JPH02309101A - 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） この発明はガスタービンの排ガス等を利用して蒸気を発
生する排熱回収熱交換器に係り、特に低負荷運転時、に
おいてもウォータハンマを生ずることなく安定した管内
流動の得られる節炭器を有する排熱回収熱交換器に関す
る。

（従来の技術） 近年、エネルギーの有効利用の観点がらコンバインドサ
イクル発電や熱併給発電といった、ガスタービンやディ
ーゼルエンジンと、その排ガスを高温熱源として蒸気タ
ービンの駆動蒸気やプロセス用蒸気を生成する排熱回収
熱交換器とを組み合わせた発電システムが注目されてい
る。

第３図には従来公知のコンバインドサイクル発電システ
ムの構成の一例を示す。このシステムはガスタービン装
置１０、その排ガスを熱源として蒸気を生成する排熱回
収熱交換器２０．排熱回収熱交換器２０にて生成された
蒸気により駆動される蒸気タービン装置３０及び前記両
タービン装置ＩＯ及び３０と直結されている発電機４０
及び４１により構成されている。ガスタービン装置１０
は圧縮機１１、燃焼器１２及びガスタービン１３により
構成されている。燃焼用空気１は圧縮器１１で加圧され
て燃焼器１２に送られ、ここで燃料２と混合されて燃焼
し、高温の燃焼ガスとなる。この燃焼ガスはガスタービ
ン１３に送られて仕事をした後、排ガス３となって排熱
回収熱交換器２０に導かれる。

排熱回収熱交換器２０は例えば排ガス３の流れの上流側
から順に過熱器２１、蒸発器２２及び節炭器２３を備え
ており、節炭器２３を出た排ガス３は図示しない煙突よ
り大気中に放出される。

一方、蒸気タービン３１を出た排気蒸気は復水器３２に
て凝縮されたのち、給水ポンプ３３で加圧されて節炭器
２３に給水される。この給水４は節炭器２８にて飽和温
度近くまで過熱された後蒸気ドラム２４の缶水部に導か
れる。蒸気ドラム２４の缶水は蒸発器２２に送られて一
部が蒸気となった後再び蒸気ドラム２４に戻り、ここで
湿分を除去されて過熱器２１に送られる。過熱器２１で
過熱された蒸気は主蒸気５として蒸気タービン３１に送
られ、ここで膨張して仕事をした後に復水器３２に排出
される。

（発明が解決しようとする課題） 以上のような構成のコンバインドサイクル発電システム
の持つ特徴の一つとして幅広い負荷帯で効率のよい運転
が可能である点が挙げられるが、その反面次に述べるよ
うな問題がある。

前述したように節炭器では給水ポンプにより送りこまれ
た給水が蒸気ドラムの器内圧力に対する飽和温度近傍ま
で加熱される。節炭器出口での給水温度と前記飽和温度
との差（以下ではＦアプローチポイント温度差」と称す
る）は定格負荷時で一般的には６〜１０℃となるように
設計されることが多いが、アプローチポイント温度差は
負荷の低下に伴って減少していく。そして負荷があるレ
ベルを下回るようになるとこの温度差は０℃となり、節
炭器の伝熱管内で蒸気泡が発生する、いわゆるスティー
ミングが生じるようにな゛る。この時の節炭器での給水
温度と伝熱面積との関係を第４図を用いてより詳細に説
明する。第４図は節炭器内における給水温度の変化の様
子を示したもので、横軸には給水の流れに沿った伝熱面
積を、縦軸には節炭器内での給水温度を飽和温度と入口
給水温度との温度差に対して相対的に示している。節炭
器に流入した給水は排ガスと熱交換をすることにより節
炭器の入口から出口に向かって通過した伝熱面積の増加
に伴って加温されていく。定格負荷時には節炭器伝熱管
内でスティーミングが発生しないよう、前述のようにア
プローチポイント温度差が６〜１０°Ｃになるように設
定されているのが一般的である。しかし、負荷が低下す
ると排ガスの温度及び流量が減少するものの、蒸発量の
低下にともなって給水流量も減少し、また、蒸気ドラム
器内圧力も低下するために飽和温度と入口給水温度との
差に対する相対的な単位伝熱面積当りの給水温度上昇率
は増加する。このために負荷が低下してくるとアプロー
チポイント温度差は減少し、一定の負荷レベル以下では
給水が節炭器出口に到達する前に給水温度が飽和温度に
達してしまい、節炭器伝熱管の中で蒸気泡が発生するよ
うになるのである。

一方、従来の排ガスが水平方向に流れる排熱回収熱交換
器の節炭器の構造は例えば第５図に示すようになってい
る。複数の伝熱管５１は上部管寄せ５２と下部管寄せ５
３で接続されて伝熱管パネル５４が形成されている。節
炭器はこの伝熱管パネル５４の複数個を以て構成される
が、隣接した伝熱管パネル５４の間は上部管寄せ５２同
士あるいは下部管寄せ５３同士が連絡管５５ａによって
接続されている。このようにして構成された節炭器に入
った給水４は、先ず、伝熱管内を上昇（下降）して上部
管寄せ５２（下部管寄せ５３）に入り、連絡管５５ａを
通って隣接した排ガス３流れの上流側の伝熱管パネル５
４の上部管寄せ５２（下部管寄せ５３）に送られる。そ
の後給水４は伝熱管５１を下降（上昇）して下部管寄せ
５３（上部管寄せ５２）に入り、連絡管５５ａを通って
更にガス流上流側の伝熱管パネル５４の下部管寄せ５３
（上部管寄せ５２）に送られる。その後給水４は同様に
して節炭器伝熱管内を上昇、下降を交互に繰り返して流
れた後に節炭器の出口に至る（例えば実開昭６１−１３
５１０５号公報など）。

このような節炭器の給水が下降流となる伝熱管（例えば
第５図では排ガス流の上流側から２番目の伝熱管パネル
）において低負荷運転時に蒸気泡が発生した場合、給水
は下降しようとするのに対して蒸気泡は浮力によって上
昇しようとする。この給水と蒸気泡との間の相反する動
きにより節炭器内の給水流れに変動が生じて、所謂ウォ
ータハンマが発生したり、蒸気ドラムへの給水流量が不
安定になったりする。

この問題を解決するためにこれまでに例えば第６図に示
すような構造の節炭器が用いられている。

伝熱管５１と上部管寄せ５２及び下部管寄せ５３より形
成される伝熱管パネル５４の複数個をもって節炭器が構
成されるのは前述した第５図の場合と同じである。しか
し、伝熱管パネル５４間の接続は異なり、節炭器のガス
流下流側のガス通路部内を通る連絡管５５ｂまたはガス
通路部の外側を通る連絡管５５ｃにより上部管寄せ５２
と隣接したガス流上流側の伝熱管パネル５４の下部管寄
せ５３とを接続している。

この構造の節炭器では給水４は伝熱管５１を上昇して上
部管寄せ５２に入り、連絡管５５ｂまたは５５ｃを通っ
て下降して、隣接した伝熱管パネル５４の下部管寄せ５
３に送られる。その後給水４は同様にして節炭器伝熱管
内を上昇して連絡管内を下降する流れを繰り返した後に
節炭器の出口に至る。即ち、この構造では伝熱管内の給
水流れは全て上昇流となる。従って、このような構造の
節炭器では低負荷運転時に伝熱管内で蒸気泡が発生して
も給水流れの方向と蒸気泡に働く浮力の方向が一致して
いるために前述のような給水流れの変動やこれに伴う諸
問題が生じることはなく、また、連絡管内は下降流とな
るものの排ガスにより加熱されないため、蒸気泡が新た
に発生することはなく給水の下降は良好に行われる（例
えば特開昭５７−１８８９０４号公報、特開昭８１−２
５２４０１号公報など）。

このように第６図のような構造の節炭器を採用すれば低
負荷運転時の給水のスティーミングによる諸問題を解決
できるが、その反面次に述べるような問題が生じる。即
ち、第２図に一例を示すように、第６図に示すような構
造の節炭器を採用した場合、節炭器の出口における排ガ
スの温度分布においてガス通路部上部と同下部との間で
大きな温度差が生じてしまい、節炭器のガス流下流側に
設置された熱交換器の伝熱性能に悪影響を及ぼすことに
なる。これは伝熱管内の流れが全て上昇流であるために
全ての伝熱管で給水の温度分布がガス通路部上部で高く
、同下部で低くなっていることに起因している。

この発明の目的は前述した問題点を除去し、低負荷運転
時に伝熱管内で蒸気泡が発生した場合でも給水流れの変
動及びこれに伴うウォータハンマや蒸気ドラムへの給水
流量の不安定が生じることがなく、また、出口排ガス温
度の不均一な分布によってガス流下流側の熱交換器の伝
熱性能に悪影響を及ぼすことのない節炭器を有する排熱
回収熱交換器を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） この目的を達成するために本発明では高温の排ガスが水
平方向に流れ、ガス通路部内に設置された伝熱管を上部
管寄せ及び下部管寄せで接続して形成される伝熱管パネ
ルの複数個により構成される節炭器を有する排熱回収熱
交換器において、ガス流の上流側に設置される一部の伝
熱管パネルについては給水流れの上流側の伝熱管パネル
の上部管寄せと、隣接したこの給水流れの下流側の伝熱
管パネルの下部管寄せとの間を連絡管で接続することに
より管内流が全て上昇流となるように構成され、一方、
残りの下流側の伝熱管パネルについては給水流れに沿っ
て隣接した伝熱管パネルの上部管寄せ同士あるいは下部
管寄せ同士を連絡管にて接続することにより管内流が上
昇流となる伝。

熱管パネルと下降流となる伝熱管パネルとが排ガス流れ
に沿って交互に配置された節炭器を有することを特徴と
する。

（作　用） 即ち、本発明においては低負荷運転時において伝熱管内
で蒸気泡が発生する可能性のある節炭器の排ガス流上流
側の伝熱管パネルについては隣接した伝熱管パネルの間
を排ガス流下流側のパネルの上部管寄せと同上流側のパ
ネルの下部管寄せとを下降連絡管にて接続することによ
り該伝熱管パネルに属する伝熱管内の給水流れは全て上
昇流とする。また、残りのガス流下流側の伝熱管パネル
については隣接した伝熱管パネルの上部管寄せ同士また
は下部管寄せ同士を連絡管で接続することにより伝熱管
内の給水流れが上昇流となる伝熱管パネルと下降流とな
る伝熱管パネルを排ガス流に沿って交互に配置する。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面を用いて説明する。第１
図は本発明の一実施例である節炭器の系統を示したもの
である。複数の伝熱管５１は上部管寄せ５２と下部管寄
せ５３で接続されて伝熱管パネル５４ａ　、　５４ｂが
形成されており、節炭器はこの伝熱管パネル５４ａ　、
　５４ｂの複数個（第１図の場合は５個）を以て構成さ
れる。これらの伝熱管パネルの内、給水流れの上流側の
伝熱管パネル５４ｂ同士の間は上部管寄せ５２同士ある
いは下部管寄せ５３同士に連絡管５５ａを設けることに
より接続されている。また、給水流れの下流側の伝熱管
パネル５４ａ同士の間および給水流れに沿って隣接する
伝熱管パネル５４ｂと５４ａとの間は給水流れの上流側
の伝熱管パネルの上部管寄せ５２と同下流側の下部管寄
せ５３との間に節炭器の排ガス流下流側のガス通路部内
を通る連絡管５５ｂあるいはガス通路部外を通る連絡管
５５ｃを設けることにより接続されている。

なお、節炭器を構成する伝熱管パネルの内、排ガス流の
上流側から何番目のパネルまでを前述した５４ａのパネ
ルとするかについては次のようにして決定する。即ち、
第４図に示すように低負荷運転時に伝熱管内で蒸気泡が
発生するのは給水流れの下流側、即ち、排ガス流れの上
流側の伝熱管パネルのみであるから、最低負荷での運転
時に蒸気泡の発生し始める伝熱管パネルを予測して該伝
熱管パネルより上流側に位置するパネル全てを５４ａの
パネルとする。

このような構成の節炭器において、給水４は、まず、伝
熱管パネル５４ｂの伝熱管５１を上昇して上部管寄せに
入った後、連絡管５５ａを通って隣接した排ガス流れ上
流側の伝熱管パネル５４ｂ上部管寄せ５２に入り、伝熱
管５１を下降する。その後給水４は伝熱管パネル５４ｂ
内の上昇下降を繰り返した後連絡管５５ｂまたは５５ｃ
を通って伝熱管パネル５４ａの下部管寄せ５３に入る。

そして給水４は伝熱管５１内を上昇、連絡管５５ｂまた
は５５ｃ内を下降という過程を繰り返した後に節炭器を
出て図示されない蒸気ドラムへ送られる。

以上述べた本実施例の節炭器においては低負荷運転時に
伝熱管内で蒸気泡が発生した場合でも該伝熱管内の排ガ
ス上流側の給水流れは全て上昇流であり、給水流れが下
降流となる連絡管では排ガスとの間の熱交換が行われず
、新たに蒸気が発生することはないため、蒸気泡の発生
に起因する給水流れの変動及びこれに伴うウォータハン
マや蒸気ドラムへの給水量の不安定を防止することがで
きる。また、蒸気泡が発生する恐れのない排ガス流下流
側の伝熱管群では給水流れが上昇、下降を交互に繰り返
すために第２図に示すように節炭器出口における排ガス
温度分布は最大となるガス通路部上部と最低となる同下
部との間で３°Ｃ程度と小さく、実用上はぼ均一な温度
分布が得られ、排ガス流下流側の熱交換器の伝熱性能に
悪影響を及ぼすことはない。

〔発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば低負荷運転時に伝熱
管内で蒸気泡が発生する恐れのある排ガス流上流側の伝
熱管では給水流れは全て上昇流とし、給水の下降・は非
加熱の連絡管にて行うようにしたので、蒸気泡の発生に
よる給水流れの変動やこれに伴うウォータハンマや蒸気
ドラムへの給水量の不安定を防止して安定した給水流れ
を実現でき、また、蒸気泡が発生する恐れのない排ガス
下流側の伝熱管では給水流れが上昇、下降を交互に繰り
返すために節炭器出口で実用上十分に均一な排ガス温度
分布が得られ、排ガス流下流側の熱交換器でも良好な熱
交換を実現させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による排熱回収熱交換器の節炭器の系統
図、第２図は本発明および従来の節炭器の出口における
排ガス温度分布、第３図はコンバインドサイクル発電プ
ラントの主要な構成を示す系統図、第４図は節炭器内の
給水温度と伝熱面積との関係を示す線図、第５図および
第６図は従来の排熱回収熱交換器の節炭器の系統図であ
る。 ３・・・排ガス　　　　　　４・・・給水２３・・・節
炭器　　　　　　５１・・・伝熱管５２・・・上部管寄
せ　　　　５３・・・下部管寄せ５４．５４ａ、５４ｂ
・・・伝熱管パネル５５ａ、５５ｂ、５５ｃ　−・・連
絡管代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　第子丸　　　健 第１図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、高温の排ガスが水平方向に流れ、ガス通路部内に設
   置された伝熱管を上部管寄せ及び下部管寄せで接続して
   形成される伝熱管パネルの複数個により構成される節炭
   器を有する排熱回収熱交換器において、ガス流の上流側
   に設置される一部の伝熱管パネルについては給水流れの
   上流側の伝熱管パネルの上部管寄せと、隣接したこの給
   水流れの下流側の伝熱管パネルの下部管寄せとの間を連
   絡管で接続することにより、管内流が全て上昇流となる
   ように構成され、一方、残りの下流側の伝熱管パネルに
   ついては給水流れに沿って隣接した伝熱管パネルの上部
   管寄せ同士あるいは下部管寄せ同士を連絡管にて接続す
   ることにより、管内流が上昇流となる伝熱管パネルと下
   降流となる伝熱管パネルとがガス流れに沿って交互に配
   置された節炭器を有することを特徴とする排熱回収熱交
   換器。