JP4017712B2

JP4017712B2 - 排熱回収ボイラの給水温度制御方法と装置

Info

Publication number: JP4017712B2
Application number: JP24554897A
Authority: JP
Inventors: 利則重中; 巖日下; 嘉悦磯田; 弘師吉崎; 耕一豊嶋; 淳夫河原
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1997-09-10
Filing date: 1997-09-10
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2017-09-10
Also published as: JPH1182913A

Description

【０００１】
【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Ｔ_S1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Ｔ_S1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Ｔ_S2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Ｔ_S1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Ｔ_S1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

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。