特許 7184103 排熱回収ボイラおよびその運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-28

(45)【発行日】2022-12-06

(54)【発明の名称】排熱回収ボイラおよびその運転方法

(51)【国際特許分類】

   F22D 1/32 20060101AFI20221129BHJP

   F22D 1/12 20060101ALI20221129BHJP

   F22B 37/54 20060101ALI20221129BHJP

【ＦＩ】

F22D1/32 D

F22D1/12

F22B37/54 B

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021000910

(22)【出願日】2021-01-06

(65)【公開番号】P2021135037

(43)【公開日】2021-09-13

【審査請求日】2021-09-22

(31)【優先権主張番号】P 2020031594

(32)【優先日】2020-02-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001542

【氏名又は名称】弁理士法人銀座マロニエ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】前田 康晴

【審査官】岩▲崎▼ 則昌

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－３０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２４８０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－３２９２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－３５３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－２２９５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－８９０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２２Ｄ １／３２

Ｆ２２Ｄ １／１２

Ｆ２２Ｂ ３７／５４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスタービンまたは廃棄物焼却炉の排ガスから排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラにおいて、
排ガスとの熱交換により給水を加熱する節炭器と、
該節炭器で加熱された給水を排ガスと熱交換させて蒸気を発生させる蒸発器と、
前記節炭器へ給水するための経路である給水経路と、
前記節炭器から前記蒸発器への経路から分岐して前記節炭器入口側の給水経路に接続される循環水経路と、
該循環水経路に設けられた節炭器入口給水温度調節弁と、
前記節炭器入口側の給水温度を測定する温度計と、
前記節炭器入口側の給水温度を用いて前記節炭器入口給水温度調節弁の開度を決定する第１の制御部と、
前記循環水経路との接続部より上流側の給水経路に設けられ、蒸気との熱を交換する熱交換器と、
該熱交換器で発生する凝縮水を回収するドレンタンクと、
該ドレンタンクの凝縮水を前記給水経路の熱交換器より上流側に供給する凝縮水供給経路と、
前記ドレンタンク中の水位を計測する水位計と、
前記凝縮水供給経路に設けられたドレンタンク水位調整弁と、
前記ドレンタンク内の水位を用いてドレンタンク水位調整弁の開度を決定する第２の制御部と、
を備えることを特徴とする排熱回収ボイラ。

【請求項2】

さらに、前記節炭器および前記蒸発器で発生するブロー水を受け入れるブローダウンタンクと、
前記凝縮水供給経路から分岐し、前記ブローダウンタンクへ接続するブロー水経路と、
該ブロー水経路に設けられたブロー水量調整弁と、
を備え、
前記第２の制御部が前記ドレンタンク内の水位を用いてブロー水量調整弁の開度を決定することを特徴とする請求項１に記載の排熱回収ボイラ。

【請求項3】

ガスタービンまたは廃棄物焼却炉の排ガスにより蒸気を発生する排熱回収ボイラの運転方法であって、
排熱回収ボイラに設けた節炭器に給水する給水工程と、
排ガスとの熱交換により前記節炭器で給水の加熱をする給水加熱工程と、
前記節炭器で加熱された加熱水を蒸発器で排ガスの熱により蒸気を発生させる蒸気発生工程と、
前記節炭器の出口側配管から給水経路へ節炭器出口の前記加熱水を循環させる再循環工程と、
前記節炭器出口の前記加熱水の循環量を前記節炭器の給水温度に基づき決定する第１の制御工程と、
前記節炭器に供給する給水を蒸気と熱交換する熱交換工程と、
前記熱交換工程で発生した凝縮水をドレンタンクに回収するドレン回収工程と、
前記ドレン回収工程で回収された前記凝縮水を前記給水に供給する凝縮水供給工程と、
前記ドレンタンク中の水位を計測するドレンタンク水位計測工程と、
前記ドレンタンクの水位に基づき前記凝縮水供給工程で前記給水に供給する前記凝縮水の水量を決定する第２の制御工程と、
を有することを特徴とする排熱回収ボイラの運転方法。

【請求項4】

前記ドレン回収工程で回収された前記凝縮水の一部をブローダウンタンクへ放流するブロー工程と、
前記ドレンタンクの水位に基づきブロー工程の採否を決定するブロー決定工程と、
を有することを特徴とする請求項３に記載の排熱回収ボイラの運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、工場で発生した余剰蒸気を有効利用する排熱回収ボイラに関し、その排熱回収ボイラの効率的な運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

たとえば、製鉄所等の工場内での、動力、エゼクタ、および暖房等の用途に使用される蒸気は、ＣＤＱ排熱回収ボイラ等からの供給蒸気により賄われている。この工場蒸気の供給量は時間によって変動し、余剰となった蒸気は排熱回収タービンにて発電し電力に変換されている。しかしながら、排熱回収タービンへの供給蒸気が一定量以下になった場合には、タービンの予定外のトリップを防止するために、蒸気利用を停止し大気放散している。この大気放散する蒸気は、流量の時間変動が大きく、安定した利用がこれまで困難であった。

【0003】

このような蒸気の変動を吸収するためには、従来からスチームアキュームレータが使用されている。しかし、スチームアキュームレータは、アキュームレータ内の水に蒸気を吹込み凝縮させ、余剰となった凝縮水を外部に放出することから、熱の損失が生じる問題がある。特許文献１では、この問題を解決するため、凝縮した高温の水を利用し、熱の損失を防止する方法が提示されている。

【0004】

また、蒸気ドレンの熱についても有効利用するためには、ドレンタンクを設置することとなり、その際はドレンタンク内凝縮水のレベル調整が必要となる。たとえば、特許文献２では、ドレンタンク内の水位調整のために、ドレンタンク内の水位が水位上限値超えの場合は別途設けた補給水タンクへドレンタンク内凝縮水を送水し、反対にドレンタンク内の水位が水位下限値を下回る場合は当補給水タンクより水を供給する方法が提示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１６－１６０８４８号公報

【文献】特開２０１１－２３７０６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

工場内蒸気の変動を吸収するために、従来のスチームアキュームレータでは、蒸気の凝縮部が独立して設置されていることから、蒸気を凝縮させるための熱を外部に放出させる必要があり、特許文献１に記載の技術をもっても、熱の損失を防止するには限界がある。

【0007】

また、特許文献２のように、ドレンタンク内の水位が水位上限値を超えた際に別途設けた補給水タンクに送水すると、補給水タンクの容量以上に水位が上昇した際は運転継続が不可となり、またドレンタンク内の水位が水位下限値を下回る際に外部の水を混入すると、水温が低下し熱の損失が生じる問題がある。

【0008】

一方、製鉄所等の工場内には、ガスタービンの高温の排ガスとの熱交換により蒸気を発生する排熱回収ボイラがある。この排熱回収ボイラの給水系統にある節炭器は、給水温度が低い場合、ガスタービン排ガスの酸性成分による低温腐食が生じてしまう。よって、この問題を防ぐため、節炭器の出口側の加熱された給水の一部を、再循環ポンプ等によって節炭器入口に戻し、給水温度を露点温度以上に高く保つようにしている。

【0009】

図３は、この節炭器給水温度を露点温度以上に加熱する手段の、従来の一例を示す系統図である。図３において、１はガスタービンに接続された排熱回収ボイラ、２は前記排熱回収ボイラ内を流れる排ガス、３は前記排熱回収ボイラに給水する給水ポンプ、４は前記排熱回収ボイラに設けた給水の加熱をする節炭器、５は前記節炭器の出口側に接続された水と飽和蒸気の分離をする蒸気ドラム、６は前記蒸気ドラムに接続され排ガスの熱により蒸気を発生する蒸発器、７は前記節炭器及び前記蒸発器からのブロー水を受け入れるブローダウンタンク、８は前記節炭器出口側配管から入口側へ節炭器出口の高温水を循環させる再循環配管、９は前記再循環配管に設けられた再循環ポンプ、１０は前記再循環ポンプ吐出側で節炭器出口の高温水の循環量を調整する節炭器入口給水温度調節弁、１１は前記節炭器入口側の給水温度を測定する温度計、１２は前記温度計の測温結果から前記温度調節弁の開度を決定する第１の制御部である。

【0010】

図３において、給水ポンプ３から供給された給水が節炭器４に給水され（給水工程）、節炭器４により排熱回収ボイラ１内を通過する排ガス２によって加熱され（給水加熱工程）、節炭器４の出口より蒸気ドラム５に給水される。給水された水は、蒸発器６に供給され、排ガス２の熱により蒸発する（蒸気発生工程）。

【0011】

ここで、節炭器４出口の加熱された給水の一部が再循環ポンプ９を介して節炭器４入口に合流し、給水温度が露点以上になるよう加熱される（再循環工程）。このときの給水温度が、温度計１１によって検知され、第１の制御部１２により給水温度が露点温度以上になるように、再循環ポンプ９出口の温度調節弁１０の開度を調節するよう制御信号を出力し、再循環流量が調節される（第１の制御工程）。

【0012】

一方、製鉄所等のガスタービンでは、硫黄分を含む燃料を使用しており、排ガス２中の硫黄酸化物により結露点が比較的高くなっており、節炭器４の入口温度をより高く設定するため、再循環ポンプ９の容量が大きくなっており、比較的大きな動力を消費している。

【0013】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、熱の損失を防止しながら、流量の時間変動の大きい工場内の余剰蒸気を、蒸気ドレンを含めて有効利用すること、および排熱回収ボイラに設けた節炭器再循環ポンプの動力並びに給水の加熱に要する熱量を削減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を有利に解決する本発明の排熱回収ボイラは、高温の排ガスから排ガスの熱を回収する排熱回収ボイラにおいて、排ガスとの熱交換により給水を加熱する節炭器と、該節炭器で加熱された給水を排ガスと熱交換させて蒸気を発生させる蒸発器と、前記節炭器へ給水するための経路である給水経路と、前記節炭器から前記蒸発器への経路から分岐して前記節炭器入口側の給水経路に接続される循環水経路と、該循環水経路に設けられた節炭器入口給水温度調節弁と、前記節炭器入口側の給水温度を測定する温度計と、前記節炭器入口側の給水温度を用いて前記温度調節弁の開度を決定する第１の制御部と、前記循環水経路との接続部より上流側の給水経路に設けられ、蒸気との熱を交換する熱交換器と、該熱交換器で発生する凝縮水を回収するドレンタンクと、該ドレンタンクの凝縮水を前記給水経路に供給する凝縮水供給経路と、前記ドレンタンク中の水位を計測する水位計と、前記凝縮水供給経路に設けられたドレンタンク水位調整弁と、前記ドレンタンク内の水位を用いてドレンタンク水位調整弁の開度を決定する第２の制御部と、を備えることを特徴とする。

【0015】

なお、本発明にかかる排熱回収ボイラは、
さらに、前記節炭器および前記蒸発器で発生するブロー水を受け入れるブローダウンタンクと、前記凝縮水供給経路から分岐し、前記ブローダウンタンクへ接続するブロー水経路と、該ブロー水経路に設けられたブロー水量調整弁と、を備え、前記第２の制御部が前記ドレンタンク内の水位を用いてブロー水量調整弁の開度を決定すること、
がより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

【0016】

また、本発明にかかる排熱回収ボイラの運転方法は、高温の排ガスにより蒸気を発生する排熱回収ボイラの運転方法であって、排熱回収ボイラに設けた節炭器に給水する給水工程と、排ガスとの熱交換により前記節炭器で給水の加熱をする給水加熱工程と、前記節炭器で加熱された加熱水を蒸発器で排ガスの熱により蒸気を発生させる蒸気発生工程と、前記節炭器出口側配管から給水経路へ節炭器出口の高温水を循環させる再循環工程と、前記節炭器出口の高温水の循環量を前記節炭器の給水温度に基づき決定する第１の制御工程と、前記節炭器に供給する給水を蒸気と熱交換する熱交換工程と、前記熱交換工程で発生した凝縮水をドレンタンクに回収するドレン回収工程と、前記ドレン回収工程で回収された前記凝縮水を前記給水に供給する凝縮水供給工程と、前記ドレンタンク中の水位を計測するドレンタンク水位計測工程と、前記ドレンタンクの水位に基づき前記凝縮水供給工程で前記給水に供給する前記凝縮水量を決定する第２の制御工程と、を有することを特徴とする。

【0017】

なお、本発明にかかる排熱回収ボイラの運転方法は、
前記ドレン回収工程で回収された前記凝縮水の一部をブローダウンタンクへ放流するブロー工程と、前記ドレンタンクの水位に基づきブロー工程の採否を決定するブロー決定工程と、を有すること、
がより好ましい解決手段になり得るものと考えられる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、余剰蒸気を排熱回収ボイラの給水系統との熱交換により凝縮することで熱の損失を防止することができ、また凝縮水を貯留することで蒸気の変動量を吸収し、かつ、外部の冷水を混入することなく貯留した凝縮水の水位を調整することとしたので、給水系統が事前に加熱されているため、節炭器再循環ポンプの動力並びに給水を加熱するための熱量を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の第１の実施の形態にかかる排熱回収ボイラを示す系統図である。

【図2】本発明の第２の実施の形態にかかる排熱回収ボイラを示す系統図である。

【図3】従来の排熱回収ボイラを示す系統図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

（第１の実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による排熱回収ボイラを示す系統図である。本実施形態の排熱回収ボイラ１００は、たとえば、ガスタービン（図示せず）に接続され、排ガス２が流れている排熱回収ボイラ本体１と、排熱回収ボイラ本体１に設けられ、排ガス２との熱交換により給水を加熱する節炭器４と、節炭器４の出口側に接続され、水と飽和蒸気とを分離する蒸気ドラム５と、蒸気ドラム５に接続され排ガスの熱により蒸気ＳＴを発生する蒸発器６と、排熱回収ボイラ本体１に給水する給水ポンプ３および給水配管ＩＷからなる給水経路と、節炭器４出口側配管から分岐（Ａ）し、節炭器４入口側の給水経路に接続（Ｃ）された再循環配管８および再循環配管８の途中に設けられた再循環ポンプ９からなる循環水経路と、再循環ポンプ９吐出側の循環水経路に設けられた節炭器入口給水温度調節弁１０と、節炭器４入口側の給水経路に設けられた給水温度を測定する温度計１１と、温度計１１により測定された給水温度を用いて節炭器入口給水温度調節弁１０の開度を決定する第１の制御部１２を備えている。節炭器４および蒸発器６からのブロー水ＢＷを受け入れるブローダウンタンク７と、を備えていてもよい。また、蒸発器６で発生した蒸気ＳＴは、たとえば、工場内の動力や発電などで使用される。

【0021】

本実施形態では、さらに、工場内の蒸気経路１３と、給水経路のうち給水ポンプ３と循環水経路の接続部Ｃとの間（接続部Ｃの上流側）に設置され、蒸気経路１３が接続された熱交換器１４と、熱交換器１４から発生する凝縮水を回収するドレンタンク１５と、ドレンタンク１５および給水経路のうち給水ポンプ３と熱交換器１４との間（熱交換器１４の上流側）に接続（Ｄ）された凝縮水供給配管１６とドレンポンプ１７とからなる凝縮水供給経路と、ドレンタンク１５内の水位を計測する水位計１８と、ドレンポンプ１５吐出側の凝縮水供給経路に設けられたドレンタンク水位調整弁１９と、水位計１８からの水位信号を用いてドレンタンク水位調節弁１９の開度を決定する第２の制御部２０を設けている。

【0022】

本実施形態では、ドレンタンク水位調節弁１９については、水位計１８の信号（ドレンタンク水位計測工程）から第２の制御部２０を介し、開度指令信号が出力され（第２の制御工程）、ドレンタンク１５の水位が一定になるよう構成されている。

【0023】

上記のように構成された排熱回収ボイラ１００の運転方法の一例を示す。給水工程として給水ポンプ３から給水経路に供給された給水は、先ず、接続部Ｄにおいて、熱交換器１４からの凝縮水の流入（凝縮水供給工程）により昇温し、次に熱交換器１４において蒸気との熱交換により加熱される（熱交換工程）。熱交換器で熱交換された蒸気は凝縮水としてドレンタンクに回収する（ドレン回収工程）。給水経路の節炭器４入口側に設置した温度計１１で給水温度を測定し、排ガス２の露点温度以下であれば、給水を加熱するために節炭器４の出口側の給水を、再循環ポンプ９を介し、温度調節弁１０にて温度調節のうえ合流させる（第１の制御工程）。また、温度計１１で測定した給水温度が排ガス２の露点温度以上であれば、温度調節弁１０を徐々に閉じていき、再循環水の必要がなければ、温度調節弁１０を全閉および再循環ポンプ９を停止する（第１の制御工程）。

【0024】

以上のように本実施形態によれば、工場で発生した余剰蒸気を大気放散せず、蒸気経路１３を介して排熱回収ボイラ１００に導き、蒸気流量の変動をドレンタンク１５で吸収することによって、節炭器４の出口側から入口側にもどる再循環流量を削減でき、再循環ポンプ９の動力を削減することができる。また、余剰蒸気の熱を利用することで給水加熱に要する熱量を削減することができる。

【0025】

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について図２を参照して説明する。
以下の実施の形態の説明においても、前記第１の形態と同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

【0026】

本実施形態においては、ドレンポンプ１７吐出側で凝縮水供給経路から分岐（Ｅ）し、ブローダウンタンク７へ接続するブロー水経路２１と、ブロー水経路２１に設けられたブロー水量調整弁２２を設けている。本実施形態の排熱回収ボイラの運転方法では、ドレンタンク内の水位があらかじめ設定した所定の水位を超過したとき、第２の制御部からの指令（ブロー決定工程）でブロー水量調整弁２２を開いて、ドレンタンク内凝縮水の一部をブローダウンタンク７へ放流する（ブロー工程）。そして、ドレンタンク内の水位が十分に下がって、所定の水位に達したら第２の制御部からの指令（ブロー決定工程）でブロー水量調整弁２２を閉じる。

【0027】

以上のように本実施形態によれば、過渡的にドレンタンク１５のドレン水が余剰になった場合、余剰水を系外に排出することができ、ドレンタンク１５の水位を安定して制御することができる。

【産業上の利用可能性】

【0028】

本発明は、上記例示の実施の形態に限られず、ガスタービンの排ガスのほか、廃棄物焼却炉の排ガスなど高温のガスの排熱を回収する設備に適用可能である。

【符号の説明】

【0029】

１ 排熱回収ボイラ本体
２ 排ガス
３ 給水ポンプ
４ 節炭器
５ 蒸気ドラム
６ 蒸発器
７ ブローダウンタンク
８ 再循環配管
９ 再循環ポンプ
１０ 節炭器入口給水温度調節弁
１１ 温度計
１２ 第１の制御部
１３ 蒸気経路
１４ 熱交換器
１５ ドレンタンク
１６ 凝縮水供給配管
１７ ドレンポンプ
１８ 水位計
１９ ドレンタンク水位調整弁
２０ 第２の制御部
２１ ブロー水経路
２２ ブロー水量調整弁
１００ 排熱回収ボイラ

【図1】

【図2】

【図3】