JP2007271259A

JP2007271259A - 蒸気発生器

Info

Publication number: JP2007271259A
Application number: JP2007088414A
Authority: JP
Inventors: Christoph Ruchti; クリストフ・ルフティ
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2007-10-18
Also published as: CN101046289B; EP1927809A2; CN101046289A; US20070227469A1; US7958853B2

Abstract

【課題】一方では製造にかかる手間を大きく軽減し、製造コストの低減を図ることができ、他方ではコンパクト化を図ってガスタービンのできる限り近傍且つ操作用の足場のできる限り下方に設置することができる蒸気発生器を提供すること。
【解決手段】耐圧ケーシングを円筒状、且つ、その軸中心線から等距離の直径を持って形成し、前記耐圧ケーシングを、該耐圧ケーシングの直径より長い長さをもって前記軸中心線に沿って構成し、管路を、少なくとも２つの、互いに平行に延設されるとともにこの延設方向に対して垂直に互い違いに積み重ねられ、且つ端部で互いに連結された管路部分を備えた構成とし、前記管路の流出部を流入部の垂直方向上方に設け、流入用開口部を前記耐圧ケーシングの上方に設けて、高温流体を、前記管路部分を横切って上方から下方へ流通させた。
【選択図】図２

Description

本発明は、一定容積を有する耐圧ケーシングと、該耐圧ケーシング内に、その空間内でシールされて延設された少なくとも１本の管路と、該管路の一端に接続され、シールされつつ耐圧ケーシングに貫設された流入部と、前記管路の他端に接続され、シールされつつ耐圧ケーシングに貫設された流出部と、前記管路と熱交換を行う高温流体を前記耐圧ケーシング内へと流入させるための、少なくとも１つの流入用開口部と、前記高温流体を前記耐圧ケーシングから流出させるための、少なくとも１つの流出用開口部とから成る蒸気発生器に関する。

上記のような蒸気発生器は特に複合ガスタービン或いは複合蒸気タービンにおける熱的な接触を行うものである。又、ガスタービンの圧縮機から排出される高温の気体は、蒸気発生器システムに供給され、ここで冷却された後、ガスタービンの冷却のために当該ガスタービンに再び供給される。

この蒸気発生器は、排熱回収ボイラのエコノマイザからの水を回収するとともに、ここで発生した蒸気を排熱回収ボイラの過熱器に供給する。そして、この蒸気は蒸気タービンに供給されて減圧される。

又、蒸気発生器システムは、特にエネルギーを発生させる目的でできるだけ柔軟に組み込まれ、そのいわゆるワンススルー冷却器（Once Through Cooler, OTC）については後述する。

いわゆるワンススルー冷却器システムは、高さが高い円筒状の耐圧ケーシングを備えており、その高さはガスタービンの高さを越えるものである。このようなワンススルー冷却器は、穿孔された支持板によって径方向に互いにあまり間隔を置かずに固定されつつ当該冷却器の長手軸方向に螺旋状に形成された水管を備えている。

そして、このような冷却器は図２に示されており、この図２には、ここでは図示していない円筒状の耐圧ケーシング内に設ける管路設備が示されている。この図２に示された管路設備は、水平に設けられるとともに、図示しない耐圧ケーシング内で垂直に直立して設けられている。尚、図２にける右側は実際には上側に相当する。

又、図２に示す螺旋状に重ねられた管路１は、基本的に軸中心線Ｚを中心としてその径方向に互いに高い密度に巻かれて形成されている。そして、この管路１の固定及び相互間隔保持のために軸中心線Ｚから径方向に延設された支持板２が用いられ、この支持板２には各管路１が貫通する多数の孔が設けてある。この図２に示したような組み付けには当然非常に多大な時間及びコストがかかる。

ところで、図２において蒸気を発生させるために、水は管路１内を図の左側から右側に向かって流通するのに対し、図示していないガスタービンからの高温気体はその逆、即ち図の右側から左側へ向かって流通する。このようにすることで、下側、即ち図中左側から流入する水を効果的に熱し、右側に達するまでに蒸気化することができる。

ここで、全ての管路１は蒸気発生器の上部、即ち図２における右側で蒸気回収器Ｄに開口しており、用途に応じて更に案内される。

尚、図２に示す蒸気発生器は、複合ガスタービン装置において蒸気タービンを駆動するために使用され、これによって電気エネルギーに変換される。

上述したように、このような蒸気発生器を製造するのにコストがかかるが、その上、その垂直方向の高さにより構造的な問題が生じてしまう。特に、蒸気発生器に高温気体を供給するガスタービンの近傍には上記のような蒸気発生器を設けることができない。

即ち、蒸気発生器をガスタービンから比較的大きな間隔をおいて設置しなければならず、高温気体を蒸気発生器の所定の流入箇所へ供給するための長い接続管路が必要となってしまう。そして、このような長い接続管路とすることにより熱損失及び圧力損失が大きくなり、結果的に蒸気発生効率が相当に損なわれてしまう。
独国特許出願公開第９６２１６９号明細書独国特許出願公開第４０３８８１３号明細書

そこで、本発明の目的とする処は、一定容積を有する耐圧ケーシングと、該耐圧ケーシング内に、その空間内でシールされて延設された少なくとも１本の管路と、該管路の一端に接続され、シールされつつ耐圧ケーシングに貫設された流入部と、前記管路の他端に接続され、シールされつつ耐圧ケーシングに貫設された流出部と、前記管路と熱交換を行う高温流体を前記耐圧ケーシング内へと流入させるための、少なくとも１つの流入用開口部と、前記高温流体を前記耐圧ケーシングから流出させるための、少なくとも１つの流出用開口部とから成る蒸気発生器であって、一方では製造にかかる手間を大きく軽減し、製造コストの低減を図ることができ、他方ではコンパクト化を図ってガスタービンのできる限り近傍且つ操作用の足場のできる限り下方に設置することができる蒸気発生器を提供することにある。

上記の結果、熱交換のためにガスタービンと蒸気発生器を接続する管路をできる限り短縮させることができ、小さな圧力損失に抑えることができる。従って、複合発電プラント全体の効率を改善することができる。

上記目的は請求項１記載の発明により解決され、好ましい実施の形態は従属請求項に記載されている。この好ましい実施の形態については後述する。

本発明によれば、請求項１の前提部分に記載した構成を有する蒸気発生器において、耐圧ケーシングを円筒状、且つ、その軸中心線から等距離の直径を持って形成したことを特徴としている。

又、公知である従来の構造を有する耐圧ケーシングとは違って、本発明によれば、耐圧ケーシングを水平に配置している。即ち、前記耐圧ケーシングを、該耐圧ケーシングの直径より長い長さをもってその軸中心線に沿って構成している。このような、本発明による耐圧ケーシングの水平配置により蒸気発生器の高さを低くすることができるとともに、ガスタービンと耐圧ケーシングとの相対的な配置において新規なバリエーションを提供することができる。

更に、耐圧ケーシング内において、管路を、少なくとも２つの、互いに平行に延設されつつこの延設方向に対して垂直に互い違いに積み重ねられ、且つ端部で互いに連結された直線部分を備えた構成としており、このように構成することによって耐圧ケーシング内で管路を密に設けることができる。

従って、耐圧ケーシング内で、上記管路を流通する蒸気化すべき液体、特に水にガスタービンの圧縮機からの高温空気を作用させて、効率的に蒸気化すべき液体、特に水を熱することができる。

そして、互いに積み重ねられて平行に延びるとともに波状に互いに連結された、管路の直線部分は耐圧ケーシングの下方に流入箇所、上方に流出箇所を備えており、この流入箇所から例えば水が流入し、この水は、管路を流通しつつ上昇して流出箇所から流出する。これら流入箇所及び流出箇所はそれぞれシールされて耐圧ケーシングから突出した流入部及び流出部に接続されている。

従って、蒸気化すべき液体を耐圧ケーシングの外部から導入して熱した後、管路において発生した蒸気を他の技術的な用途に使用することができる。

尚、前記流出部は、前記流入部の垂直方向上方に設けられている。

更に、耐圧ケーシング上方には、ガスタービンの圧縮機からの高温流体、例えば高温空気を当該耐圧ケーシング内へ導入するための流入用開口部が形成されている。この流入用開口部から流入した高温流体は、管路の長手方向に対して垂直に上方から下方へと流通する。即ち、この高温流体と管路内を流通する液体とは耐圧ケーシングの垂直方向に関して互いに逆に流通する。

従って、従来通り、蒸発させるべき液体と高温流体が互いに逆方向に流通するというコンセプトは本発明においても維持されている。

而して、本発明による蒸気発生器の他の特徴は、各管路の直線部分を耐圧ケーシング内に高い密度で配設し、管路が耐圧ケーシングの空間内で高い割合を占めていることにある。

又、耐圧ケーシング内に導入される高温流体は、管路の直線部分の延長方向に対して垂直に１回のみ流通し、当該管路、更に管路内部を流通する液体に効率的に伝熱する。即ち、本発明による蒸気発生器もワンススルー冷却器のコンセプトに対応するものである。

更に、高温流体と管路との間での熱交換効率を改善するために、少なくとも１本の管路をフィン付きの管路で構成すると好ましい。即ち、管路の表面積を拡大させて高温流体と管路との間での熱交換効率を改善することができる。

ところで、本発明の１つの実施の形態においては、少なくとも１つの高温流体の流出用開口部を耐圧ケーシングの下方に設置し、流入用開口部をそれと対向する耐圧ケーシング上方に設置して高温流体が耐圧ケーシング内で一方向にのみ流通するようにしている。この場合、耐圧ケーシングから流出した高温流体を更に案内できるよう、耐圧ケーシング下方に十分な空間が必要となる。

又、この実施の形態に対する他の実施の形態として、流入用開口部及び流出用開口部を耐圧ケーシング上方に設けて、高温流体を耐圧ケーシング外部で案内する管路を耐圧ケーシング上方に統合することができるとともに、耐圧ケーシング下方の大きな空間は不要となる。

このような実施の形態においては、上方から流入する高温流体を適当な手段によって再び上方へ逆流させる必要があり、この際、更に、上方からの高温流体の流通を妨害しないようにさせる必要がある。尚、このような実施の形態における構成は後述する。

本発明によれば、耐圧ケーシングを水平に配置することによって低い高さの蒸気発生器が得られる以外にも、特に管路設備の組付が極めて単純化されるとともに、組付にかかる時間及び組付工程を格段に減少させることができる。

そして、多数の各管路を統合させて耐圧ケーシング内に設けられる管路設備を、モジュール式に容易に組み合わせることができる。

又、本発明によれば、各管路が、波状に互いに積み重ねられ、且つ平行に延設された直線部分を有しており、更に、各管路が円形断面を有していることから、これらを互い違いに密に組み合わせることができる。

尚、管路の直線部分の積み重ねられた高さは耐圧ケーシングの容量に適合するように合わせられている。

又、後述する実施の形態にも示すように、簡単な工程によって多数の管路から成る管路設備を耐圧ケーシング外で組立て、これを一体的な構成要素として耐圧ケーシング内に設けることができる。そして、この予め耐圧ケーシング外で組み立てられた管路設備を、耐圧ケーシングの内壁に固定された取付レール上に管路の直線部分の一部を載設することにより固定することができる。

そして、上記のように構成すれば、各流入部及び流出部に液体が漏れないようにシールするだけで足りる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は円筒状に形成された耐圧ケーシング３の長手方向断面図を示しており、この耐圧ケーシング３は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように円形断面を有している。ここで、図１Ａ及び図１Ｂはそれぞれ図１におけるＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線に沿った断面を示している。

円筒状の耐圧ケーシング３の内部空間４内には、図１に概略を示すように多数の管路１の直線部分１’を積み重ねて構成された管路設備５が配設されており、個々の管路１は、その直線部分１’が互いに平行となるよう垂直方向に積み重ねるようにして波状に蛇行して形成されている。

そして、耐圧ケーシング３の内部空間４の下方に位置する供給用開口部６から蒸発させるべき液体（特に水）を管路１に供給し、この液体が管路１を通った後、排出用開口部７から外部へ排出される。

即ち、上述のように、多数の管路１がそれぞれ互い違いに重ねて耐圧ケーシング３内に設けられており、個々の配管１の供給用開口部６が共通の流入部８に開口していることにより全ての管路１に水が供給される。そして、全ての管路１の排出用開口部７も同様にして、図１に示すように流入部８の上方に位置する共通の流出部９に開口している。尚、流入部８及び流出部９は共にシールされて外部に通じている。

次に、多数の管路１が互いに調和して構成されている管路設備５について説明すると、図１Ｂに示すように、管路１は互い違いに重ねて設けられているため、各管路１間の間隔が小さくされ、管路１が密に設けられている。又、図１Ａに示すように、各管路１それぞれの固定、及び管路設備５の容易な取り付けがなされるよう、ディスク状或いは突起状の多数の取付手段１１から成る枠組構造部材１０が用いられる。

ここで、前記取付手段１１は各管路部分１’の外縁に適合する溝１２を備えており、各管路１を、この溝１２によって予め定められた互い違いの位置に設けることができる。又、各管路１の取り付けは、隣接する２つの取付手段１１間にサンドイッチ状に嵌め込むことによって行われる。即ち、各管路１の取り付けは、耐圧ケーシング３の内部で層状に行われる。

又、図１に示すように、各取付手段１１から成る枠組構造部材１０は、５箇所に設けられた固定部材１２によって耐圧ケーシング３に固定され、管路設備５を耐圧ケーシング３の内部空間４の断面中心に保持している。

ところで、耐圧ケーシング３の上部には高温流体（特にガスタービンからの排気）を耐圧ケーシング３の内部空間４へ流入させるための４つの流入用開口部１３が設けられている。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、流入用開口部１３の下流側には高温流体の案内手段１４が接続されており、この案内手段１４により管路設備５が占める空間を上方から下方へと１回だけ貫流する。

そして、耐圧ケーシング３の内縁が円形状であるため、貫流し終わった流体は、図１Ｂに矢印で示すように耐圧ケーシング３の壁面部分に沿って再度上方へと案内され、流出用開口部１５（図１参照）から外部へ流出する。

図１〜図１Ｂに示した蒸気発生器の上記構成は、高温流体の流入及び流出を耐圧ケーシング３の上部で行っており、当該蒸気発生器の構造のコンパクト化を図ることができるため特に好ましい。

本発明によれば、蒸気発生器は、通常、その耐圧ケーシング３の長さ及び直径がそれぞれ５〜１０ｍ、２〜３ｍとなり、サイズにおいて利点があるのは明白である。特に、耐圧ケーシング３の直径がガスタービンのサイズを上回ることがなく、コンパクトで安全上問題のないガスタービンの取り付けを可能にすることができる。

尚、図２に示した従来の管路設備については既に上述したため、ここではその説明は省略する。

＜実施の形態２＞
図３は本実施の形態に係る耐圧ケーシング３の断面図であり、図１に示した実施の形態１では管路部分１’が耐圧ケーシング３の長手方向に対して平行に延設されているのに対し、本実施の形態に係るものは、管路部分１’が同長手方向に対して直角に延設されている点で相違している。

図３において前面（紙面に対して手前側）に位置する１つ目の管路１には下方に位置する供給用開口部６から液体が供給され、この液体は、互いに波状に接続された管路部分１’を通って排出用開口部７から外部へ排出される。そして、この１つ目の管路１の直後、即ち、耐圧ケーシング３の長手方向の直後に位置する、破線で示す管路１にも耐圧ケーシング３の下方に位置する供給用開口部６’から液体が供給され、この液体は、互いに波状に接続された管路部分１’を通って排出用開口部７’から外部へ排出される。

従って、管路設備５は耐圧ケーシング３の長手方向に互い違いに並置された多数の管路１で構成されており、蒸発させる液体の供給及び排出は上記の通り行われる。

ところで、図４には耐圧ケーシング３の長手方向に沿って示す、当該耐圧ケーシング３の部分断面図であり、高温流体の流入用開口部１３及び流出用開口部１５が図示されている。この図４に示す流入用開口部１３及び流出用開口部１５は、耐圧ケーシング３の軸中心線Ａに対してそれぞれ対称に配置されている点で図１のものと相違し、高温流体は耐圧ケーシング３内でその流れの向きを変えることなく、一方向にのみ貫流する。

又、耐圧ケーシング３の軸中心線Ａに対して互いに平行な、ここでは２本のみ示した管路部分１’内を流れる液体は、耐圧ケーシング３の下方から上方へ向かって流れるのに対し、高温流体は耐圧ケーシング３の上方から下方へ向かって流れる。

尚、耐圧ケーシング３内で各管路１を取り付け、固定するために、当該耐圧ケーシング３の内壁には、図３に示すように取付レール１６が設けられている。

本発明の実施の形態１に係る耐圧ケーシングの長手方向断面図である。管路設備と共に示す、本発明の実施の形態１に係る耐圧ケーシングの断面図である。管路設備と共に示す、本発明の実施の形態１に係る耐圧ケーシングの断面図である。従来の蒸気発生器の斜視図である。本発明の実施の形態２に係る耐圧ケーシングの断面図である。本発明の実施の形態２に係る耐圧ケーシングの長手方向部分断面図である。

符号の説明

１管路
１’ 管路部分
２支持板
３耐圧ケーシング
４内部空間
５管路設備
６，６’ 供給用開口部
７，７’ 排出用開口部
８流入部
９流出部
１０枠組構造部材
１１取付手段
１２溝
１３流入用開口部
１４案内手段
１５流出用開口部
１６取付レール
３０耐圧ケーシング上部
Ｄ蒸気回収器
Ｚ軸中心線

Claims

一定容積を有する耐圧ケーシング（３）と、
該耐圧ケーシング内に、その空間内でシールされて延設された少なくとも１本の管路（１）と、
該管路の一端に接続され、シールされつつ耐圧ケーシングに貫設された流入部（８）と、
前記管路の他端に接続され、シールされつつ耐圧ケーシングに貫設された流出部（９）と、
前記管路と熱交換を行う高温流体を前記耐圧ケーシング内へと流入させるための、少なくとも１つの流入用開口部（１３）と、
前記高温流体を前記耐圧ケーシングから流出させるための、少なくとも１つの流出用開口部（１５）と
から成る蒸気発生器において、
前記耐圧ケーシングを円筒状、且つ、その軸中心線から等距離の直径を持って形成し、
前記耐圧ケーシングを、該耐圧ケーシングの直径より長い長さをもって前記軸中心線に沿って構成し、
前記管路を、少なくとも２つの、互いに平行に延設されるとともにこの延設方向に対して垂直に互い違いに積み重ねられ、且つ端部で互いに連結された管路部分（１’）を備えた構成とし、
前記管路の流出部（９）を前記流入部（８）の垂直方向上方に設け、
前記流入用開口部（１３）を前記耐圧ケーシングの上方に設けて、高温流体を、前記管路部分（１’）を横切って上方から下方へ流通させたことを特徴とする蒸気発生器。
前記耐圧ケーシング（３）を、円形、楕円形又は多角形の断面に形成したことを特徴とする請求項１記載の蒸気発生器。
高温流体を、前記管路部分（１’）に対して一方向にのみ流通させたことを特徴とする請求項１又は２記載の蒸気発生器。
少なくとも１本の前記管路（１）を、互いに平行、且つ波状に垂直に積み重ねて連結された複数の前記管路部分（１’）を備える構成としたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の蒸気発生器。
前記管路部分（１’）を、前記耐圧ケーシング（３）内で水平に設けたことを特徴とする請求項４記載の蒸気発生器。
前記管路部分（１’）を、前記耐圧ケーシングの前記軸中心線に対して平行或いは垂直に設けたことを特徴とする請求項４又は５記載の蒸気発生器。
複数の前記管路（１）を設け、
各管路（１）の前記直線部分（１’）をできる限り密に、即ち、互い違いに積み重ねて管路設備（５）を構成したことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の蒸気発生器。
前記管路設備（５）内の前記管路（１）を、少なくとも１つの枠組構造部材（１０）で空間的に固定し、
該枠組構造部材（１０）を、前記管路（１）の長手方向に対する直交断面に沿って設けたことを特徴とする請求項７記載の蒸気発生器。
前記各直線部分（１’）の外縁に適合する溝を備えた複数の取付手段（１１）を前記枠組構造部材（１０）に設け、
前記溝に適合した前記直線部分（１’）を前記取付手段（１１）それぞれに設けるとともに、前記管路設備（５）内でこれら直線部分（１’）を互い違いに積み重ねて密に配置したことを特徴とする請求項８記載の蒸気発生器。
前記枠組構造部材（１０）を複数設けるとともに、これらを前記管路設備（５）に沿って互いに所定間隔離間させて配置したことを特徴とする請求項８又は９記載の蒸気発生器。
前記管路（１）をフィン付き管路で構成したことを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の蒸気発生器。
前記耐圧ケーシング（３）の内壁に取付レール（１６）を設け、該取付レールに少なくとも１本の前記管路（１）を取り付けたことを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の蒸気発生器。
前記流出用開口部（１５）を前記耐圧ケーシング（３）の下方に設けて、高温流体を前記耐圧ケーシング（３）の前記軸中心線に対して直角に貫流せしめることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の蒸気発生器。
前記流出用開口部（１５）を前記耐圧ケーシング（３）の上方に設け、
前記耐圧ケーシング（３）内に案内手段（１４）を設けて前記流入用開口部（１３）から流入する、少なくとも１本の前記管路（１）と熱交換を行う高温流体を前記耐圧ケーシングの下方へ案内し、
高温流体を前記耐圧ケーシング（３）内で該耐圧ケーシングの内壁近傍に沿って上方へと流通させ、この際、この高温流体を、前記案内手段（１４）により少なくとも１本の前記管路（１）から分離させるとともに、少なくとも１つの前記流出用開口部（１５）から前記耐圧ケーシング外部に流出させたことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の蒸気発生器。
ガスタービンの少なくとも部分的に膨張した気体と蒸気駆動ユニットを熱的に接続するための、ガスタービンの冷却ユニットとして使用することを特徴とする請求項１〜１４の何れかに記載の蒸気発生器の使用方法。
前記冷却ユニットを、少なくとも部分的に膨張した気体が、蒸発させる液体、特に水が内部を流通する前記管路（１）に対して１回のみ熱交換を行うように流通する冷却器である、ワンススルー冷却器（Once Through Cooler, OTC）で構成したことを特徴とする請求項１５記載の蒸気発生器の使用方法。
前記耐圧ケーシング（３）を、その垂直方向に低い構造とした耐圧容器で構成してガスタービンに直接並置し、ガスタービンからの高温空気用の接続配管が長くなるのを防止したことを特徴とする請求項１５又は１６記載の蒸気発生器の使用方法。