JP6296233B2

JP6296233B2 - 排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法

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Publication number: JP6296233B2
Application number: JP2014049690A
Authority: JP
Inventors: 昌之関根; 齋藤　哲; 哲齋藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: JP2015175525A

Description

本発明は、ガスタービンから排出された燃焼排気ガスを排熱回収ボイラへ整流して導く排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法に関する。

一般に、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ：heat recovery steam generator）は、ガスタービンから排出される高温の燃焼排気ガス（以下、排ガスと略称する）をダクトによって排熱回収ボイラの複数の伝熱管へ導いて排ガスの熱を回収する。そして、この排熱回収ボイラは、回収した熱によって高温の蒸気を発生させて蒸気タービンを回転させている。

ここで、ダクトの内部を流れる排ガスは、ガスタービンから導かれた排ガスが旋回流であり一様流でないこと、ガスタービンから導かれる排ガスのダクトへの導入位置、及びダクトの流路断面積が下流側に向かうに従って大きくなっているといったダクトの形状の影響を受けて偏流が生じている。

排熱回収ボイラは、導かれる排ガスに偏流が生じていると複数の伝熱管での熱回収が不安定となり、その結果ボイラ性能が不安定となる。ここで、ガスタービンと排熱回収ボイラをつなぐダクト長を、十分な長さにすれば偏流の影響を抑えることができる。しかし、現状では、プラントのレイアウト上の制約からダクト長を偏流の影響を抑える十分な長さまで確保できない場合が多い。

そこで、特許文献１に記載の先行技術では、整流板を排ガスが流れる流路の断面全域に配置し、この整流板によって排ガスを整流させて下流の排熱回収ボイラへ導いている。

実開平６−６９０１号公報

しかしながら、近年、ガスタービンの高出力化に伴って排ガスの流量が増大し、排ガスの流速も大きくなっている。このような状況で整流板を排ガスが流れる流路の断面全域に配置すると、排ガスによる負荷が大きくなり、その大きな負荷に耐えられる設計が求められる結果、その条件を満たそうとするとコストアップにつながっていた。

そこで、本発明は、排ガスによる負荷を低減し得る排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法を提供することを目的とする。

本発明は、ガスタービンからの排ガスを整流体によって整流して排熱回収ボイラの伝熱管群へ導く排ガスの整流構造において、前記整流体は、配置位置における排ガスの流路断面の大きさよりも小さく、前記配置位置における排ガスの流路断面を流れる排ガスのうち少なくとも最大流速部分を整流する位置に配置されると共に、前記整流体は、大きさの異なる複数の整流体を備え、前記複数の整流体は、排ガスの流れ方向に沿って配置されるとともに、排ガスの流れ方向に沿って視た際に排ガスの最大流速部分を中心に外側へ向かうほど重なり部分が減少するように配置されたことを特徴としている。

前記整流体は、その中心が排ガスの最大流速部分となるような位置に配置されていることが好ましい。

前記整流体は、大きさの異なる複数の整流体を備え、前記複数の整流体は、排ガスの流れ方向に沿って配置されるとともに、高さ及び幅が下流に向かって大きくなるように配置することができる。

排熱回収ボイラは、前記排ガスの整流構造を備えることが好ましい。

ガスタービンからの排ガスを整流体によって整流して排熱回収ボイラの伝熱管群へ導く排ガスの整流方法において、前記整流体は、大きさの異なる複数の整流体を備え、前記複数の整流体は、排ガスの流れ方向に沿って配置されるとともに、排ガスの流れ方向に沿って視た際に排ガスの最大流速部分を中心に外側へ向かうほど重なり部分が減少するように配置され、排ガスは最大流速部分を含む一部が整流体によって整流され残部が整流体を介さずに下流に流されることを特徴としている。

本発明の排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法によれば、排ガスによる負荷を低減できる。

（Ａ）は、本発明の整流構造の実施例一を示す側面図である。（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ矢視図である。（Ａ）は、本発明の整流構造の実施例二を示す側面図である。（Ｂ）は、図２（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ矢視図である。

以下、本発明を実施するための形態の例一（以下、実施例一と略称する）を、図１を参照しながら説明する。図１（Ａ）は、本発明の整流構造の実施例一を示す側面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＩＢ−ＩＢ矢視図であり、実施例一の整流構造を上流側から視た様子を示す正面図である。

ガスタービン１は、燃焼ガスで回転させられ、軸方向に対して５００℃以上である高温の燃焼排気ガス（以下、排ガスと略称する）を排出する。ガスタービン１は、例えば、排ガスの流速が１００（ｍ／ｓ）を超える高出力のガスタービンである。排ガスは、直進性を有した旋回流であり、旋回中心部分が最も流速が早く、旋回中心から離れるほど流速が遅くなっている。

ダクト３は、ガスタービン１からの排ガスを排熱回収ボイラ２へ導く流路である。そして、その形状は、流路断面積がガスタービン１から排熱回収ボイラ２へ向かうに従って大きくなる末広がりの形状となっている。また、ダクト３の入口は、ダクト３の幅方向の中央の位置であって、高さ方向の中央から下に外れた位置に形成されている。ダクト３の入口は、その開口中心がガスタービン１の軸線を通るような位置に形成されている。

排熱回収ボイラ２は、ボイラケーシング５を備えている。このボイラケーシング５は、一端側がダクト３の出口に接続され、他端側が図示しないダクト又は煙突に接続される。このボイラケーシング５は、ダクト３とで排ガスの流路６を構成する。

そして、このボイラケーシング５の内部には、複数の伝熱管がボイラケーシング５から吊られて伝熱管群７を構成する。この伝熱管群７は、ダクト３を介して導かれたガスタービン１からの高温の排ガスと熱交換して蒸気を発生させる。伝熱管群７と熱交換して温度が下がった排ガスは、煙突から大気へ放出される。

次に、整流体８を説明する。ダクト３を流れるガスタービン１からの排ガスは、ガスタービン１から排出された時点で一様流でなく、更にダクト形状の影響を受けて偏流が生じている。整流体８は、このような偏流が生じた排ガスを整流させる矩形状の板であり、例えば、整流面８ａに対して複数の貫通孔が形成された多孔板である。この整流面８ａは、偏流が生じた排ガスを複数の貫通孔で整流する。

整流体８は、鉄骨の枠組み１０に取り付けられてダクト３の内部に配置される。この整流体８は、配置位置における排ガスの流路６の断面の大きさよりも小さくなっており、整流面８ａがダクト３の流路断面の一部を覆うように配置される。

実施例一では、排ガスの流路６における幅方向の両側、高さ方向の上下における四つの領域に整流体８が配置されない無抵抗の領域を作り、その領域では、排ガスを、整流体８を通さずにそのまま下流の伝熱管群７へ流している。

ここで、ダクト３の流路断面の一部とは、例えば、整流体８が配置される位置に流路全域を覆う仮想板を配置した際に、この仮想板に最大抗力が発生する箇所を中心として最大抗力の１０％以上の抗力を受ける範囲のことをいう。

整流体８は、配置位置における排ガスの流路６の断面を流れる排ガスのうち少なくとも最大流速部分を整流する位置に配置される。そして、この整流体８は、その中心が排ガスの最大流速部分に位置するように配置されていることが好ましい。ここで、排ガスの最大流速部分は、ガスタービン１の軸線上に位置している。

実施例一の排ガスの整流構造によれば、整流体８は、配置位置における排ガスの流路６の断面の大きさよりも小さくなっている。また、整流体８は、配置位置における排ガスの流路６の断面を流れる排ガスのうち少なくとも最大流速部分を整流する位置に配置されている。したがって、整流体８の配置位置における排ガスの流路６の断面を流れる排ガスは、最大流速部分を含む一部の排ガスが整流体８によって整流され、残部の排ガスが整流体８を介さずにそのまま下流に流される。

これによって、実施例一の排ガスの整流構造は、先行技術のダクト３の流路断面全域に多孔板を配置して全ての排ガスを整流する構成と比較し、排ガスによる負荷を低減でき、また、ガスタービン１の背圧を低下できる。

また、実施例一の排ガスの整流構造によれば、整流体８は、その中心が排ガスの最大流速部分となるような位置に配置されている。ここで、排ガスは、最大流速部分から離れるに従って流速が低下する旋回流である。このため、整流体８は、排ガスの偏流を効率良く低減できる。

また、実施例一の排ガスの整流構造を備えた排熱回収ボイラ２によれば、整流体８を有した排ガスの整流構造によって排ガスが整流されるので、伝熱管群７での熱回収が安定し、その結果、ボイラ性能が安定する。

また、実施例一の排ガスの整流方法によれば、排ガスは、最大流速部分を含む一部が整流体８によって整流され残部が整流体８を介さずに下流に流される。これによって、実施例一の排ガスの整流方法は、先行技術のダクト３の流路断面全域に多孔板を配置して全ての排ガスを整流する構成と比較し、排ガスによる負荷を低減でき、また、ガスタービン１の背圧を低下できる。

以下、本発明を実施するための形態の例二（以下、実施例二と略称する）を、図２を参照しながら説明する。図２（Ａ）は、本発明の排ガスの整流構造における実施例二を示す側面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＩＩＢ−ＩＩＢ矢視図であり、実施例二の整流構造を上流側から視た様子を示す正面図である。

なお、実施例二の排ガスの整流構造は、補助整流体１８を除き、その基本的構成が上記実施例一の排ガスの整流構造と同様であるため、上記実施例一と同様の構成には同一の符号を付し、上記実施例一の説明と重複することになる説明を省略する。

実施例二の排ガスの整流構造は、整流体８と、この整流体８よりも小さい補助整流体１８を備えている。この大きさの異なる整流体８と補助整流体１８は、例えば、排ガスに抵抗を発生させることで排ガスを整流させるメッシュである。

そして、整流体８と補助整流体１８は、排ガスの流れ方向に沿って整流体８が補助整流体１８よりも下流側に配置されるとともに、排ガスの流れ方向に沿って視た際に排ガスの最大流速部分を含む部分で整流体８と補助整流体１８が重なり合い、中心から外側へ外れた位置では重ならないように配置されている。

実施例二では、例えば、整流体８が配置される位置に、流路全域を覆う仮想板を配置した際に、この仮想板に最大抗力が発生する箇所を中心として最大抗力の７０％以上の抗力が発生する範囲において整流体８と補助整流体１８が重なるように配置し、最大抗力の２５％以上の抗力、且つ、最大抗力の７０％未満の抗力が発生する範囲を、整流体８のみで整流するように配置する。

実施例二の排ガスの整流構造によれば、整流体８と補助整流体１８は、排ガスの流れ方向に沿って配置されるとともに、高さ及び幅が下流に向かって大きくなる。

すなわち、実施例二の排ガスの整流構造は、排ガスの最大流速部分を整流体８と補助整流体１８で整流し、最大流速部分よりも流速が遅くなる部分を下流側に配置された整流体８のみで整流する。このため、実施例一と比較して排ガスの流速に応じて効率的に排ガスを整流できる。

なお、本発明の排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法は、上述の実施例にのみ限定されない。例えば、整流体８がダクト３の内部に配置される構成で説明したがこれに限定されない。整流体８は、ガスタービン１と伝熱管群７の間における流路であれば何処でもよく、例えば、ボイラケーシング５に配置しても良い。

また、本発明の排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法では、ダクト３の入口がダクト３の幅方向の中央の位置であって高さ方向の中央から下に外れた位置に形成され、ダクト３の入口の開口中心がガスタービン１の軸線を通るような位置に形成されている構成で説明したがこれに限定されない。例えば、ダクト３の入口は、ダクト３の幅方向と高さ方向における中央位置に形成されていたり、幅方向の左右に外れていたり、高さ方向の上に外れていても良い。また、ダクト３の入口の開口中心は、ガスタービン１の軸線から外れていても良い。

また、本発明の排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法では、排ガスの流路６における幅方向の両側、高さ方向の上下のそれぞれに整流体８が配置されない領域を作り、その領域では、排ガスを、整流体８を通さずにそのまま下流の伝熱管群７へ流す構成で説明したがこの構成に限定されない。整流体８が配置されない領域は、幅方向の左右両端、高さ方向の上下の四つのうち少なくとも一つの領域が排ガスをそのまま下流に流すようになっていれば良い。

また、実施例二の排ガスの整流構造では、整流体８と補助整流体１８の二つで説明したがこれに限定されない。例えば、整流体は三つ以上で、この三つ以上の整流体が、排ガスの流れ方向に沿って下流側ほど大きな整流体が配置されるとともに、排ガスの流れ方向に沿って視た際に排ガスの最大流速部分を中心に外側へ向かうほど重なり部分が減少するように配置する構成でも良い。

また、整流体について、実施例一の構成で多孔板を、実施例二の構成でメッシュを用いることを例示したがこれに限定されない。実施例一の構成でメッシュ、実施例二の構成で多孔板を用いても良い。

また、実施例二の排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法では、整流体８と補助整流体１８がともにメッシュであることを例示したがこれに限定されない。一方がメッシュで他方が多孔板であっても良い。

また、整流体の形状について、矩形を例示したがこれに限定されず、円形などであっても良い。実施例二の排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法において、整流体の形状が円形の場合は、径が下流に向かって大きくなる。

また、実施例二の排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法
において、大きさの異なる複数の整流体は、排ガスの流れ方向に沿って配置されるとともに、排ガスの流れ方向に沿って視た際に排ガスの最大流速部分を中心に外側へ向かうほど重なり部分が減少するように配置するようにしても良い。すなわち、排ガスの流れ方向に沿って、高さ及び幅が下流に向かって大きくなる配置に限らず、高さ及び幅が下流に向かって小さくなる配置でも良いし、大きさ順に整列されていなくても良い。このような配置によれば、排ガスの流路に合わせて柔軟な整流体の配置が可能となる。

本発明の排ガスの整流構造、この整流構造を備えた排熱回収ボイラ及び整流方法は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更できる。

１ガスタービン
２排熱回収ボイラ
６排ガスの流路
７伝熱管群
８整流体
１８補助整流体

Claims

ガスタービンからの排ガスを整流体によって整流して排熱回収ボイラの伝熱管群へ導く排ガスの整流構造において、
前記整流体は、配置位置における排ガスの流路断面の大きさよりも小さく、前記配置位置における排ガスの流路断面を流れる排ガスのうち少なくとも最大流速部分を整流する位置に配置されると共に、
前記整流体は、大きさの異なる複数の整流体を備え、
前記複数の整流体は、排ガスの流れ方向に沿って配置されるとともに、排ガスの流れ方向に沿って視た際に排ガスの最大流速部分を中心に外側へ向かうほど重なり部分が減少するように配置されたことを特徴とする排ガスの整流構造。
前記整流体は、中心が排ガスの最大流速部分となるような位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガスの整流構造。
前記整流体は、大きさの異なる複数の整流体を備え、
前記複数の整流体は、排ガスの流れ方向に沿って配置されるとともに、高さ及び幅が下流に向かって大きくなるように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の排ガスの整流構造。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の前記排ガスの整流構造を備えたことを特徴とする排熱回収ボイラ。
ガスタービンからの排ガスを整流体によって整流して排熱回収ボイラの伝熱管群へ導く排ガスの整流方法において、前記整流体は、大きさの異なる複数の整流体を備え、前記複数の整流体は、排ガスの流れ方向に沿って配置されるとともに、排ガスの流れ方向に沿って視た際に排ガスの最大流速部分を中心に外側へ向かうほど重なり部分が減少するように配置され、排ガスは最大流速部分を含む一部が整流体によって整流され残部が整流体を介さずに下流に流されることを特徴とする排ガスの整流方法。