JPH01280604A - 蒸気プロセスの効率を高める方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、蒸気発生システムにおいて高温の媒体流によ
り生成された蒸気が、蒸気タービン内に供給され、該蒸
気タービンから出だ冷却された蒸気流が、復水され、そ
して同蒸気発生システムの供給水が、予熱される、とい
う蒸気プロセスの効率を高める方法に関する。

〔従来の技術〕

エネルギを例えばガスタービンの廃熱から得る蒸気ター
ビンプロセスにおいて、問題となるのは、ガス流に比べ
て供給水流が少ないこと、したがって蒸気流が少ないこ
とである。そのため、蒸気プロセス中の圧力を減少させ
ることなく、ガスを特に大幅に冷却することはできず、
したがって、効率はさらに低下する。実際には、ガスタ
ービンの廃熱ボイラの最適の圧力レベルは６０〜４０パ
ールであり、そのガスは、１一圧カボイラによって約２
００°Ｑ頃下まで冷却することができる。

多くの、相互にはほとんど相違していない方法で、この
問題を解決しようと試みられた。最も一般的な解決策は
、２一圧力プロセスを構成することであった。この場合
、ガスタービンの廃熱プロセスにおける量適の圧力レベ
ルは６゜〜８０パールになり、そしてガスは、その後典
型的には２５０８Ｃ以上になる。この熱から、１部が、
比較的低い圧力レベルの分離した蒸発器によりｍｙ　Ｄ
返され、同じ圧力レベルの蒸気が、タービンの抽気口に
似給される。このようにして、ガスの熱量が細かく利用
され、ガスの出口温度は数１０度低下する。２−圧力）
屏放を適用した例が、スイス国特許発明第６２１　１８
６号明細＠に記載されている１− 多少異なる解決策がスイス国特許発明 第６４５４６６−号明、１ｉｆｌ］書に言己載されてい
る。その公開明細書に占己載のシステムでは、ガスター
ビンの廃熱ボイラの他に、分離した煮込ボイラが配設さ
れており、それによって両ボイラの全供胎水量は、同ガ
スタービンの廃熱ガス流を約１ｏ口’ｃまで冷却し得る
、十分な量になる。このようにして、両ボイラから得ら
れた、合計の高圧蒸気は、唯一の圧力／温度レベルにお
いて、蒸気タービンに供給される。

スウェーデン国特許出願公告第４１６　８３５号明細書
には、寸だ、２−圧力プロセスの予熱システムが記載さ
れている。同システムにおいては、蒸気タービンは高圧
部分から供給を受けるもので、そして低圧部分は、燃料
油の予熱及び他の加熱といっだ、その他一般的な要求に
対して蒸気を提供している。このシステムは、さらに、
蒸気発生器の低圧部分から熱を取り出すところの給水予
熱装誼を有している。このシステムも才た、多段の予熱
システムから成るもので、この場合蒸気は、唯一の圧力
／温度レベルにおいて、蒸気タービンに供給される。

フィンランド国特許出願公告第５８６８１号明細■゛に
は、廃熱ボイラの給水予熱器内に、給水ポンプの吸引側
の給水タンクに戻る給水循環が付設されている、ところ
の方法が記載されている。それによって、給水予熱器に
おける水の蒸発が、水量の増加にょシ阻止されるという
意味において、調節機能が得られる。ここに記載のシス
テム（その変形もオリ用される。）は、船水予熱器への
供給水の取水温度が実際には上昇するために、給水循環
量が増大すると、きまって煙道ガスの冷却効果の低下を
惹起する。この明細書によれば、同システムを用いれば
、蒸気タービンから排出されるべき油気量が、いつもは
予熱器内で蒸発が行われるはずの状態において、減少す
るために、蒸気タービンの出力が高められることになる
。

前述の説明は、被冷却ガス流又は他の媒体流Ｋ及び冷却
水■の温度Ｔ及び伝達された熱量Ｑを示すところの第６
図によって、熱力学的に明らかにされる。

第６ａ図には、１−圧力解放が示さ：比でおり、そこで
は蒸発温度（１）といわゆる“′ピンチポイント′”温
度差Ａ１とが、蒸発及び堝熱のためにオｌ用可能な冷却
作用を制限し、そして被伝達熱量を値Ｑ。に限定してい
る。相応の給水量を予熱するのに必要な熱量はＱ工であ
シ、これは、ガスの導入温度が低いところの通常の使用
での、真にわずかなガス冷却作用には十分に足りるもの
である。、被冷却ガス流は、たかだか温度Ｔａまでしか
冷却されない。

これを解決する通例の方法は、比較的低い圧力レベルの
第２の蒸発器を組み込むこと、即ち第６ｂ図に示された
２−圧力解放である。通常、このようにして生成された
蒸気（Ｉ　Ｔ：）は、スイス国特許発明第６２１　１８
６号明細書に記載のように中間供給として蒸気タービン
内に、導入されるか、又はスウェーデン国特許出願公告
第４１６　８３５号明細書に記載のように工場プロセス
又は類似のプロセスにおいて使用される。被冷却ガス流
から取り返された熱量は、１−圧力解放と比較して、熱
量Ｑ、２だけ増加するが、同被冷却ガス流はたかだか温
度Ｔ’ｂまでしか冷却されない。

フィンランド国特許出願公告第５８　６８１号ヴ」細書
に記載のように、給水予熱器を通して大量の供Ｋ（ｌｊ
水が圧送され、その個剰分が冷却されずに導入側］に戻
される場合、供給水の導入温度は一ヒ昇しく第６ｄ図、
ＴｏｌｌＴ２）、そしてこれは、供給水に蓄積される熱
量の減少をもたらすことになる。しかし寿から、ガスの
導入温度が低下する場合（第６ｄ図の０−１−２）、こ
の現象は、部分負荷制御において利用される。

この場合、ボイラの蒸気発生量は減少し、それゆえに給
水量は減少するであろう。つまシ、供給水は、給水予熱
器においてすでに沸騰し始めるであろうが、これを多く
の理由から阻止又は最小に制限しようと試みられ、そこ
で利用された方法が供給水の臨時的な循環である。他方
、供給水が、予熱器においてすでに飽和点まで加熱され
ていることが、効率の点で必要であろう。

フィンランド国特許出願公告第５８６８１号明訓書には
、これに関する方法が記載されている。

同方法においては、供給水の循環についての一定の制御
方式に基づいて、一方では給水予熱器における蒸発を阻
止し、そして他方ではほぼ沸騰温度を得ることができる
。前述の、２−圧力プロセスに関連したスイス国特許発
明 第６２１　１８６号も一！た、前記部分負荷問題の解決
を意図している。しかしながら、これには供給水の循環
は含まれていない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記各システムの欠点は、−多段の高圧蒸発作用のため
に一複雑な蒸気発生という側面とそれでもってまた高価
な点とにある。その上、前述の解決策におけるこの問題
は、廃熱ボイラのガス流は不変であるが、得ようとする
エネルギは減少し、ボイラの蒸気発生量も減少する場合
の、ガスタービンユニットの部分負荷に際して、一般的
にさらに深刻になる。

予熱器が、水流の減少のために前述のように蒸発作用を
開始する場合、プロセス処理の変更が実行されない場合
−この場合部分負荷の効率は再び低下するー、またはそ
の上、定格点のプロセスが、経済的に最適な設計から大
きく離れて設定されている場合には、運転技術的な問題
も生ずる。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明のプロセスを用いれば、前記の欠陥は決定的に改
′善され得る。請求項１の特徴部分が、これを実現する
ための、本発明の方法の特色である。

本発明の最も重要々利点は、簡単な方法で以下の点が実
現されることにある。

−高い効率をもたらすところの、ここに説明されたプロ
セスの膨張処理の各々の圧力レベルに対して別々の蒸気
発生回路を与える、熱力学的にはほぼ多圧プロセスに相
当するプロセス、−はぼ供給水の温度付近までのガスの
冷却、−加熱ボイラと、ガス量が廃熱能力に左右されな
いところのその他の対象物とにおける、部分負荷の運転
技術上の問題の解決、 一発電の増加の面でも、比較的少ない投資コストの面で
も、通常のプロセスの場合よシも経済的に有オリな、前
述のオリ点の達成。

〔実施例〕

以下で、本発明は、添付図面を参照しっつ詳則に説明さ
れる。

このプロセスは、数字１で全体的に示されているボイラ
を通じて、熱エネルギを受は取る。

ボイラ１の構成要素は、エネルギをもたらす媒体流１４
中に配設されておシ、この媒体流は、典型的には、ガス
タービンの廃熱ガス流、他ノ燃焼プロセスの煙道ガス流
、その他相光に高温のガス流又は液体流から成る。

図面に示されたこのプロセスは、通常の逆流システムと
して次のように機能する。給水タンク４から送られた、
約５５℃の温度の供給水ＶＳは、低圧予熱器９を経てボ
イラ装置の蒸気分離ドラム２内に至シ、そこから、蒸気
ＨＰをドラム２内に受は入れるために、流れｖ　、ｐと
して蒸気発生器７へ送られる。ドラム２からｉｂ出され
た蒸気流ＨＴは、過熱器６を介して送られ、その後蒸気
タービンの高圧部分に導かれる。

蒸気タービン３から出た、エネルギを使い果した蒸気Ｈ
Ｌは、復水器１０を流れて、約４０°Ｃの温度の水流Ｖ
Ｌに変わる。この復水は、通常さまざまな方式で制御さ
れて、給水タンク４を介して、供給水Ｖ、Ｓとしてシス
テム内に導かれる。

このプロセス内のみを循環する水ｔ　Ｖ　Ｈ（この場合
■Ｓと同じ）は非常に少量であるために、供給水がいく
ら冷たかろうと、以前すでに確認されたように、同水量
は、煙道ガス温度の特に大幅々低下を実現し得るもので
はない。一定又は滑らかに変化する圧力を伴う、通常の
負荷制御方式は、この点に関して、効率に本質的な影響
を及はすことはない。

前述の効率及び部分負荷の問題を解決するために、この
蒸気プロセスには、本発明によれば（例としては第１図
）、６つの膨張蒸発器１１゜１２．１３が配設されてい
る。全負荷の場合でも部分負荷の場合でも、駆動中の正
規の負荷状態において、本発明にしたがって供給水ＶＳ
が、ボイラ１の蒸気発生に基づく予定量よりも大量に供
給されたときには、メインの蒸気発生のために使用され
る水量が、蒸発すべき水ＶＨとしてボイラドラム２内に
流入し、そし又供給された水量の：ｉミノ部分低圧予熱
器９後の水■１として側路に流入する。蒸発すべき水Ｖ
Ｈは、さらに蒸気発生器１を経て前述のように流れる。

水の分岐流■１は、同分岐流を膨張せしめる第１の膨張
蒸発器１１内に至り、そこで同分岐流は蒸気流Ｈ２と残
余水流■２に分割される。

その後、蒸気流Ｈ２は、ガス流１４によって、低温過熱
器８内において加熱され、そして蒸気タービン３内にそ
の圧力に対応する部位において導入される。典型的には
、この場合、過熱された蒸気圧力は１５パールであり、
温度は２５０°Ｃである。残余水流ｖ２は、再び、同水
流を更に膨張せしめる隣接の膨張蒸発器１２内に導入さ
れ、そこにおいて同水流は蒸気流Ｈ６と残余水流ｖ６に
分離される。この蒸気流Ｈ６の圧力は典型的には５バー
ルであり、温度は１５６°Ｃである。この流れは、主に
、蒸気タービン３の同圧力に対応する股肉に蒸気部分流
Ｈ３１として導入される。この蒸気流の１部は、部分流
Ｈ３２として、供給水を加熱する紹水タンク４内に導入
させることができる。対応する残余水流■６は、蒸気流
Ｈ４及び水流■４を生成する目的で、同残余水流をさら
に膨張せしめる隣接の膨張蒸発器１３内に新だに導入さ
れる。この段階において、蒸気流Ｈ４の圧力は１バール
、温度は１００°Ｃになっている。この残余水流Ｖ４は
、往水器１０を介して、典型的にはその温度が約４０°
Ｃであるところの復水ＶＬに導かれる。

復水ＶＬ、ＶＬＫｆｉびに供給水ＶＫ、ＶＳに関係して
、表面熱交換器５をもって現実化された配置は、供給水
のガス抜きに関するもので、それ自体は本発明には関係
ない。

熱力学的に考察すれば、本発明においては、給水予熱器
を流れる水流を増加させ、しかも同船水予熱器の表面積
を拡大することによって、それも必要かつ採算に合うほ
ど十分に行りことによって、熱回収は第６Ｃ図に対応し
て増加される。煙道ガスは、原理的には、復水器から出
る供給水の温度まで（実際には例えば温度’ｒｅまで〕
冷却される。この場合回収された熱量は、２−圧力解放
と比べてもさらに熱量Ｑ３だけ増加している。したがっ
て、装置を適切に設計し、水流を適切に制御することに
よって、ボイラの蒸発部及び過熱部において利用可能な
熱量Ｑにより蒸発及び過熱し得る水量以上の飽和した高
圧水が維持される。このために、過剰分の供給水は、ボ
イラから分流されるとともに、この明細書に記載の択一
的な方法で比較的低圧の蒸気を発生させるために利用さ
れ、そうして冷却され、改めて給水予熱器（水の冷却段
階は第６ｃ図からは明確ではない。）内に戻される。

発生する低圧蒸気は、中間供給として、蒸気タービンに
供給され、このとき同タービンの電気出力は上昇する。

この例に相当する場合（第１図）において、膨張蒸発器
を介して供給水を送ることの効果は、各装置の配置を変
えない場合に、次のようになった。

蒸気タービンの　　　出力増分 送９量　　　　　　出力（ネット）　　　（ネット）Ｏ
ｋｇ／Ｓ　　　４０．７３ＭＷ　　　　ＯＭＷ７．３８
　　　／／　　　　４１．５８／／　　　　０．７５　
　／１１６．０８　　　／／　　　　４２．２４　／／
　　　　Ｈ５，，１／／２５．９１　　　／／　　　　
４２．６０／／　　　　１．８７　　／／３６．７２　
　　／／　　　　４２．４８／／　　　　１．７５　１
／ここで、蒸気タービン３へのメインの蒸気流入量ＨＴ
ｉは一定の６７．４ｋｇ／Ｓであった。

第１図には、本発明の１つの例示的プロセスだけが示さ
れている。供給水を過剰に供給するこの原理に依拠して
、回通部分を例えば前記膨張蒸発２％１１，１２．１３
を用いて蒸発させ、その蒸気を蒸気タービン３に導入す
るというやシ方で、本発明の原理を多くの異なる方法に
おいて適用することができる。この例においては、３つ
の圧力／温度レベルの膨張蒸発器を設置しているが、１
つのみ又は６つ以上の膨張蒸発器を設置することもでき
る。これらのノ彫張蒸発器によって得られた蒸気は、１
つ又は複数の過熱器８において、ガス流１４により遜熱
されるか、又は過熱することなくタービンに導入される
。

特に有利外方法によれば、膨張蒸発器からその都度得る
ことができる蒸気ＨＳを、熱交換器２３において、同蒸
発器内に流入する水ｖ１を用いて過熱するという過熱方
式が実現される（第２図）。第１図の例に適用すれば、
それに応じて、蒸気流Ｈろは水流ｖ２により、蒸気流Ｈ
４は水流■ろにより過熱されることになる。

ガス流１４による通熱と水流ｖ１　、ｖ２及び／又は■
６による過熱を結合することも可能である。同様に、部
分蒸気流Ｈろ２を蒸発過程の釧種の位置で得て、給水加
熱部に導入したり、あるいはその段階を省いて、蒸気全
部をタービン３に導入したりすることができる。

低温の予熱器９、過熱器８、蒸気発生器７そして過熱器
６の数及び構成が、流れ方及び熱源の形式に応じて、そ
れ自体公知のすべての構造物の利用により、決定される
ことは勿論である。

同様に、水流ｖ１．Ｖ２及び／又はｖ６による過熱は、
同水流と対応する蒸気流ｎｓ、Ｈ２゜Ｈ３及び／又はＨ
４との間に、それ自体公知の任意の熱交換構造を適用す
ることにより、実現せしめられる。

給水タンク４及び熱交換器５自体に接続された配置も、
他の形式にすることができる。送るべき退部の供給水は
、プロセスの要求に応じて、給水ポンプ１６の吸引側か
、又は独立の送水ポンプを用いて同ポンプの加圧側に戻
される。

前記の膨張蒸発器（゛′フラッシュ″−ドラム）のほか
に、表面熱交換器複合体２１（第２図）を用いても、低
温の送水を蒸発させることができる。この場合、過剰の
水流ｖ１は、被冷却流であるか、又は所望により上記の
ように過熱媒体でもある。この媒体から、まだ同時に比
較的小量の水流が蒸発のために取り出され、そこから相
応の蒸気流ＨＳが蒸気タービンへ向けて発生する。この
水は、勿論側の場所でも得ることができる。前記システ
ムは第２図に示されている。さらに、同システムの前記
の各変形は、前記又は類似の蒸発器との関連において（
複数の圧力レベルの同蒸発器を設けた時）、適用可能で
ある。

予熱器から出る送水ＶＨがすでに蒸気を含んでいる場合
、即ち予熱器が蒸発せしめた場合、送水するだめに取り
出された過剰の供給水Ｖ１は、捷ず同圧の蒸気分離器（
図示されず）内に導入される。この分離器から得られた
蒸気は、ボイラ又はボイラドラム２内に導入され、そし
て残留水は、低圧蒸気を発生せしめる装置１１゜１２．
１３；２１において冷却される。このようにして発生し
た低圧蒸気Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４；Ｈｅは前記のように処理
される。低圧サイクル中の冷水の塩分の上昇を回避しよ
うとする場合は、予熱された供給水ＶＨがボイラ水ｖｐ
に混入する前に、ボイラドラム２中の供第水■１を特定
の送水管によｐ取り出す。

前記説明とは無関係に、さらに付加的に、このプロセス
から排出された例えば煙道ガス流の廃熱を、ボ・ｆう装
置１５を用いて、他の目的に使用される水の即熱のため
に利用することができる。このようにして、煙道ガスの
廃熱エネルギが最も有効に利用される。

このプロセスの適用対象として、主に、ガスタービンの
廃熱利用について説明した。しかし々から、このプロセ
スの適用は、これに限定されることば外い。熱流１４ば
、他の煙道ガス流であっても、任意のエンジン、例えば
舶用機関の排気流であっても、任意のプロセスの熱い媒
体流（この場合、同媒体はガス状、又は液状、又は両名
の組合せである。）でちってもよい。この流れ１４は、
また固体の粒子を含んでいてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図には、本発明のプロセスの実施形態がプロセス図
として示さ”れている。第２図には、蒸発部についての
本発明の別の層成が、プロセス図として示さシ］、てい
る。第６ａ図、第６ｂ図、第３ｃ図、第６ｄ図には、本
発明及びその技術水準を説明するところの温度−熱量線
図が示されている。 １・・蒸気発生システム、２・・・ボイラドラム、３・
・蒸気タービン、７・蒸発器、８・加熱器、９・・予熱
器、１１１２．１３・・膨張蒸発器、１４・・ガス流、
１６・・給水ポンプ、２１・・−表面熱交換器複合体、
ＨＴ　、　ＨＴ、　、　ＨＳ　、　Ｈ２。 Ｈ３＋　Ｈ４−蒸気、Ｖ　ｊ　、　Ｖ　Ｓ　、　Ｖ　Ｋ
　、　Ｖ　Ｈ。 ｖｐ・・・供給水

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸気発生システム（１）において高温の媒体流（１
   ４）により生成された蒸気（ＨＴ）が、蒸気タービン内
   に供給され、該蒸気タービンから出る冷却された蒸気流
   （ＨＬ）が、復水され、そして前記蒸気発生システム（
   １）の供給水（ＶＳ）が、予熱される、という蒸気プロ
   セスの効率を高める方法において、ボイラ（１）の蒸気
   発生量から予定される水量よシも大量の供給水が、給水
   予熱器（９）を介して給送されること、過剰の供給水（
   Ｖ１）が、低圧蒸気を生成する装置（１１、１２、１３
   ；２１）において冷却されること、このようにして発生
   した低圧蒸気（Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４；ＨＳ）が、中間供給
   として、前記蒸気タービン（３）内に供給され、そして
   冷却されて、前記給水予熱器（９）内に戻されること、
   前記冷却された過剰の供給水が、前記給水予熱器内に流
   れる供給水（ＶＳ）に戻されることを特徴とする蒸気プ
   ロセスの効率を高める方法。 ２、１つ又は複数段階（１１、１２、１３）の低圧力に
   膨張せしめることによつて、前記送るべき過剰の供給水
   （Ｖ１）が冷却されること、そして各々の発生した膨張
   蒸気の部分流（Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４）が、中間供給として
   、該当の圧力レベルに対応する位置において、前記蒸気
   タービン（３）内に供給されることを特徴とする請求項
   １に記載の方法。 ３、前記送るべき過剰の供給水（Ｖ１）が、前記給水予
   熱器内に流入する供給水（ＶＫ）に、給水ポンプ（１６
   ）の吸引側へ向けて、戻されることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の方法。 ４、前記送るべき過剰の供給水（Ｖ１）が、表面熱交換
   器（２１）において冷却され、そして該熱交換器内にお
   いて放熱器が沸騰した際に発生する蒸気（ＨＳ）が、中
   間供給として前記蒸気タービン（３）内に供給されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の方法。 ５、前記送るべき過剰の供給水（Ｖ１）が、特定の送水
   ポンプ（２２）を用いて、給水ポンプ（１６）の加圧側
   に戻されることを特徴とする請求項１又は４に記載の方
   法。 ６、前記供給水がボイラドラム（２）に達する前に、冷
   却のために使用される過剰の供給水（Ｖ１）が、前記給
   水予熱器（９）の後方で取り出されることを特徴とする
   前記各請求項のいずれか１項に記載の方法。 ７、送水路内に取り込まれた過剰の供給水 （Ｖ１）が、まず同圧の蒸気分離装置内に導入され、そ
   こから蒸気が前記ボイラドラム （２）内に導入され、そして残留水が、低圧蒸気を発生
   せしめる装置（１１、１２、１３；２１）内で冷却され
   ること、そして、それにより発生した低圧蒸気（Ｈ２、
   Ｈ３、Ｈ４；ＨＳ）が、中間供給として、前記蒸気ター
   ビン内に供給されることを特徴とする請求項６に記載の
   方法。 ８、予熱された供給水（ＶＨ）がボイラ水 （ＶＰ）と混合する前に、前記ボイラドラム（２）内の
   、前記冷却のために取り込まれた過剰の供給水（Ｖ１）
   が、特定の送水管によつて取り出されることを特徴とす
   る前記請求項のいずれか１項に記載の方法。 ９、前記冷却のために取り込まれた過剰の供給水（Ｖ１
   ）が、前記ボイラドラム（２）内に存在するボイラ水（
   ＶＰ）から取り出されることを特徴とする前記請求項の
   いずれか１項に記載の方法。 １０、前記流通する過剰分の供給水（Ｖ１）が供給水（
   ＶＨ）から分流される前に、該供給水（ＶＨ）が、前記
   ボイラドラム（２）の圧力に相応する沸騰温度に到達す
   るように、前記給水予熱器（９）の流通水量（ＶＳ）が
   調節されていることを特徴とする前記請求項のいずれか
   １項に記載の方法。 １１、低圧蒸気を発生せしめる前記装置（１１、１２、
   １３）の少なくとも１つにおいて発生した前記蒸気（Ｈ
   ２、Ｈ３、Ｈ４）が、当該装置内に流入して相応に循環
   する過剰の供給水（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）によつて過熱さ
   れることを特徴とする前記請求項のいずれか１項に記載
   の方法。 １２、低圧蒸気を発生せしめる前記装置（１１、１２、
   １３）の少なくとも１つにおいて発生した前記蒸気（Ｈ
   ２、Ｈ３、Ｈ４）が、過熱器（８）により過熱されるも
   のであつて、該過熱器が、前記高温の媒体流（１４）中
   の、前記予熱器（９）とメイン回路の蒸発器（７）との
   間の温度に相当する温度段階にあることを特徴とする前
   記請求項のいずれか１項に記載の方法。