JPH01113507A - 排熱回収熱交換器 - 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プラントと蒸気タービンプラント
どを結合させたコンバインドサイクル発電プラントに係
り、特に安定した運転で効率よく熱を回収することがで
さる排熱回収熱交換器に関する。

（従来の技術） 最近ｉ１段される火力発電プラントでは発電の効率化の
要求からコンバインドサイクル発電プラントが脚光を浴
びている。コンバインドサイクル発電プラントはガスタ
ービンプラントと、このガスタービンプラントからの排
熱を利用した蒸気タービンプラントとを組合せたちので
、ガスタービンプラントには液体燃料やガス燃料が選択
的に使用される。

コンバインドサイクル発電プラントにおいて、ガスター
ビンから出た排ガスは、排ガスダクトを介して排熱回収
熱交換器に導かれ、その排熱回収熱交換器内に配設され
た蒸発器、節炭器等と熱交換を行なった後、人気中に放
出される。

一方、蒸気タービンプラントの復水器から還流された給
水は、脱気器に導かれ、この脱気器で溶存ガスが除去さ
れた後、給水ポンプにより排熱回収熱交換器に案内され
る。

排熱回収熱交換器に案内された給水は、節炭器、蒸発器
等で熱交換を行なって蒸気となり、その蒸気が蒸気ター
ビンへ案内され、この蒸気タービンにより発電機を駆動
した模、前記復水器に導かれる。

排熱回収熱交換器は、ガスタービンの排ガスの持つ熱エ
ネルギを回収し、蒸気を発生させる機器であり、コンバ
インドサイクルｆｅ　７Ｍプラントにおいて車数な機能
を果す機器である。そのため、排熱回収熱交換器は熱エ
ネルギの回収効率を高め、大気への放出排ガスの温度を
低下η′るように設計される。

（発明が解決しようと覆る問題点） 従来のガスタービンプラントにおいては、ガスタービン
排ガスの温度は約５３０℃程度である。

排熱回収熱交換器は、この温度におけるガスタービン排
ガスの持つ熱エネルギを回収し、蒸気を発生さける。こ
の場合、排熱回収熱交換器から大気へ放出される排ガス
の温度が低い程、より条間の熱エネルギを回収したこと
になり、コンバインドサイクル発電プラントの熱効率が
高くなる。

しかしながら、放出排ガスの湿度が低下すれば、排ガス
中の腐食成分が排熱回収熱交換器の低温度域に析出し、
排熱回収熱交換器の伝熱管に腐食現象が生じ、排熱回収
熱交換器を長時間安定運転することが困難となる。

また、脱気後の給水温度が大きく変動すると、脱気後の
゛給水光である節炭器内における蒸発現象（スチーミン
グ）発生の原因となる。節炭器内において蒸発現象が発
生すると、ウォータハンマ、ドラム水位制御への悪影響
等が生じ、排熱回収熱交換器を正常に運転することが困
難となる。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、伝熱管
の腐食現像や節炭器内における蒸発現象を防止し、長時
間安定的な運転を維持することができ、かつ最大限ガス
タービン排ガスの熱エネルギを回収することができる排
熱回収熱交換器を提供することを目的とする。

〔発明の構成） 〈問題点を解決するための手段） 本発明に係る排熱回収熱交換器は、蒸気タービンからＡ
流される給水を脱気する脱気器を備えるとともに、ガス
タービンから排気された排気ガスを通過させるボックス
内゛に、上記排気ガスと上記脱気器で脱気された給水と
の熱交換を行なう節炭器と、この節炭器で熱交換された
給水を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器により蒸発され
た蒸気を過熱して蒸気タービンへ送気する過熱器とを備
えた排熱回収熱交換器において、前記ボックス内の最低
ガス温度域に配設される脱気用熱気発生器と、前記脱気
器内の圧力を調節する圧力調整系統と、前記節炭器の少
なくとも一部をバイパスするバイパス系統とを備えたも
のである。

（作用） 圧力調整系統により脱気器内の圧力が調節されると゛、
脱気器に接続される脱気用蒸気発生器の伝熱管内流体の
温度が調節される。伝熱管内流体の温度が調節されると
、伝熱管外表面調成は管内流体温度に強く支配されるた
め、伝熱管外表面温度をｖＡＷＪすることができる。し
たがって、伝熱管外表面温度を酸露点温度以上に保持す
ることにより、腐食現象が防止される。

一方、脱気器内の圧力が大きく変動すると、脱気後の給
水温度が大きく変動する。この場合、脱気器から節炭器
へ供給される給水を、バイパス系統により節炭器の少な
くとも一部をバイパスさせて流すことにより、節炭器出
口の給水ば度の上昇が抑ａ１１１され、節炭器内におけ
る蒸発現象が防止される。

（実施例）゛ 本発明に係る排熱回収熱交換器の一実施例についで第１
図を参照して説明する。

排熱回収熱交換器１は、蒸気タービン２から還流される
給水を脱気する脱気器３を備えると共に、ガスタービン
４から排気された排気ガスを通過させるボックス５内に
、上記排気ガスと上記脱気器３で脱気された給水との熱
交換を行なう節炭器６と、この節炭器６で熱交換された
給水を蒸発させる蒸発器７と、この蒸発器７より蒸発さ
れた蒸気を過熱して蒸気タービン２へ送気する過熱器８
とを漏え、さらにボックス５内の最低ガス温度域に配設
される脱気用蒸気発生器１０と、脱気器３内の圧力を調
節する圧力調整系統１１と、節炭器６の一部をバイパス
するバイパス系統１２とを備えたものである。

ここで、排熱回収熱交換器１の詳細な説明に入る前に、
コンバインドサイクル発電プラントの概略について説明
する。

コンバインドサイクル発電プラントは第１図に示ずよう
に、ガスタービンプラント１５とこのガスタービンプラ
ンｉ・１５により駆動される蒸気タービンプラント１６
とを組合せたものである。このコンバインドサイクル発
電プラントに組込まれるガスタービンプラント１５は空
気圧縮機１７を備え、この空気圧縮機１７によって圧縮
された外気はここで高圧圧縮空気となり、燃焼器１８へ
供給される。

この燃焼器１８には、ガスタービン制御部１９によって
制御される燃料制御弁２０を通ってガス燃料や液体燃料
が選択的に供給される。ガス燃料には天然ガス、液化天
然ガス、液化石油ガス、都市ガス、およびコークス炉ガ
ス等があり、液体燃料には灯油、軽油、ナフサ、重油、
原油等がある。

燃焼器１８内に供給された燃料と圧縮空気は混合されて
燃焼し、高圧の燃哉ガスとなる。この燃焼ガスの熱エネ
ルギはガスタービン４において回転エネルギとなり、発
電機２１を駆動きせる。

一方、ガスタービン４で仕事をした燃焼ガスは排気ガス
となり、排ガスダクト２２を通って排熱回収熱交換器１
に送られる。排気ガスは、この排熱回収熱交換器１で過
熱器８、蒸発器７、節炭器６、脱気用蒸気発生器１０の
伝熱管内を流れる水や蒸気と熱交換を行ない、その後煙
突から大気中に放出される。

一方、蒸気タービンプラント１６は復水器２５を有し、
復水器２５から供給された給水は、脱気器３に導かれ、
この脱気器３で脱気用蒸気発生器１０で発生した蒸気と
混合されて、溶存ガスが除去される。脱気器３を出た給
水は低圧ドラム２６を通り、給水ポンプ２７によって節
炭器６へ供給され、この節炭器６でガスタービン排ガス
と熱交換を行なって昇温する。昇温した給水は高圧ドラ
ム２８へ案内され、この高圧ドラム２８から蒸発器７へ
導かれる。

蒸発器７へ導かれた給水はガスタービン排ガスと熱交換
して、その一部が蒸発し、水と蒸気の二相流は再び高圧
ドラム２８に導かれる。高圧ドラム２８内の飽和蒸気は
、過熱器８に導かれ、この過熱２！８でガスタービン排
ガスと熱交換を行なって、過熱蒸気となる。

過熱蒸気は主蒸気管を通って蒸気タービン２に導かれ、
ここで仕事をし、発電機２９を駆動する。

蒸気タービン２で仕事をし、膨張した蒸気は復水器２５
に送られ、ここで凝縮して復水となり一旦貯留された後
、再び脱気２！ｉ３へ送られる。

ところで、通常のガスタービン排ガスの温度は約５３０
℃程度である。排熱回収熱交換器１は、この温度におけ
るガスタービン排ガスの持つエネルギを回収し、蒸気を
発生させる装置である。この場合、排熱回収熱交換器１
から大気へ放出される排ガスの温度が低い程、より多け
の熱エネルギを回収したことになり、コンバインドサイ
クル発電プラントの熱効率が高くなる。

しかしながら、放出排ガスの温度が低下すれば、排ガス
中の腐食成分が排熱回収熱交換器１の低温度域に析出し
、伝熱管に腐食現象が生じ、長時間安定運転することが
困難となる。この現象を低温腐食と呼び、特にガスター
ビン使用燃料中に硫黄分が含まれる場合に顕著に発生す
る。これは、排ガス温度が低下すると強酸である硫酸ト
１２Ｓ０４が凝縮し、伝熱管に付着するためである。こ
の凝縮する温度を酸露点温度と呼ぶ。

ガスタービン４の負荷が変動する場合には、この酸露点
温度は変動し、またガスタービン使用燃料が異なる場合
には、酸露点温度も異なる。下記衣１に各種ガスタービ
ン運用における酸露点温度の一例を示す。

表１ 排熱回収熱交換器１にＪ３いて、低温腐食を防止し、長
時間安定運転を継続するには、排熱回収熱交換器１の最
低ガス温度域における伝熱管外表面温度を酸露点温度以
上にしておく必要がある。

そこで、本発明は排熱回収熱交換器１の最低ガイ温度域
に、伝熱管外表面温度をｌ！２露点温度以上に保持する
脱気用蒸気発生器１０を設けた。

しかしながら、プラント運転上、脱気用蒸気発生器１０
の伝熱管外表面湿度が酸露点温度以下にならないよう脱
気用蒸気発生器１０の伝熱面積を決定し、特に伝熱管外
表面温度をコントロールしない場合には、各種プラン１
−運用により、伝熱管外表面温度が酸露点温度よりもか
なり高温となり、ガスタービン排ガスの熱エネルギを十
分に回収しなくなる。

例えば、ｍ油と軽油の双方を使用するガスタービン４に
おいて、排熱回収熱交換器１が最低伝熱管外表面温度１
３５℃に設計されているならば、軽油が使用されている
ときも最低伝熱管外表面温度が約１３５℃となる。この
場合、実際は１２０℃程度で十分低温腐食を防止できる
かβ、その差１５℃分程度の熱エネルギ回収が行なわれ
ないことになり、熱エネルギの回収効率が低下する。

したがって、ガスタービンプラント１５の運用状態によ
り脱気用蒸気発生器１０の伝熱管外表面温度を調節する
必要がある。

この伝熱管外表面温度は管内流体温度に強く支配される
ことが知られている。そのため、伝熱管内流体の温度を
酸露点温度よりわずか上に保持すれば、低湿腐食は発生
しない。また、脱気用蒸気発生器１０は脱気器３に直結
されているため、脱気用蒸気発生器１０の伝熱管内温度
は、脱気器３内圧力の飽和温度とほぼ一致する。つまり
、脱気器３内圧力が上界すれば、脱気用蒸気発生器１０
の伝熱管内温度は上昇する。したがって、脱気器３内圧
力をｌＳ！２露点温度における水の飽和圧力以上に保持
ずれば、低温腐食の発生が防止される。

脱気器３内圧力を設定する場合には、ガスタービン使用
燃料流量、燃、料成分、ガスタービン吸込空気量、空気
成分の値よりガスタービン排ガス中のＳ０３および水の
体積成分比を求め、次のような式により酸露点温度を求
めることができる。

■＝酸露点温度（’Ｃ） Ｐｓｏ　：排ガス中の８０３の分圧（ｂａｒ）本発明で
は、求めた酸露点温度における飽和圧力を脱気器内３設
定圧力値とし、この設定圧力値と実際に検出される脱気
器３内圧力値を比較し、実際の圧力値の方が低い場合は
、脱気器３に高圧蒸気をバックアップとして供給する。

このバックアップ蒸気は排熱回収熱交換器１の発生蒸気
でもよいし、系統外から供給される蒸気でもよいが、本
実施例においては、高圧ドラム２８からバックアップ蒸
気を供給するようにしている。

すなわち、本実施例は脱気器３内の圧力を調節する圧力
調整系統１１を有し、この圧力調整系統１１は、脱気器
３に高圧ドラム２８からの高圧蒸気を供給する供給管３
１と、脱気器３　ｈｃら蒸気を排気する排気管３２と、
供給管３１に介装される第１圧力調整弁３３と、排気管
３２に介装される第２圧力調整弁・３４とを備える。

圧力調整系統１１は、脱気器３内の圧力が設定圧力値よ
りも低い場合に、供給管３１から高圧蒸気を脱気器３に
供給し、脱気器３内の圧力が設定圧力値よりも高い場合
に、排気管３２により脱気器３内の蒸気を抽出し、復水
器２５へ排出して脱気器３内の圧力を調整するようにな
っている。脱気器３から抽出した蒸気は、蒸気タービン
２の低圧部に混入するようにしてもよい。

また、上記第１圧力調整弁３３および第２圧力調整弁３
４を制御する圧力制御部３６が備えられ、この圧力制御
部３６内に脱気器３内圧力の設定値を定める圧力設定器
が備えられる。

圧力設定器はガスタービン制御部１９においてガスター
ビン使用燃料流量、燃料成分等から演算によって求めた
設定圧力値を入力する一方、脱気ｐ！！３設計上の下限
圧力値および上限圧力値を有し、これらの範囲内におい
て設定圧力値を決定するようになっている。

ところで、ガスタービン４で使用する燃料が変化覆る場
合、表１に示すように酸露点４度が大きく変化し、設定
圧力値が大きく変化する。したがって、圧力調整系統１
１により脱気器３内の圧力を設定圧力値に制御すると、
脱気器３から節炭器６へ供給する給水の温度が大きく変
動する。

脱気器３から節炭器６への給水温度の変動は、節炭器６
内における蒸発現象（スチーミング）発生の原因となる
。例えば、軽油ど重油を使用するガスタービンブラント
１５において、軽油使用時のガスタービンベース負荷に
おける脱気器３内圧力は、２．０２ＡＴＡ前後に制御さ
れ、節炭器６に供給される給水温度は１２０℃程度であ
る。しかし、重油燃焼に切替えた場合、脱気器３内圧力
は２．９２ＡＴＡｉｙＩ後となり、給水温度は１３２℃
程度にまで上界する。したがって、節炭器６が例えば１
２０℃の給水を１５０℃まで過熱するように設計されて
いる場合には、供給される給水の温度が１２℃増加する
ことにより節炭ぼ６の出口温度も−り界し、節炭器６出
ロ部の飽和湿度に近付き、遂には節炭器６内で蒸発現象
が発生する。節炭器６内で蒸発現象が生じると、ウォー
タハンマ、ドラム水位制御への悲影費といった問題が生
じる。

そこで、本発明は脱気器３内の設定圧力値がある値以上
になった場合に、節炭器６の少なくとも一部をバイパス
して給水を供給することにＪ：す、節炭器６出口の給水
温度の上界を抑制し、蒸発現象の発生を防止するように
している。

すなわち、本実施例は節炭器６を第１節炭器６ａと第１
節炭器６ａに分け、第１節炭器６ａをバイパスするバイ
パス系統１２を備える。

バイパス系統１２は、脱気？！ｉ３から供給される給水
を第１節炭器６ａをバイパスさせて流寸バイパス配管３
８と、このバイパス配管３８に介装されるバイパス弁と
してのバイパスライン１トめ弁３９とを備え、第１節炭
ｍ６ａの入口と出口には、それぞれ入口止め弁４０と出
口止め弁４１とが介装される。

上記バイパスライン化め弁３９、入口止め弁４０、出口
止め弁４１は圧力制御部３６によって制御されるように
なっている。

次に上記実施例の作用について説明する。

まず、ガスタービン制御部１６において燃料の種類、燃
料流Ｍ１吸込空気流吊等から演算により酸露点ｌＳ！ｌ
ｌを求め、その温度よりわずかうえの渇瓜に対応する飽
和圧力Ｐ１を求める。

求められた飽和圧力Ｐ１は、圧力制御３６に入力され、
飽和圧力Ｐ１と脱気器３の設計最低圧力Ｐ　および設計
最大圧力Ｐ３とが比較される。そして、Ｐ　がＰ　より
小さければ設定圧力をＰ２に、またＰ　がＰ３より大き
ければ設定圧力をＰ　に、その他の場合は設定圧力をＰ
ｌとする。

こうして、圧力設定各により圧力設定値を求め、圧力検
出器３７から入力した検出値と求めた設定圧力値とを比
較する。そして、検出値が設定圧力値よりも低い場合に
は、圧力−、ＩＪ御郡部３６よって第１の圧力調整弁３
３を同作動させ、高圧ドラム２８から供給管３１を通っ
て、脱気器３へ高圧蒸気を供給し、脱気器３内の圧力を
上昇させる。

また、検出値が設定圧力値よりも高い場合には、圧力制
御部３６によって第２の圧力調整弁３４を同作動ざ「、
脱気器３内の蒸気を抽気し、その蒸気を排気管３２を通
って復水器２５へ耕出し、脱気器３内の圧力を降下させ
る。

このように、脱気：Ｓ３内の圧力が設定圧力値に調節さ
れるため、脱気器３内の流体温度は酸露点温度よりわず
か上に保持される。脱気器３内の流体温度が酸露点温度
よりわずか上に保持されると、脱気器３に低圧ドラム２
６を介して接続される脱気用蒸気発生：ａｌｏの伝熱管
を流れる流体温度が酸露点温度よりわずか上に保持され
、その結果伝熱管外表面温度が酸露点温度よりわずか上
に保持される。したがって、脱気用蒸気発生器１０の伝
熱管に低温腐食が発生することが防止される。

一方、脱気３３内の圧力が大きく変動することにより、
脱気器３からｍ炭層６へ供給される給水温度が大幅に上
昇する場合には、圧力制御部３６により入口止め弁４０
および出口止め弁４１を閉作動させると共に、バイパス
ライン止め弁３９を１ｆｆ１作動さｕ１脱気８５３から
の給水を、第１節炭器６ａをバイパスして流すことによ
り、第２節炭器６ｂ出ロ部における給水の温度上昇を抑
制する。

その結果、第２節炭器６ｂ内における蒸発現象が防止さ
れる。

このように、上記実施例によれば、脱気用蒸気発生器１
０の伝熱管に低温腐食が生じることを防止できると共に
、節炭器６内における蒸発現象を防止することができる
から、最大の熱エネルギ回収効率において長時間安定的
に運転を継続することができる排熱回収熱交換器を提供
することができる。

〔発明の効果〕

本発明に係る排熱回収熱交換器は、ボックス内の最低ガ
ス温度域に配設される脱気用蒸気発生器と、脱気器内の
圧力を調節する圧力調整系統と、節炭器の少なくとも一
部をバイパスするバイパス系統とを備えたから、伝熱管
に低温腐食が生じることを防止できると共に、節炭器内
における蒸発現象を防止することができ、その結’ＡＱ
大の熱エネルギ回収効率において長時間安定的に述転を
継続することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る排熱回収熱交換器の一実施例を組
込んだコンバインドサイクル発電プラントの一例を示す
構成図である。 １・・・排熱回収熱交換器、２・・・蒸気タービン、３
・・・脱気器、４・・・ガスタービン、５・・・ボック
ス、６・・・節炭器、７・・・蒸発器、８・・・過熱器
、１０・・・脱気用然気発生器、１１・・・圧力調整系
統、１２・・・バイパス系統、１５・・・ガスタービン
プラント、１６・・・蒸気タービンプラント、３１・・
・供給管、３２・・・排気管、３３・・・第１圧力調整
弁、３４・・・第２圧力調整弁、３６・・・圧力制御部
、３８・・・バイパス配管、３９・・・バイパスライン
止め弁。 則近憲佑

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蒸気タービンから還流される給水を脱気する脱気器
   を備えるとともに、ガスタービンから排気された排気ガ
   スを通過させるボックス内に、上記排気ガスと上記脱気
   器で脱気された給水との熱交換を行なう節炭器と、この
   節炭器で熱交換された給水を蒸発させる蒸発器と、この
   蒸発器により蒸発された蒸気を過熱して蒸気タービンへ
   送気する過熱器とを備えた排熱回収熱交換器において、
   前記ボックス内の最低ガス温度域に配設される脱気用蒸
   気発生器と、前記脱気器内の圧力を調節する圧力調整系
   統と、前記節炭器の少なくとも一部をバイパスするバイ
   パス系統とを備えたことを特徴とする排熱回収熱交換器
   。 ２、前記圧力調整系統は、前記脱気器に高圧蒸気を供給
   する供給管と、その脱気器から蒸気を排気する排気管と
   、上記供給管に介装される第１圧力調整弁と、上記排気
   管に介装される第２圧力調整弁とを備えた特許請求の範
   囲第１項記載の排熱回収熱交換器。 ３、前記第１圧力調整弁および第２圧力調整弁は、圧力
   制御部により制御され、この圧力制御部は脱気器内圧力
   の設定値を定める圧力設定器を備えた特許請求の範囲第
   ２項記載の排熱回収熱交換器。 ４、前記バイパス系統は、前記脱気器から供給される給
   水を前記節炭器の少なくとも一部をバイパスさせて流す
   バイパス配管と、このバイパス配管に介装されるバイパ
   ス弁とを備えた特許請求の範囲１項記載の排熱回収熱交
   換器。