JPH0765721B2

JPH0765721B2 - 排熱回収熱交換装置

Info

Publication number: JPH0765721B2
Application number: JP2065659A
Authority: JP
Inventors: 俊二河野; 通夫渡邊
Original assignee: 溶融炭酸塩型燃料電池発電システム技術研究組合
Priority date: 1990-03-16
Filing date: 1990-03-16
Publication date: 1995-07-19
Anticipated expiration: 2010-07-19
Also published as: JPH03267602A

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1Aと、この本体胴1A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1Aの底部に設けた給水入口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もので、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1A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け入れる排
ガス入口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1Aの両端部に配設されている。ま
た、本体胴1A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、散水装置３
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1A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1A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1A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てある。

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
10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から
排出された排ガスと主流路10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からの復水は、一旦、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、液位トラッスミッタ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3
2、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、かつ、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（NWL＋Δ
Ｈ）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＋ΔＨ）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30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、給水の散水装置３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の水側が
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１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要素制御方式となってい
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の外面との間で熱
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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の排熱回収熱交換装置を構成する蒸発器
の一実施例の一部破断側面図、第２図は第１図に示した
蒸発器の液位制御装置の制御ブロック図、第３図は本発
明の排熱回収熱交換装置が適用される熱交換系統の一実
施例の構成図、第４図は本発明の排熱回収熱交換装置を
構成する蒸発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、1A……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、20……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

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。