JPH03267602A - 排熱回収熱交換装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ガスタービン、往復動エンジン、燃料電池等
を動力源として用いた発電装置、あるいは塵芥焼却炉等
の産業廃棄物処理施設から排出される排ガスから熱回収
を行い蒸気を発生させる排熱回収熱交換装置に関する。

（従来の技術） 従来の排熱回収熱交換装置の熱交換器形式としては、自
然循環形または強制循環形の気水分離ドラムを有する水
管式ボイラないしは強制循環形の貫流式ボイラあるいは
満液式の煙管式ボイラ等が用いられている。

例えば、第５図に示すように、従来の満液式の蒸発器１
は、蒸発器本体胴ＩＡと、この本体胴ＩＡ内に横置され
た複数の伝熱管２と、これらの伝熱管２に排ガスを送り
こむ排ガス入口２０と排ガス出口２１からなっている。

また、液位制御装置４が本体胴１に取付けられている。

そして、本体胴ＩＡの底部に設けた給水人口２５から給
水して蒸発器１の内部の大部分を満たして伝熱管２の外
面との間で熱交換を行い、発生した蒸気を蒸気出口２１
から取り出して過熱器等へ供給するようになっている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、これらの熱交換器形式のうち、ドラム（
胴部）を有する形式の蒸発器、例えば気水分離ドラムを
有する水管式ボイラ、前述した満液式の煙管式ボイラ等
、ではドラムの内部に常時保有する水量が多い。そのた
め、蒸発器の起動開始から定常の運転状態に達するまで
に長時間を要し、かつ、定常状態に達するまでの間は、
発生した蒸気を熱交換系外あるいは需要先に供給するこ
とができない。

一方、貫流式ボイラでは、その内部の保有水量が少ない
ので起動開始後、短時間で定常状態に達するが、その性
能保持上、一般に厳しい給水の水質管理が要求される。

また、この種貫流式ボイラを燃焼ボイラ程の高温ガスを
扱わない排熱回収用ボイラに使用することは、水蒸気側
の圧力損失が大きい等の欠点があるため得策とはいえな
い。

さらに、起動時間が短く、かつ、給水の水質管理が緩か
な管外流下膜蒸発式の蒸発器を使用することが考えられ
る。しかし、管外流下膜蒸発器は蒸発量以上の給水をし
ないと所定の性能を発揮できないため、給水の再循環ポ
ンプを常時運転する必要がある。そのため、動力の消費
が大きくなる欠点がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたちので、起動
開始から起動完了（定常状態）までの所要時間を極力短
縮し、厳しい給水の水質管理が不要な、かつ、消費動力
の少ない排熱回収熱交換装置を提供することを目的とし
ている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、排熱源から導かれるガスから熱回収する蒸発
器により給水を加熱して蒸気を発生させる排熱回収熱交
換装置において、蒸発器の内部保有水の液位を蒸発器内
に横置された伝熱管群の下端面よりも下方の液位と伝熱
管群の上端面よりも上方の液位としてそれぞれ切替えて
管外流下膜蒸発器あるいは満液式蒸発器として機能させ
ることを特徴とする。

（作　用） 本発明は、上記のようにして構成されているので、蒸発
器の内部保有水の液位を伝熱管群の下端面よりも下方の
液位に切替えると排熱回収熱交換装置は管外流下膜蒸発
器として機能し、また伝熱管群の上端面よりも上方の液
位に切替えると満液式蒸発器として機能するようになる
。

（実施例） 本発明の排熱回収熱交換器の一実施例を第１図から第３
図について説明する。

第１図にその一部破断側面を示すように、本発明の排熱
回収熱交換装置を構成する蒸発器１では、円筒形をした
蒸発器本体胴ＩＡの中に多数の伝熱管２を横置して配設
し、産業廃棄物処理施設等からの排ガスを受は入れる排
ガス人口２０と排熱回収後の排ガスを排出する排ガス出
口２１がそれぞれ本体胴ＩＡの両端部に配設されている
。また、本体胴ＩＡ内の上部空間には多数の散水孔３Ａ
を穿設したパイプ状の散水装置３が設けられていて、散
水袋ａ１３に接続された給水入口２３から給水して伝熱
管２の表面に均一に散水するようにしたシェルアンドチ
ューブ形の煙管式（管外）流下膜蒸発器として構成され
ている。そして、伝熱管２の外面との熱交換により発生
した蒸気は本体胴ＩＡ内から蒸気出口２４より過熱器等
へ供給されるとともに、本体胴ＩＡの底部には再循環出
口２２が配設されていて、給水再循環ポンプ１４（第３
図）で吸引されて所定個所へ供給されるようになってい
る。また、本体胴ＩＡの側面には本体胴１の内部保有水
の液位を検出する液位トランスミッタ４が取付けられて
いる。また、この蒸発器１では、需要先で要求される蒸
気流量を発生させるのに必要な伝熱面積よりも大きな伝
熱面積をもつように、伝熱管の長さ及び本数を設定する
。さらに、この実施例の蒸発器１には、その内部保有水
の液位を制御する制御装置３０（第２図参照）が付設さ
れ、所定の切替信号を受けて蒸発器１の内部水の２つの
正常液位を切り替えて設定できるようになっている。第
１図に示すように、そのうちの第１の正常液位（ＮＷＬ
）は伝熱管群２の下端面よりも下方に設定され、また、
第２の正常液位（ＮＷＬ＋ΔＨ）は、伝熱管群２の上端
面よりも上方に設定されて、いづれかに切り替えて異な
った作用をする蒸発器１として機能するように構成しで
ある。

第３図の熱交換系統の構成図に示すように、蒸発器１は
熱交換系統に組みこまれ、過熱器６、予熱器８、給水加
熱器９とで熱交換装置が構成されている。産業廃棄物処
理施設等から出た排ガスは、切替ダンパ１２を経て主流
路１ｏに流入し、過熱器６を経て蒸発器１の伝熱管２内
に入り散水装置３からの散水と伝熱管２の外面で熱交換
して蒸気を発生するようになっている。ここで発生した
蒸気は過熱器６へ送られて過熱され、給水加熱器９で熱
仕事をして復水として給水タンク１５へ戻される。蒸発
器１で熱交換を行った排ガスは主流路１０に戻されて予
熱器８を経て系外へ排出される。

一方、主流路１０に入る前に排ガスの一部は切替ダンパ
１３を経てバイパス流路１１に流入し、過熱器６と蒸発
器１とをバイパスして蒸発器１がら排出された排ガスと
主流路１ｏで再び合流して予熱器８に達した後、系外に
排出される。さらに、蒸発器１には、その内部保有水を
吸引する給水再循環ポンプ１４が付設され、吸引された
保有水は、予熱器８と蒸発器１の散水装置３へ供給され
るようになっている。さらに、給水と給水加熱器９がら
の復水は、−旦、給水タンク１５に貯められた後、給水
ポンプ１６と給水流量調節弁１７を経て予熱器８へ送ら
れて予熱された上、蒸発器１へ給水される。

また、第２図に示すように、蒸発器の液位制御装置３０
は、液位トララスミッタ４から液位信号を受ける偏差演
算部３１、この偏差演算信号を受けて増幅するＰＩＤ演
算部３２、さらには液位信号以外の給水流量信号と蒸気
流量信号を加算する加算部３３、これらの電気信号を空
気信号に変換して給水流量調節弁１７を開閉弁する電気
／空気信号変換部３４とから構成されている。さらに、
この液位制御装置３０には、例えば蒸発器の定格圧力到
達信号等の設定値切替指令信号の入力を受けて第１正常
液位（ＮＷＬ）と第２正常液位（ＮＷＬ＋ΔＨ）に蒸発
器１の液位を切り替える設定値切替部３５と変化率制限
部３６が付設されている。また、偏差演算部３１には液
位の基準値が入力される。また、液位制御装置３０には
、熱交換系統の、例えば蒸気流量、給水流量の変動等を
監視して蒸発器１内部の保有水の液位信号（単要素）と
、これを加えた３要素（液位、給水流量、蒸気流量）と
の切替指令信号を入力する３要素・単要素切替部３７と
、この切替部３７に入力された信号にこの信号がしきい
値以下の場合にバイアスをかける０％バイアス部３８、
さらには、給水流量と蒸気流量からの信号を入力して減
算し、切替部３７へ出力する減算部３９が付設されてい
る。

このようにして構成された液位制御装置３０においては
、通常、蒸発器の内部保有水の液位を液位トランスミッ
タ４で検出し、設定値との偏差を偏差演算部３１で演算
し、偏差が検出された場合には弁操作信号をＰＩＤ演算
部３２を経て、がっ、加算部３３をスキップして電気／
空気信号変換部３４へ送り給水流量調節弁１７の弁開度
を調節して内部保有水の液位を制御する。

また、熱交換系統の定格圧力が流下膜蒸発器としての機
能で規定値に到達したときには、例えば蒸発器の必要最
低限の正常液位（ＮＷＬ）から最高限の正常液位（ＮＷ
Ｌ＋ΔＨ）に、設定値切替指令信号を設定値切替部３５
で受けて設定値を切り替える。そして、この切替信号を
変化率制限部３６にかけて修正してから偏差演算部３１
へ送り実際の液位との偏差を演算し、電気／空気信号変
換部３４へ弁操作信号を送り給水流量調節弁１７の弁開
度を調節して内部保有水の液位を正常液位（ＮＷＬ＋Δ
Ｈ）に維持するように制御する。

さらに、熱交換系統の給水流量、蒸気流量を制御要素と
して内部保有水の液位制御を行う場合には、単要素から
３要素への切替指令信号を受けて３要素・単要素切替部
３７の切り替えを行うようになっている。

このようにして構成された本発明の実施例の排熱回収熱
交換装置の作用について説明する。まず、蒸発器１に付
設された液位制御装置１３０が蒸発器１の内部保有水の
正常液位を蒸発器１内の底部の必要最低限の高さである
第１正常液位（ＮＷＬ）に設定し、給水流量調節弁１７
と、第２図に示すように連動して第１正常液位（ＮＷＬ
）を設定値に保つ。この際、第３図に示す給水再循環ポ
ンプ１４が作動しているので、予熱器８と蒸発器１との
間で水が循環し、給水の散水装ｒｒＬ３から水が伝熱管
２群に散布され伝熱管２の外面を流下する間に熱交換さ
れて蒸発器１は流下膜蒸発器として機能して蒸気を発生
して過熱器６へ供給する。このように、起動（コールド
スタート）前、蒸発器１の内部には、流下膜蒸発器とし
て機能する液位がある。そのため液位制御装置３０には
第１正常液位としてＮＷＬが設定されていて、液位トラ
ンスミッタ４からの液位信号のみを制御要素とする単要
素制御方式により液位制御がされている。そこで、排ガ
スが、かりに定格の流量と温度で供給されると熱交換装
置、配管の構造部材等の昇温に要する僅かな時間の経過
後、蒸発器１の水側か所定の圧力と温度に到達し、蒸気
の送給が開始される。

ところで、本発明の蒸発器は、通常の排ガスの放出温度
（約１００℃〜１２０℃）よりさらに温度を下げて多く
の熱を回収するように構成されている。そのため、給水
の飽和液の状態付近を境にして排ガスの一部を切替ダン
パ１３を経て排ガスバイパス流路１１へ送り、過熱器６
と蒸発器１をバイパスさせ、予熱器８の排ガス上流側に
合流させることによって予熱器８での交換熱量を増し、
熱交換装置を予熱器８と蒸発器１とに分け、蒸発量に影
響を及すことなく、多量の給水を蒸発器１に送りこむこ
とができるようにする。すなわち、この排ガスバイパス
管路系は、蒸発器１の伝熱面積が所要な蒸気流量を発生
するのには過大であるので、蒸発器ｌに流入する排ガス
流量を制限する。

これにより、蒸発量を適量に調節するとともに、予熱器
８に高温の排ガスを直接付与してその熱負荷を高め、蒸
発量以上の給水流量をその飽和点付近まで予熱させる。

これによって、蒸発器１に保有される液分を累積増加さ
せる作用をもつようになる。

そして、蒸発器の所定圧力への到達信号（設定値切替指
令信号）を受けて、蒸発器１の液位制御装置３０の正常
液位は設定値切替部３５により満液式蒸発器として機能
する伝熱管２群が露出しない液位である第２正常液位（
ＮＷＬ＋ΔＨ）に切り替わる。また、液位制御装置３０
の液位制御方式は、蒸気流量信号（３要素、単要素切替
信号）によって切り替えられて、給水流量信号と蒸気流
量信号および液位信号を要素とする３要素制御力式とな
っている。このような制御条件下での液位制御装置３０
の第２図について説明した働きにより蒸発器１内の内部
保有水の液位給水流量調整弁１７の開弁により徐々に上
昇し、ついには満液式蒸発器としての定格の液位（第２
正常液位、ＮＷＬ＋ΔＨ）に達し、液位は液位制御装置
３０により常に一定に制御される。同時に給水再循環ポ
ンプ１４の作動が停止され、散水が中断され、伝熱管２
の外面との間て熱交換が行われて蒸気が発生する。その
後、排ガスはそのバイパス流量を調節されて蒸発器２へ
送られ、余剰の蒸気が発生し、この余剰蒸気は給水加熱
器９へ送給されて、給水の予熱のために用いられる。

〔発明の効果〕

本発明の排熱回収熱交換装置によれば、蒸発器に配設し
た液位制御装置により蒸発器の内部保有水の液位を２つ
の異なった正常液位に切替えて制御できる。そのため、
蒸発器をその起動時においては、管外流下膜蒸発器とし
て機能させることができ、内部保有水量を最低限正常水
位まで低減させて極めて短時間のうちに蒸発器から定格
の温度、圧力、流量の蒸気を発生することができるよう
になる。

また、定格運転到達後は内部保有水の液位制御装置の制
御により液位を徐々に上昇させて満液式蒸発器として機
能させることができるので、その後は、散水のための給
水再循環ポンプの運転が不要となり、その結果、消費動
力の節約ができるという効果がある。

器の他の実施例の一部破断側面図、第５図は排熱回収熱
交換装置を構成する従来の満液式蒸発器の一部破断側面
図である。

１・・・蒸発器、ＩＡ・・・蒸発器本体胴、２・・・伝
熱管、３・・・散水装置、４・・・液位トランスミッタ
、２ｏ・・・排ガス入口、２１・・・排ガス出口、２２
・・・再循環液出口、２３・・・給水入口、２４・・・
蒸気出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、排熱源から導かれるガスから熱回収をする蒸発器に
   より給水を加熱して蒸気を発生させ、得られた蒸気を過
   熱器により加熱して過熱蒸気を生成するようにした排熱
   回収熱交換装置において、該蒸発器の内部保有水の液位
   を前記蒸発器内に横置された伝熱管群の下端面よりも下
   方の液位と前記伝熱管群の上端面よりも上方の液位とに
   それぞれ切替えて管外流下膜蒸発器あるいは満液式蒸発
   器として機能させることを特徴とする排熱回収熱交換装
   置。 ２、管外流下膜蒸発器あるいは満液式蒸発器としての機
   能の切替えを蒸発器の定格圧力到達信号等の設定値切替
   指令信号によって作動する液位制御装置によって行うこ
   とを特徴とする請求項１記載の排熱回収熱交換装置。 ３、排熱回収熱交換装置に排ガスの主流路と、過熱器と
   蒸発器とをバイパスして予熱器の上流側で前記主流路と
   合流する排ガスのバイパス流路とを設け、給水の飽和液
   の状態付近を境にして排ガスの一部を前記バイパス流路
   へ送り、前記蒸発器を起動させることを特徴とする請求
   項１または２記載の排熱回収熱交換装置。