特開2019-148377(P2019-148377A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特開2019-148377既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-148377(P2019-148377A)
(43)【公開日】2019年9月5日
(54)【発明の名称】既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント
(51)【国際特許分類】
   F22G 1/16 20060101AFI20190809BHJP
【FI】
   F22G1/16
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
【全頁数】7
(21)【出願番号】特願2018-33631(P2018-33631)
(22)【出願日】2018年2月27日
(71)【出願人】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000442
【氏名又は名称】特許業務法人 武和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】菱田 正志
(57)【要約】
【課題】既設のボイラ設備を活用してA−USCプラントを経済的に建設可能な既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラントを提供する。
【解決手段】既設ボイラ1に、蒸気冷却壁21、バーナ22及び過熱器23を備えた独立過熱器2を付設する。既設ボイラ1に備えられた1次過熱器15の過熱蒸気出口15aと蒸気冷却壁21の過熱蒸気入口21bとを配管31で接続する。蒸気冷却壁21の過熱蒸気出口21aとボイラ1に備えられた2次過熱器16の過熱蒸気入口16bとを配管32で接続する。ボイラ1に備えられた3次過熱器17の過熱蒸気出口17aと独立過熱器2に備えられた過熱器23の過熱蒸気入口23bとを配管33で接続する。過熱器23の過熱蒸気出口23aと高圧蒸気タービン3の過熱蒸気入口3bとを配管34で接続する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼ガス通路内に複数段のボイラ側過熱蒸気系熱交換器が備えられた既設ボイラと、
前記既設ボイラから燃焼ガス系統が独立し、前記既設ボイラから導入された第1の過熱蒸気により冷却される蒸気冷却壁で構成された火炉及び煙道、前記蒸気冷却壁に設けられて前記火炉内に燃料を噴射して燃焼するバーナ、並びに前記既設ボイラから導入されて前記第1の過熱蒸気よりも高温の第2の過熱蒸気を前記火炉及び前記煙道内の燃焼ガスと熱交換して更に過熱する独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器を備えた独立過熱器と、
前記独立過熱器から導出される過熱蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
を備え、
前記複数段のボイラ側過熱蒸気系熱交換器から選択される第1の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記蒸気冷却壁の過熱蒸気入口とを配管で接続すると共に、
前記蒸気冷却壁の過熱蒸気出口と前記第1の過熱蒸気系熱交換器よりも蒸気温度が高い第2の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口とを配管で接続し、
更には、前記第2の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口とを配管で接続したことを特徴とする既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
【請求項2】
前記第1の過熱蒸気系熱交換器は1次過熱器であり、前記第2の過熱蒸気系熱交換器は前記1次過熱器よりも蒸気温度が高い他の過熱器であることを特徴とする請求項1に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
【請求項3】
前記第1の過熱蒸気系熱交換器は1次再熱器であり、前記第2の過熱蒸気系熱交換器は前記1次再熱器よりも蒸気温度が高い他の再熱器であることを特徴とする請求項1に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
【請求項4】
前記燃料は、石炭であることを特徴とする請求項1に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
【請求項5】
前記燃料は、ガスであることを特徴とする請求項1に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
【請求項6】
前記燃料は、油であることを特徴とする請求項1に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
【請求項7】
前記既設ボイラの近傍に前記独立過熱器を新設して、前記既設ボイラと新設した前記独立過熱器とを必要な配管で接続したことを特徴とする請求項1に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
【請求項8】
前記独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器の出口蒸気温度は、650℃以上であることを特徴とする請求項1に記載の既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、既設ボイラ設備を活かした高蒸気条件ボイラプラントに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、発電プラントの技術分野においては、発電効率の更なる向上を図るため、先進超々臨界圧火力発電(A−USC:Advanced-Ultra Super Critical)に向けた開発が進められている。
【0003】
例えば、特許文献1には、主蒸気温度が600℃程度であるUSCプラントよりも高い主蒸気温度、再熱蒸気温度を目標としたA−USCプラントが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2013−130370号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に記載の発明は、A−USCプラントを経済的に建設する点について考慮されておらず、この点に改善の余地がある。即ち、A−USCを実現するためには、蒸気タービンに供給される過熱蒸気の温度を現状よりも高める必要があり、従来の蒸気温度のボイラプラントに比較してより多くの伝熱面と、より高い温度に対応した高温材料が必要となるが、同時に総合経済性の観点から建設費の低減が求められる。高蒸気条件プラントの建設は、新たに建設する場合の他に、火炉、低温伝熱面、燃焼装置、鉄骨、ダクト、補機など、流用可能な部分が多いことから既設ボイラプラントを流用する場合が考えられるが、蒸気条件向上分の伝熱面を既設ボイラへ追加することは、スペースの節約や全体の熱吸収バランスの調整に制約があるために困難な場合が多く、いずれの場合にも建設費が経済性を圧迫し成立しがたい。
【0006】
そこで、本発明は、既設のボイラ設備を活用してA−USCプラントを経済的に建設可能な既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラントを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、本発明は、既設ボイラの設備を極力流用しつつ蒸気条件の高温化を図る手段として、既設ボイラに別置きの独立過熱器を蒸気系統上で組み合わせ、過熱蒸気を相互交換するシステムとする。即ち、既設ボイラの低温蒸気の一部又は全量を抜き出し、独立過熱器の蒸気冷却壁を構成した後、既設ボイラへ戻す。更に、既設ボイラの最終過熱器もしくは最終再熱器の出口蒸気を、既設主配管材を流用して別置きの独立過熱機内の伝熱面に導入し、加熱高温化を図る。
【0008】
具体的には、燃焼ガス通路内に複数段のボイラ側過熱蒸気系熱交換器が備えられたボイラと、前記ボイラから導入された第1の過熱蒸気により冷却される蒸気冷却壁で構成された火炉及び煙道、前記蒸気冷却壁に設けられて前記火炉内に燃料を噴射して燃焼するバーナ、並びに前記ボイラから導入されて前記第1の過熱蒸気よりも高温の第2の過熱蒸気を前記火炉及び前記煙道内の燃焼ガスと熱交換して更に過熱する独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器を備えた独立過熱器と、前記独立過熱器から導出される過熱蒸気によって駆動される蒸気タービンと、を備え、前記複数段のボイラ側過熱蒸気系熱交換器から選択される第1の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記蒸気冷却壁の過熱蒸気入口とを配管で接続すると共に、前記蒸気冷却壁の過熱蒸気出口と前記第1の過熱蒸気系熱交換器よりも蒸気温度が高い第2の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口とを配管で接続し、更には、前記第2の過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気出口と前記独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器の過熱蒸気入口とを配管で接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、既設ボイラ設備を最大限生かし比較的簡単な構成で経済的にA−USCを実現できる。また、高温化した蒸気を高圧蒸気タービンへ導く高温主配管は、高温強度の高い特殊な材料を使うので、経済性に大きく影響する。独立過熱器の設置位置は自由度が高く、高圧蒸気タービンとの間の超高温配管を最適に最短配置することができ、経済性改善に効果が大きい。更に、配管長の最短化により蒸気圧力損失を最小化できることから、発電効率向上にも有効である。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下に記載する実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】第1実施例に係る発電プラントの構成図である。
図2】第2実施例に係る発電プラントの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態について、実施例毎に図を参照して説明する。
【0012】
[第1実施例]
図1に、第1実施例に係る発電プラント1Aの構成を示す。この図から明らかなように、第1実施例に係る発電プラント1Aは、ボイラ1と、独立過熱器2と、独立過熱器2から供給される過熱蒸気により駆動される高圧蒸気タービン3と、高圧蒸気タービン3により駆動される発電機4と、を備えている。
【0013】
ボイラ1は、石炭焚きボイラ、油焚きボイラ、ガス焚きボイラ等のいわゆるコンベンショナルボイラであり、バーナ11を備えた火炉12と、火炉12に続く排ガス通路13とを有している。排ガス通路13内には、節炭器14、1次過熱器15、2次過熱器16、3次過熱器17、1次再熱器18、2次再熱器19及び3次再熱器20が所定の配列で配置されている。なお、本明細書においては、ボイラ1に備えられた1次過熱器15、2次過熱器16、3次過熱器17、1次再熱器18、2次再熱器19及び3次再熱器20を総称して、「ボイラ側過熱蒸気系熱交換器」という。
【0014】
ボイラ1としては、既設のボイラが利用される。ボイラ1は、バーナ11から噴射される石炭、油(重油又は軽油)、ガス等を火炉12内で燃焼する。
【0015】
火炉12内に生じた燃焼ガスは、排ガス通路13内に導かれ、2次過熱器16、3次過熱器17、1次再熱器18、2次再熱器19、1次過熱器15及び節炭器14内の過熱蒸気又は給水と熱交換した後、図示しない排煙処理設備に入って飛灰等が除去される。飛灰等が除去された排ガスは、図示しない煙突等を通って大気に放出される。
【0016】
独立過熱器2は、ボイラ1から導入される第1の過熱蒸気により冷却される蒸気冷却壁21で構成される火炉及び煙道と、火炉内に燃料を噴射して燃焼するバーナ22と、煙道内に配置され、ボイラ1から導入された第2の過熱蒸気を煙道内の燃焼ガスと熱交換して更に過熱する独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器23と、蒸気冷却壁21内の熱を回収する熱回収部24と、を備えている。第1実施例においては、独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器23として、過熱器が備えられている。以下の説明においては、独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器23を「独立過熱器側過熱器23」という。
【0017】
図1に示すように、第1実施例においては、ボイラ1に備えられた1次過熱器15の過熱蒸気出口15aと、独立過熱器2を構成する蒸気冷却壁21の過熱蒸気入口21bと、が配管31で接続され、蒸気冷却壁21の過熱蒸気出口21aと、ボイラ1に備えられた2次過熱器16の過熱蒸気入口16bと、が配管32で接続されている。また、ボイラ1に備えられた3次過熱器17の過熱蒸気出口17aと、独立過熱器2に備えられた独立過熱器側過熱器23の過熱蒸気入口23bと、が配管33で接続され、独立過熱器側過熱器23の過熱蒸気出口23aと、高圧蒸気タービン3の過熱蒸気入口3bと、が配管34で接続されている。さらに、節炭器14に給水を供給する給水管35と、独立過熱器2に備えられた熱回収部24の給水入口24bと、が配管36で接続され、熱回収部24の給水出口24aと、節炭器14の出口配管37と、が配管38で接続されている。従って、独立過熱器側過熱器23には、蒸気冷却壁21に導入される第1の過熱蒸気よりも高温の第2の過熱蒸気が導入される。
【0018】
独立過熱器2内に生じた燃焼ガスは、独立過熱器側過熱器23内の過熱蒸気及び熱回収部24内の給水と熱交換した後に、当該独立過熱器専用もしくはボイラ1に付設された図示しない排煙処理設備に入って飛灰等が除去され、飛灰等が除去された排ガスは、当該独立過熱器専用もしくはボイラ1に付設された図示しない煙突等を通って大気に放出される。なお、ボイラ1及び独立過熱器2は、排煙処理設備を共有化してもよい。
【0019】
バーナ22は、石炭、ガス又は油を燃料として燃焼する。この場合、ボイラ1及び独立過熱器2に備えられる燃料供給系の構成を簡素化するため、ボイラ1の燃料と独立過熱器2の燃料を共通化することが望ましい。即ち、ボイラ1が石炭焚きボイラである場合には、バーナ22で石炭を燃焼し、ボイラ1がガス焚きボイラである場合には、バーナ22でガスを燃焼し、ボイラ1が油焚きボイラである場合には、バーナ22で油を燃焼する。燃料としてガスを用いた場合には、温度制御が容易となり、かつ高温腐食の問題も生じない。
【0020】
独立過熱器側過熱器23は、ボイラ1の3次過熱器17から抜き出した第2の過熱蒸気を蒸気冷却壁21内の燃焼ガスと熱交換してさらに過熱し、高圧蒸気タービン3に供給する。独立過熱器2は、ボイラ1とは独立した機器であるので、独立過熱器2の設置位置は自由度が高く、高圧蒸気タービン3との間の超高温配管を最適に最短配置することができる。よって、ボイラ1から導出された過熱蒸気を高圧蒸気タービン3に直接供給する場合に比べて、高価な材料を用いて製造される配管34の配管長を最短化できて、既設ボイラ活用高蒸気条件ボイラプラントの経済性改善に大きく貢献する。また、配管長の最短化により蒸気圧力損失を最小化できることから、発電効率向上にも有効である。
【0021】
熱回収部24は、独立過熱器側過熱器23を過熱した後の蒸気冷却壁21内の予熱を回収し、節炭器14から火炉12に供給される給水を加熱する。
【0022】
第1実施例に係る発電プラント1Aは、上記のように構成されているので、1次過熱器15を通過した過熱蒸気は、配管31を通って蒸気冷却壁21に導入される。また、蒸気冷却壁21を通過した過熱蒸気は、配管32を通ってボイラ1の2次過熱器16に導入され、2次過熱器16及び3次過熱器17で、排ガス通路13内の排ガスと熱交換されて過熱される。さらに、ボイラ1の3次過熱器17を通過した過熱蒸気は、配管33を通って独立過熱器側過熱器23に導入され、独立過熱器2内の燃焼ガスと熱交換されて更に過熱される。一方、節炭器14に給水を供給する給水管35内の給水は、その一部が配管36を通って独立過熱器2の熱回収部24内に導入され、独立過熱器2内の燃焼ガスと熱交換されて加熱される。熱回収部24を通過した給水は、配管38を通って節炭器14の出口配管37に導入される。
【0023】
このように、第1実施例に係る発電プラント1Aは、蒸気冷却壁21を備えた独立過熱器2をボイラ1に付設し、ボイラ1の1次過熱器15から抜き出した過熱蒸気を、独立過熱器2の蒸気冷却壁21、ボイラ1の2次過熱器、ボイラ1の3次過熱器、独立過熱器2の独立過熱器側過熱器23に順次導入して過熱するので、従来のボイラ装置に比べて、高圧蒸気タービン3に供給する過熱蒸気の蒸気温度を高めることができる。よって、第1実施例に係る発電プラント1Aは、従来のボイラ装置を備えた発電プラントに比べて、発電効率を向上できる。
【0024】
第1実施例に係る発電プラント1Aによれば、既設のボイラ1を活かしたまま独立過熱器2を新設することによって、既設の発電プラントを活用したA−USCを建設できる。従って、第1実施例に係る発電プラント1Aは、既設のボイラ1を解体してA−USCボイラを新設する場合に比べて、資源の有効利用が図れ、発電効率が高い発電プラントを低コストに構築できる。
【0025】
[第2実施例]
図2に、第2実施例に係る発電プラント1Bの構成を示す。この図から明らかなように、第2実施例に係る発電プラント1Bは、独立過熱器2内に、独立過熱器側過熱器23に代えて、再熱器51が備えられると共に、高圧蒸気タービン3に代えて、低圧蒸気タービン52が備えられている。第2実施例においては、独立過熱器2内に備えられた再熱器を「独立過熱器側再熱器51」という。
【0026】
そして、第2実施例に係る発電プラント1Bにおいては、蒸気冷却壁21の過熱蒸気出口21aと、ボイラ1に備えられた1次再熱器18の過熱蒸気入口18bと、が配管32で接続されている。また、ボイラ1に備えられた3次再熱器20の過熱蒸気出口20aと、独立過熱器側再熱器51の過熱蒸気入口51bと、が配管53で接続されると共に、独立過熱器側再熱器51の過熱蒸気出口51aと、低圧蒸気タービン52の過熱蒸気入口52bと、が配管54で接続されている。その他の構成については、第1実施例に係る発電プラント1Aと同じであるので、対応する部分に同一の符号を付して、説明を省略する。
【0027】
第2実施例に係る発電プラント1Bは、このように構成されているので、低圧蒸気タービン52に供給される過熱蒸気の温度を独立過熱器側再熱器51によって高めることができ、発電効率の向上を図ることができる。
【0028】
なお、本発明の範囲は、実施例1、2に記載の範囲に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で実施例1、2に記載した発明の構成要素に変更を加えたもの、実施例1、2に記載した発明の構成要素を周知の構成要素に置き換えたもの、及び実施例1、2を適宜組み合わせたものも含まれる。
【0029】
例えば、実施例1においては、独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器として独立過熱器側過熱器23を備え、実施例2においては、独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器として独立過熱器側再熱器51を備えたが、蒸気冷却壁21内に独立過熱器側過熱器23及び独立過熱器側再熱器51の双方を備える構成とすることもできる。また、実施例1、2においては、ボイラ1に、1次過熱器15、2次過熱器16及び3次過熱器17と、1次再熱器18及び2次再熱器19を備えたが、ボイラ1に備えられる過熱器及び再熱器の数についてはこれに限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【符号の説明】
【0030】
1A、1B…発電プラント、1…ボイラ、2…独立過熱器、3…高圧蒸気タービン、4…発電機、11…バーナ、12…火炉、13…排ガス通路、14…節炭器、15…1次過熱器、16…2次過熱器、17…3次過熱器、18…1次再熱器、19…2次再熱器、20…3次再熱器、21…蒸気冷却壁、22…バーナ、23…独立過熱器側過熱蒸気系熱交換器、24…熱回収部、31、32、33、34、36、38…配管、35…給水管、37…節炭器の出口配管、41…配管、42…流量制御弁、51…独立過熱器側再熱器、52…低圧蒸気タービン、53、54…配管、61…配管、62…流量制御弁
図1
図2