JP2532750B2 - 循環式流動層ボイラの再熱蒸気温度制御のためのシステムと方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は二段蒸気タービンと、流動層燃焼装置、少な
くとも１個のセパレータ及び再熱器と過熱器とを有する
ガス煙道を含む流動層燃焼システムを有する蒸気発生装
置とを含む動力装置に関する。

本発明は、また、流動層燃焼装置、少なくとも１個の
ホットセパレータ及びガス煙道内の再熱器を含む流動層
燃焼システムを有する蒸気発生装置において再熱器温度
を制御する方法に関する。

再熱蒸気温度を制御する幾つかの方法が現在知られて
いる。

再熱器温度を制御するための一方法は再熱器に対する
ガスバイパスのためのシステムの使用である。二つの分
離された煙道ガスパス（pass）がボイラの対流パス内に
設けられ（過熱器のための一つ及び再熱器のための一
つ）、各セクションに対する煙道ガス流の量を変えるた
めおのおのの下流にダンパのごとき手段が設けられる。
再熱器の出口蒸気温度は対流パスセクション間の煙道ガ
ス流の量を変えることによって制御され得る。このシス
テムの主たる欠点はダンパが比較的高い温度（260〜371
℃）のダストを含み、腐食と機械的故障を引き起こす煙
道ガス通路内に配置されることである。また、蒸気温度
制御範囲はこのタイプのシステムによれば制限される。
再熱器出口蒸気温度を制御する他の一方法は外部熱交
換器の使用による。この方法によれば、循環式流動層シ
ステム内の再循環固形物の一部分は外部に取付けられた
流動層熱交換器、即ち外部熱交換器（EHE）であってそ
の内部に再熱器の一セクションまたは全体が位置される
ものへ転向される。EHEへの固形物の流量を変えること
によって再熱器への熱交換の量及び再熱器出口蒸気温度
が制御される。このシステムの主たる欠点は固形物流量
制御弁が高保守部品でありそしてEHE内の再熱チューブ
面が腐食を免れ得ないことである。これはユニットの利
用可能性に影響を及ぼす。

また、米国特許第4748940号には、第１の再熱器加熱
面を循環式流動層燃焼装置の煙道ガス通路内に配置する
ことと、そしてこの第１再熱器に外部熱交換器（EHE）
内に配置された第２再熱器を結合することとが示されて
いる。調整可能のバイパス管路が再熱器加熱面に並列し
て結合される。再熱器の出口温度は外部熱交換器内の固
形物流れを制御することによってそしてバイパス管路に
よって２個の再熱器内の蒸気流れを制御することによっ
て制御される。

再熱器出口温度蒸気温度を制御するもう一つの方法
は、スプレー式過熱低減器の使用による。この方法は過
熱低減のために水をスプレーすることと、それにより再
熱器出口蒸気温度を制御することとを採用する。これは
簡単な方法であるが、それはサイクル効率を低下させる
から一般的には採用されない。

さらに他のもう一つの方法は過剰空気の使用による。
ボイラへ供給される過剰空気は再熱蒸気温度制御のため
に使用され得る。しかし、この方法はボイラ効率に対す
るその否定的な影響の故に歓迎されない。

さらに他のもう一つの方法はガス再循環の使用によ
る。この方法によれば、大量の煙道ガスが、定格再熱器
出口蒸気温度を得るために再循環される。しかし、この
方法は高温ダストを同伴するガスを取扱うためのガス再
循環ファンの使用を必要とし、そしてこの方法を不利に
する追加動力消費量を必要とする。

従って、本発明は再熱蒸気温度制御のための改良され
た方法及びシステムに指向される。

発明の適用及び目的 本発明の主たる目的は、循環式流動層ボイラにおいて
再熱器（出口）蒸気温度を制御するための改良されたシ
ステム及び方法を提供することである。

本発明の主たる局面に従って、流動層燃焼装置、少な
くとも１個のセパレータ及び煙道ガスパスに位置する再
熱器とを有する流動層燃焼システムを有する蒸気発生装
置は、 − 共通のガス煙道内に連続的に配置された再熱器の第
１段及び再熱器の第２段または最終段、 − タービンからの低温蒸気を選択的は第１及び第２の
部分に分割するとともに前記第１の部分を再熱器の第１
段を通じて導くための手段、及び − 前記第１と第２の部分とを再合流させるとともにそ
れらを再熱器の第２段を通じて導くための手段 とを有することを特徴とする。

好ましくは前記蒸気発生装置は再熱器の第２段または最
終段の温度を制御するための手段を有しそして低温蒸気
の選択部分を前記第１段の再熱器を迂回して前記第２段
または最終段の再熱器へ直接にバイパスするための手段
を有する。

本発明に従う方法は、 − 再熱器を第１段及び第２段または最終段の再熱器に
分割しそして再熱器の第１段及び第２段を共通のガス煙
道内に連続的に配置すること、 − 再熱器へ戻る低温蒸気を選択的な第１及び第２の部
分に分割しそして第１の部分を再熱器の第１段を通じて
導くこと、及び − 前記第１の部分と第２の部分とを再合流させそして
それらを再熱器の第２段または最終段を通じて導くこと
を含むことを特徴とする。

図面の簡単な説明 本発明の前記及びその他の目的及び利点は、添付図面
と一緒に検討されるとき以下述べる説明から明らかにな
るであろう。図面において： 第１図は本発明は実施する典型的な循環式流動層ボイ
ラシステムを図解する概略図である。

第２図は本発明の他の一実施例を図解する概略図であ
る。そして、 第３図は単一のタービンに結合された２個の典型的ボ
イラの配列を図解する概略図である。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図を参照すると、過熱器と再熱器とを有する典型
的な循環式流動層ボイラを実施する動力装置が本発明の
好ましい一実施例を組込むシステムと共に図示される。
全全体として数字10によって示されるボイラシステム
は、可燃性物質、不燃性物質、、恐らく添加物または再
循環物質、一次空気及び２次空気がそのなかに送られる
燃焼室14を有する流動層燃焼装置12を有する。燃焼室内
において、前記層は層物質の正しい在庫管理及び空気の
流れを有することによって流動化状態に維持される。燃
焼室は流動化空気がそれを通じて導入される格子状構造
を有する底16を設けられる。燃焼室壁は耐火カバーを有
するまたは有しないメンブレン型チューブ壁によって構
成されることが好ましい。

過熱器の第１及び第２の段階18及び22が燃焼室内に位
置される。燃焼室物質は燃焼室から複数の煙道22を通じ
てホットセパレータ24へ運搬され、そこにおいて固形物
は煙道ガスから分離されて粒子再循環システム26,28及
び30を通じて再循環のために燃焼室の底に戻される。こ
れら粒子は燃焼室への復帰に先立って流動層クーラーま
たは同様のものを通過させられる。

給水のための循環回路及び一次加熱器の細部はそれら
が本発明の必須部分を構成しないから図解されない。

前記ホットセパレータから煙道ガスは煙道32によって
対流パス（pass）34へ通過する。単段形過熱器38が対流
パス内に配置されまたは位置決めされ、再熱器40及び42
が過熱器38の下流においてエコノマイザ面44の上流に位
置される。再熱器は42が第１の段でありそして40が第２
または最終の段である２段式として図示されている。再
熱器は２個より多い段を有し得、その場合、最終段は40
と同じように過熱器38の直ぐ下流に位置される。これら
はガス流れ方向が下向きでありそして再熱蒸気流れ方向
が上向きである対向流形熱交換器として配列される。こ
のパス（pass）内への過熱器38の配置は、再熱器40への
ガス流の温度を臨界温度より低く保つのに役立つ。この
配列は後に説明されるであろうバイパス特徴と相侯って
再熱器セクション内における温度の独特且つ効果的な制
御を可能にする。

（対向流形熱交換器において）特定セクションを離れ
去る蒸気温度が該セクションに入るガス温度に近いと
き、該セクションへの蒸気流量を減じることは熱吸収を
相当減らす結果をもたらす。蒸気温度がガス温度に接近
するに従って、熱伝達のために利用され得る有効サーマ
ルヒート（thermal heat）は減じられる。このことは本
発明に従う再熱温度制御システムのために使用される原
理の基礎を提供する。

第１図に図解される発生システムは二段タービンに蒸
気を供給する。図解された配列において、過熱器38から
の蒸気は出口ヘッダ46と供給管路48とを経由して弁50を
通って高圧タービン（HPT）52の入口側へ流れる。ター
ビン52を離れ去る低温蒸気は、戻り管路53を通って再熱
器42及び40へ戻る。再熱器において、バイパス管路54は
55において前記戻り管路53と接続して低温蒸気の一部分
をバイパスし、蒸気の残り部分は差動制御弁56を通って
第１段再熱器42の入口ヘッダ58へ達する。

再熱器42を通過する蒸気はヘッダ60を経由して出て行
きそして62において前記低温蒸気のバイパス部分と再び
一緒になる即ち合流する。流量制御弁64がバイパス管路
54に設けられて第１段再熱器42の入口マニホルドとバイ
パス管路との間の流れを制御する。62において再び合流
した蒸気は第２段または最終段の再熱器40の入口ヘッダ
66内に流れ、再熱器40においてさらに加熱され、そして
出口ヘッダ68、供給管路70及び弁72を経由してタービン
（IPT）の第２段即ち低圧段へ流れる。バイパス管路54
と第１段の再熱器42との間の低温蒸気の選択的割当は、
再熱器段において効果的且つ効率的な温度制御手段を提
供する。

煙道ガス通路に沿う第１段再熱器42の位置は、低温再
熱蒸気の必要部分を直接に第２段再熱器40へバイパスす
ることが、第１段再熱器を離れ去る蒸気の温度を再熱器
チューブ材料の許容金属温度より高く増し得ないように
選択される。第１段再熱器材料がそれらの許容金属温度
を超えるのを防ぐようにリミットが決定される。566℃
の値が典型的リミットでありそして実設計条件に依存し
て変動する。本システムの目的は、最高チューブ外面温
度が、選択された材料の許容金属温度を超えないように
することである。

制御弁56及び64の配列は、制御可能性が蒸気温度制御
範囲の全体に亙って得られそして全再熱器面がボイラの
対流パス内に配置されることを許し、炉内再熱器面の必
要を無くするように選択される。これは、また、例えば
１個より多いボイラが共通タービンシステムに結合され
るとき簡単化された始動計画を実行可能にする。この配
列において、弁の組は様々の運転条件下における再熱蒸
気流均衡手段を提供する。

循環式流動層ボイラにおいては、燃焼は不活性物質の
流動層で起こる。燃焼装置を離れ去る流動層物質はホッ
トコレクタ（例えば、ホットサイクロン）によって好適
な密閉装置を通じて戻される。運転間、空気と燃料は燃
焼室14へ給送され、そこにおいて、層物質は空気及び層
物質の正しい流量を有することによって流動状態に維持
される。流動化空気は燃焼室の底16に在るグリッド状の
格子または構造を通じて導入される。煙道ガス及び燃焼
生成物は、残留していた固形物と一緒に、最初に過熱器
18及び20へ熱を伝達しそして煙道22を経由してホットセ
パレータ24内へ運搬され、前記セパレータにおいて固形
物は分離されそして再循環装置26,28及び30を通じて燃
焼室へ戻される。次いで、高温の煙道ガスはホットセパ
レータから煙道32を通じて対流パスセクションへ運搬さ
れ、そこには最終段過熱器38と再熱器段40,42が位置さ
れている。

説明されたシステムにおいては３個の過熱器段が配置
されており、それらは18,20及び38であり、そして38は
煙道ガス対流パスに在る。もし必要であれば、過熱低減
器（desuperheaters）が過熱器段の間に蒸気温度の制御
のために位置され得る。再熱器の２個の段40,42は、再
熱器出口蒸気温度の精密制御が可能であるように、制御
弁及び相互接続パイピングと共に対流パス34に位置され
る。パイピング系統はこの系統にパイプ53において再入
する低温蒸気がバイパス管路54とのその接続点55におい
て二つの流れに選択的に分割されるように構成される。
一方の流れは第１段再熱器へ進みそして入口ヘッダ58を
通じて分配される。他方の流れは弁64と入口ヘッダ66と
を経て第２段再熱器へ進む。蒸気の選択的分割は弁56及
び64によって達成される必要温度制御に比例する。

出口ヘッダ60から第１段再熱器を離れ去る高温蒸気
は、バイパス管路54を通る低温蒸気即ち流量制御弁64の
下り流れと混合され、そして混合された流れは入口ヘッ
ダ66を通って第２段再熱器に入る。第１段再熱器を通る
流れは２個の制御弁56及び64の適正な操作によって制御
され、それによって、今後は、第２段再熱器40を離れ去
る蒸気の温度が制御される。第２または最終段再熱器か
らの高温蒸気は高温再熱蒸気管路70によってタービンへ
戻るように導かれる。

差圧反応制御ユニット80は制御弁64のために利用され
得る圧力差を制御するための弁56の調整を制御する。制
御ユニット80は低温蒸気戻り管路53と、再熱器42の出口
とバイパス管路54との接続点62における出口圧力との間
の圧力差に反応する。これは第１図において破線84によ
って表される。制御ユニット80はボイラにおける負荷の
関数として弁56を制御するように設定される。

バイパス管路54上の弁64は温度反応制御ユニット82に
よって制御され、制御ユニット82は第２または最終段再
熱器40からの吐出し蒸気の温度に反応する。これは第１
図において破線86によって表される。図解実施例におい
て、一例として再熱器40の温度は約538℃±10℃の限界
内に維持される。再熱器40を離れ去る蒸気の温度が上昇
し始めてて543℃を超えるとき、弁64は開かれて追加低
温蒸気を直接に再熱器40へバイパスする。温度が下降し
始めて532℃より低くなるとき、弁64は閉じられて第２
段40へのバイパス低温蒸気の流量を減じる。

第２図においては、第１図と同じシステムであるが過
熱器38が再熱器40と42との間に位置されるものが開示さ
れる。単段形過熱器38は対流パスに配置され、第２段再
熱器40は過熱器の上流に位置され、そして第１段再熱器
42は過熱器の下流に位置される。エコノマイザ44は過熱
器38の下流に位置される。これは第１図に示されたそれ
とは対照的である。過熱器38の上流における第２段再熱
器40の配置はそれがより低い負荷でより多くの熱を吸収
することを可能にする。このことはそれにその蒸気温度
制御範囲を拡張する可能性を付与し、一方、過熱器制御
範囲に対するその影響はあるにしても微々たるものであ
る、再熱蒸気温度制御範囲の前記のごとき可能性の拡張
は温度整合能力に関して１タービンに対する２ユニット
の結合をより容易に強化する。

第２段再熱器40が過熱器38の上流に位置される本配列
は、再熱器段における温度に関しより大きい制御をも提
供する。いまやガスはそれが過熱器38を通過する以前に
再熱器40を通過するから、それはボイラの特定の負荷に
関するまで再熱器40のための臨界温度より低くない。従
って、過熱器38がそのパス（pass）において再熱器40の
後に在るときは、ガス温度が再熱器40のための臨界温度
よりも低いのは約25％〜30％の負荷が到達される後まで
であるに過ぎない。この時点において、低温蒸気がこの
発明に従って温度の制御のために使用可能である。もし
より高い負荷点が要求されるならば、チューブ金属材料
は約35％〜40％の最高負荷を許すように等級を上げられ
得る。ユニットが25％〜約40％の負荷であるときまで再
熱器を通る流れを必要としないというこの点が本発明の
もう一つの利点である。

第３図を参照すると、第１図と同じであるが複式ボイ
ラを有するシステムが開示される。このシステムにおい
ては、第１のボイラ装置の構成要素は第１図と同じ参照
数字によって確認され、第２のボイラ装置はプライム記
号を付された同じ数字によって確認される。従って、こ
の機構においては、２個のボイラが単一タービンに蒸気
を供給するボイラタービンシステムが開示される。この
タイプのシステムのために必要とされる一つの本質的特
徴は、再熱器出口における蒸気温度がすべての可能運転
条件において限度内に維持されるように、各ボイラへの
再熱蒸気量を制御する手段が設けられることである。図
解されたシステムにおいては、複式制御手段及びパイピ
ングが２個のボイラのために設けられる。

再熱蒸気温度制御のための制御弁56および64は、正常
及び異常運転条件下で流量の均衡を保ち且つ再熱器出口
温度を限度内に維持するために使用され得る。この配列
において、減圧弁80及び82は、過熱低減器76及び78と共
に、低温始動間、高温始動間及び第１のユニットの稼働
間に第２のユニットを始動させるとき融通性を用意す
る。この簡単なシステムは精巧な蒸気混合システムの必
要性を無くする。それは変動する負荷条件下において再
熱出口蒸気温度制御のための簡単で効果的なシステムと
方法とを提供する。

運転時、コールドスタートから、燃焼は燃料及び空気
を導入された燃焼室14内で始められる。燃焼の結果とし
て熱が発生されるに従って、高温の燃焼ガスが燃焼室内
で上方へ運動して燃焼室壁内の水へそして過熱器18及び
20へ熱を伝達する。高温ガス、燃焼生成物及び固形物は
燃焼室から煙道22に沿ってホットセパレータ24内へ入
り、そこにおいて固形物は燃焼室へ戻るために分離され
る。高温の煙道ガスは煙道32に沿って対流パス34内に入
り、そこにおいて熱は過熱器38、第２または最終段再熱
器及び第１段再熱器42に順次に伝達される。システムを
通る高温ガスの流れは低温蒸気の流れに先立って始ま
る。ボイラが焚かれそして燃料が高温ガスを提供する時
間間隔に亙って燃えた後、蒸気が発生されそしてタービ
ンを始動させる。

高温ガスがそれらの熱を水壁内の水と蒸気とに伝達す
るに従って、過熱器及び再熱器内において、熱が低下し
従ってそれは各連続段においてより低い。最大負荷にお
いて燃焼室出口を離れ去るガスの温度は843〜927℃の範
囲であることが注目されるべきである。ガスと水との温
度差が大きいほど、熱伝達はより大きく、そしてガスが
各過熱器から通過するときその温度はより低い。

従って、ガスが過熱器38を通過するとき、それはボイ
ラの特定温度に達するまでは再熱器40の臨界温度より低
いであろう。従って、過熱器38がガスパスにおいて再熱
器の前方に在るときは、ガス温度は約40％〜50％の負荷
が到達される後までは再熱器40の臨界温度より低い。こ
の時点において低温蒸気が本発明に従う温度の制御のた
めに利用され得る。ユニットが50％負荷になるまでは再
熱器を通る流れを必要としないというこの点が本発明の
他の一利点である。ほとんどの標準システムは、過熱に
よる消損を防止するために、始動（高温または常温）の
初期段階間は再熱器を通る流れを必要とする。従って、
高価なバイパスシステムが使用されなくてはならない。
しかし、このシステムの物理的設計によって、バイパス
は必要とされず、そしてシステム始動時間は短縮され得
る。

その他の修正及び変更が前述の開示において可能であ
り、そして或る場合においては、若干の特徴はその他の
特徴を対応的に使用することなしに使用され得る。従っ
て、本発明は特定の実施例に関連して図解されそして説
明したが、別添請求の範囲において限定されるごとき本
発明の精神及び範囲から逸脱することなしに多くの変更
及び修正がそれにおいて施され得ることが理解さるべき
である。

フロントページの続き (72)発明者 ラスキン，ネイル，アール. アメリカ合衆国92009カリフォルニア州 カールスバッド，マスロ レーン 7322 (56)参考文献 特開 昭58−164903（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−219603（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−151743（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−175504（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4473032（ＵＳ，Ａ)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二段蒸気タービンと、蒸気発生装置とを有
   し、該蒸気発生装置が流動層燃焼装置（12）、少なくと
   も１個のセパレータ（24）、連続的に配置された少なく
   とも再熱器の第１段及び第２段または最終段と過熱器
   （38）を有する流動層燃焼システムとを有する動力装置
   において、前記蒸気発生装置が、 共通のガス煙道（34）内に連続的に配置された再熱器の
   第１段（42）及び再熱器の第２段または最終段（40）
   と、 タービン（52）からの低温蒸気を選択的な第１及び第２
   の部分に分割するとともに前記第１の部分を再熱器の第
   １段（42）を通じて導くための手段（54,64）と、 前記第１と第２の部分を再合流させそしてそれらを再熱
   器の第２段（40）を通じて導くための手段（62）と、 再熱器の第１段（42）の入口に位置し、該再熱器の第１
   段の出口蒸気圧力と前記低温蒸気の圧力との差に応答す
   る少なくとも１つの圧力制御弁（56）とを有することを
   特徴とする動力装置。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項による動力装置におい
   て、前記低温蒸気を分割する手段（54,64）が、タービ
   ンからの低温蒸気の選択された部分を再熱器の第１段
   （42）を迂回して再熱器の第２段または最終段（40）に
   直接にバイパスするための、少なくとも１個の流量制御
   弁（64）を備えたバイパス管路（54）を有することを特
   徴とする動力装置。
3. 【請求項３】流動層燃焼装置、少なくとも１個のホット
   セパレータ及び再熱器を有する流動層燃焼システムを有
   する蒸気発生装置における再熱器温度を制御する方法に
   おいて、該方法が、 再熱器を第１及び第２または再終段の再熱器に分割しそ
   して再熱器の第１及び第２段を共通のガス煙道内に連続
   的に配置することと、 再熱器へ戻る低温蒸気を選択的な第１及び第２の部分に
   分割しそして第１の部分を再熱器の第１段を通じて導く
   ことと、 前記第１の部分と第２の部分とを再合流させそしてそれ
   らを再熱器の第２段または最終段を通じて導くことと、 低温蒸気を第１及び第２の部分に分割するために、低温
   蒸気の圧力と再熱器の第１段の出口蒸気圧力との差圧を
   制御すること とを有することを特徴とする蒸気発生装置における再熱
   器温度を制御する方法。
4. 【請求項４】請求の範囲第３項による方法において、分
   割された低温蒸気の第２の部分が、再熱器の第１段の入
   口と出口との間に延びるバイパス管路を通じて導かれる
   ことを特徴とする蒸気発生装置における再熱器温度を制
   御する方法。
5. 【請求項５】請求の範囲第３項による方法において、温
   度に反応して低温蒸気を第１及び第２の部分に分割する
   ために、再熱器の第２段または最終段の蒸気温度を制御
   することを特徴とする蒸気発生装置における再熱器温度
   を制御する方法。