特許 7492359 ボイラ、およびそれを備えた発電プラント

(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】2024-05-21

(45)【発行日】2024-05-29

(54)【発明の名称】ボイラ、およびそれを備えた発電プラント

(51)【国際特許分類】

   F22B 37/24 20060101AFI20240522BHJP

【ＦＩ】

F22B37/24 Z

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2020064427

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021067449

(43)【公開日】2021-04-30

【審査請求日】2023-02-14

(31)【優先権主張番号】P 2019190133

(32)【優先日】2019-10-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】堂本 和宏

(72)【発明者】

【氏名】菱田 正志

【審査官】大谷 光司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０９６５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１１７７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１０６１１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第１９９６／０２３１８７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－０４２９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５０５０２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０９２７３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２２Ｂ ３７／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

火炉と、
前記火炉の内部側壁に設けられ、燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるバーナであって、前記火炉の鉛直方向における中間位置よりも上方に設けられたバーナと、
前記火炉の内部側壁における、前記火炉の前記鉛直方向における前記中間位置よりも下方に設けられた、前記火炉の内部を下降した前記燃焼ガスの前記火炉からの出口となる燃焼ガス排出口と、
前記燃焼ガス排出口に接続された、燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路に設けられた、前記燃焼ガスと熱交換し蒸気を生成又は昇温する複数の伝熱管を有する伝熱部と、を備え、
前記燃焼ガス流路の上面は、前記火炉の前記鉛直方向における前記中間位置よりも下方に位置し、
前記燃焼ガス流路は、グランドレベルに設置されている、
ボイラ。

【請求項2】

前記ボイラは、前記伝熱部を支持するための鉄骨構造物をさらに備え、
前記ボイラは、液体燃料又は気体燃料を用いるボイラであり、
前記燃焼ガス流路の前記燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、
前記燃焼ガス流路の下面位置と前記鉄骨構造物の基端位置との高さの差をΔＨ１としたときに、
ΔＨ１≦１Ｈの関係を満たす、
請求項１に記載のボイラ。

【請求項3】

前記燃焼ガス流路の下面は、前記火炉の下面と設置高さが一致するように構成されている、
請求項２に記載のボイラ。

【請求項4】

前記ボイラは、前記伝熱部を支持するための鉄骨構造物をさらに備え、
前記ボイラは、固体燃料を用いるボイラであり、
前記燃焼ガス流路の前記燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、
前記燃焼ガス流路の下面位置と前記鉄骨構造物の基端位置との高さの差をΔＨ２としたときに、
ΔＨ２≦２Ｈの関係を満たす、
請求項１に記載のボイラ。

【請求項5】

前記伝熱部は、所定方向に延在し、前記複数の伝熱管の各々の一端部が接続された少なくとも一つの入口ヘッダと、前記所定方向に延在し、前記複数の伝熱管の各々の他端部が接続された少なくとも一つの出口ヘッダと、を含み、
前記出口ヘッダの長手方向における一方側の端部にのみ、蒸気出口となる出口連絡管を有する、
請求項１乃至４の何れか１項に記載のボイラ。

【請求項6】

火炉と、
前記火炉の内部側壁に設けられ、燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるバーナと、
前記火炉の内部側壁における前記バーナの下方に設けられた、前記火炉の内部を下降した前記燃焼ガスの前記火炉からの出口となる燃焼ガス排出口と、
前記燃焼ガス排出口に接続された、燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路と、
前記燃焼ガス流路に設けられた、前記燃焼ガスと熱交換し蒸気を生成又は昇温する複数の伝熱管を有する伝熱部と、を備え、
前記燃焼ガス流路は、グランドレベルに設置されており、
前記伝熱部は、所定方向に延在し、前記複数の伝熱管の各々の一端部が接続された少なくとも一つの入口ヘッダと、前記所定方向に延在し、前記複数の伝熱管の各々の他端部が接続された少なくとも一つの出口ヘッダと、を含み、
前記出口ヘッダの長手方向における一方側の端部にのみ、蒸気出口となる出口連絡管を有し、
前記少なくとも一つの出口ヘッダは、第１出口ヘッダと、前記第１出口ヘッダとは異なる第２出口ヘッダと、を含み、
前記複数の伝熱管は、前記第１出口ヘッダにその他端部が接続される第１伝熱管群と、前記第２出口ヘッダにその他端部が接続される第２伝熱管群と、を含む、
ボイラ。

【請求項7】

前記第１伝熱管群を構成する前記複数の伝熱管と、前記第２伝熱管群を構成する前記複数の伝熱管とは、前記所定方向に交互に配置されている、
請求項６に記載のボイラ。

【請求項8】

前記伝熱部は、前記複数の伝熱管と、前記少なくとも一つの入口ヘッダと、前記少なくとも一つの出口ヘッダと、がパッケージ化された少なくとも一つの伝熱モジュールを備え、
前記燃焼ガス流路には、前記伝熱モジュールを増設するための増設空間が形成されている、
請求項５乃至７の何れか１項に記載のボイラ。

【請求項9】

前記鉄骨構造物は、設置面上に設置された一対の柱部材と、前記燃焼ガス流路の前記上面よりも上方において前記一対の柱部材間に架設される梁部材と、を含み、
前記伝熱部は、吊り下げ部材を介して前記梁部材に支持されている
請求項２乃至４の何れか１項に記載のボイラ。

【請求項10】

請求項１乃至９の何れか１項に記載のボイラと、
前記ボイラで生成した蒸気が供給される蒸気負荷と、を備え、
前記燃焼ガス流路の前記燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、
前記燃焼ガス流路の下面位置と前記蒸気負荷の設置位置との高さの差をΔＨ３としたときに、
ΔＨ３≦２Ｈの関係を満たす、
発電プラント。

【請求項11】

請求項５乃至７の何れか１項に記載のボイラと、
前記ボイラで生成した蒸気により回転する少なくとも１つの蒸気タービンを含み、
前記蒸気タービンの回転軸は、前記出口ヘッダの長手方向に対して交差する方向に延在し、
前記出口ヘッダの前記長手方向に対して直交し、且つ、前記出口ヘッダの前記一方側の端部を通過する仮想線に対して、前記出口ヘッダの前記長手方向における他方側の端部が存在する側を一方側領域、前記一方側領域と反対側を他方側領域と定義した場合に、前記蒸気タービンは、前記他方側領域に設置されている、
発電プラント。

【請求項12】

前記発電プラントの前記蒸気負荷に供給される前記蒸気の温度は５６６℃以上である、
請求項１０に記載の発電プラント。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ボイラ、およびそのボイラを備えた発電プラントに関するものである。

【背景技術】

【0002】

火力発電プラントの発電効率は蒸気条件に大きく影響される。そのため、近年、発電効率の更なる向上を図るため、蒸気タービンに供給される過熱蒸気の温度を、例えば６００℃又はそれ以上に高めることが求められている。
一方で、こうした蒸気条件の高温化は、蒸気配管素材の選択にも大きな影響を与え、過熱蒸気の温度が向上するにつれ、それに耐えうる耐高圧・耐高温・耐高温腐食の高機能材料を用いた配管の使用量が増加する。その結果、高機能材料を用いた蒸気配管コストが火力発電プラントの建設コスト全体における大きな比重を占めるようになる。

【0003】

そのため、高機能材料を用いた蒸気配管コストを低減するための技術として、特許文献１には、地上建屋部と地中を掘り下げて形成した地中建屋部から構成されるボイラ建屋内を備える火力発電プラントが開示されている。

【0004】

従来の火力発電プラントの場合、例えば、縦型ボイラの高さは７０ｍを超え、タービン建屋の２倍以上の高さとなるため、縦型ボイラの上端にある蒸気配管接続口と、タービン側の主蒸気止め弁や組合せ再熱弁の間には大きな高低差が発生する。しかし、この火力発電プラントによれば、縦型ボイラの上端部における蒸気配管接続口の高さ位置が、隣接するタービン建屋における主蒸気止め弁や組合せ再熱弁の設置高さ位置と同じとなるように、縦型ボイラがボイラ建屋内に設置されるため、主蒸気配管や再熱蒸気配管の配管長の短縮が可能とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１０－４３５６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、実際に地中にボイラ建屋を形成するためには、地中を深く掘り下げることが必要となるため、高機能材料の使用量が低減できたとしても莫大な土建コストが掛かることとなり、火力発電プラント全体の建設コスト低減技術としての採用は難しい。

【0007】

本開示はこのような事情を鑑みてなされたものであり、高機能材料の使用量と、プラント全体としての建設コストの低減が可能となるボイラ、およびそれを備えた発電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】

【0008】

本開示の少なくとも一実施形態に係るボイラは、火炉と、火炉の内部側壁に設けられ、燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるバーナと、前記火炉の内部側壁における前記バーナの下方に設けられた、前記燃焼ガスの前記火炉からの出口となる燃焼ガス排出口と、前記燃焼ガス排出口に接続された、燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路に設けられた、前記燃焼ガスと熱交換し蒸気を生成又は昇温する複数の伝熱管を有する伝熱部と、を備え、前記燃焼ガス流路は、グランドレベルに設置されている。

【発明の効果】

【0009】

本開示のボイラ及びこれを備えた発電プラントによれば、高額な高機能材料の使用量と、プラント全体としての建設コストの低減が可能となるボイラ、およびそれを備えた発電プラントを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の一実施形態に係るボイラ及び発電プラントの一例を表す概略図であり、燃料として液体燃料又は気体燃料を用いるボイラ及び発電プラントの一例を表す図である。

【図2(a)】本開示の一実施形態に係るボイラ及びボイラの伝熱部を支える鉄骨構造の一例を表す概略図である。

【図2(b)】本開示の一実施形態に係るボイラ及びボイラの伝熱部を支える鉄骨構造の一例を表す概略図である。

【図2(c)】本開示の一実施形態に係るボイラ及びボイラの伝熱部を支える鉄骨構造の一例を表す概略図である。

【図3】本開示の一実施形態に係るボイラ及び発電プラントの一例を表す概略図であり、燃料として固体燃料を用いるボイラ及び発電プラントの一例を表す図である。

【図4】従来のボイラにおけるヘッダ構造を表す概略図である。

【図5】本開示の一実施形態に係るボイラの伝熱部（片側蒸気抜き出しタイプ）の一例を表す概略図である。

【図6】本開示の一実施形態に係るボイラの伝熱部（複数ヘッダ）の一例を表す概略図である。

【図7】本開示の一実施形態に係るボイラの伝熱部（複数ヘッダ交互接続タイプ）の一例を表す概略図である。

【図8】本開示の一実施形態に係るボイラ及び発電プラントの一例を表す概略図であり、蒸気タービン（蒸気負荷）の配置の一例を表す概略図である。

【図9】本開示の一実施形態に係るボイラ及び発電プラントの一例を表す概略図であり、蒸気タービン（蒸気負荷）の配置の一例を表す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図１から図９を参照し、本開示の一実施形態に係るボイラ及び発電プラントについて説明する。

【0012】

図１は、本開示の一実施形態に係るボイラ及び発電プラントの一例を表す概略図である。

【0013】

本実施形態の発電プラントＡは、火力発電プラントであり、図１に示すように、石油などの液体燃料、又はＬＮＧ（液化天然ガス）などの気体燃料を燃焼させて蒸気を生成するためのボイラＢと、ボイラＢで生成した蒸気が供給されて駆動する蒸気タービン（蒸気負荷）Ｃと、を備えて構成されている。

【0014】

本実施形態のボイラＢは、ボイラ火炉（火炉）１の上部の側壁またはコーナー部にバーナ本体２が設けられ、その下部に燃焼ガス排出口１ａが開口して設けられ、更に燃焼ガス排出口１ａに燃焼ガス流路３が連通して設けられている。すなわち、本実施形態のボイラＢは、ボイラ火炉１の内部側壁におけるバーナ（バーナ本体２）の下方に燃焼ガス排出口１ａ及び燃焼ガス流路３が設けられている。

【0015】

一方、押込通風機８によって送り込まれてきた燃焼用空気は、空気予熱器７において所定温度に昇温され、燃焼用空気ダクト９を経てバーナ本体２に送り込まれる。また、燃料は、図示されていない燃料供給設備からバーナ本体２に送り込まれ、バーナノズル２ａからボイラ火炉１の内部に噴射される。噴射された燃料は、図示されていない着火源によって着火し、燃焼用空気と拡散混合しつつ、ボイラ火炉１の内部を旋回燃焼しながら下降する。

【0016】

燃焼ガスは、ボイラ火炉１の下部側壁に設けられたボイラ火炉１の出口となる燃焼ガス排出口１ａから燃焼ガス流路３に排出され、伝熱部４（過熱器４ａ、再熱器４ｂ）、節炭器５、脱硝器６、空気予熱器７、電気集塵機１０を経て、誘引通風機１１により煙突１２から大気に放出される。
なお、燃焼ガス流路３を通過した燃焼ガスは、再度、ガス再循環ダクト１３上に設けられたガス再循環ファン１４を経て火炉へ導入してもよい。

【0017】

図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）は、本実施形態のボイラＢ、及びボイラＢの伝熱部４を支える鉄骨構造物１６の一例を表す概略図である。

【0018】

伝熱部４は、ボイラ火炉１の下部側壁に開口して設けられた燃焼ガス排出口１ａに接続される燃焼ガス流路３の内部に設けられている。

【0019】

ここで、伝熱部４は、密な状態で配置された多数の伝熱管１８で構成されるため、ボイラＢを構成する機器の中で特に重量の大きな機器となる。
通常（従来）、燃焼ガス流路３及び伝熱部４は、ボイラＢの高所に位置するため、その位置を吊り下げ部材１５で保持するボイラＢの外側に組まれた鉄骨構造物１６の高さも非常に高いものとなる。

【0020】

これに対し、本実施形態のボイラＢでは、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、燃焼ガス流路３がグランドレベル１７に設置される。また、本実施形態のボイラＢでは、燃焼ガス流路３の下面３ｂがボイラ火炉１の下面１ｂと設置高さが一致するように構成されている。

【0021】

ここで、本開示における「グランドレベル１７」は、ボイラＢを設置する位置（周囲の位置を含む）の地面（地表面）レベルあるいは床スラブの上面などを厳密に示すものではなく、ボイラＢを設置する部分の設置面３０付近の低所を意味する。

【0022】

例えば、液体燃料又は気体燃料を用いる本実施形態のボイラＢでは、図２（ｃ）（図２（ａ）,図２（ｂ））のように、燃焼ガス流路３の燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、燃焼ガス流路３の下面３ｂ位置（少なくとも一部の下面３ｂの位置）と鉄骨構造物１６の基端１６ａ位置との高さの差（絶対値）をΔＨ１としたときに、ΔＨ１≦１Ｈの関係を満たすように構成されている。
なお、燃焼ガス流路３の下面３ｂ位置（グランドレベル１７）は、鉄骨構造物１６の基端１６ａ位置（設置面３０）に対して上方にあっても下方にあってもよい。

【0023】

このように燃焼ガス流路３がグランドレベル１７の低所の高さ位置に設けられているため、伝熱部４を支えるための鉄骨構造物１６も高さの低いもので足りる。このため、鉄骨構造物１６に使用される鉄骨の量、および据付コストの大幅な低減が可能となる。

【0024】

また、図２（ｂ）や図２（ｃ）に示すように、ボイラ火炉１の下部に配置すべき機器がある場合は、それら機器のみを格納する空間を地中に設けてもよいし、それら機器をボイラ火炉１の下部に設置できる高さにグランドレベル１７を設定してもよい。いずれにせよ、燃焼ガス流路３は、ボイラ全体の高さに対しグランドレベル１７の低所に設置される。

【0025】

また、ボイラ火炉１の下部に配置すべき機器としては、例えば再循環ファン１４や配管などが挙げられる。

【0026】

一方、本実施形態の発電プラントＡは、図３に示すように、石炭やバイオマスなどの固体燃料を燃焼させて蒸気を生成するためのボイラＢと、ボイラＢで生成した蒸気が供給されて駆動する蒸気タービン（蒸気負荷）Ｃと、を備えて構成しても勿論構わない。

【0027】

石炭やバイオマスなどの固体燃料を燃焼させて蒸気を生成するためのボイラＢにおいては、例えば、ボイラ火炉１の下端側がホッパ状に形成され、ボイラ火炉１内で発生したアッシュをボイラ火炉１の下方に設置された炉底灰払い出し装置３２によって排出するように構成されている。

【0028】

このため、この図３のようなボイラＢでは、ボイラ火炉１の下部に配置すべき機器として、炉底灰払い出し装置３２などが挙げられ、且つ、燃焼ガス流路３の下面３ｂはボイラ火炉１のホッパの下面１ｂと設置高さが異なる。

【0029】

また、石炭やバイオマスなどの固体燃料を燃焼させて蒸気を生成するためのボイラＢでは、例えば、図３に示すように、燃焼ガス流路３の燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、燃焼ガス流路３の下面３ｂ位置と鉄骨構造物１６の基端１６ａ位置との高さの差（絶対値）をΔＨ２としたときに、ΔＨ２≦２Ｈの関係を満たすように構成されている。
なお、燃焼ガス流路３の下面３ｂ位置（グランドレベル１７）は、鉄骨構造物１６の基端１６ａ位置（設置面３０）に対して上方にあっても下方にあってもよい。

【0030】

これにより、燃焼ガス流路３がグランドレベル１７の低所の高さ位置に設けられ、伝熱部４を支えるための鉄骨構造物１６も高さの低いもので足りる。よって、鉄骨構造物１６に使用される鉄骨の量、および据付コストの大幅な低減が可能となる。

【0031】

次に、図４は、従来のボイラにおける伝熱部１００を表す概略図である。また、図５は本実施形態の伝熱部４（片側蒸気抜き出しタイプ）の一例を表す概略図である。

【0032】

この伝熱部４は、例えば、図１に示すボイラＢの燃焼ガス流路３に配置された過熱器４ａや再熱器４ｂなどである。

【0033】

図４に示すように、従来の伝熱部１００は、１つの入口ヘッダ１９と１つの出口ヘッダ２１とそれを結ぶ複数の伝熱管１８を備え、入口ヘッダ１９及び出口ヘッダ２１は、それぞれ、長手方向両端部に外部と連通する入口連絡管２０と出口連絡管２２を有する。

【0034】

入口ヘッダ１９、及び出口ヘッダ２１は、例えば、図４の紙面左右方向に一致する所定方向に延在する円筒形状の管状部材であり、低合金鋼、高合金鋼、ステンレス鋼等の金属製とされる。また、入口ヘッダ１９及び出口ヘッダ２１の流体流通方向における断面積は、通過する蒸気の流量に応じて設定される。
ちなみに、図４における「所定方向」は、紙面左右方向と、紙面の表裏面方向の前後方向と、のどちらの方向でもよい。

【0035】

伝熱管１８は、図４の紙面表裏方向に屈曲延在する管状部材であり、低合金鋼、高合金鋼、ステンレス鋼等の金属製とされる。伝熱管１８内には流体が流通する流路が形成されている。流通する流体は、例えば水や蒸気などであり、ここでは蒸気とする。複数の伝熱管１８は、所定方向に沿って互いに所定の間隔を空けて配列されている。図４では、６本の伝熱管１８が配列されているが、実際にはおよそ１００本～１０００本の伝熱管１８が配列されていてもよい。

【0036】

なお、蒸気（流体）は、入口連絡管２０を介して入口ヘッダ１９内に流入し、各伝熱管１８に流入する。各伝熱管１８内部を流通する蒸気は、伝熱管１８の周囲を流通する燃焼ガスと熱交換が行われることで加熱されて温度が上昇する。加熱された蒸気は、伝熱管１８から出口ヘッダ２１内に流入して集約される。集約された蒸気は、出口ヘッダ２１に設けられたそれぞれの出口連絡管２２から取り出される。

【0037】

一方で、本開示の一実施形態である図５の伝熱部４における出口ヘッダ２１は、長手方向の片側端部にのみ外部と連通する出口連絡管２２を有する。このように構成することで、図４に示した構成と比べ、出口ヘッダ２１に接続される配管が１本となる。その配管が蒸気条件の厳しい主蒸気配管である場合、高機能材料が用いられるため、出口ヘッダ２１と蒸気タービンＣの距離が離れているプラントほど、配管本数、つまり配管長短縮によるコストダウンの効果は大きいものとなる。

【0038】

また、図４のように出口ヘッダ２１の両端に配管を接続する場合よりもプラント内での配管の取り回しが容易となり、また組み付け時の作業性も向上する。なお、入口ヘッダ１９の入口連絡管２０は、出口連絡管２２と所定方向の同一側に設けられることが好ましい。

【0039】

図６は、本開示の一実施形態の他の伝熱部４（複数ヘッダタイプ）の構成を表す概略図である。

【0040】

図５に示す伝熱部４と同様、入口ヘッダ１９と出口ヘッダ２１を連通する複数の伝熱管１８を有する点は同じだが、図６に示す伝熱部４における出口ヘッダ２１は、所定方向に、第１出口ヘッダ２１ａと、第２出口ヘッダ２１ｂを備える。

【0041】

また、第１出口ヘッダ２１ａは、長手方向片側端部に第１出口連絡管２２ａを有し、第２出口ヘッダ２１ｂは、長手方向片側端部に第２出口連絡管２２ｂを有する点が異なる。さらに、第１出口連絡管２２ａと第２出口連絡管２２ｂは、所定方向において同一側に設けられている。複数の伝熱管１８は、第１伝熱管群１８Ａと第２伝熱管群１８Ｂを含んでいる。そして、第１出口ヘッダ２１ａには第１伝熱管群１８Ａの複数の伝熱管１８の各々の他端部が接続され、第２出口ヘッダ２１ｂには第２伝熱管群１８Ｂの複数の伝熱管１８の各々の他端部が接続されている。

【0042】

扱う蒸気量の大きな大規模プラントにおいては、蒸気条件に応じ出口ヘッダ２１も大口径かつ高温・高圧対応のものが要求されるが、製造工場の製造能力によっては、製造が困難である場合がある。そのような場合でも、本実施形態のように出口ヘッダ２１を分割して複数設けることで、各出口ヘッダ２１に接続される伝熱管１８の本数が低減できるため、１つあたりの扱う蒸気量が減り、口径の拡大を抑えることができる。

【0043】

また、第１出口連絡管２２ａと第２出口連絡管２２ｂが所定方向において同一側に設けられているため、蒸気タービン（蒸気負荷）Ｃに接続される配管長の短縮が可能となる。さらに、組み付け時の作業性も向上する。なお、本実施例では、第１出口連絡管２２ａと第２出口連絡管２２ｂは所定方向において同一側に設けているが、逆方向を向いていてもよい。

【0044】

図７は、本開示の一実施形態の他の伝熱部４（複数ヘッダ交互接続タイプ）の構成を表す概略図である。

【0045】

図７に示すように、この伝熱部４では、第１伝熱管群１８Ａの複数の伝熱管１８の一端部、及び第２伝熱管群１８Ｂの複数の伝熱管１８の一端部がそれぞれ、所定方向に延在する入口ヘッダ１９に接続されている。一方で、第１伝熱管群１８Ａ及び第２伝熱管群１８Ｂの複数の伝熱管１８の他端部は、所定方向に沿って、第１出口ヘッダ２１ａと第２出口ヘッダ２１ｂに対して交互に接続されている。詳細には、図７における左側の伝熱管１８から順に、第１出口ヘッダ２１ａ、第２出口ヘッダ２１ｂ、第１出口ヘッダ２１ａ、第２出口ヘッダ２１ｂ・・・のように交互に接続されている。

【0046】

なお、例えば、出口ヘッダ２１が３つの出口ヘッダ（第１出口ヘッダ（２１ａ）と、第１出口ヘッダ（２１ａ）とは異なる第２出口ヘッダ（２１ｂ，・・・））、つまり、第１出口ヘッダ２１ａ、第２出口ヘッダ２１ｂ、図示しない第３出口ヘッダで構成される場合は、第１出口ヘッダ２１ａ、第２出口ヘッダ２１ｂ、第３出口ヘッダ・・・の順で交互に接続される。また、例えば第１出口ヘッダ２１ａ、第３出口ヘッダ、第２出口ヘッダ２１ｂ・・・と交互に接続してもよい。

【0047】

そして、このように構成すると、例えば所定方向において、流通する燃焼ガスの流速や温度が偏って不均一である場合（例えば、高温側領域と低温側領域の２領域に分かれているような場合）であっても、交互に接続することで、各温度側領域に配置された伝熱管１８から各出口ヘッダ２１内へ流れる総熱量が略均等となるように蒸気を集約できる。

【0048】

次に、図８は、本開示の一実施形態の蒸気負荷である蒸気タービンＣの配置図、及び発電プラントＡを示す図である。

【0049】

本実施形態において、蒸気タービンＣは、回転軸２４が出口ヘッダ２１の長手方向に対し直交する向きに延在し、ボイラの出口連絡管２２側に設置されている。

【0050】

言い換えれば、本実施形態において、蒸気タービンＣの回転軸２４は、出口ヘッダ２１の長手方向に対して交差する方向に延在して設けられている。また、出口ヘッダ２１の長手方向に対して直交するとともに出口ヘッダ２１の一方側の端部を通過する仮想線Ｓに対して、出口ヘッダ２１の長手方向における他方側の端部が存在する側を一方側領域Ｒ１、一方側領域Ｒ１と反対側を他方側領域Ｒ２と定義した場合に、蒸気タービンＣは、他方側領域Ｒ２に設置されている。

【0051】

さらに、本実施形態では、図９に示すように、燃焼ガス流路３の燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、燃焼ガス流路３の下面３ｂの位置と蒸気タービンＣの設置位置３１との高さの差（絶対値）をΔＨ３としたときに、ΔＨ３≦２Ｈの関係を満たすように構成されている。
なお、燃焼ガス流路３の下面３ｂ位置（グランドレベル１７）は、蒸気タービンＣの設置位置３１に対して上方にあっても下方にあってもよい。また、本開示において、燃焼ガス流路３の下面３ｂ位置が蒸気タービンＣの設置位置３１に対して上方の場合は蒸気タービンＣの設置位置３１はその上端、燃焼ガス流路３の下面３ｂ位置が蒸気タービンＣの設置位置３１に対して下方の場合は蒸気タービンＣの設置位置３１はその下端となる。

【0052】

このように配置することで、出口ヘッダ２１の長手方向片側端部に設けられた出口連絡管２２と蒸気タービンＣの間の距離を抑えられるため、蒸気配管の長さを短縮することができる。

【0053】

また、本実施例における火力発電プラントなどの発電プラントＡの蒸気条件は５６６℃以上、好ましくは６００℃以上とされ、このような場合、主蒸気配管等に高価な高機能材料を使うことになるため、配管長の短縮によるコスト削減効果は非常に大きいものとなる。
なお、高効率微粉炭火力発電技術（ＵＳＣ）分野において、主蒸気温度を５６６℃以上（再熱蒸気温度５９３℃以上）で、優れた送電端効率、ＣＯ_２削減性能が得られることが確認されている。

【0054】

また、伝熱部４は、複数の伝熱管１８と入口ヘッダ１９と出口ヘッダ２１がパッケージ化された伝熱モジュール（過熱器４ａ，再熱器４ｂ）を備えて構成され、図１に示すように、燃焼ガス流路３には、伝熱モジュールを増設するための増設空間３ａが設けられていてもよい。

【0055】

このように増設空間３ａを設けることで、建設後のボイラにおいて、要求仕様に変更が生じた場合であっても、容易に伝熱モジュールを追加することが可能となるため、改造コストの低減が可能となる。

【0056】

以上、本開示のボイラ及び発電プラントの一実施形態について説明したが、発明に係るボイラ及び発電プラントは、上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

【0057】

例えば、本実施形態では、蒸気負荷が蒸気タービンＣであるものとして説明を行ったが必ずしも蒸気タービンＣに限定しなくてもよい。例えば、蓄熱設備・加熱設備・蒸留設備・乾燥設備・殺菌設備などの蒸気負荷であってもよい。

【0058】

また、伝熱部４は、必ずしも本実施形態の構成に限定しなくてもよく、公知の伝熱部の構成を適用しても構わない。

【0059】

最後に、実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

【0060】

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係るボイラ（ボイラＢ）は、火炉（ボイラ火炉１）と、火炉の内部側壁に設けられ、燃料を燃焼し燃焼ガスを発生させるバーナ（バーナ本体２）と、火炉の内部側壁におけるバーナの下方に設けられた、燃焼ガスの火炉からの出口となる燃焼ガス排出口（燃焼ガス排出口１ａ）と、燃焼ガス排出口に接続された、燃焼ガスが通過する燃焼ガス流路（燃焼ガス流路３）、燃焼ガス流路に設けられた、燃焼ガスと熱交換し蒸気を生成又は昇温する複数の伝熱管（伝熱管１８）を有する伝熱部（伝熱部４）と、を備え、燃焼ガス流路は、グランドレベル（グランドレベル１７）に設置されている。

【0061】

上記（１）のボイラによれば、火炉の内部側壁における前記バーナの下方に設けられた燃焼ガス排出口に接続され、ボイラを構成する機器の中でも特に重量の大きな伝熱部を内部に有する燃焼ガス流路が、一般的に設置される高所ではなく、グランドレベルの低所に設置されるため、伝熱部を支えるために使用される鉄骨（柱部材と梁部材（トップビームなど））や耐高圧・耐高温・耐高温腐食の高機能材料（高機能性配管など）の量、及び据付コストの大幅な低減が可能となる。

【0062】

また、グランドレベルの低所に設置されることで、伝熱面の点検・保守作業が安全かつ容易になるとともに、作業前に組み上げる足場の削減が可能となり、建設後のプラント運用コストの低減にもつながる。

【0063】

なお、上記（１）における「グランドレベル」は、ボイラを設置する位置（周囲の位置を含む）の地表面（あるいは床スラブの上面など）を厳密に示すものではなく、ボイラを設置する部分の設置面付近の低所を意味する。

【0064】

（２）本開示の別の実施形態に係るボイラは、上記（１）のボイラであって、ボイラは、伝熱部を支持するための鉄骨構造物（鉄骨構造物１６）をさらに備え、燃料が液体燃料又は気体燃料である場合において、燃焼ガス流路の燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、燃焼ガス流路の下面（下面３ｂ）位置と鉄骨構造物の基端（１６ａ）基端位置との高さの差をΔＨ１としたときに、ΔＨ１≦１Ｈの関係を満たす。

【0065】

上記（２）のボイラによれば、石油などの液体燃料、又はＬＮＧ（液化天然ガス）などの気体燃料を用いるボイラにおいて、ΔＨ１≦１Ｈの関係を満たすようにグランドレベルが設定されていることにより、上記（１）の作用効果を好適に得ることが可能になる。

【0066】

（３）本開示の別の実施形態に係るボイラは、上記（２）のボイラであって、燃焼ガス流路の下面は、火炉の下面（下面１ｂ）と設置高さが一致するように構成されている。

【0067】

上記（３）のボイラによれば、燃焼ガス流路の下面が火炉の下面と設置高さが一致するため、台座（ボトムサポート）の構築が容易となる。

【0068】

（４）本開示の別の実施形態に係るボイラは、上記（１）のボイラであって、ボイラは、伝熱部を支持するための鉄骨構造物をさらに備え、燃料が固体燃料である場合において、燃焼ガス流路の燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、燃焼ガス流路の下面位置と鉄骨構造物の基端位置との高さの差をΔＨ２としたときに、ΔＨ２≦２Ｈの関係を満たす。

【0069】

上記（４）のボイラによれば、石炭やバイオマスなどの固体燃料を用いるボイラでは、火炉で発生したアッシュを回収して除去するための構成が必要になるが、ΔＨ２≦２Ｈの関係を満たすようにグランドレベルが設定されていることにより、上記（１）の作用効果を好適に得ることが可能になる。

【0070】

（５）本開示の別の実施形態に係るボイラは、上記（１）乃至（４）の何れかのボイラであって、伝熱部は、所定方向に延在し、複数の伝熱管の各々の一端部が接続された少なくとも一つの入口ヘッダ（入口ヘッダ１９）と、所定方向に延在し、複数の伝熱管の各々の他端部が接続された少なくとも一つの出口ヘッダ（出口ヘッダ２１、２１ａ、２１ｂ）と、を含み、出口ヘッダの長手方向における一方側の端部にのみ、蒸気出口となる出口連絡管（出口連絡管２２、２２ａ、２２ｂ）を有する。

【0071】

上記（５）のボイラによれば、通常は高所に設置される伝熱部が低所に設置されるため、出口ヘッダの出口連絡管と、蒸気タービンなどの蒸気負荷と、を接続する蒸気配管の長さを大幅に短縮することができる。また、一般的には、出口ヘッダの長手方向両端部に出口連絡管を有する構成が採用されているが、その構成と比べ、一端部から１本の管で蒸気を抜くこととなるため、蒸気配管の長さをさらに短縮することができる。特に主蒸気配管は蒸気条件が非常に厳しい配管であり、高機能材料が用いられるため、出口ヘッダと蒸気タービンの距離が離れているプラントほど、配管長短縮による大きなコストダウン効果を得ることができる。また、配管本数が減ることにより、プラント内での配管の取り回しが容易となり、また組み付け時の作業性の向上にもつながる。

【0072】

（６）本開示の別の実施形態に係るボイラは、上記（５）のボイラであって、少なくとも一つの出口ヘッダは、第１出口ヘッダ（第１出口ヘッダ２１ａ）と、第１出口ヘッダとは異なる第２出口ヘッダ（第２出口ヘッダ２１ｂ,・・・）と、を含み、複数の伝熱管は、第１出口ヘッダにその他端部が接続される第１伝熱管群（１８Ａ）と、第２出口ヘッダにその他端部が接続される第２伝熱管群（１８Ｂ）と、を含む。

【0073】

上記（６）のボイラによれば、伝熱部は、第１出口ヘッダと第２出口ヘッダの複数の出口ヘッダを有し、複数の伝熱管は、第１出口ヘッダに他端部を接続して設けられる第１伝熱管群と、第２出口ヘッダに他端部を接続して設けられる第２伝熱管群と、にグループ分けされる。

【0074】

このように構成したことで、例えば、大口径かつ高温・高圧対応の出口ヘッダの製造能力が不足するような場合に、入口ヘッダの延在する方向（所定方向）に並べて配置された複数の伝熱管が、２つ以上のグループに分けられて、グループごとに異なる出口ヘッダに接続されることで、１つの出口ヘッダの扱う蒸気量を減らすことができる。これにより、出口ヘッダの口径拡大を抑えることができ、大規模なプラントであっても、配管長短縮のコストダウン効果を得ることが可能となる。

【0075】

（７）本開示の別の実施形態に係るボイラは、上記（６）のボイラであって、第１伝熱管群を構成する複数の伝熱管と、第２伝熱管群を構成する前記複数の伝熱管とは、所定方向に交互に配置されている。

【0076】

上記（７）のボイラによれば、伝熱部の設けられた燃焼ガス流路内において、流通するガスの流速や温度が所定方向において偏りが生じているような場合であっても、第１伝熱管群の伝熱管と、第２伝熱管群の伝熱管とが交互に配置されていることで、第１出口ヘッダと第２出口ヘッダのそれぞれのヘッダ内の蒸気の温度は略均一化されるため、各出口ヘッダの下流側機器においても出口ヘッダの違いに起因する温度不均一を抑制することができる。

【0077】

（８）本開示の別の実施形態に係るボイラは、上記（１）乃至（７）の何れかのボイラであって、伝熱部は、複数の伝熱管と、少なくとも一つの入口ヘッダと、少なくとも一つの出口ヘッダと、がパッケージ化された少なくとも一つの伝熱モジュール（伝熱モジュール，過熱器４ａ，再熱器４ｂ）を備え、燃焼ガス流路には、伝熱モジュールを増設するための増設空間（増設空間３ａ）が形成されている。

【0078】

上記（８）のボイラによれば、建設後のボイラにおいて要求仕様に変更が生じた場合であっても、容易に伝熱モジュールを追加することが可能となるため、改造コストの低減が可能となる。

【0079】

（９）本開示の一実施形態に係る発電プラントは、上記（１）乃至（８）の何れかのボイラと、ボイラで生成した蒸気が供給される蒸気負荷（蒸気タービンＣ）と、を備え、燃焼ガス流路の燃焼ガスが通過する最大流路高さをＨ、燃焼ガス流路の下面位置と蒸気負荷の設置位置（設置位置３１）との高さの差をΔＨ３としたときに、ΔＨ３≦２Ｈの関係を満たす。

【0080】

上記（９）の発電プラントによれば、上記（１）乃至（８）の何れかのボイラの作用効果を得ることができる。
さらに、燃焼ガス流路の下面位置と蒸気タービンなどの蒸気負荷の設置位置との高さの差ΔＨ３がΔＨ３≦２Ｈの関係を満たすように構成されていることで、伝熱部の出口ヘッダの出口連絡管と、蒸気タービンなどの蒸気負荷と、を接続する蒸気配管の長さを大幅に短縮することができる。
また、特に主蒸気配管は蒸気条件が非常に厳しい配管であり、高機能材料が用いられるため、配管長短縮による大きなコストダウン効果を得ることができる。さらに、配管本数も減らすこともでき、プラント内での配管の取り回しが容易となり、また組み付け時の作業性の向上にもつながる。

【0081】

（１０）本開示の一実施形態に係る発電プラントは、上記（５）乃至（７）の何れかのボイラと、ボイラで生成した蒸気により回転する少なくとも１つの蒸気タービン（蒸気タービンＣ）を含み、蒸気タービンの回転軸（回転軸２４）は、出口ヘッダの長手方向に対して交差する方向に延在し、出口ヘッダの長手方向に対して直交するとともに出口ヘッダの一方側の端部を通過する仮想線（仮想線Ｓ）に対して、出口ヘッダの長手方向における他方側の端部が存在する側を一方側領域（一方側領域Ｒ１）、一方側領域と反対側を他方側領域（他方側領域Ｒ２）と定義した場合に、蒸気タービンは、他方側領域に設置されている。

【0082】

上記（１０）の発電プラントによれば、蒸気タービンが前記他方側領域に設置されていることにより、出口ヘッダの長手方向片側端部に設けられた出口連絡管と蒸気タービンの間の距離を抑えられるため、蒸気配管の長さを短縮することができる。

【0083】

（１１）本開示の一実施形態に係る発電プラントは、上記（９）又は（１０）の発電プラントであって、発電プラントの蒸気条件は５６６℃以上である。

【0084】

上記（１１）の発電プラントによれば、蒸気条件が主蒸気配管等に高機能材料を使うことになる５６６℃以上の高温条件であるため、配管長の短縮による発電プラント全体のコスト削減効果はより大きなものとなる。

【産業上の利用可能性】

【0085】

本開示のボイラや発電プラントは、石炭火力発電所などに広く適用することができる。

【符号の説明】

【0086】

１ ボイラ火炉（火炉）
１ａ 燃焼ガス排出口
１ｂ 火炉の下面
２ バーナ本体（バーナ）
２ａ バーナノズル
３ 燃焼ガス流路
３ａ 増設空間
３ｂ 燃焼ガス流路の下面
４ 伝熱部
４ａ 過熱器（伝熱モジュール）
４ｂ 再熱器（伝熱モジュール）
５ 節炭器
６ 脱硝器
７ 空気予熱器
８ 押込通風機
９ 燃焼用空気ダクト
１０ 電気集塵機
１１ 誘引通風機
１２ 煙突
１３ ガス再循環ダクト
１４ ガス再循環ファン
１５ 吊り下げ部材
１６ 鉄骨構造物
１６ａ 基端
１７ グランドレベル
１８ 伝熱管
１８Ａ 第１伝熱管群
１８Ｂ 第２伝熱管群
１９ 入口ヘッダ
２０ 入口連絡管
２１ 出口ヘッダ
２１ａ 第１出口ヘッダ
２１ｂ 第２出口ヘッダ
２２ 出口連絡管
２２ａ 第１出口連絡管
２２ｂ 第２出口連絡管
２４ 回転軸
３０ 設置面
３１ 蒸気負荷の設置位置
３２ 炉底灰払い出し装置
Ａ 発電プラント
Ｂ ボイラ
Ｃ 蒸気タービン（蒸気負荷）
Ｒ１ 一方側領域
Ｒ２ 他方側領域
Ｓ 仮想線

【図1】

【図2(a)】

【図2(b)】

【図2(c)】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】