JP6153628B2 - ガス・蒸気タービン設備用蒸気温度調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス・蒸気タービン設備用蒸気温度調整装置に関係し、かつ注水の予熱に関する。本発明は更にガス・蒸気タービン設備における蒸気温度調整方法に関する。

最近のガス・蒸気タービン設備は、今日入手可能な鋼をベースとする管材に許容限界に至る負荷が掛かるような高い蒸気温度用に設計されている。これに、これらの設備が追加的にかなりの程度の運転上のフレキシビリティ、たとえば日常的に迅速な起動を要求されるということが加わり、管材にはさらに大きな負荷が掛かることになる。

予想されるあらゆる運転状態において排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の出口の蒸気温度が最大許容もしくはプロセス技術上必要な温度を超過しないことを保証するために、排熱回収ボイラの過熱器部分に蒸気温度調整装置が設けられている。この蒸気温度調整装置は冷媒体が調温すべき高温媒体（一般に蒸気）に混合されるという混合原理により作動する。

発電分野ではこの種の蒸気温度調整に対しては過熱戻し（デスーパーヒーティング）という概念が確立されている。

ガス・蒸気タービン設備の排熱回収ボイラにいてはデスーパーヒーター・システムの通常の実施形態および配置がデスーパーヒーターおよび後続の圧力系統に過大な負荷をもたらし、その結果、機器の損傷を引き起こすおそれがある。

典型的な損傷は、たとえば
− デスーパーヒーターの注水ノズルの亀裂
− 冷却器の仕切り板の破損
− 冷却器の保護カバーの亀裂およびたわみ
− 配管の亀裂
− 後続区間の注水箇所のエロージョン
である。

これらの損傷は主として熱衝撃と水滴エロージョンという２つの原因に帰せられる。

ガス・蒸気タービン設備の蒸気温度の上昇およびマーケットからのフレキシビリティの要求に伴い機器の損傷の発生の確率も著しく高まっている。

今日一般的な注水実施形態では、ドラムボイラまたは強制貫流ボイラが使用されるかどうかは大きな問題でない。注水は給水仕切弁と給水加減弁との間から取り出され、注水配管を介してデスーパーヒーターに導かれる。注水が行われない場合に注水が過度に冷却されないようにするために、循環配管が設けられ、注水が給水加減弁下流の排熱回収ボイラの予熱器部分に戻される（注水戻し）。

デスーパーヒーター内における水の噴霧化のために必要な予圧は、給水加減弁と注水点との間に圧力損失があることにより保証される。この圧力差は循環配管を備えている上述の保温システムの駆動源でもある。

このような装置においては注水（給水）と注水点の蒸気との間に極めて大きな温度差（３００度以上）が生じる。熱衝撃の危険が高められる。更に蒸気に比して極めて冷たい注水は、デスーパーヒーター下流の蒸気中の水滴の解消のために必要な区間を著しく長くさせて水滴エロージョンの危険を回避する必要性を生じさせる。

注水範囲におけるおよびその周囲の環境の可能な改善は、注水を比較的高い温度で取り出すことにより達成できる。これにより熱衝撃の危険も水滴エロージョンの問題も著しく改善される。

注水のための必要な予圧を維持し続けることができるようにするためには、加減弁を同様に移設しなくてはならない。

代替的に加減弁の移設の代わりに「ピンチバルブ」と呼ばれる弁の使用が可能である。この場合補助的な絞り弁がエコノマイザ系統（給水加熱系統）の主配管（給水配管）に設置され、注水のために必要な予圧を発生させる。

しかしこの２つの対策は大きな欠点を有する。加減弁もしくはピンチバルブまでの排熱回収ボイラの全ての耐圧部を著しく高い圧力（ポンプの最大揚程）で設計する必要がある。この結果非常に高い材料の投入により著しく高いコストとなり、著しい重量の増大によって支持構造の強化が必要となる。

それゆえ本発明の課題は、熱衝撃および水滴エロージョンの原因、それに伴う高価で労力をする損傷の発生を僅かなコストで減少するように上述の装置および上述の方法を改良することにある。

本発明によればこの課題は請求項１による装置および請求項５による方法により解決される。本発明の有利な実施形態はそれぞれ従属請求項に規定されている。すなわち、給水配管、この給水配管に配置された給水加減弁、給水の流れ方向に給水加減弁の前で給水配管から分岐されデスーパーヒーターに接続される注水配管を備えたガス・蒸気タービン設備用蒸気温度調整装置において、注水予熱器が注水配管に接続されることにより、所望の高い注水温度が達成されるので、エコノマイザ部分を高圧用に設計する必要がなくなる。

注水が不要な場合、これはたとえば設備の全負荷時であるが、この場合には、注水戻し配管を注水配管から分岐し、給水の流れ方向に給水配管内に配置された給水加熱器の下流で給水配管に接続するようにすると有利である。この戻し配管を介して熱い給水が再び給水系統に戻される。これにより、注水はデスーパーヒーターの前で高い温度に予熱され、調温箇所における蒸気に対する温度差がわずかになることが保証される。

注水予熱器を排熱回収ボイラの排ガスダクトに配置し、そこで注水を小さな補助的熱交換器を用いて沸騰温度近くのレベルに加熱して最終的にデスーパーヒーターに導くことができるようにすることは、本発明の課題解決に適っている。これにより、注水の最大需要時においても給水のかなりの温度上昇が可能となる。

この場合有利なのは、注水予熱器を排ガスの流れ方向に関して給水加熱器と並列に排ガスダクトガス温度領域に配置し、流れが停滞した時にもこの領域で蒸発に至らないようにすることである。これにより好ましくない注水の蒸発を防ぐことができる。

同一の利点は、注水が給水配管から分岐し、そこで予熱し、予熱後少なくともひとつのデスーパーヒーターに導くようにしたガス・蒸気タービン設備における蒸気温度調整のための本発明による方法において生じる。

注水を、デスーパーヒーターに入れる前に排熱回収ボイラ内で排ガスとの熱交換で予熱すると有利である。

更に有利なのは、注水を排熱回収ボイラ内で排ガスの流れ方向に関して給水と並列に予熱することである。

さらに、戻された注水を給水加熱器の下流で給水の流れ方向に給水導管に導くようにすると有利である。

上述の変更により、冷却器における蒸気温度と注水との間の温度差が現在の標準回路に対して１５０度以上減じられる。これにより熱衝撃の危険が著しく減少する。

デスーパーヒーター下流の水滴の解消は同様に注水温度に強く依存するので、比較的迅速に水滴解消が生じるためデスーパーヒーターの下流の管部分における水滴エロージョンの危険が著しく減少される。水滴解消は比較的短い区間で行われるので、相応する耐圧部の構造設計にも影響を与える。

主系統にあるエコノマイザ熱交換器を圧力の上昇に対処するよう設計する必要がなくなるので、この解決策はコスト的に極めて良好であり、注水予熱器のごく小さな補助的熱交換面積だけを圧力の上昇に対処できるように設計すれば良い。

更に主給水系統に必要な補器‐給水仕切弁および給水加減弁‐並びにエコノマイザ系の圧力設計は現在の標準形態と同様に設定することができる。注水の取り出しは同様に系の通常の箇所で行われる。

本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。図は概略図であり実寸通りではない。

図１は従来技術によるドラムボイラを有する蒸気温度調整装置の概略図を示す。 図２は従来技術による強制貫流ボイラを有する蒸気温度調整装置の概略図を示す。 図３は従来技術による給水加減弁の移設による高温での注水の取り出しを示す。 図４は従来技術による補助的なピンチバルブによる高温での注水の取り出しを示す。 図５は本発明による蒸気温度調整装置の概略図を示す。 図６は排熱回収ボイラの排ガスダクト内における注水予熱器と給水加熱器の並列配置を示す。

図１はドラムボイラ１１を有し注水用給水の予熱のない従来技術による蒸気温度調整装置１０の例示的概略図を示す。

注水は給水配管２の給水仕切弁１２と給水加減弁３との間で取り出され、注水配管５を介して蒸気の流れ方向に過熱器１８の下流に配置されたそれぞれのデスーパーヒーター４に導かれる。

注水が行われないときに注水が過度に冷却されないように、注水戻し用の循環配管７が設けられ、注水は再び排熱回収ボイラの予熱器部分１３に、給水加減弁３の下流で給水加熱器８の前に戻される。

デスーパーヒーター４における水の噴霧化に必要な予圧は、給水加減弁３と注水点の間に圧力損失が生じることにより保証される。この圧力差は上述の保温システム、つまり循環配管のための駆動源でもある。

図２は注水用給水の予熱のない従来技術による同様の蒸気温度調整装置１０を示し、ここでは単にドラムボイラ１１が強制貫流ボイラ１４で置き換えられている。蒸気温度調整に対してはこれによっても殆ど変化はない。

注水範囲におけるおよびその周囲の温度比の改善は、注水を比較的高温で取り出すことにより達成される。これにより熱衝撃の危険も水滴エロージョンの問題も著しく改善される。

図３には、比較的高温での注水の取り出しを行う従来技術による典型的な蒸気温度調整装置１５が示されている。注水に対する必要な予圧をより確実に維持するためには、加減弁３は同様に図１、図２に示した調整装置１０に比較してより高い温度のところへ移設する必要がある。注水戻し配管７は同様にボイラ１１のすぐ近くに導かれる。

他の実施形態として、図４の蒸気温度調整装置１６では加減弁３の移設の代わりにいわゆるピンチバルブ１７の使用が可能である。

この場合補助的な絞り弁１７がエコノマイザ系の主給水配管に、すなわち給水加熱用の給水配管２に設置され、注水に必要な予圧を与えている。

既に述べたように、しかし図３、図４に示した両蒸気温度調整装置１５、１６は本質的な欠点を有する。排熱回収ボイラから加減弁３もしくはピンチバルブ１７までの全ての耐圧部は著しく高い圧力（ポンプ最大揚程）用に設計されなければならない。

図５は、本発明による蒸気温度調整装置１においては独立した注水予熱器６が注水配管５に接続されるのであるが、ここでは注水予熱器６が排熱回収ボイラの排ガスダクト９（図６参照）に配置されていることを示す。

従来技術による蒸気温度調整装置１５、１６と同様に注水戻し配管７は注水配管５から分岐し、給水配管２に配置された給水加熱器８の下流の給水配管２に接続されている。

最後に図６は、ガスタービンの排ガス１９により貫流される排熱回収ボイラの排ガスダクト９内における注水予熱器６と給水加熱器８の原則的には並列的な配置を示している。

１ 本発明による蒸気温度調整装置
２ 給水配管
３ 給水加減弁
４ デスーパーヒーター
５ 注水配管
６ 注水予熱器
７ 注水戻し配管
８ 給水配管
９ 排ガスダクト
１０ 従来技術による蒸気温度調整装置
１１ ドラムボイラ
１２ 給水仕切弁
１４ 強制貫流ボイラ
１５ 従来技術による蒸気温度調整装置
１７ ピンチバルブ
１８ 過熱器
１９ 排ガス

Claims (7)

1. 給水配管（２）、この給水配管（２）に配置された給水加減弁（３）、この給水加減弁（３）の下流に配置された給水加熱器（８）、前記給水配管（２）から給水の流れ方向に前記給水加減弁（３）の前で分岐されデスーパーヒーター（４）に接続されている注水配管（５）を備えたガス・蒸気タービン設備用蒸気温度調整装置（１）において、注水予熱器（６）が前記注水配管（５）に設置され、注水戻し配管（７）が前記注水配管（５）から分岐され、給水の流れ方向に前記給水配管（２）に配置された前記給水加熱器（８）の下流で前記給水配管（２）に接続されることを特徴とする蒸気温度調整装置。
2. 前記注水予熱器（６）が排熱回収ボイラの排ガスダクト（９）内に配置される請求項１記載の蒸気温度調整装置。
3. 前記注水予熱器（６）が排ガスの流れ方向に関して前記給水加熱器（８）と並列に配置される請求項２記載の蒸気温度調整装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の蒸気温度調整装置を備えたガス・蒸気タービン設備における蒸気温度調整方法であって、注水が前記給水配管（２）から分岐され、そして予熱され、予熱後すくなくとも１つの前記デスーパーヒーター（４）に導かれることを特徴とするガス・蒸気タービン設備における蒸気温度調整方法。
5. 注水が前記デスーパーヒーター（４）に導かれる前に前記排熱回収ボイラ内で排ガスと熱交換により予熱される請求項４記載の方法。
6. 注水が前記排熱回収ボイラ内にあって排ガスの流れ方向に関して給水と並列に予熱される請求項５記載の方法。
7. 戻された注水が給水の流れ方向に前記給水加熱器（８）の下流で前記給水配管（２）に導入される請求項４から６の１つに記載の方法。

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