JP2013189883A - 火力発電プラント - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の目的は、より高い温度の燃焼排ガスでも、プラント熱効率を維持することにある。
【解決手段】本発明は、煙道の中途に配置され、燃焼排ガスの一部をボイラに再循環させるための再循環ガス取入口と、１次燃焼空気ダクト、２次燃焼空気ダクト、再循環ガス取入口からボイラに燃焼排ガスを再循環させる再循環ガス供給ダクト、及び煙道の各流体を熱交換させる空気加熱器を備えることを特徴とする。
【効果】本発明によれば、より高い温度の燃焼排ガスでも、プラント熱効率を維持することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、火力発電プラントに関する。
燃料を燃焼させてボイラで蒸気を生成する発電プラントにおいては、熱効率を向上させるためにボイラから排出される燃焼排ガスからの熱回収手段が講じられるのが一般的である。特許文献１に示されているように、石炭を燃料とする火力発電プラントでは、ボイラ出口の煙道上に空気加熱器が設置され、燃焼排ガスの熱を用いて燃焼空気を加熱し、加熱された燃焼空気をボイラに供給して燃料を燃焼させることで熱効率を向上させる手法が広く用いられている。
また特許文献２には、空気熱交換器の性能向上を図ることでプラント全体の熱効率を改善する手段について開示されている。ここでは、空気加熱器を２台に分割した上で、その中間の燃焼空気が通風するダクト内に冷却器を設置することにより、空気熱交換器の伝熱面積をいたずらに増大させること無く見かけの熱交換率を向上させている。
特開２００３−２１４６２１号公報 特公平６−３２８５号公報
従来の石炭火力発電プラントで用いられているシステムでは、空気加熱器の入口側の燃焼排ガス温度が、３５０℃程度に設定されるのが一般的である。これは、現在世界的に新設火力発電プラントの主流となっている超臨界圧ボイラにおいて、標準的なボイラ出口の燃焼排ガス温度が３５０℃程度で設計されるためである。
しかしながら、近年ではさらに発電システムの熱効率を向上させるために、ボイラで生成する蒸気をより高温高圧にするべく開発が進められている。このような超高効率ボイラを設計するにあたっては、ボイラ出口の燃焼排ガス温度をより高く設定できれば構造やコストの面で有利な設計ができる場合がある。ところが、従来の空気加熱器システムでは、受け入れ可能な燃焼排ガス温度が３５０℃以上になると、空気加熱器出口の燃焼排ガス温度も同時に上昇してしまい、熱効率の低下を招くことが知られている。これは、空気加熱器における被加熱媒体である燃焼空気の流量に上限値があるためである。燃焼空気の供給量は、ボイラに投入する燃料量に対して一定の比率が定められており、これを上回ると燃料の燃焼特性が悪化して運転に支障を来たすため、この上限値を変更することはできない。したがって、ボイラ設計の自由度が大きく制限されてしまい、経済性の高い高効率ボイラを実現する際の制約となっていた。
そこで本発明の目的は、より高い温度の燃焼排ガスでも、プラント熱効率を維持することにある。
本発明は、煙道の中途に配置され、燃焼排ガスの一部をボイラに再循環させるための再循環ガス取入口と、１次燃焼空気ダクト、２次燃焼空気ダクト、再循環ガス取入口からボイラに燃焼排ガスを再循環させる再循環ガス供給ダクト、及び煙道の各流体を熱交換させる空気加熱器を備えることを特徴とする。
本発明によれば、より高い温度の燃焼排ガスでも、プラント熱効率を維持することが可能である。
本発明の実施例１の機器構成を示す図である。 本発明の実施例２の機器構成を示す図である。 本発明の実施例３の機器構成を示す図である。 本発明の実施例４の機器構成を示す図である。
本発明は、燃料を燃焼させてボイラで蒸気を生成して蒸気タービン発電設備を駆動する火力発電プラントに関する。以下、本発明を石炭焚きボイラを用いた火力発電プラントに適用した実施例について図を参照しながら説明する。ただし、本発明は実施例に限定されるものではない。
図１は、本実施例における石炭火力発電プラントの機器構成を示す。燃料である石炭は、石炭粉砕機１０に供給され、ボイラ１での燃焼に適した粒子径となるように粉砕される。石炭粉砕機１０には、空気加熱器２を介して加熱された空気の一部が１次燃焼空気ダクト８を通じて供給され、この加熱空気によって粉砕された石炭を乾燥させるとともに粉砕機外へ搬送し、さらに石炭供給配管１２を通じてボイラ１に供給する。ボイラには空気加熱器２を介して、別系統の２次燃焼空気が２次燃焼空気ダクト９を介してボイラ１に供給されており、これら燃焼空気を用いて粉砕石炭を燃焼させることにより、ボイラ内で高温の燃焼ガスを生成する。
燃焼ガスが有する熱は、ボイラに設置された図示しない伝熱管を介して水に伝達され高温高圧の蒸気が生成された後に、蒸気配管１３によって蒸気タービン発電設備１１に供給されて、蒸気の有するエネルギーが電気に変換される。
ボイラから排出される燃焼排ガスは、煙道３を通じて最終的には煙突５から大気中に放出される。煙道３の中途には、空気加熱器２の他に排ガス処理設備４と再循環ガス取入口６が設置される。再循環ガス取入口から導引された燃焼排ガスは、再循環ガス供給ダクト７を通じて空気加熱器２に供給されて加熱され、その後にボイラ１に供給されてボイラ内で燃焼ガスと混合される。
このように、本実施例の発電プラントの空気加熱器２は、１次燃焼空気ダクト８、２次燃焼空気ダクト９、再循環ガス取入口６からボイラに燃焼排ガスを再循環させる再循環ガス供給ダクト７、及び煙道３が接続されている。そして、空気加熱器２は、煙道３を流れる燃焼排ガスを熱源として、１次燃焼空気ダクト８、２次燃焼空気ダクト９、及び再循環ガス供給ダクト７を流れる流体を加熱することができる。従って、従来技術における空気加熱器よりも被加熱媒体となるガスの流量を増加させられるので、ボイラ出口の燃焼排ガスの温度を約５００℃程度に上昇させても、空気加熱器出口の燃焼排ガス温度を従来と同等に維持することができ、プラントの熱効率を維持することができる。
なお、排ガス処理設備４には、排ガス性状と有害物質の規制値に応じて、複数の機器が設置されても良い。また、これら複数の排ガス処理機器と空気加熱器２および再循環ガス取入口６の煙道３上での位置関係は、設計者の要求に応じて図１に示す順序と異なることがあっても構わない。ただし、再循環ガス取入口６については空気加熱器２から見て下流側の煙道上に設置されなければならない。
図２は、本実施例における石炭火力発電プラントの機器構成を示す。本実施例は実施例１と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例１との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例１におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
本実施例が実施例１と異なる点は、空気加熱器が低温空気加熱器２ａと高温空気加熱器２ｂの２台で構成されていることにある。このような構成を採ることで、２台の空気加熱器の中間に排ガス処理設備４の一部の機器を設置したり、あるいは被加熱媒体の通過経路を片方の空気加熱器のみに限定したりすることが可能となり、より有利な効果を得ることができる。
本実施例の構成では、再循環ガス供給ダクト７と１次燃焼空気ダクト８、２次燃焼空気ダクト９は低温空気加熱器２ａと高温空気加熱器２ｂの両方を通過してそれぞれの被加熱媒体を加熱する。また、低温空気加熱器２ａと高温空気加熱器２ｂを連通する燃焼排ガスの煙道上に排ガス処理設備４の一部である脱硝設備１５を設置している。脱硝設備１５は、排ガス中に含まれる窒素酸化物を除去する目的で設置されるが、除去効率が高いアンモニア噴霧式の触媒脱硝設備は、最適な動作温度が約３５０℃であり、従来技術では空気加熱器の上流側に設置される。本実施例が想定するようにボイラ出口温度が４００℃以上となるような場合には、本実施例の設置位置が好適である。すなわち本実施例の構成を採用することで、本発明を適用した際でも高い窒素酸化物除去性能を維持することが可能となる。
図３は、本実施例における石炭火力発電プラントの機器構成を示す。本実施例は実施例２と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例２との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例１および実施例２におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
本実施例の構成では、２台の空気加熱器とその中間に設置された脱硝設備については実施例２と同様であるが、１次燃焼空気ダクト８が低温空気加熱器２ａのみを介して石炭粉砕機１０に接続している点が異なる。
通常、石炭粉砕機１０に供給する１次燃焼空気の温度は約２００℃である。また、１次燃焼空気と２次燃焼空気の流量比はおおよそ１：５であるため、１次燃焼空気は１台分の空気加熱器を通過させれば十分な加熱ができる場合が多い。本実施例のごとく、１次燃焼空気ダクトの引き回し経路を低温空気加熱器２ａのみとすることにより、空気加熱器周りの配管の構成をより簡潔にすることができ、好適である。
図４は、本実施例における石炭火力発電プラントの機器構成を示す。本実施例は実施例１と同様の作用を有する装置で構成される部分が多いため、以下では実施例１との相違点のみを述べる。以下に記述されない装置に関しては、実施例１におけるのと同様の作用効果を有するものとする。
本実施例の構成では、排ガス処理装置４の下流側の煙道３に排ガス冷却装置１６が設置されており、さらにその下流側に再循環ガス取入口６が設置される点が異なる。
一般に、排ガス処理装置４の１つとして排ガス中の硫黄酸化物を除去するために湿式の脱硫装置が設置されることが多い。この場合、脱硫装置の出口における燃焼排ガスの温度は５０〜８０℃にまで低下するため、この下流側に再循環ガス取入口６を設置すれば、空気加熱器２における熱交換性能を十分に確保できる。しかしながら、排ガス処理装置の構成によってはこのような排ガス温度低下が達成されない場合があり、さらには石炭性状や燃焼状態の突発的な変化によりボイラ出口の排ガス温度が変動し、空気加熱器２で十分な熱交換性能が得られない場合も想定される。本実施例のように、排ガス冷却装置１６を煙道上に設置して再循環排ガスの温度を常時必要な温度域に維持することができれば、本発明における効果を、いかなる排ガス処理装置の機器構成においても、またいかなる運転状況の変動下においても、安定して得ることができるため好適である。
１ ボイラ
２ 空気加熱器
２ａ 低温空気加熱器
２ｂ 高温空気加熱器
３ 煙道
４ 排ガス処理設備
５ 煙突
６ 再循環ガス取入口
７ 再循環ガス供給ダクト
８ １次燃焼空気ダクト
９ ２次燃焼空気ダクト
１０ 石炭粉砕機
１１ 蒸気タービン発電設備
１２ 石炭供給配管
１３ 蒸気配管
１５ 脱硝設備
１６ 排ガス冷却装置

Claims (4)

  1. 燃焼ガスから熱を回収するための伝熱管を有するボイラと、前記ボイラに燃焼空気を供給する１次燃焼空気ダクト及び２次燃焼空気ダクトと、前記ボイラから排出された燃焼排ガスを煙突に導く煙道と、前記煙道の中途に設置され燃焼排ガス中の有害物質や粒子状物質を除去する排ガス処理装置と、前記ボイラで発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して電気に変換する発電設備を有する火力発電プラントにおいて、
    前記煙道の中途に配置され、燃焼排ガスの一部をボイラに再循環させるための再循環ガス取入口と、
    前記１次燃焼空気ダクト、前記２次燃焼空気ダクト、前記再循環ガス取入口から前記ボイラに燃焼排ガスを再循環させる再循環ガス供給ダクト、及び前記煙道の各流体を熱交換させる空気加熱器を備えることを特徴とする火力発電プラント。
  2. 請求項１において、２台の前記空気加熱器が燃焼排ガス流れ方向に対して直列に設置され、２台の空気加熱器の中間には排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝設備が設置され、前記再循環ガス供給ダクトは前記２台の空気加熱器を経由することを特徴とする火力発電プラント。
  3. 請求項２において、前記１次燃焼空気ダクトは、２台の空気加熱器のうち１台のみを通過した後に、ボイラに供給されることを特徴とする火力発電プラント。
  4. 請求項１において、燃焼排ガスの煙道上の全ての排ガス処理設備よりも下流側に排ガス冷却装置が設置され、さらに前記排ガス冷却装置の下流側に前記再循環ガス取入口が設置されていることを特徴とする火力発電プラント。
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