JP4404259B2 - 助燃バーナ付き排熱回収ボイラとその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、助燃バーナ付きの排熱回収ボイラに係り、特に助燃バーナに発熱量が低い燃料を用いるのに好適な助燃バーナ付き排熱回収ボイラとその運転方法に関する。

ガスタービン（ＧＴ）からの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラ（以下、ＨＲＳＧということがある。）において、その入口ダクト部に助燃バーナを設け、その燃焼熱によりＨＲＳＧにおける蒸発量を増大させる形式が採られることがある。これは主に、夏場、気温が高くガスタービン出力が低下するときに、ＨＲＳＧで発生した蒸気を用いる蒸気タービン（ＳＴ）の出力を増大させ、コンバインドサイクル発電全体としての出力を保持することを目的とする。

図７には従来技術の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの一部内部を示す側面図を示し、図８には図７の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの平面図を示す。
排ガスは、図示しないガスタービンより排ガスダクト２の入口ダクト３を通り、ボイラ本体７へ送られる。ボイラ本体７において伝熱管群１３〜１５から成る熱交換器（節炭器、蒸発器、再熱器、過熱器など）により排ガスの熱エネルギーを回収し、水から蒸気を発生させる。ボイラ本体７で熱回収された排ガスは、出口ダクト８を通り、煙突９より大気へ放出される。前記得られた蒸気は蒸気タービンに利用される。

図７に示すボイラ本体７には、入口ダクト３内に助燃バーナ４を設け、ボイラ本体７のガス最上流部に蒸発器１３を設けている例を示している。ここで、ガスタービンを出た排ガスの温度は約６００℃程度であるが、ボイラ本体７で要求される蒸発量に応じて助燃バーナ４へ燃料を供給し、その燃焼熱によってガスタービンからの排ガスを昇温する。なお、助燃バーナ４の点火時にはイグナイタを用いて着火させ、所定の温度に達した後は、燃料を供給し続けることで燃焼を保持する。
特開２００１−８２１１０号公報

ガスタービンが一定の出力で運転され、排ガスの温度と流量が一定である場合には、助燃バーナ４からの入熱量は、要求される蒸発量（蒸気タービン出力要求）によって決まる。これに伴って助燃バーナ４へ供給する燃料の流量を加減するため、上記した従来技術では、要求される蒸発量と独立に助燃後の燃焼室Ｒ（助燃バーナ４の後流側の入口ダクト３内の空間）における排ガス温度を制御することはできない。

ここで高炉ガス（ＢＦＧ）等のカロリー（発熱量）の低い燃料を助燃用の燃料として燃焼させる場合、その点火時にはイグナイタを用いて気相燃焼させるが、連続運転時には燃焼室Ｒの温度を所定のガス温度以上に保持して燃焼性を良好に保つ必要がある。具体的には燃焼室Ｒのガス温度を約８５０℃以上に保持する必要がある。

従って、上記従来技術では、蒸気タービンの出力要求が低下したとき等には、燃焼室Ｒの温度を所定のガス温度以上に保持できなくなり、高炉ガスの燃焼が不安定となったり、失火するという問題があった。

本発明の課題は、蒸気タービンの出力要求が低下したときでも燃焼室の温度を所定のガス温度以上に保持して高炉ガスの燃焼が不安定にならないようにした助燃バーナ付き排熱回収ボイラとその運転方法を提供することである。

請求項１記載の発明は、ガスタービンからの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる複数の熱交換器（伝熱管群）を排ガス流路内に配置し、前記熱交換器（伝熱管群）を配置した排ガス流路（２）の前流側の入口ダクト部に高炉ガスを燃料として用いる助燃バーナ（４）を配置した助燃バーナ付き排熱回収ボイラにおいて、前記排ガス流路（２）を迂回して、前記助燃バーナ（４）の前流側の排ガス流路（２）から分岐し、前記複数の熱交換器（伝熱管群）の中の最上流側の熱交換器（１３）の後流側の排ガス流路（２）に接続したバイパス流路（１０）を設け、前記排ガス流路内の助燃バーナ配置部位の前流側と前記バイパス流路内の少なくともいずれか又は前記排ガス流路（２）とバイパス流路（１０）との分岐部にガス流量配分調整手段（１１ａ及び１１ｂ）を設け、前記排ガス流路内の助燃バーナ配置部位の後流側であって、前記複数の熱交換器（伝熱管群）の中の最上流側の熱交換器（１３）の前流側（燃焼室）に温度計測手段（６ａ）を設け、更に、前記温度計測手段（６ａ）で計測される温度が一定値以上である場合は、該温度計測手段（６ａ）が設けられた排ガス流路（２）のガス流量を前記温度が一定値以上である時点のガス流量から増大させると共に、バイパス流路（１０）のガス流量を前記温度が一定値以上である時点のガス流量から低減させるように前記ガス流量配分調整手段（１１ａ及び１１ｂ）を調整し、前記温度計測手段（６ａ）で計測される温度が一定値未満である場合は、温度計測手段（６ａ）が設けられた排ガス流路（２）のガス流量を前記温度が一定値未満である時点のガス流量から低減させると共に、バイパス流路（１０）のガス流量を前記温度が一定値未満である時点のガス流量から増大させるように前記ガス流量配分調整手段（１１ａ及び１１ｂ）を調整する制御を行う制御装置を設けた助燃バーナ付き排熱回収ボイラである。

請求項２記載の発明は、前記バイパス流路（１０）からの分岐排ガスを前記排ガス流路（２）に導入する接続部に前記両方の流路のガスを混合する１以上のミキシング部材（１７）を設けた請求項１記載の助燃バーナ付き排熱回収ボイラである。

請求項３記載の発明は、各ミキシング部材（１７）とバイパス流路（１０）との連絡部にガス流量配分調整手段を設け、前記ミキシング部材（１７）の後流側の排ガス流路内に温度計測手段（６ｂ）を設けた請求項２記載の助燃バーナ付き排熱回収ボイラである。

請求項４記載の発明は、ガスタービンからの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる複数の熱交換器（伝熱管群）を排ガス流路内に配置し、前記熱交換器（伝熱管群）を配置した排ガス流路（２）の前流側の入口ダクト部に高炉ガスを燃料として用いる助燃バーナ（４）を配置し、前記排ガス流路（２）を迂回して、前記助燃バーナ（４）の前流側の排ガス流路（２）から分岐し、前記複数の熱交換器（伝熱管群）の中の最上流側の熱交換器（１３）の後流側の排ガス流路（２）に接続したバイパス流路（１０）を設け、前記排ガス流路内の助燃バーナ配置部位の前流側と前記バイパス流路内の少なくともいずれか又は前記排ガス流路（２）とバイパス流路（１０）との分岐部にガス流量配分調整手段（１１ａ及び１１ｂ）を設け、前記排ガス流路内の助燃バーナ配置部位の後流側であって、前記複数の熱交換器（伝熱管群）の中の最上流側の熱交換器（１３）の前流側に温度計測手段（６ａ）を設けた助燃バーナ付き排熱回収ボイラの運転方法であって、前記温度計測手段（６ａ）で計測される温度が一定値以上である場合は、該温度計測手段（６ａ）が設けられた排ガス流路（２）のガス流量を前記温度が一定値以上である時点のガス流量から増大させると共に、バイパス流路のガス流量を前記温度が一定値以上である時点のガス流量から低減させるように前記ガス流量配分調整手段（１１ａ及び１１ｂ）を調整し、前記温度計測手段（６ａ）で計測される温度が一定値未満である場合は、温度計測手段（６ａ）が設けられた排ガス流路（２）のガス流量を前記温度が一定値未満である時点のガス流量から低減させると共に、バイパス流路のガス流量を前記温度が一定値未満である時点のガス流量から増大させるように前記ガス流量配分調整手段（１１ａ及び１１ｂ）を調整する助燃バーナ付き排熱回収ボイラの運転方法である。

請求項５記載の発明は、更に、前記バイパス流路（１０）からの分岐排ガスを前記排ガス流路（２）に導入する接続部に前記両方の流路のガスを混合する１以上のミキシング部材（１７）を設け、各ミキシング部材（１７）とバイパス流路との連絡部にガス流量配分調整手段を設け、前記ミキシング部材（１７）の後流側の排ガス流路内に温度計測手段を設けた助燃バーナ付き排熱回収ボイラの運転方法であって、ミキシング部材（１７）の後流側の排ガス流路内に設けた温度計測手段（６ｂ）で計測される温度が一定値以上となるように前記各ミキシング部材（１７）とバイパス流路（１０）との連絡部に設けられたガス流量配分調整手段を用いて各ミキシング部材（１７）から排ガス流路側に流れるガス流量を調整することを特徴とする請求項４記載の助燃バーナ付き排熱回収ボイラの運転方法である。

請求項１及び４記載の発明によれば、要求蒸発量が少ない場合、すなわち助燃量が少なくて良い場合には、ガスタービンからの排ガスをガス流量配分調整手段により一部をバイパス流路側に流し、排ガス流路（本流側である助燃バーナが設けられた入口ダクト）側を流れるガス流量をガス流量配分調整手段により低減させ、助燃バーナによる燃焼負荷を下げても助燃後の排ガス温度を所定温度以上に維持できる。また、助燃後の排ガス温度が設定温度以上に上昇した場合は、排ガス流路側を流れるガス流量を増大させ、バイパス流路側のガス流量を低減させることにより、助燃後の排ガス温度を設定温度以下とすることができる。
こうして発熱量の低い高炉ガス（ＢＦＧ）でも助燃用の燃料として有効利用でき、製鉄所でコンバインドサイクルプラントとして本発明の助燃バーナ付き排熱回収ボイラを使用できる。また、助燃後の排ガス温度を所定温度以上に維持できる。

請求項２記載の発明によれば、バイパス流路を流れるガスと排ガス流路を流れるガスの合流部にはミキシング部材を設けて両方から流れてくるガスを混合して温度差を無くし、後流の管群の伝熱量を精度良く設定できるようにする。

請求項３、５記載の発明によれば、ミキシング部材の後流側の排ガス流路内に設けた温度計測手段の測定温度に基づき、各ミキシング部材とバイパス流路との連絡部の中のガス流量配分調整手段をそれぞれ独自に作動することでガス配分を調整して、その下流側に流れるガスに温度分布が生じないようにすることができる。

本発明の実施例について図面と共に説明する。

図１、図２、図３はそれぞれ、本実施例の排熱回収ボイラの一部内部構造を示す側面図と平面図と斜視図である。図１において排ガスは、排ガスダクト２と入口ダクト３を通り、ボイラ本体７へ送られる。ボイラ本体７において、排ガスの熱エネルギーを蒸発器などの伝熱管群１３、１４、１５内を流れる水を加熱させて蒸気を発生させる。ボイラ本体７で熱回収された排ガスは出口ダクト８を通り、煙突９から大気へ放出される。入口ダクト３の内部にはボイラ本体７の蒸発量を増量させる目的で助燃バーナ４が設けられている。

また、排ガスダクト２から入口ダクト３へ流れる排ガス本流の他に排ガスダクト２から分岐し、ボイラ本体７へ排ガスの一部を流すためのバイパスダクト１０を設ける。バイパスダクト１０の入口側、すなわち排ガスダクト２との接続部側にはバイパスダクト側ダンパ１１ａを設け、また入口ダクト３内の助燃バーナ４の前流側には助燃バーナ側ダンパ１１ｂを設ける。さらにバイパスダクト１０とボイラ本体７との接続部側にはミキシング部材１７を設けている。さらにミキシング部材１７の前側のボイラ本体７の内部に配置された伝熱管群１３の前流部には、排ガス温度計６ａが設けられている。

高炉ガスは発熱量が小さく、助燃用の燃料として適していなかったので従来は単純に燃焼させて廃棄されていた。その高炉ガスを助燃燃料として使用する場合は、その燃焼性があまり良くないので入口ダクト３内の燃焼室Ｒのガス温度を約８５０℃以上に保持する必要がある。助燃量は蒸気タービンでの要求蒸発量で決まるが、要求蒸発量が少ない場合、すなわち助燃量が少ない場合にはボイラ本体７内を流れる本流のガス全量と高炉ガスとを混合すると燃焼室Ｒの温度は８５０℃まで上がらない。

そこで、燃焼室Ｒに設けた排ガス温度計６ａの計測値を読み取り、８５０℃を保持できるように、助燃バーナ側ダンパ１１ｂを絞り、バイパスダクト側ダンパ１１ａを開いて、前記本流側のガス流量を低減させ、バイパス側のガス流量を増大させるように調節する。

一方、排ガス温度計６ａの計測値の温度が設定温度以上に上昇した場合は、助燃バーナ側ダンパ１１ｂを開き、バイパスダクト側ダンパ１１ａを絞って、ボイラ本体７を流れる本流側のガス流量を増大させ、バイパスダクト１０側のガス流量を低減させるか、または、参考例として、助燃量を低減させることにより、設定温度以下となるようにする。

助燃バーナ４で得られた熱ガスとタービン排ガスとの混合したガス５は伝熱管群１３を通過する際に熱吸収され、温度が低下する。排ガスの中でバイパスダクト１０に分岐されたガス１２と伝熱管群１３を通過する際に熱吸収され、温度が低下したガス１６は通常では温度が相違するので、単純に混合すると管群１３の入口ガスは大きな温度分布を生じることになる。すなわち、ボイラ本体７のガス流れ方向の横断断面形状は、例えば高さが２０ｍ以上で幅が６ｍ以上と大きいので、ケーシングの一部に、そのままバイパスダクト１０を接続したり、入口ダクト３からのガス１６とバイパスダクト１０内のガス１２の流れを仕切るような構成としたのでは、合流前の前記二つのガス温度差により伝熱管群１４、１５の伝熱量を精度よく設定できない。そこでボイラ本体７とバイパスダクト１０の接続部にミキシング部材１７を設け、二つのガス１２，１６が混合したガスが管群１４の入口で均一なガス温度になるようにする。これにより、二つのガス１２、１６の混合領域での温度差を小さくできる。

伝熱管群１３としては、燃焼室Ｒのガス温度が高温となるので、熱吸収量が大きい蒸発器であることが望ましい。これにより当該材質は、他の熱交換器（過熱器、再熱器）とする場合に比べて耐熱性の低いものとすることができる。

ここで、助燃バーナ４は、例えば、入口ダクト３のガス流れの横断面の幅方向に複数の燃料供給口を有する配管が上下方向に数段配置された構成からなる。助燃バーナ４からの火炎が直接伝熱管群１３に局部的に到達することが無いように、また、伝熱管群１３が輻射熱を均等に受けることができるように、上流から下流へ拡大する形状の入口ダクト３の上流側に助燃バーナ４を設けることが望ましい。助燃バーナ４から下流側に向けて入口ダクト３の断面積が拡大してガス流速が低下する伝熱管群１３までの間には、燃焼室Ｒとして十分な空間が設けられている。

ミキシング部材１７は翼形状で内部が空洞になっており、その中をバイパスダクト１０から流入したガス１２が流通する。またボイラ本体７内ではミキシング部材１７の表面にある開口部からボイラ本体７内へガス１２を導入するようになっている。なお、ミキシング部材１７の翼形状は一例であり、この形状に限定されるものではない。

ミキシング部材１７のボイラ本体７の内部における配置、数、間隔およびその開口部の形状、数、間隔等はプラント毎に最適のものが選択される。ミキシング部材１７は、その長手方向が水平方向に向けて配置されるが、その他にバイパスダクト１０が入口ダクト３の上方に設けられるような場合、その長手方向を垂直方向に向けて配置しても良い。

ミキシング部材１７の後流側のボイラ本体７内にある伝熱管群１４の前流部には、複数の排ガス温度計６ｂを設けてもよい。この場合、バイパスダクト１０側のダンパ１１ａに代えて、バイパスダクト１０とミキシング部材１７の連絡部に、ミキシング部材１７毎にガス流量調節手段を設け（図示せず：例えばスライド式）、複数の排ガス温度計６ｂで測定される温度が適切な条件となるようにガス流量を個別に調節しても良い。これにより、例えば伝熱管群１４を通過するガス温度に分布が生じないようにすることができる。

図４、図５、図６には、本発明からなるバイパスダクト１０を設けた助燃バーナ付き排熱回収ボイラの一部内部構造を示す側面図、平面図及び斜視図を示す。本実施例の構成で実施例１のそれと同様のものは同一符号を付し、その説明を省略する。障害物等でバイパスダクトの配置が難しい場合には図４のようなバイパスダクトの配置となる。

排ガスダクト２から分岐し、ボイラ本体７へ繋ぐバイパスダクト１０内にダンパ１１ａを設けている。助燃バーナ４の燃焼時には、ダンパ１１ａの開閉により排ガスのバイパスダクト１０側への流量を調整することで、助燃バーナ４側に流れる排ガス流量を制御する。こうして、助燃後の排ガス５の温度を一定に制御できる。

また、助燃バーナ４を燃焼させていないとき（未使用時）には、ダンパ１１ａは閉となっている。

なお、ダンパ１１ａの代わりにダクトの分岐部に分配弁状のもの（図示せず）を設け、バイパス側と本流側のガス流量を調整するものでも良い。

本発明ではバイパスダクト１０の配置形状等は上記のものに限定されない。

本発明は、製鉄所に設置するコンバインドサイクルプラントで、高炉ガス等のカロリー（発熱量）の低い燃料の燃焼性を良好に保って燃焼させる助燃バーナ付き排熱回収ボイラに利用できる。

本発明の一実施例の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの一部内部を示す側面図である。 図１の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの平面図である。 図１の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの斜視図である。 本発明の一実施例の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの一部内部を示す側面図である。 図４の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの平面図である。 図４の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの斜視図である。 従来技術の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの一部内部を示す側面図である。 図７の助燃バーナ付きの排熱回収ボイラの平面図である。

符号の説明

２ 排ガスダクト ３ 入口ダクト
４ 助燃バーナ ６ａ、６ｂ 排ガス温度計
７ ボイラ本体 ８ 出口ダクト
９ 煙突 １０ バイパスダクト
１１ａ バイパスダクト側ダンパ
１１ｂ 助燃バーナ側ダンパ
１３、１４、１５ 伝熱管群
１７ ミキシング部材
５、１２、１６ ガス
Ｒ 燃焼室

Claims (5)

1. ガスタービンからの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる複数の熱交換器を排ガス流路内に配置し、前記熱交換器を配置した排ガス流路の前流側の入口ダクト部に高炉ガスを燃料として用いる助燃バーナを配置した助燃バーナ付き排熱回収ボイラにおいて、
   前記排ガス流路を迂回して、前記助燃バーナの前流側の排ガス流路から分岐し、前記複数の熱交換器の中の最上流側の熱交換器の後流側の排ガス流路に接続したバイパス流路を設け、
   前記排ガス流路内の助燃バーナ配置部位の前流側と前記バイパス流路内の少なくともいずれか又は前記排ガス流路とバイパス流路との分岐部にガス流量配分調整手段を設け、
   前記排ガス流路内の助燃バーナ配置部位の後流側であって、前記複数の熱交換器の中の最上流側の熱交換器の前流側に温度計測手段を設け、
   更に、前記温度計測手段で計測される温度が一定値以上である場合は、該温度計測手段が設けられた排ガス流路のガス流量を前記温度が一定値以上である時点のガス流量から増大させると共に、バイパス流路のガス流量を前記温度が一定値以上である時点のガス流量から低減させるように前記ガス流量配分調整手段を調整し、前記温度計測手段で計測される温度が一定値未満である場合は、温度計測手段が設けられた排ガス流路のガス流量を前記温度が一定値未満である時点のガス流量から低減させると共に、バイパス流路のガス流量を前記温度が一定値未満である時点のガス流量から増大させるように前記ガス流量配分調整手段を調整する制御を行う制御装置を設けたことを特徴とする助燃バーナ付き排熱回収ボイラ。
2. 前記バイパス流路からの分岐排ガスを前記排ガス流路に導入する接続部に前記両方の流路のガスを混合する１以上のミキシング部材を設けたこと特徴とする請求項１記載の助燃バーナ付き排熱回収ボイラ。
3. 各ミキシング部材とバイパス流路との連絡部にガス流量配分調整手段を設け、前記ミキシング部材の後流側の排ガス流路内に温度計測手段を設けたことを特徴とする請求項２記載の助燃バーナ付き排熱回収ボイラ。
4. ガスタービンからの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる複数の熱交換器を排ガス流路内に配置し、前記熱交換器を配置した排ガス流路の前流側の入口ダクト部に高炉ガスを燃料として用いる助燃バーナを配置し、
   前記排ガス流路を迂回して、前記助燃バーナの前流側の排ガス流路から分岐し、前記複数の熱交換器の中の最上流側の熱交換器の後流側の排ガス流路に接続したバイパス流路を設け、
   前記排ガス流路内の助燃バーナ配置部位の前流側と前記バイパス流路内の少なくともいずれか又は前記排ガス流路とバイパス流路との分岐部にガス流量配分調整手段を設け、
   前記排ガス流路内の助燃バーナ配置部位の後流側であって、前記複数の熱交換器の中の最上流側の熱交換器の前流側に温度計測手段を設けた助燃バーナ付き排熱回収ボイラの運転方法であって、
   前記温度計測手段で計測される温度が一定値以上である場合は、該温度計測手段が設けられた排ガス流路のガス流量を前記温度が一定値以上である時点のガス流量から増大させると共に、バイパス流路のガス流量を前記温度が一定値以上である時点のガス流量から低減させるように前記ガス流量配分調整手段を調整し、前記温度計測手段で計測される温度が一定値未満である場合は、温度計測手段が設けられた排ガス流路のガス流量を前記温度が一定値未満である時点のガス流量から低減させると共に、バイパス流路のガス流量を前記温度が一定値未満である時点のガス流量から増大させるように前記ガス流量配分調整手段を調整することを特徴とする助燃バーナ付き排熱回収ボイラの運転方法。
5. 更に、前記バイパス流路からの分岐排ガスを前記排ガス流路に導入する接続部に前記両方の流路のガスを混合する１以上のミキシング部材を設け、各ミキシング部材とバイパス流路との連絡部にガス流量配分調整手段を設け、前記ミキシング部材の後流側の排ガス流路内に温度計測手段を設けた助燃バーナ付き排熱回収ボイラの運転方法であって、
   ミキシング部材の後流側の排ガス流路内に設けた温度計測手段で計測される温度が一定値以上となるように前記各ミキシング部材とバイパス流路との連絡部に設けられたガス流量配分調整手段を用いて各ミキシング部材から排ガス流路側に流れるガス流量を調整することを特徴とする請求項４記載の助燃バーナ付き排熱回収ボイラの運転方法。

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