発器ドラム３１、降水管３２、蒸発器入口管寄せ３３、蒸発器管３４、蒸発器出口管寄せ３５、及び出口連絡管３６よりなる凝縮器３０の給水循環系内を給水Ｗが循環する過程において、蒸気ドラム３１内の飽和蒸気が飽和蒸気管３８から流出し、この流出分を補うようにして給水管３７から給水Ｗが補給されて所定の水位を保ちながら連続した運転が継続される。
【００２１】
給水Ｗを供給する給水管３７の系統には、給水ポンプ４０が設置されている。そして、給水ポンプ４０の運転を含めた排熱回収ボイラ全体の各種運転制御を行うために、制御部５０が設けられている。
制御部５０は、運転起動時等に給水Ｗの水位制御を行うために設けた水位制御手段５１と接続されている。この水位制御手段５１は、給水Ｗを所望の水位に調整する機能を有するもので、たとえばレベルスイッチや流量計などがある。
【００２２】
さて、上述した構成の排熱回収ボイラにおいては、以下に説明する手順によって運転起動を行う。
排熱回収ボイラの運転起動を行う場合、最初にドレン弁３９を全開として給水Ｗを排水する。この後、ドレン弁３９を閉じ、給水ポンプ４０を起動して所望の水位まで給水Ｗを供給する。この時の水位は、蒸気ドラム３１内に設定されている通常運転水位より低い運転起動水位となり、好適な運転起動水位は蒸発器出口管寄せ３５より低い水位となる。
【００２３】
このような運転起動水位の調整は、水位制御手段５１から制御部５０に入力される信号によって給水ポンプ４０の運転を制御して行われる。具体的には、水位制御手段５１として設けたレベルスイッチが所望の水位を検出した信号、あるいは水位制御手段５１として設けた流量計が所望の給水量を検知した信号が制御部５０へ入力されるまで給水ポンプ４０の運転を継続して給水Ｗの供給を行う。
【００２４】
こうして蒸発器３０の系内が運転起動水位になると、給水ポンプ４０の運転を停止してガスタービン等排熱発生源の運転起動準備が完了する。この時点では、スチームハンマの発生が懸念される蒸発器出口管寄せ３５と蒸気ドラム３１との間を連結している蒸発器出口連結管３６には給水Ｗがなく、空の状態となっている。また、蒸発器管３４についても、レベルの高いＵ字管の上部には給水Ｗがない空の状態にある。
【００２５】
この状態でガスタービンを起動すると、すなわち極低レベル起動を行うと、徐々に温度上昇する高温のガスタービン排気Ｇが蒸発器管３４の周囲を上昇しながら加熱する。この加熱を受けた蒸発器管３４では、内部の給水Ｗが蒸発して蒸気と水の二相流となり、蒸発器出口管寄せ３５及び蒸発器出口連結管３６を通って蒸気ドラム３１へ流れ込む。
この時、多数の蒸発器管３４から集めた高温の蒸気が流れていく流路である蒸発器出口管寄せ３５及び蒸発器出口連結管３６には低温の給水Ｗが存在していないため、蒸気が急激に冷却されて凝縮するようなことはなく、従って、スチームハンマの発生を防止することができる。
【００２６】
こうしてガスタービンを所定時間運転したり、あるいは、ガスタービン排気Ｇや給水Ｗが所定の温度まで上昇した場合には、制御部５０が給水ポンプ４０を起動して給水Ｗの供給を再開し、給水Ｗを通常運転水位まで上昇させて通常運転を継続する。
なお、これまでの説明では、いったん給水Ｗの全量を排水してから運転起動水位に調整するものとして説明したが、ドレン弁３９から排水して運転起動水位まで下がったことを水位制御手段５１で検知して調整するようにしてもよい。
【００２７】
＜第２の実施形態＞
図２に示す実施形態では、運転起動水位を目視で確認する液面計５５を系内の適所に設けて給水Ｗの水位を調整する。図示の例では、蒸気ドラム３１と蒸発器入口管寄せ３３との間を連結する降水管３２に液面計５５を設けて、給水Ｗが運転起動水位にあることを目視で確認できるようにしてある。
【００２８】
上述した構成の排熱回収ボイラにおいても、運転起動を行う際には、最初にドレン弁３９を全開として給水Ｗを排水する。この後、ドレン弁３９を閉じ、給水ポンプ４０を起動して所望の水位まで給水Ｗを供給する。この時の水位は、蒸気ドラム３１内に設定されている通常運転水位より低い運転起動水位となる。
このような運転起動水位の調整は、給水ポンプを運転して給水Ｗを蒸発器３０に供給し、液面計５５から目視で水位を監視することによって行われる。
【００２９】
あるいは、運転起動水位の調整は、ドレン弁３９を開いて給水Ｗを系外へ排水する際、液面計５５から目視で水位を監視することによって行われ、所望の運転起動水位になった時点でドレン弁３９を閉じるようにしてもよい。
【００３０】
こうして蒸発器３０の系内が運転起動水位になると、給水ポンプ４０の運転を停止してガスタービン等排熱発生源の運転起動準備が完了する。この時点では、スチームハンマの発生が懸念される蒸発器出口管寄せ３５と蒸気ドラム３１との間を連結している蒸発器出口連結管３６には給水Ｗがなく、空の状態となっている。また、蒸発器管３４についても、レベルの高いＵ字管の上部には給水Ｗがない空の状態にある。
【００３１】
この状態でガスタービンを起動すると、すなわち極低レベル起動を行うと、徐々に温度上昇する高温のガスタービン排気Ｇが蒸発器管３４の周囲を上昇しながら加熱する。この加熱を受けた蒸発器管３４では、内部の給水Ｗが蒸発して蒸気と水の二相流となり、蒸発器出口管寄せ３５及び蒸発器出口連結管３６を通って蒸気ドラム３１へ導かれる。
この時、多数の蒸発器管３４から集めた高温の蒸気が流れていく流路である蒸発器出口管寄せ３５及び蒸発器出口連結管３６には低温の給水Ｗが存在していないため、蒸気が急激に冷却されて凝縮するようなことはなく、従って、スチームハンマの発生を防止することができる。
【００３２】
こうしてガスタービンを所定時間運転したり、あるいは、ガスタービン排気Ｇや給水Ｗが所定の温度まで上昇した場合には、制御部５０が給水ポンプ４０を起動して給水Ｗの供給を再開し、給水Ｗを通常運転水位まで上昇させて通常運転を継続する。
【００３３】
以上説明したように、本発明の排熱回収ボイラ及びその運転起動方法によれば、運転起動時に給水Ｗの水位を運転起動水位まで下げる極低レベル起動を行うようにしたので、蒸気と低温の給水Ｗとが接触して急激に凝縮することに起因するスチームハンマの発生を防止することができる。
【００３４】
なお、本発明の構成は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【００３５】
【発明の効果】
上述した本発明の排熱回収ボイラ及びその運転起動方法によれば、以下の効果を奏する。
請求項１に記載の発目によれば、給水を通常運転水位より低い運転起動水位以下に下げる運転起動準備を完了した後、排熱発生源の運転を開始して所定時間経過後、あるいは給水が所定温度に達した後に給水を通常運転水位まで上げるようにしたので、給水が運転水位以下にある状態で発生した蒸気は温度の低い給水と接触することなく蒸気ドラムへ導かれ、蒸気が凝縮して発生するスチームハンマを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る排熱回収ボイラの蒸発器について、第１の実施形態を示す標準的な系統模式図である。
【図２】  本発明に係る排熱回収ボイラの蒸発器について、第２の実施形態を示す標準的な系統模式図である。
【図３】  排熱回収ボイラの蒸発器について、従来例を示す標準的な系統模式図である。
【図４】  排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の一例として、コンバインド用三圧再熱自然循環排熱回収ボイラの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
３０    蒸発器
３１    蒸気ドラム
３２    降水管
３３    蒸発器入口管寄せ
３４    蒸発器管
３５    蒸発器出口管寄せ
３６    蒸発器出口連結管
４０    給水ポンプ
５０    制御部
５１    水位制御手段
５５    液面計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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