JPH03110302A - 廃熱ボイラーにおける熱回収方法 - 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〕 本発明は廃熱ボイラーにおける廃熱回収方法に関し、よ
り詳細には排気ガス側の負荷低下による過熱蒸気の温度
低下に対処する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来から良く知られているように、ガスタービン、各種
加熱炉等から廃熱ボイラーに供給される高温排気ガスの
流量および温度は、排気ガス発生側の事情によって低下
することがある。

かかる排気ガスの流量低下、温度低下は、廃熱ボイラー
の蒸気過熱器（以下、過熱器と略記する）と高圧蒸気蒸
発器（以下、蒸発器とする）における熱回収量の比を変
化させる。特に排気ガス発生側の負荷低下によって、排
気ガスの温度が低下すると、過熱器における熱回収量が
大幅に低下し、一方、蒸発器での熱回収量の低下はさほ
どではないので、排気ガス発生側の負荷低下と共に廃熱
ボイラー蒸発器熱回収量／過熱器熱回収量の比が増大す
る。

第１図はかかる従来の廃熱ボイラーｌを示し、排気ガス
２は排気ガス発生源２から補助燃焼器３、蒸気過熱器４
、蒸発器６、高圧予熱器７および低温熱回収器８に順次
供給され、低温排気ガス２＾として放出される。

また補助燃焼器３へは、補助燃料９が供給される。

一方、ボイラー給水ｌＯは上記排気ガスの流れと向流的
に高圧予熱器７、蒸発器６、高圧ドラム５および過熱器
４に順次供給され、過熟蒸気１１が得られる。

過熱器４には過熱蒸気温度を制御するために減温水１２
が供給される。

なお、補助燃焼器３を設けず、また過熱器４へ減温水１
２を供給しない場合もある。

かかる従来の廃熱ボイラーでは、詳細には後述するよう
に、たとえば排気ガス入口温度６５０℃のときの過熱器
容量を１００％とすれば、排気ガス温度が５４０℃に低
下した場合の過熱器能力は定格の約５０％、蒸発器能力
は定格の約７５％の容量を持つこととなり、過熱器と蒸
発器の相対容量に無視できない不均衡を生ずる。

そのために、排気ガス側の負荷変動によって生ずる過熱
器と蒸発器の容量比不均衡を従来は下記の方法で回避し
ていた。

イ、負荷低下時は減塩・減圧の過熱蒸気とする。

口、廃熱ボイラーに補助燃焼器を設けた場合、蒸気発生
要求量に基づく補助燃料量に加えて、過熱器出口の蒸気
温度を所定値に保ため、更に補助燃料量の追加を行う。

ハ、上記口における補助燃料量を少なくするため、排気
ガスの一部は過熱器をバイパスさせる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記イ〜ハの方法は、下記の欠点を有する
。

イの方法は、過熱蒸気の主な供給先が発電所のように発
電タービン１基であれば問題はないが、種々の産業用等
のように過熱蒸気の供給先が多数である場合には減温に
よる外乱を与えるのは好ましくない。また、廃熱ボイラ
ーの他に補助ボイラーを併用している場合は、過熱温度
が不一致となる。

口の方法は、蒸気発生要求量に加えて補助燃料制御を必
要とするので、制御系が複雑になる。

また、追加の補助燃料の投入は燃料節減上好ましい方法
ではない。

更にハの方法は、排気ガス煙道の分岐、廃熱ボイラー中
の二個所での接続等、ボイラーおよび煙道系が複雑とな
る。また、排気ガスのバイパス量制御を行う場合は、ダ
ンパによる制御となり、高価な大形駆動機構を必要とし
、一方、制御性は良好とは云えない。

本発明は、上記従来の廃熱ボイラーの有する欠点の全て
を解決する方法を提供することを目的とするものである
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成する本発明は、廃熱ボイラーにおいて、
ボイラー給水の加熱によって高圧蒸気蒸発器で発生した
飽和蒸気の一部を蒸気過熱器を通さずに飽和または低圧
蒸気系ヘレソトダウンさせることを特徴とするものであ
り、温度針等により極めて簡便、普遍的な制御機構と回
収蒸気の一部容量に相当する制御弁を備えることによっ
て従来の廃熱ボイラーの有する欠点の全てを解決するこ
とができる。

まず始めに従来の廃熱ボイラーにおいて、排気ガス流量
一定、ガス温度が６５０　’Ｃ（負荷１００％）から５
４０℃（負荷５０％）に低下した場合の熱交換線図（ｔ
−ｈ線図）を第２図に示す。

すなわち実線Ａ、Ｂ、Ｃは排気ガス発生側負荷１００％
における排気ガス、過熱蒸気および飽和蒸気の熱交換線
をそれぞれ示し、排気ガスは軸点（６５０“Ｃ）で廃熱
ボイラーに入り、過熱器４（第１図）で蒸気を過熱しつ
つＢｇ点（５６８℃）まで温度が低下し、次に蒸発器６
で蒸気発生させながらＣｇ点（３６３℃）まで温度が低
下する。

一方、ボイラー給水１０は、ある温度でＣｓ点に供給さ
れ、Ｂｓ点に至るまで一定温度で排気ガスから熱を供給
されつつ飽和蒸気を発生させる。

蒸発器６における熱回収量はＣｓ横軸−ＢＳ横軸の値で
示され、熱損失を無視すれば排気ガス側からみた熱回収
量Ｃｇ横軸−Ｂｇ横軸と一致する。

発生した飽和蒸気はＢｓ点（２９７℃）で過熱器に入り
、排気ガスからの熱供給を受けて温度上昇し、Ａｓ点（
５００℃）で過熱器４を出るが、蒸発器６の場合と同様
に過熱器熱回収量はＢｓ横軸−Ａｓ横軸で示され、排気
ガス側からの８ｇ横軸−ＡｇｔＡ軸と一致する。

なお、第２図において一点鎖線ＤＳＥおよびＦは排気ガ
ス発生側負荷５０％における排気ガス、過熱蒸気および
飽和蒸気の熱交換線を同様に示す。

この第２図において想定した具体的数値およびそれに基
づく排気ガス負荷１００％時と５０％時における過熱器
４と蒸発器６の熱回収量およびその相対比を算出した結
果を下記第１表に示す。

ただし、負荷５０％時における過熱器および蒸発器の熱
回収量（熱交換量）は下式で推定したものである。

Ｑ＝Ｕ−Ａ−ＴＤ ここでＱは過熱器または蒸発器における熱交換量（ｋＪ
／ｈ）　、Ｕは過熱器または蒸発器における総括伝熱係
数（ｋＪ／ｒＪ−ｈ　　・℃）、Ａは過熱器または蒸発
器における伝熱面積（ｎ？）　、ＴＤは過熱器または蒸
発器における対数平均温度差（℃）を示す。

負荷１００％時、５０％時上式において、Ａは等しく、
伝熱係数は蒸気側の境膜係数が大きく排気ガス側境膜係
数支配となり、排気ガス流量−定とすればＵもほぼ等し
くなる。

すなわち、（Ｕ　Ａ　）呻”　（Ｕ　Ａ　）ａ％となり
、よってＱｏｘ＝Ｑ粘Ｘ　（ＴＤ）、％／（ＴＯ）、、
３となる。

第１表に示されるように、排気ガス流量を一定とし、廃
熱ボイラー人ロガス温度が６５０℃から５４０℃に低下
すると、蒸発器６と過熱器４における熱回収の比が２．
４から３．６へと約１．５倍に拡がる。

そして、排気ガス入口温度６５０℃のときの過熱器容量
を１００％とすれば、排気ガス温度が５４０℃に低下し
た場合の過熱器能力は定格の約５０％、蒸発器能力は定
格の約７５％の容量を持つことになる。

温度低下と同時に排気ガス流量低下がある場合は、第２
図の一点鎖線りの勾配が急になり、過熱器と蒸発器の相
対容量が均衡の方向に向かうが、必ず均衡するとの保障
はない。

むしろ現実の排気ガス発生源はガスタービン、各種加熱
炉などガス量変化中は小さく、温度変化巾が広い例が多
く、上述のように過熱器と蒸発器の相対容量に不均衡を
生ずることが多い。

前記第１図に示したように、蒸発器６と過熱器４が直列
で結ばれ、両者の蒸気流量が同じになる形式は従来の通
常（廃熱ではない）ボイラーにおいて用いられている。

通常ボイラーでは燃料制御と同時に空気量制御も行うの
が普通であり、第２図のｔ−ｈ線図で表現すれば排気ガ
スの入口温度の変化を小さくし、ガス量変化により排気
ガス温度低下の勾配を変えることに依って過熱器と蒸発
器の容量を均衡させる方法となっている。

そして従来の廃熱ボイラーでは、排気ガス量の制御手段
をもたないため、過熱器と蒸発器との容量不均衡に対し
て上記イ〜ハのような手段を講じてはいるが、上記のよ
うな欠点を回避することはできない。

次に本発明について説明する。

第３図は本発明の方法の概念を示す工程図であり、蒸発
器６における発生蒸気の一部を弁１３を経てより低圧の
蒸気系１４にレフトダウンし、過熱器４における蒸気流
量を蒸発器６における発生蒸気量と同じか、またはより
少ない流量に制御している。

なお、第３図においては、前記第１図と同一部品には同
一番号を付しである。

第４図は本発明における最も簡単な制御系の実施例を示
し、ボイラー給水１０は制御弁１６を経て高圧予熱器７
に供給され、蒸発器６、高圧菟気ドラム５を経て、過熱
蒸気温度が所定温度より不足気味の場合は発生蒸気の一
部は制御弁１３から低圧または飽和蒸気１４として取り
出され、蒸発器６からの発生蒸気の他の部分は高圧蒸気
ドラム５を経て過熱器４に供給される。

一方、制御弁１３が全閉され蒸発器６からの飽和蒸気全
量を過熱器４を通してもなお過熱温度が所定温度より高
ければ、減温水１５が添加されて温度が調整された過熱
蒸気１１として取り出される。

また、補助燃焼器３には補助燃料９が供給されるが、そ
の量は過熱蒸気要求量（第４図では圧力を検知する例で
示す）により過熱蒸気温度には無関係に独立に制御され
る。

なお第４図において、ＴＣ−１は過熱蒸気１１の温度調
節器であり、過熱蒸気１１の温度が必要以上に高いとき
は制御弁１７を開けて減温水１５を導入して冷却する。

一方、ＴＣ−２は過熱器４からの過熱蒸気の温度調節器
で、過熱蒸気の温度が下降した場合には制御弁１３を開
き、過熱蒸気１１の量を減らして逆に温度を高くする。

また、ｐｃは供給側の需給に応じて変化する圧力の調節
器であり、供給側の需要が減れば圧力が高くなるので、
その圧力を下げるため制御弁Ｉ８の開度を少なくし、補
助燃料９の量を減少させる。ＬＣは高圧蒸気ドラム５の
液面関節器であり、供給側の需給の変動に対応して給水
１０の量を制御する。

〔実施例〕

本発明の方法の具体的を事例として、第５図および第７
図に本発明の廃熱ボイラーによる方法（実線）と従来の
廃熱ボイラーによる方法（破線）の過熱蒸気回収量をそ
れぞれ示す。

第５図は、排気ガス発生源負荷パターンが第６図に示す
ような排気ガス量一定で排気ガス温度のみが負荷低下と
共に低下する（ガスタービンが代表的な例）場合の廃熱
ボイラーである。

また第７図は、排気ガス発生源負荷パターンが第８図に
示すような排気ガス量、排気ガス温度共に低下する場合
（プロセス用加熱炉等に多い）の廃熱ボイラーである。

ただし、第５図および第７図に示した４種類の廃熱ボイ
ラー（排気ガス量一定パターンおよび排気ガス量と排気
ガス温度変動パターンに対応する本発明によるレットダ
ウン付き廃熱ボイラーおよび従来形廃熱ボイラー）の過
熱蒸気回収量は、排気ガス発生源負荷１００％における
過熱器、蒸発器、予熱器の伝熱面積および伝熱係数など
を下記のように同一条件のもとで求めた。

過熱器出口条件：　７９．５ｂａｒ（Ａ）、５００℃蒸
発器条件：８２．０ｂａｒ（八）、２９６℃（飽和）予
熱器給水温度＝１２０℃ 排気ガス定圧比熱：１．２１ｋＪ／（ｋｇ、　’Ｃ）（
６５０〜５００１、１３ｋｇ／　（ｋｇ、　”Ｃ）　（
５００〜３００１．０９ｋｇ／　（ｋｇ、　’Ｃ）　（
３００〜１５０伝熱面積：（過熱器）１１６０　ｎ（（
Ｕｄ　＝１８８ｋＪ／ｎ（、ｈ。

（蒸発器）３５２０　ｒｒｒ（Ｕｄ　＝２０９ｋＪ／ｍ
ｒ、ｈ。

（予熱器）３３６０　ｒｄ　（Ｕｄ　＝　１４６ｋＪ／
　ｃｄ　、ｈ。

Ｕｄ　（低質荷時総括電熱係数）は排気ガス境膜係数支
配の対流伝熱とし、排気ガス流量の０．８乗に比例する
ものとして求めた。

一方、熱交換量ならびに蒸気発生量、蒸気または給水の
顕熱上昇は、補助燃焼が廃熱ボイラ入口で行われ、排気
ガス全量が昇温され、以降、過熱器、蒸発器、予熱器の
順に流れるものとし、各部のＵｄおよび対数平均温度差
から算出した。

また、第５図および第７図において補助燃焼量を７０Ｘ
１０６　（Δ印）　、５７．５Ｘ１０６（Ｖ印）、４５
．０Ｘ１０６（０印）　、３２．５ｘｌＯ’　（ム印）
および２０．０Ｘ１０６（マ印）　ｋＪ／ｈ相当の５ケ
ースにおける過熱蒸気回収量を示した。

なお、図中に○印を記した場合は、５００℃以上の過熱
蒸気を回収できる最低負荷を示す。

排気ガス流量一定パターンの場合は、第５図に示すよう
に従来の飽和蒸気全量を過熱器に通した場合（破線）は
、５００℃以上の過熱蒸気が得られるのは補助燃焼７０
ｘｌＯ６ｋＪ／ｈで約７０％、５７．５Ｘ１０’　ｋＪ
／ｈで約８５％、４５．０Ｘ１０６ｋＪ／ｈで約９６％
の排気ガス負荷が必要であり、それ以下では５００℃を
維持できず、（）で示す温度に順次低下する。

これに対して本発明の方法では、回収飽和蒸気の一部を
過熱器を通さないでレットダウンすので、第５図の実線
で示すように排気ガス負荷のかなり低い範囲まで５００
℃以上の過熱蒸気を産出することができる。

そのときの蒸発部における飽和蒸気回収量は第５図に示
されていないが、破線で示した従来形廃熱ボイラーにお
ける過熱蒸気回収量にほぼ一致する（過熱器熱負荷減少
により若干上回る回収量となる）。

従って第５図において一点鎖線で示した操作線を想定す
れば、最低補助燃焼５０Ｘ１０６ｋＪ／ｈ、最大補助燃
焼８５Ｘ１０６　ｋＪ／ｈのバーナーにより１７〜６５
ｔ／ｈの過熱蒸気要求量による燃焼制御と過熱蒸気温度
による破線と実線の差に相当するレットダウン制御によ
り、排気ガス発生負荷５０〜１００％の実用的には十分
な広範囲において５００℃以上の過熱蒸気を安定して回
収する廃熱ボイラーが実現できることを示している。

排気ガス量変動パターンの第７図においては、第５図と
類似の傾向を示すが、本発明におけるようにレットダウ
ンを行えば５００℃以上の過熱蒸気回収域が第５図の場
合よりも排気ガス発生負荷のより低負荷範囲に拡大され
、操作線の設定もより無理なくできることを示している
。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明の方法は従来方法に比較して下
記の利点を有する。

ａ、過熱器４出口の蒸気温度を、排気ガス発１６出力の
広い範囲にわたって一定に保つことができる。

ｂ、補助燃料９の量は過熱蒸気１１要求量に対して独立
に対応制御することができる。

Ｃ０煙道構造が簡単である。かつ排気ガス導入ラインに
一部排出ラインを設けて排気ガス導入量を制御する方法
に比較して、無駄時間、遅れの少ない鋭敏で安定した制
御が可能である。

ｄ、簡略なボイラー構造で排気ガス発生負荷のより広い
範囲にわたって、過熱蒸気出力制御と温度制御を独立、
安定して行ないながら過熱蒸気の回収を行うことができ
る。

しかも、より利用価値の高い過熱蒸気と飽和またはより
低圧の加熱用蒸気を並行回収することにより、たとえば
補助ボイラーの負荷低減をもたらし、エネルギー節減に
多いに貢献することができる。

ｅ、レフトダウン量制御は、加熱器出口蒸気温度の制御
だけではなく、廃熱ボイラーの保護用および高度制御系
と連携させることも可能である。たとえば蒸発部６の下
流に予熱器７を設けた場合の予熱器出口水温制御にも有
効に使用できる。

ｒ、排気ガス発生源の負荷低下時および／または廃熱ボ
イラー自体の負荷低下時には第２図について説明した現
象と同様に下流側予熱器における熱回収の相対的負荷が
増加し、出口水温が上昇してスチーミング現象を起こし
やすくなる。予熱器出口水温を検出してレットダウン量
を増加させることによってスチーミング現象を安定的に
回避することも可能である。

ｇ、その他、排気ガス発生源負荷、廃熱ボイラー負荷等
を組み合わせたより高度の制御系を組み込むこともでき
、廃熱ボイラーのより広範囲の安定運転の向上に寄与す
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の廃熱ボイラーの工程図、第２図は本発明
と従来の廃熱ボイラーにおける温度と熱交換量との関係
を示す熱交換線図、第３図本発明の概念を示す工程図、
第４図は本発明に制御系を付した場合を示す工程図、第
５図および第７図は本発明における過熱蒸気回収量と排
気ガス発生源負荷との関係を示す図、第６図および第８
図は排気ガス温度および量と排気ガス発生源負荷の１例
を示す図である。 １−廃熱ボイラー　２−排気ガス、４−蒸気過熱器、６
−高圧蒸気蒸発器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 廃熱ボイラーにおいて、ボイラー給水の加熱によって高
   圧蒸気蒸発部で発生した飽和蒸気の一部を蒸気過熱器を
   通さずに飽和または低圧蒸気系へレフトダウンさせるこ
   とを特徴とする廃熱ボイラーにおける熱回収方法。