JP4017712B2 - 排熱回収ボイラの給水温度制御方法と装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合発電プラントにおける排熱回収ボイラの給水温度制御方法と装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
高効率発電および中間負荷運用に最適なプラントとして、複合発電プラントがある。このプラントは、ガスタービンにより発電を行うとともに、このガスタービンから排出される排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラを備え、排熱回収ボイラにおいて発生した蒸気で蒸気タービンを駆動して発電するものである。このような排熱回収ボイラを図面により説明する。
【0003】
図7は従来の複合発電プラントの系統図である。ガスタービン1により発電機2を駆動し、またガスタービン(GT)1の排ガスGは排熱回収ボイラ(HRSG)3に導入されて、その熱は回収される。排熱回収ボイラ3のガス流路内には高温側から低温側に順次、過熱器4、高圧蒸発器5、高圧節炭器6、低圧蒸発器7及び低圧節炭器8が配置され、また、ガス流路外には低圧ドラム9、高圧ドラム10等が配置されている。そして排熱回収ボイラ3への給水は最終的に過熱器4から蒸気として排出され、発電機2に連結されている蒸気タービン12の駆動に利用される。
【0004】
蒸気タービン12で利用された蒸気は復水器13で復水され、復水器13の水は復水ポンプ14により給水流路19から低圧節炭器8に給水される。低圧節炭器8の出口の加熱された給水は高圧給水ポンプ15により高圧節炭器6に導かれると共に循環給水流路20を通って低圧節炭器8への給水Wに混合される。低圧節炭器8の入口の給水温度TS1は温度検出器17で検出され、温度・流量制御器18により給水流路19に設けられた給水流量検出器21での給水流量に基づき低圧節炭器8の出口の加熱された給水の低圧節炭器8への循環給水流路20に設けられる流量調整弁16の開度を調整する。
【0005】
上記構成からなる複合発電プラントの低圧節炭器8の出口の給水をその入口の給水に混合する理由について説明する。
最近の複合発電プラントにおいては、設備費の低減、系統の簡素化等の理由から脱気器の設置を省略し、復水器13に脱気機能を持たせた復水器脱気方法が採用されている。この方式の場合、ボイラ3の低圧節炭器8の入口の給水温度TS1は約30℃と低温であるので、そのままの温度で低圧節炭器8へ給水されると低圧節炭器8で低温腐食が生じる。この対策として、図示のように低圧節炭器8の出口の加熱された給水を高圧給水ポンプ15を介してボイラ給水W(低圧節炭器8の入口の給水)と混合して低温腐食が生じない温度まで昇温させる手段が採用されている。そして、その温度は定格運転時に低温腐食が生じない温度である約50℃に設定され、この温度は温度検出器17で検出された温度と循環給水流路20との合流部上流側の給水流路19に設けられた給水流量検出器21での給水流量に基づき温度・流量制御器18により流量調整弁16を制御することにより一定に保持されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来、上記ボイラ給水W(低圧節炭器8の入口の給水)を昇温させる低温腐食防止温度は起動時から所定の負荷、例えば最低負荷である20〜30%になるまでの間、一定値(約50℃)に設定されている。
【0007】
ところが、ボイラ起動時には排熱回収ボイラに導入される排ガス温度が低いために低圧節炭器8での熱回収量が少なく、低圧節炭器8出口の給水温度TS2が低く、該温度が約50℃以下の場合には、低圧節炭器8入口の給水温度TS1を設定温度(約50℃)まで昇温させることは不可能であり、起動時に低圧節炭器8で排ガス中の水蒸気が結露することは避けられず(水蒸気からの結露所要時間はボイラ起動時から約1時間である)、この結露水は低圧節炭器8入口の給水温度TS1が約50℃に上昇した後も、蒸発完了するまでには長時間(約3時間以上)を要することから、起動と停止を繰り返す運用の多い排熱回収ボイラでは低圧節炭器8の伝熱管が低温腐食するという欠点が生じていた。
【0008】
本発明の課題は、上記従来技術の欠点を除き、ボイラ起動時において低圧節炭器での結露水を短時間で蒸発させることにより低圧節炭器の低温腐食を減少させることができる排熱回収ボイラの給水温度制御方法と装置を提供することにある。
【0009】
【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に次のような構成を採用した。
すなわち、請求項1記載の発明は、ガスタービン(1)からの排ガスが導入されるガス流路(3)内に設けた低圧節炭器(8)の入口に蒸気タービン(12)で利用された蒸気を復水器(13)で復水した後に給水として供給し、前記排ガスからの熱回収により前記低圧節炭器(8)で加熱された給水の一部を低圧節炭器(8)の出口から循環給水流路(20)を経由して低圧節炭器(8)の入口にのみ再循環させて、低圧節炭器(8)の入口給水と混合させることにより低圧節炭器(8)の入口給水温度を制御する排熱回収ボイラの給水温度制御方法であって、前記低圧節炭器(8)の入口給水温度の制御温度を低圧節炭器(8)の低温腐食防止温度および結露水を蒸発させるのに十分な温度である所定の高温側と低圧節炭器(8)の低温腐食防止温度である所定の低温側に設定し、ガスタービン(1)を起動した後のボイラ起動初期に、ボイラ負荷信号、ボイラ負荷信号と相関関係のある物理量または低圧節炭器(8)の入口の給水量が所定値になるまで、前記低圧節炭器(8)の入口へ再循環させる給水の流量を増加させることにより低圧節炭器(8)の入口の給水の所定温度を前記高温側温度に制御して低圧節炭器(8)の結露水を蒸発させ、その後、ボイラ負荷信号、ボイラ負荷信号と相関関係のある物理量または低圧節炭器(8)の入口の給水量が所定値になると、低圧節炭器(8)の入口へ再循環させる給水の流量を減少させて低圧節炭器(8)の入口の給水の所定温度を前記低温側温度に制御する排熱回収ボイラの給水温度制御方法である。
【0010】
請求項2記載の発明は、 ガスタービン(1)からの排ガスが導入されるガス流路(3)内に設けた低圧節炭器(8)の入口に蒸気タービン(12)で利用された蒸気を復水器(13)で復水した後に給水として供給する給水系統(19)と、前記排ガスからの熱回収により前記低圧節炭器(8)で加熱された給水の一部を低圧節炭器(8)の出口から低圧節炭器(8)の入口にのみ再循環させる循環給水系統(20)と、該再循環水系統(20)への再循環水流量を調整する再循環流量調整手段(16)とを備えた排熱回収ボイラであって、
低圧節炭器(8)の入口の給水温度検出手段(17)と、低圧節炭器(8)の入口の給水流量検出手段(21)と、ボイラ負荷値またはボイラ負荷値と相関関係のある物理量の検出手段と、前記低圧節炭器(8)の入口給水温度の制御温度を低圧節炭器(8)の低温腐食防止温度および結露水を蒸発させるのに十分な温度である所定の高温側と低圧節炭器(8)の低温腐食防止温度である所定の低温側に設定し、ガスタービン(1)を起動した後のボイラ起動初期に、前記ボイラ負荷値またはボイラ負荷値と相関関係のある物理量の検出手段または低圧節炭器(8)の入口の給水流量検出手段(21)の検出値が所定値になるまで、再循環流量調整手段(16)により前記低圧節炭器(8)の入口へ再循環させる給水の流量を増加させることにより、低圧節炭器(8)の入口の給水の所定温度を前記高温側温度に制御して低圧節炭器(8)の結露水を蒸発させ、その後、ボイラ負荷信号、ボイラ負荷信号と相関関係のある物理量または低圧節炭器(8)の入口の給水量が所定値になると、低圧節炭器(8)の入口へ再循環させる給水の流量を減少させて低圧節炭器(8)の入口の給水の所定温度を前記低温側温度に制御する再循環流量制御装置(18)とを備えた排熱回収ボイラの給水温度制御装置である。
【0013】
本発明は脱気器の設置を省略していない方式の排熱回収ボイラにも適用できる。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明を以下の実施の形態に基づいて説明する。
本発明が適用される複合発電プラントの系統図は図7に示すものと同一であるが、温度・流量制御器18の構成は従来技術のそれとは異なり、図1に本発明の温度・流量制御器18の構成を従来技術のそれと共に示す。
【0015】
従来技術における温度・流量制御器18の構成は、高圧給水ポンプ15の起動と共に低圧節炭器8の入口給水温度が50℃になるように流量調整弁16の開度を制御する構成であったが、本発明では負荷の大きさにより低圧節炭器8の入口給水温度を比較的高温側の温度と比較的低温側の温度の2種類に設定するものである。
【0016】
図1〜図4に示す例では、比較的高温側の給水温度を80℃とし、比較的低温側の温度を50℃に設定している。前記高温側の給水温度を80℃に設定した理由は図3に示すように、80℃以上であれば、低圧節炭器8の伝熱管への排ガス中の水分の結露水の蒸発完了時間の差異が小さいためであり、また90〜100℃に設定すると、それだけ低圧節炭器8入口への循環給水流路20からの再循環流量が増加し、高圧給水ポンプ15の容量をオーバーするか、容量の大きい高圧給水ポンプ15を用いる必要がある。 また、低圧節炭器8入口給水温度を80℃に設定することで、一旦、結露した水分の気化熱も十分供給できる。
【0017】
また、低圧節炭器8の入口給水温度を50℃に設定した理由はガスタービン1の負荷が100%負荷であっても排ガス中の水分の露点温度が約45℃であるので、露点温度以上の50℃に設定することで節炭器8の低温腐食が生じないためである。
【0018】
ボイラ3の起動時、すなわちガスタービン(GT)1の起動時の以降の低圧節炭器8出口給水温度と入口給水温度の時間変化特性をそれぞれそ図2(a)と図2(b)に示す。また、図2(c)にはボイラ負荷とガスタービン回転数とボイラに導入されるガス量及びボイラ出口ガス温度の時間変化を示す。
【0019】
ボイラ起動初期においては、排ガス温度が低いので、節炭器8での熱回収量が少なく、低圧節炭器8出口の給水温度は50℃以下の温度となっており、当然のことながら、低圧節炭器8入口の給水温度も50℃以下である。従って、この場合は図2に示す露点温度以下となっていることから、低圧節炭器8で排ガス中の水分が結露することになる。従来は、低圧節炭器8出口給水温度が上昇するに伴って低圧節炭器8入口への再循環流量を流量調整弁16により調整しながら、低圧節炭器8入口給水温度を50℃に制御していた。
【0020】
なお、図2(b)において、ボイラ負荷を上げて行くと露点温度も上昇しているが、これはボイラ負荷を上げて行くことによりガスタービンの燃料燃焼量が増加し、燃料燃焼量が増加すると排ガス中の水分量も増加し、その露点温度も上昇するためである。
【0021】
また、図2によると、従来技術では低圧節炭器8出口給水温度が150℃になってしばらく経過した後に、始めて結露した水分が蒸発完了することになっているが、これは、この間に温度の低い節炭器8の給水入口部付近の局所的な部分に存在する結露水が蒸発するためである。
【0022】
図3は給水温度と結露水の蒸発完了時間の関係を示すが、従来技術のように給水温度を50℃に設定したままだと、起動時に生成した結露水が蒸発完了するまで約3時間を要することが分かるが、本発明のようにボイラ起動時から低圧節炭器8入口の給水温度を一旦80℃まで上昇させておくと、80℃における結露水の蒸発完了時間は0.15時間で良いことがわかる。
【0023】
本発明の一実施の形態では図2に示すように、ボイラ起動時から流量調整弁16の開度調整により低圧節炭器8への給水の再循環流量を増加させることによって、低圧節炭器8入口の給水温度を一旦80℃まで上昇させ、80℃における結露水の蒸発完了のために、この温度を0.15時間以上維持し、その後、低圧節炭器8入口の給水温度を所定の50℃に維持する制御に戻すものである。
【0024】
ここで、低圧節炭器8入口の給水温度が80℃になる時のボイラ負荷(ガスタービン1の負荷信号による)の値はβに対応するので、ボイラ起動時から流量調整弁16の開度調整により低圧節炭器8への給水の再循環流量を増加させて、ボイラ負荷βに達してから0.15時間以上にわたり前記給水の再循環流量を維持することで、前記結露水の蒸発を完了させることもできる。
また、ボイラ負荷βの代わりに、低圧節炭器8入口へ給水量Wまたはボイラ負荷βと相関関係のある高圧または低圧の蒸気流量または高圧主蒸気温度を用いることも可能である。
【0025】
本発明と従来技術を結露水の生成とその蒸発完了までの節炭器8の湿潤時間(結露時間+その蒸発完了時間)で比較すると、本発明の場合は湿潤時間は結露時間1時間とその蒸発完了時間0.15時間の合計1.15時間であるのに対して従来技術の場合は湿潤時間は結露時間1時間とその蒸発完了時間3時間の合計4時間である。
【0026】
したがって、本発明は従来技術に比べて約30%の湿潤時間の短縮になり、これにより低温腐食に対する低圧節炭器8の寿命が約3倍になる。これは腐食代として従来は3mmの鋼材を使用していたものを本発明では1mmのものを使用でき、節炭器8の伝熱管の肉厚を薄くすることができる効果もある。
【0027】
また、排ガス条件や複合発電プラントの違いにより前記蒸発完了時間0.15時間は一義的には決定できないが、排熱回収ボイラ3の排ガス温度が100℃程度であれば、給水温度50℃の低圧節炭器8の伝熱管の表面に付着した結露水が0.15時間で蒸発完了するので、ガス温度が100℃以上であれば、前記蒸発完了時間は0.15時間より短くなる。
【0028】
ここで、低圧節炭器8入口側への再循環流量を増加させて所定温度(80℃)にした後、所定温度(50℃)の通常の制御に戻すタイミングとしては、温度・流量制御器18を図4に示すようにボイラ負荷αまたは低圧節炭器8入口の給水量Wによって低圧節炭器8入口の給水温度の設定値を変化させる方法を用いることができる。
【0029】
図2(b)、図2(c)から分かるように、この場合のボイラ負荷が起動時から所定値α(α>β)になるまでの間は、低圧節炭器8入口部における結露水の蒸発は完了している。
【0030】
また、図5に示すようにボイラ負荷αまたは低圧節炭器8入口の給水量Wによって流量調整弁16の開度を2種類に分けて低圧節炭器8入口への給水再循環流量を調整する方法がある。
図5に示す方法はボイラ起動時からボイラ負荷が所定値α以下の間は、流量調整弁16には低圧節炭器8の入口給水温度が所定温度(80℃)になるように所定の開度を維持させ、その後は低圧節炭器8入口の給水温度が所定の値(50℃)になるように通常の流量調整弁16の開度制御に戻すものである。
【0031】
また、図4および図5のボイラ負荷αまたは低圧節炭器8入口へ給水量Wの代わりに、ボイラ負荷αと相関関係のある高圧または低圧の蒸気流量または高圧主蒸気温度を用いることも可能である。
【0032】
上記各例ではボイラ起動時からの制御について述べたが、本発明はボイラ起動時に限らず、ボイラ負荷が低下して低圧節炭器8の排ガス入口部分が低温腐食のおそれがある場合にも適用できる。
なお、図1は高圧と低圧ドラムを有する二重圧の排熱回収ボイラを例にとって説明したが、当然のことながら、一重圧または三重圧の場合にも適用可能である。
【0033】
また、流量調整弁16の開度により低圧節炭器8入口への給水再循環流量を調整する方法に代えて図6に示すように可変流量ポンプ22を用いて低圧節炭器8入口への給水再循環流量を調整する制御を行っても良い。
【0034】
【発明の効果】
本発明は通常のボイラへの給水状態において行うものであり、ガスタービンを起動後に、急角度で立ち上げることができ、かつ低圧節炭器の伝熱管の低温腐蝕を大幅に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明と従来技術が適用される排熱回収ボイラの起動時の以降の低圧節炭器入口の温度・流量制御器の操作を説明する図である。
【図2】 本発明が適用される排熱回収ボイラの起動時の以降の低圧節炭器出口給水温度の時間変化特性(図2(a))と低圧節炭器入口給水温度の時間変化特性(図2(b))であり、図2(c)はボイラ負荷とガスタービン回転数とボイラに導入されるガス量、ボイラ出口ガス温度の時間変化を示す図である。
【図3】 本発明が適用される排熱回収ボイラの節炭器への給水温度と結露水の蒸発完了時間の関係を示す図である。
【図4】 本発明が適用される排熱回収ボイラの負荷または給水量によって低圧節炭器入口の給水温度の設定値を変化させる方法を示す図である。
【図5】 本発明が適用される排熱回収ボイラの負荷または給水量によって流量調整弁の開度を規定する方法を示す図である。
【図6】 本発明が適用される複合発電プラントの系統図である。
【図7】 本発明が適用される複合発電プラントの系統図である。
【符号の説明】
1 ガスタービン 2 発電機
3 排熱回収ボイラ 4 過熱器
5 高圧蒸発器 6 高圧節炭器
7 低圧蒸発器 8 低圧節炭器
9 低圧ドラム 10 高圧ドラム
12 蒸気タービン 13 復水器
14 復水ポンプ 15 高圧給水ポンプ
16 流量調整弁 17 低圧節炭器入口給水温度検出器
18 温度・流量制御器 19 給水流路
20 循環給水流路 21 給水流量検出器
22 可変流量ポンプ
Claims (2)
- ガスタービン(1)からの排ガスが導入されるガス流路(3)内に設けた低圧節炭器(8)の入口に蒸気タービン(12)で利用された蒸気を復水器(13)で復水した後に給水として供給し、前記排ガスからの熱回収により前記低圧節炭器(8)で加熱された給水の一部を低圧節炭器(8)の出口から循環給水流路(20)を経由して低圧節炭器(8)の入口にのみ再循環させて、低圧節炭器(8)の入口給水と混合させることにより低圧節炭器(8)の入口給水温度を制御する排熱回収ボイラの給水温度制御方法であって、
前記低圧節炭器(8)の入口給水温度の制御温度を低圧節炭器(8)の低温腐食防止温度および結露水を蒸発させるのに十分な温度である所定の高温側と低圧節炭器(8)の低温腐食防止温度である所定の低温側に設定し、
ガスタービン(1)を起動した後のボイラ起動初期に、ボイラ負荷信号、ボイラ負荷信号と相関関係のある物理量または低圧節炭器(8)の入口の給水量が所定値になるまで、前記低圧節炭器(8)の入口へ再循環させる給水の流量を増加させることにより低圧節炭器(8)の入口の給水の所定温度を前記高温側温度に制御して低圧節炭器(8)の結露水を蒸発させ、その後、ボイラ負荷信号、ボイラ負荷信号と相関関係のある物理量または低圧節炭器(8)の入口の給水量が所定値になると、低圧節炭器(8)の入口へ再循環させる給水の流量を減少させて低圧節炭器(8)の入口の給水の所定温度を前記低温側温度に制御する
ことを特徴とする排熱回収ボイラの給水温度制御方法。 - ガスタービン(1)からの排ガスが導入されるガス流路(3)内に設けた低圧節炭器(8)の入口に蒸気タービン(12)で利用された蒸気を復水器(13)で復水した後に給水として供給する給水系統(19)と、前記排ガスからの熱回収により前記低圧節炭器(8)で加熱された給水の一部を低圧節炭器(8)の出口から低圧節炭器(8)の入口にのみ再循環させる循環給水系統(20)と、該再循環水系統(20)への再循環水流量を調整する再循環流量調整手段(16)とを備えた排熱回収ボイラであって、
低圧節炭器(8)の入口の給水温度検出手段(17)と、
低圧節炭器(8)の入口の給水流量検出手段(21)と、
ボイラ負荷値またはボイラ負荷値と相関関係のある物理量の検出手段と、
前記低圧節炭器(8)の入口給水温度の制御温度を低圧節炭器(8)の低温腐食防止温度および結露水を蒸発させるのに十分な温度である所定の高温側と低圧節炭器(8)の低温腐食防止温度である所定の低温側に設定し、ガスタービン(1)を起動した後のボイラ起動初期に、前記ボイラ負荷値またはボイラ負荷値と相関関係のある物理量の検出手段または低圧節炭器(8)の入口の給水流量検出手段(21)の検出値が所定値になるまで、再循環流量調整手段(16)により前記低圧節炭器(8)の入口へ再循環させる給水の流量を増加させることにより、低圧節炭器(8)の入口の給水の所定温度を前記高温側温度に制御して低圧節炭器(8)の結露水を蒸発させ、その後、ボイラ負荷信号、ボイラ負荷信号と相関関係のある物理量または低圧節炭器(8)の入口の給水量が所定値になると、低圧節炭器(8)の入口へ再循環させる給水の流量を減少させて低圧節炭器(8)の入口の給水の所定温度を前記低温側温度に制御する再循環流量制御装置(18)と
を備えたことを特徴とする排熱回収ボイラの給水温度制御装置。
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JP2708406B2 (ja) | 火力発電プラントの起動制御方法 |
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