熱交換器を保護する方法および装置、ならびに熱交換器を保護するための装置を備えた蒸気ボイラ
本発明は、熱交換媒体の沸騰によって生じるストレスから熱交換器を、外部エネルギーを用いることなく保護する方法および装置、ならびに熱交換器を保護するための装置を備えた蒸気ボイラに関する。この装置は、熱交換媒体として使用する水が沸騰する危険がある状態において、火力ボイラの燃焼ガスの流れから熱を回収する状況で使用することが好ましい。本発明による熱交換器の保護回路は、沸騰した場合に外部のエネルギーまたは制御を用いることなく熱交換器３６を冷却するために、水の自然循環を提供する膨張容器５２を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換媒体の沸騰によって引き起こされるストレスから熱交換器を保護する方法、蒸気ボイラの保護回路、および熱交換器を保護するための装置を備えた蒸気ボイラに関する。本発明は特に、外部制御または外部エネルギーを用いることなく熱交換器を保護することに関する。本発明による方法および熱交換器の保護回路は、一方で熱交換器の表面での腐食性物質の凝結のリスク、他方で熱交換媒体として使用する水の沸騰のリスクがある状態において、火力ボイラの燃焼ガスの流れから熱を回収する状況で使用することが好ましい。
【背景技術】
【０００２】
最近の火力発電所では、燃焼ガスをできるだけ低い温度まで冷却することによって、燃焼ガスから熱エネルギーを効率的に回収している。以下では従来技術によるそのような工程の例として、発電に使用される流動層ボイラを示す。ただし、本発明による方法および熱交換器の保護回路は、どのような種類の蒸気ボイラ設備にも利用することができる。
【０００３】
適切な燃料の化学エネルギーは、流動層ボイラにおいて、ボイラの炉内の空気と共に流動化された不活性材料の層の中で燃料を燃焼させることによって、熱エネルギーに変換される。熱エネルギーは、炉の壁に配置された加熱面、および燃焼ガスの放出流路に配置された別の熱交換器の両方を直接用いて回収される。燃焼ガスの温度および熱交換器の表面温度が十分高いままになる燃焼ガス流路の各部分については、熱交換器を比較的安価な金属材料で製造することが可能である。
【０００４】
水蒸気が酸および水の露点より温度の低い熱交換器の表面に小滴として凝結するのに十分低い温度（例えば１３０℃〜９０℃）まで燃焼ガスが冷えると、例えば二酸化硫黄など燃焼ガス中の化合物が水滴に対して溶け、金属表面を腐食する化合物を形成する恐れがある。一般に、目標は、熱交換器をできるだけ腐食に耐える材料で製造することによって腐食を軽減することである。最近では、特に燃焼ガスが攻撃的な化合物を含む場合、製造業者は熱交換器を適切なプラスチック材料で製造することも始めている。
【０００５】
プラスチック部分を含む熱交換器では、燃焼ガスと接触する実際の熱交換管は通常、金属ヘッダの上端に取り付けられたＵ字形のプラスチック管である。他方では、最も一般的には水である熱交換媒体用の再循環配管にヘッダが取り付けられる。
【０００６】
熱交換配管とヘッダの間の接合部にはシールが用いられ、このシールは、燃焼ガスから液相に溶け込んだ酸性物質に十分耐えるプラスチックまたはゴム材料で製造される。プラスチックの熱交換器は、使用時に腐食と動作条件に特有の他のストレスとの両方に十分耐えるが、その欠点は、ヘッダ、特に接合部に用いられるシールへのプラスチック管の取り付けであることが分かっている。
【０００７】
接合部のシールは、熱交換器の液体サイクル中の水が少なくとも局所的に制御されずに沸騰し、蒸気を発生させ得る状態で生じる可能性がある圧力打撃には十分耐えられないことが立証されている。プラスチック管およびヘッダ内を流れる水の中の蒸気が凝結すると、局所的な点状の圧力打撃を発生させ、それが直接シールにあたる可能性がある。圧力打撃は熱交換器全体に振動を発生させる可能性もあり、それによってシールが徐々に損なわれる。
【０００８】
シールを損なう熱交換媒体の制御不能な沸騰は、一般に水冷サイクルの乱れに起因する。水冷サイクルの乱れは、熱交換器の液体サイクルを含めた設備全体を停止させる可能性がある電源異常、あるいは循環ポンプの動作の乱れ、またはポンプ全体もしくはその駆動モータの故障に起因する可能性がある。ポンプの動作の乱れに関する限り、ボイラの燃焼工程全体を停止することによって問題の解決を試みるのが普通であろう。しかし、炉、特に流動層ボイラの炉は、冷却水への熱の伝達がすぐに停止しないようにしばらくの間余熱を提供する。それによって、燃焼ガス流路の中にある熱交換管内の液体は蒸発を続ける傾向がある。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、例えば熱回収サイクル内に熱交換器と連通する膨張容器を取り付け、熱交換器の配管内で発生した蒸気を膨張容器へ制御可能に放出することができるような方法で前述の問題を解決する。
【００１０】
熱交換器を保護する方法およびそのための装置、ならびに熱交換器を保護するための手段を有する蒸気ボイラの他の特徴は、添付の特許請求の範囲で明らかにされている。
【００１１】
熱交換器を保護する方法およびそのための装置、ならびに熱交換器を保護するための手段を有する蒸気ボイラについて、添付図面を参照してさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、従来技術による火力発電所１０の各部分を、それらの部分が本発明の観点から重要である限りにおいて概略的に示している。燃料１４および燃焼用空気１６が設備１０の炉１２に導入され、一般には温度が約８００〜９５０℃である燃焼ガスを発生させる。高温の燃焼ガスは、炉から燃焼ガスダクト１８に沿って熱回収部分２０に導入され、その中で燃焼ガスからの熱エネルギーによって蒸気が生成され、燃焼ガスの温度は、例えば約２５０〜４５０℃まで低下する。燃焼ガスは、熱回収部分２０から燃焼用空気のための再生式予熱器２２へ供給され、その予熱器で燃焼ガスの温度はさらに低下し、一般には約１５０℃になる。
【００１３】
燃焼ガスの熱エネルギーの役割をできるだけうまく利用することが望ましいときには、燃焼ガスを燃焼用空気のための再生式予熱器２２から、さらに燃焼ガスブロワ２４を通して燃焼ガス冷却器２６へ導くことができる。冷却器２６では、燃焼ガスの熱エネルギーが、媒体、通常は水へ移され、それが流管２８ａおよび２８ｂによって燃焼用空気のための予熱器３０へ再循環される。したがって、ブロワ３２によって供給される燃焼用空気は、予熱器３０および再生式予熱器２２を通って炉１２へ導かれる。
【００１４】
通常、目標は、冷却器２６によって燃焼ガスをできるだけ低い温度まで冷却することである。金属の熱交換配管を用いると、最終的な温度は燃焼ガスの酸の露点より高く、最低でも約１００℃でなければならない。冷却器２６内で燃焼ガスと接触する熱交換管がプラスチックで製造されていると、燃焼ガスを１００℃未満の温度まで冷却することができる。
【００１５】
燃焼ガスは、冷却器２６から煙突３４へ導かれる。火力発電所１０は、例えば燃焼ガス清浄化装置、灰処理装置など他にも多くの部分を有している。それらは本発明の観点ではあまり重要ではなく、図１には示していない。
【００１６】
図２は、燃焼ガスの冷却器２６および燃焼用空気の予熱器３０を有する熱交換器３６をより詳細に示しており、熱交換器は、本発明の好ましい実施例に従って、雰囲気状態にある膨張容器５２と共に熱交換器の保護回路３８も有している。
【００１７】
図２は、熱交換器３６の熱回収管４２内を循環させる液体の熱交換媒体（すなわちほとんどの場合は水）によって間接的に冷却される燃焼ガスの流れを、矢印４０、４０’で示している。熱交換器３６の液体サイクルは、熱回収管４２に加えて、内部でポンプ４４によって液体を再循環させる再循環配管２８ａ、２８ｂを有している。再循環配管２８ａ、２８ｂは燃焼用空気の予熱器３０に接続され、ブロワ３２によって供給された比較的低温の燃焼用空気を、燃焼ガスから回収された熱エネルギーを用いて加熱すると、媒体は予熱器３０の中で再び冷却される。あるいは、熱交換器３６は、燃焼用空気の予熱器３０の代わりに、内部で燃焼ガスから回収された熱エネルギーが適切な媒体を加熱する、他のいくつかのタイプの熱交換器を有することもできる。
【００１８】
熱回収管４２は、その上端がシール４８によって分離可能な形でヘッダ４６、４６’に取り付けられたＵ字管である。熱交換器３６のヘッダの１つは、熱交換器の液体サイクル用の入口管２８ａが接続された入口チャンバ４６である。それに対応して、熱交換器のヘッダの１つは、液体サイクルの出口管２８ｂが取り付けられた出口チャンバ４６’である。ヘッダ４６、４６’は、最も一般的には鋼、または他のいくつかの適切な金属または金属化合物でできているが、場合によっては、プラスチックまたは適切な複合材料でできていてもよい。
【００１９】
燃焼ガスと接触する熱回収管４２は、生じる可能性のある管内の気体、特に蒸気を、ヘッダ４６、４６’まで簡単に上昇させることができるように垂直位置に組み立てられている。矢印４９は、熱回収管４２、ならびに流管２８ａおよび２８ｂ内の水の流れ方向を示している。Ｕ字管４２はそれぞれ、通常はいわゆる向流熱交換器として接続され、換言すれば、水は、流入する水の流れ、すなわち入口チャンバ４６から下方へ流れる水の流れが、冷却器側、すなわち流出する燃焼ガス４０の側になり、それに対応して、流出する水の流れ、すなわち出口チャンバ４６’へ向かって上昇する水の流れが、高温側、すなわち流入する燃焼ガスの流れ４０’の側になるように流れる。
【００２０】
向流連結によって、燃焼ガスの最終的な温度を最小にすることができる。さらに、高温の燃焼ガスによって管４２内で媒体の沸騰が起こる場合、前記沸騰は立ち上がっている管の端部で始まり、それによって液体サイクルが強められる。同時に、生じる可能性のある蒸気の気泡は、出口チャンバ４６’の方へ蓄積する。
【００２１】
２つのヘッダ４６、４６’の間に接続された熱回収管４２は、管群５０を形成していると言える。熱交換器３６は、２つのヘッダ４６、４６’、およびその間の管群５０、あるいは図３に示すように、３つのヘッダ４６、４６、４６’’、および直列に接続された２つの管群５０、５０’を有することが可能であり、管群５０、５０’は、一方がヘッダ４６と４６’’の間に、他方がヘッダ４６’と４６’’の間に接続されている。直列に接続された３つ以上の管群が存在することも可能であり、場合によっては、熱交換器は平行に接続された管群を有することもできる。
【００２２】
熱交換器の熱回収管４２がプラスチックで製造されているとき、各管は、ゴムまたはプラスチックのシール４８を用いて、それらを接続するヘッダ４６、４６’、４６’’に取り付けられなければならない。前記シールは、その正常動作条件によって生じるストレスに十分耐えるものである。しかし、シールは、熱交換媒体が熱回収管４２内で制御不能に蒸発し得る場合に受ける可能性がある、強い圧力打撃には耐えられないことが示されている。
【００２３】
本発明によれば、熱交換器３６と共に保護回路３８が存在し、それは膨張容器５２、および少なくともいくつかのヘッダ４６、４６’、４６’’を膨張容器５２につなぐ流路５４、５４’、５６を有している。図２による配置では、出口チャンバ４６’は管５４に接続され、管５４はその上端を、膨張容器５２上部の膨張容器の液面より上に接続されている。他方では、管５６が入口チャンバ４６またはその近くに接続され、前記管はその上端を膨張容器５２の底部に接続されている。
【００２４】
膨張容器５２の上部に通じている流路５４、５４’を、それぞれ別々に膨張容器５２に通じるようにすることも可能であり、あるいは望ましい場合には、その上端を膨張容器に通じる単一の流路に接続することもできる。戻りダクト５６は、膨張容器５２から戻って入口管２８ａ、好ましくは入口管２８ａとヘッダ４６の接合点の近く、またはヘッダ４６に通じている。図２に示した実施例では、通気導管５８が、膨張容器５２から大気または他のいくつかの所望の空間に通じている。
【００２５】
膨張容器５２はヘッダ４６、４６’、４６’’より高いところにあり、それによって容器５２および流路５４、５４’内の液柱が、熱交換器の媒体に所望の過圧力を生じさせる。例えば、膨張容器５２がヘッダより５メートル高いところにあると、膨張容器５２は大気の状態に維持され、熱回収管４２ではなお約０．５バールの過圧力を維持することができる。膨張容器の底部がヘッダの高さより３〜７メートル高いことが好ましい。ポンプ４４の作動中には、熱交換管の流れ抵抗によって、出口チャンバ４６’に接続された流路５４の液面は、膨張容器５２内のそれより少ない圧力損失を生じさせるだけの量になる。
【００２６】
図２に示した装置は、例えばポンプ４４が停止したときに、熱交換器３６における液体の循環が妨げられると、熱回収管４２内の液体が局所的に沸騰を開始して蒸気を形成するように動作する。発生した蒸気は特にヘッダ４６’へ流れ、そこからさらに流路５４に沿って膨張容器５２へ流れる。図３に示した装置のヘッダ４６’および４６’’内に蓄積する蒸気は、流路５４および５４’に沿って膨張容器５２の上部へ導かれる。
【００２７】
本発明による配置の利点は、ポンプ４４が停止したときにも、熱回収管４２での液体循環が可能なことである。これは、ポンプ４４が停止すると、それが保護回路３８の様々な分岐における液体の高さを等しくすること、ただし、特に熱回収管４２の立ち上がり部分に衝突する高温の燃焼ガスが立ち上がり部分の液体を加熱し、それによってその密度が低下することに基づいている。立ち上がり部分で液体が沸騰すると、液体／蒸気混合物が流路５４内に蓄積し始め、それによって流路５４内の媒体柱の密度が著しく低下し、その上面が膨張容器５２の液面よりかなり高位に上昇する。次いで、液体は流路５４から膨張容器５２へ移動し始め、さらに容器５２の底部から流路５６に沿って入口流路４６に至る。したがって、このいわゆる自然循環によって、完全に外部エネルギーを用いることなく熱回収管４２における液体循環が確保される。
【００２８】
さらに、弁を有する２つの補助水路を膨張容器５２に接続し、その１つ６０から新しい液体を設備の通常の水路の膨張容器に提供し、他方６２から、例えば消火用水を供給するようにすることができる。管路６２は予備システムであり、例えば電源異常によって通常の給水システムが停止したときに用いられる。
【００２９】
流路５４、５４’、５６は、熱回収管群５０、５０’のそれぞれが蒸気から空になるように、各ヘッダ４６、４６’、４６’’から膨張容器５２へ向かって配置されることが好ましい。そうすることによって、熱交換器３６における蒸気ロックの発生を防止することが可能になる。すべての熱回収管群５０、５０’の端部に接続している流路５４、５４’は、膨張容器５２の壁と同じ高さまで導かれ、そこで接線方向に接続されることが好ましい。それによって、流路５４、５４’の一方から膨張容器５２へ流れる蒸気が、流路５４、５４’の他方から流れる蒸気をできるだけ妨げないようにすることができる。さらに流路５４、５４’は、容器５２にその液面より上で通じるように膨張容器まで導かれることが好ましい。
【００３０】
先に論じた実施例では、膨張容器５２を、本発明の最も簡単な実施例であり、膨張容器が熱交換器３６に対して十分高いところに組み立てられることのみを必要とする大気圧について説明している。液柱による加圧では正常状態での蒸発を防ぐのに不十分である、再循環する水のサイクルにそうした高温を使用する場合には、加圧される膨張容器を配置することが可能である。それによって、ある圧力で開く逃がし弁を膨張容器の通気導管５８に接続し、圧力が過度に上昇し始めた場合、前記逃がし弁が膨張容器から蒸気を放出するようにする。
【００３１】
図２はさらに、本発明の追加の好ましい実施例、すなわち再循環配管２８ａに接続された補助冷却器６４を示しており、この冷却器は、配管内を再循環する液体を沸騰する前に冷却するために用いることが可能であり、前述のものと共に使用してもよいが、独立して使用してもよい。前記補助冷却器をいつ使用するかの制御は、例えば配管内を再循環する液体の温度によって決めること可能であり、それによって制御システムによって管理される冷却器を自動で使用することが可能になる。
【００３２】
前述のことから示されるように、外部の補助エネルギーまたは制御なしでプラスチックの熱交換器を使用することに関連する問題を解決する新しい方法が提供される。前述のことから、本発明を最も好ましい実施例の観点から論じており、添付の特許請求の範囲で定められるものによる本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術による火力発電所の概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施例による熱交換器の保護回路の概略図である。
【図３】本発明の第２の好ましい実施例による熱交換器の保護回路の概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換媒体の沸騰によって引き起こされるストレスから熱交換器を保護する方法、蒸気ボイラの保護回路、および熱交換器を保護するための装置を備えた蒸気ボイラに関する。本発明は特に、外部制御または外部エネルギーを用いることなく熱交換器を保護することに関する。本発明による方法および熱交換器の保護回路は、一方で熱交換器の表面での腐食性物質の凝結のリスク、他方で熱交換媒体として使用する水の沸騰のリスクがある状態において、火力ボイラの燃焼ガスの流れから熱を回収する状況で使用することが好ましい。
【背景技術】
【０００２】
最近の火力発電所では、燃焼ガスをできるだけ低い温度まで冷却することによって、燃焼ガスから熱エネルギーを効率的に回収している。以下では従来技術によるそのような工程の例として、発電に使用される流動層ボイラを示す。ただし、本発明による方法および熱交換器の保護回路は、どのような種類の蒸気ボイラ設備にも利用することができる。
【０００３】
適切な燃料の化学エネルギーは、流動層ボイラにおいて、ボイラの炉内の空気と共に流動化された不活性材料の層の中で燃料を燃焼させることによって、熱エネルギーに変換される。熱エネルギーは、炉の壁に配置された加熱面、および燃焼ガスの放出流路に配置された別の熱交換器の両方を直接用いて回収される。燃焼ガスの温度および熱交換器の表面温度が十分高いままになる燃焼ガス流路の各部分については、熱交換器を比較的安価な金属材料で製造することが可能である。
【０００４】
水蒸気が酸および水の露点より温度の低い熱交換器の表面に小滴として凝結するのに十分低い温度（例えば１３０℃〜９０℃）まで燃焼ガスが冷えると、例えば二酸化硫黄など燃焼ガス中の化合物が水滴に対して溶け、金属表面を腐食する化合物を形成する恐れがある。一般に、目標は、熱交換器をできるだけ腐食に耐える材料で製造することによって腐食を軽減することである。最近では、特に燃焼ガスが攻撃的な化合物を含む場合、製造業者は熱交換器を適切なプラスチック材料で製造することも始めている。
【０００５】
プラスチック部分を含む熱交換器では、燃焼ガスと接触する実際の熱交換管は通常、金属ヘッダの上端に取り付けられたＵ字形のプラスチック管である。他方では、最も一般的には水である熱交換媒体用の再循環配管にヘッダが取り付けられる。
【０００６】
熱交換配管とヘッダの間の接合部にはシールが用いられ、このシールは、燃焼ガスから液相に溶け込んだ酸性物質に十分耐えるプラスチックまたはゴム材料で製造される。プラスチックの熱交換器は、使用時に腐食と動作条件に特有の他のストレスとの両方に十分耐えるが、その欠点は、ヘッダ、特に接合部に用いられるシールへのプラスチック管の取り付けであることが分かっている。
【０００７】
接合部のシールは、熱交換器の液体サイクル中の水が少なくとも局所的に制御されずに沸騰し、蒸気を発生させ得る状態で生じる可能性がある圧力打撃には十分耐えられないことが立証されている。プラスチック管およびヘッダ内を流れる水の中の蒸気が凝結すると、局所的な点状の圧力打撃を発生させ、それが直接シールにあたる可能性がある。圧力打撃は熱交換器全体に振動を発生させる可能性もあり、それによってシールが徐々に損なわれる。
【０００８】
シールを損なう熱交換媒体の制御不能な沸騰は、一般に水冷サイクルの乱れに起因する。水冷サイクルの乱れは、熱交換器の液体サイクルを含めた設備全体を停止させる可能性がある電源異常、あるいは循環ポンプの動作の乱れ、またはポンプ全体もしくはその駆動モータの故障に起因する可能性がある。ポンプの動作の乱れに関する限り、ボイラの燃焼工程全体を停止することによって問題の解決を試みるのが普通であろう。しかし、炉、特に流動層ボイラの炉は、冷却水への熱の伝達がすぐに停止しないようにしばらくの間余熱を提供する。それによって、燃焼ガス流路の中にある熱交換管内の液体は蒸発を続ける傾向がある。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、例えば熱回収サイクル内に熱交換器と連通する膨張容器を取り付け、熱交換器の配管内で発生した蒸気を膨張容器へ制御可能に放出することができるような方法で前述の問題を解決する。
【００１０】
熱交換器を保護する方法およびそのための装置、ならびに熱交換器を保護するための手段を有する蒸気ボイラの他の特徴は、添付の特許請求の範囲で明らかにされている。
【００１１】
熱交換器を保護する方法およびそのための装置、ならびに熱交換器を保護するための手段を有する蒸気ボイラについて、添付図面を参照してさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、従来技術による火力発電所１０の各部分を、それらの部分が本発明の観点から重要である限りにおいて概略的に示している。燃料１４および燃焼用空気１６が設備１０の炉１２に導入され、一般には温度が約８００〜９５０℃である燃焼ガスを発生させる。高温の燃焼ガスは、炉から燃焼ガスダクト１８に沿って熱回収部分２０に導入され、その中で燃焼ガスからの熱エネルギーによって蒸気が生成され、燃焼ガスの温度は、例えば約２５０〜４５０℃まで低下する。燃焼ガスは、熱回収部分２０から燃焼用空気のための再生式予熱器２２へ供給され、その予熱器で燃焼ガスの温度はさらに低下し、一般には約１５０℃になる。
【００１３】
燃焼ガスの熱エネルギーの役割をできるだけうまく利用することが望ましいときには、燃焼ガスを燃焼用空気のための再生式予熱器２２から、さらに燃焼ガスブロワ２４を通して燃焼ガス冷却器２６へ導くことができる。冷却器２６では、燃焼ガスの熱エネルギーが、媒体、通常は水へ移され、それが流管２８ａおよび２８ｂによって燃焼用空気のための予熱器３０へ再循環される。したがって、ブロワ３２によって供給される燃焼用空気は、予熱器３０および再生式予熱器２２を通って炉１２へ導かれる。
【００１４】
通常、目標は、冷却器２６によって燃焼ガスをできるだけ低い温度まで冷却することである。金属の熱交換配管を用いると、最終的な温度は燃焼ガスの酸の露点より高く、最低でも約１００℃でなければならない。冷却器２６内で燃焼ガスと接触する熱交換管がプラスチックで製造されていると、燃焼ガスを１００℃未満の温度まで冷却することができる。
【００１５】
燃焼ガスは、冷却器２６から煙突３４へ導かれる。火力発電所１０は、例えば燃焼ガス清浄化装置、灰処理装置など他にも多くの部分を有している。それらは本発明の観点ではあまり重要ではなく、図１には示していない。
【００１６】
図２は、燃焼ガスの冷却器２６および燃焼用空気の予熱器３０を有する熱交換器３６をより詳細に示しており、熱交換器は、本発明の好ましい実施例に従って、雰囲気状態にある膨張容器５２と共に熱交換器の保護回路３８も有している。
【００１７】
図２は、熱交換器３６の熱回収管４２内を循環させる液体の熱交換媒体（すなわちほとんどの場合は水）によって間接的に冷却される燃焼ガスの流れを、矢印４０、４０’で示している。熱交換器３６の液体サイクルは、熱回収管４２に加えて、内部でポンプ４４によって液体を再循環させる再循環配管２８ａ、２８ｂを有している。再循環配管２８ａ、２８ｂは燃焼用空気の予熱器３０に接続され、ブロワ３２によって供給された比較的低温の燃焼用空気を、燃焼ガスから回収された熱エネルギーを用いて加熱すると、媒体は予熱器３０の中で再び冷却される。あるいは、熱交換器３６は、燃焼用空気の予熱器３０の代わりに、内部で燃焼ガスから回収された熱エネルギーが適切な媒体を加熱する、他のいくつかのタイプの熱交換器を有することもできる。
【００１８】
熱回収管４２は、その上端がシール４８によって分離可能な形でヘッダ４６、４６’に取り付けられたＵ字管である。熱交換器３６のヘッダの１つは、熱交換器の液体サイクル用の入口管２８ａが接続された入口チャンバ４６である。それに対応して、熱交換器のヘッダの１つは、液体サイクルの出口管２８ｂが取り付けられた出口チャンバ４６’である。ヘッダ４６、４６’は、最も一般的には鋼、または他のいくつかの適切な金属または金属化合物でできているが、場合によっては、プラスチックまたは適切な複合材料でできていてもよい。
【００１９】
燃焼ガスと接触する熱回収管４２は、生じる可能性のある管内の気体、特に蒸気を、ヘッダ４６、４６’まで簡単に上昇させることができるように垂直位置に組み立てられている。矢印４９は、熱回収管４２、ならびに流管２８ａおよび２８ｂ内の水の流れ方向を示している。Ｕ字管４２はそれぞれ、通常はいわゆる向流熱交換器として接続され、換言すれば、水は、流入する水の流れ、すなわち入口チャンバ４６から下方へ流れる水の流れが、冷却器側、すなわち流出する燃焼ガス４０の側になり、それに対応して、流出する水の流れ、すなわち出口チャンバ４６’へ向かって上昇する水の流れが、高温側、すなわち流入する燃焼ガスの流れ４０’の側になるように流れる。
【００２０】
向流連結によって、燃焼ガスの最終的な温度を最小にすることができる。さらに、高温の燃焼ガスによって管４２内で媒体の沸騰が起こる場合、前記沸騰は立ち上がっている管の端部で始まり、それによって液体サイクルが強められる。同時に、生じる可能性のある蒸気の気泡は、出口チャンバ４６’の方へ蓄積する。
【００２１】
２つのヘッダ４６、４６’の間に接続された熱回収管４２は、管群５０を形成していると言える。熱交換器３６は、２つのヘッダ４６、４６’、およびその間の管群５０、あるいは図３に示すように、３つのヘッダ４６、４６、４６’’、および直列に接続された２つの管群５０、５０’を有することが可能であり、管群５０、５０’は、一方がヘッダ４６と４６’’の間に、他方がヘッダ４６’と４６’’の間に接続されている。直列に接続された３つ以上の管群が存在することも可能であり、場合によっては、熱交換器は平行に接続された管群を有することもできる。
【００２２】
熱交換器の熱回収管４２がプラスチックで製造されているとき、各管は、ゴムまたはプラスチックのシール４８を用いて、それらを接続するヘッダ４６、４６’、４６’’に取り付けられなければならない。前記シールは、その正常動作条件によって生じるストレスに十分耐えるものである。しかし、シールは、熱交換媒体が熱回収管４２内で制御不能に蒸発し得る場合に受ける可能性がある、強い圧力打撃には耐えられないことが示されている。
【００２３】
本発明によれば、熱交換器３６と共に保護回路３８が存在し、それは膨張容器５２、および少なくともいくつかのヘッダ４６、４６’、４６’’を膨張容器５２につなぐ流路５４、５４’、５６を有している。図２による配置では、出口チャンバ４６’は管５４に接続され、管５４はその上端を、膨張容器５２上部の膨張容器の液面より上に接続されている。他方では、管５６が入口チャンバ４６またはその近くに接続され、前記管はその上端を膨張容器５２の底部に接続されている。
【００２４】
膨張容器５２の上部に通じている流路５４、５４’を、それぞれ別々に膨張容器５２に通じるようにすることも可能であり、あるいは望ましい場合には、その上端を膨張容器に通じる単一の流路に接続することもできる。戻りダクト５６は、膨張容器５２から戻って入口管２８ａ、好ましくは入口管２８ａとヘッダ４６の接合点の近く、またはヘッダ４６に通じている。図２に示した実施例では、通気導管５８が、膨張容器５２から大気または他のいくつかの所望の空間に通じている。
【００２５】
膨張容器５２はヘッダ４６、４６’、４６’’より高いところにあり、それによって容器５２および流路５４、５４’内の液柱が、熱交換器の媒体に所望の過圧力を生じさせる。例えば、膨張容器５２がヘッダより５メートル高いところにあると、膨張容器５２は大気の状態に維持され、熱回収管４２ではなお約０．５バールの過圧力を維持することができる。膨張容器の底部がヘッダの高さより３〜７メートル高いことが好ましい。ポンプ４４の作動中には、熱交換管の流れ抵抗によって、出口チャンバ４６’に接続された流路５４の液面は、膨張容器５２内のそれより少ない圧力損失を生じさせるだけの量になる。
【００２６】
図２に示した装置は、例えばポンプ４４が停止したときに、熱交換器３６における液体の循環が妨げられると、熱回収管４２内の液体が局所的に沸騰を開始して蒸気を形成するように動作する。発生した蒸気は特にヘッダ４６’へ流れ、そこからさらに流路５４に沿って膨張容器５２へ流れる。図３に示した装置のヘッダ４６’および４６’’内に蓄積する蒸気は、流路５４および５４’に沿って膨張容器５２の上部へ導かれる。
【００２７】
本発明による配置の利点は、ポンプ４４が停止したときにも、熱回収管４２での液体循環が可能なことである。これは、ポンプ４４が停止すると、それが保護回路３８の様々な分岐における液体の高さを等しくすること、ただし、特に熱回収管４２の立ち上がり部分に衝突する高温の燃焼ガスが立ち上がり部分の液体を加熱し、それによってその密度が低下することに基づいている。立ち上がり部分で液体が沸騰すると、液体／蒸気混合物が流路５４内に蓄積し始め、それによって流路５４内の媒体柱の密度が著しく低下し、その上面が膨張容器５２の液面よりかなり高位に上昇する。次いで、液体は流路５４から膨張容器５２へ移動し始め、さらに容器５２の底部から流路５６に沿って入口流路４６に至る。したがって、このいわゆる自然循環によって、完全に外部エネルギーを用いることなく熱回収管４２における液体循環が確保される。
【００２８】
さらに、弁を有する２つの補助水路を膨張容器５２に接続し、その１つ６０から新しい液体を設備の通常の水路の膨張容器に提供し、他方６２から、例えば消火用水を供給するようにすることができる。管路６２は予備システムであり、例えば電源異常によって通常の給水システムが停止したときに用いられる。
【００２９】
流路５４、５４’、５６は、熱回収管群５０、５０’のそれぞれが蒸気から空になるように、各ヘッダ４６、４６’、４６’’から膨張容器５２へ向かって配置されることが好ましい。そうすることによって、熱交換器３６における蒸気ロックの発生を防止することが可能になる。すべての熱回収管群５０、５０’の端部に接続している流路５４、５４’は、膨張容器５２の壁と同じ高さまで導かれ、そこで接線方向に接続されることが好ましい。それによって、流路５４、５４’の一方から膨張容器５２へ流れる蒸気が、流路５４、５４’の他方から流れる蒸気をできるだけ妨げないようにすることができる。さらに流路５４、５４’は、容器５２にその液面より上で通じるように膨張容器まで導かれることが好ましい。
【００３０】
先に論じた実施例では、膨張容器５２を、本発明の最も簡単な実施例であり、膨張容器が熱交換器３６に対して十分高いところに組み立てられることのみを必要とする大気圧について説明している。液柱による加圧では正常状態での蒸発を防ぐのに不十分である、再循環する水のサイクルにそうした高温を使用する場合には、加圧される膨張容器を配置することが可能である。それによって、ある圧力で開く逃がし弁を膨張容器の通気導管５８に接続し、圧力が過度に上昇し始めた場合、前記逃がし弁が膨張容器から蒸気を放出するようにする。
【００３１】
図２はさらに、本発明の追加の好ましい実施例、すなわち再循環配管２８ａに接続された補助冷却器６４を示しており、この冷却器は、配管内を再循環する液体を沸騰する前に冷却するために用いることが可能であり、前述のものと共に使用してもよいが、独立して使用してもよい。前記補助冷却器をいつ使用するかの制御は、例えば配管内を再循環する液体の温度によって決めること可能であり、それによって制御システムによって管理される冷却器を自動で使用することが可能になる。
【００３２】
前述のことから示されるように、外部の補助エネルギーまたは制御なしでプラスチックの熱交換器を使用することに関連する問題を解決する新しい方法が提供される。前述のことから、本発明を最も好ましい実施例の観点から論じており、添付の特許請求の範囲で定められるものによる本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術による火力発電所の概略図である。
【図２】本発明の好ましい実施例による熱交換器の保護回路の概略図である。
【図３】本発明の第２の好ましい実施例による熱交換器の保護回路の概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器を保護する方法であって、燃料が火力発電所（１０）の炉（１２）で燃焼され、エネルギーが、前記燃焼で発生した燃焼ガスから、向流原理に基づいて接続された熱交換器（３６）のプラスチック熱回収管（４２）内を再循環する媒体へと回収される方法において、
前記熱回収管（４２）の端部で前記媒体の流れ方向に生じた蒸気が、流路（４６）に沿って膨張容器（５２）の上部へ導かれ、熱交換媒体が、前記熱回収管（４２）の上流で前記媒体の流れ方向に、膨張容器（５２）の下部から前記熱交換器（３６）へ導かれることを特徴とする熱交換器の保護方法。
【請求項２】
前記媒体の表面が、前記膨張容器（５２）において流路（４６）の接合点より下に維持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記膨張容器（５２）が大気の状態にあり、また前記熱回収管（４２）より高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記膨張容器（５２）が加圧されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
蒸気が前記膨張容器（５２）から通気導管（５８）を通して放出されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼ガスから回収されたエネルギーが、前記熱交換器（３６）内において、前記炉（１２）へ送られる燃焼用空気へ移されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記熱交換媒体が水であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
熱交換器の保護回路であって、前記熱交換器（３６）が、火力ボイラ（１０）の燃焼ガスとの熱交換接続部であって、熱交換媒体の流れ方向の、ヘッダ（４６’）に接続された端部の熱交換接続部に配置された向流原理に基づいて接続されたプラスチック熱回収管（４２）を有している保護回路において、
前記保護回路が膨張容器（５２）を有し、該膨張容器（５２）は、前記熱回収管（４２）の上流で前記媒体の流れ方向に、上部を流路（５４）によって前記ヘッダ（４６’）に、下部を流路（５６）によって前記熱交換器（３６）に接続された膨張容器（５２）を有することを特徴とする保護回路。
【請求項９】
前記膨張容器（５２）が大気の状態にあり、前記熱回収管（４２）より高い位置に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１０】
前記膨張容器（５２）と前記熱回収管（４２）の間の垂直方向の距離が、約３〜７メートルであることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１１】
前記膨張容器（５２）が加圧されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１２】
前記膨張容器（５２）が、蒸気を放出するための通気導管（５８）を有することを特徴とする請求項９または請求項１１に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１３】
前記熱交換器（３６）が熱交換器（３０）を有し、それによって前記燃焼ガスから回収されたエネルギーが、前記炉（１２）へ送り込まれる燃焼用空気へ移されることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１４】
前記熱回収管（１２）がＵ字形であり、主に垂直管であることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１５】
炉（１２）、燃焼ガス流路（１８）、熱回収部分（２０）および熱交換器（３６）を有する蒸気ボイラであって、前記熱交換器が、該蒸気ボイラ（１０）の燃焼ガスとの熱交換接続部に向流原理に基づいて接続されたプラスチックの熱回収管（４２）を有し、該熱回収管（４２）が、熱交換媒体の流れ方向に端部をヘッダ（４６’）に接続された蒸気ボイラにおいて、
膨張容器（５２）が前記熱交換器（３６）に関連して配置され、該膨張容器（５２）が、前記熱回収管（４２）の上流で前記媒体の流れ方向に、上部を流路（５４）によって前記ヘッダ（４６’）に、下部を流路（５６）によって前記熱交換器（３６）に接続されていることを特徴とする蒸気ボイラ。
【請求項１６】
前記膨張容器（５２）が大気の状態にあり、前記熱回収管（４２）より高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気ボイラ。
【請求項１７】
前記膨張容器（５２）と前記熱回収管（４２）の間の垂直方向の距離が、約３〜７メートルであることを特徴とする請求項１６に記載の蒸気ボイラ。
【請求項１８】
前記膨張容器（５２）が加圧されていることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気ボイラ。
【請求項１９】
前記膨張容器（５２）が、蒸気を放出するための通気導管（５８）を有することを特徴とする請求項１６または請求項１８に記載の蒸気ボイラ。
【請求項２０】
前記熱交換器（３６）が熱交換器（３０）を有し、それによって前記燃焼ガスから回収されたエネルギーが、前記炉（１２）へ送り込まれる燃焼用空気へ移されることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気ボイラ。
【請求項２１】
前記熱回収管（１２）がＵ字形であり、主に垂直管であることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気ボイラ。
【請求項１】
熱交換器を保護する方法であって、燃料が火力発電所（１０）の炉（１２）で燃焼され、エネルギーが、前記燃焼で発生した燃焼ガスから、向流原理に基づいて接続された熱交換器（３６）のプラスチック熱回収管（４２）内を再循環する媒体へと回収される方法において、
前記熱回収管（４２）の端部で前記媒体の流れ方向に生じた蒸気が、流路（４６）に沿って膨張容器（５２）の上部へ導かれ、熱交換媒体が、前記熱回収管（４２）の上流で前記媒体の流れ方向に、膨張容器（５２）の下部から前記熱交換器（３６）へ導かれることを特徴とする熱交換器の保護方法。
【請求項２】
前記媒体の表面が、前記膨張容器（５２）において流路（４６）の接合点より下に維持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記膨張容器（５２）が大気の状態にあり、また前記熱回収管（４２）より高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記膨張容器（５２）が加圧されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
蒸気が前記膨張容器（５２）から通気導管（５８）を通して放出されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記燃焼ガスから回収されたエネルギーが、前記熱交換器（３６）内において、前記炉（１２）へ送られる燃焼用空気へ移されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記熱交換媒体が水であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
熱交換器の保護回路であって、前記熱交換器（３６）が、火力ボイラ（１０）の燃焼ガスとの熱交換接続部であって、熱交換媒体の流れ方向の、ヘッダ（４６’）に接続された端部の熱交換接続部に配置された向流原理に基づいて接続されたプラスチック熱回収管（４２）を有している保護回路において、
前記保護回路が膨張容器（５２）を有し、該膨張容器（５２）は、前記熱回収管（４２）の上流で前記媒体の流れ方向に、上部を流路（５４）によって前記ヘッダ（４６’）に、下部を流路（５６）によって前記熱交換器（３６）に接続された膨張容器（５２）を有することを特徴とする保護回路。
【請求項９】
前記膨張容器（５２）が大気の状態にあり、前記熱回収管（４２）より高い位置に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１０】
前記膨張容器（５２）と前記熱回収管（４２）の間の垂直方向の距離が、約３〜７メートルであることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１１】
前記膨張容器（５２）が加圧されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１２】
前記膨張容器（５２）が、蒸気を放出するための通気導管（５８）を有することを特徴とする請求項９または請求項１１に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１３】
前記熱交換器（３６）が熱交換器（３０）を有し、それによって前記燃焼ガスから回収されたエネルギーが、前記炉（１２）へ送り込まれる燃焼用空気へ移されることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１４】
前記熱回収管（１２）がＵ字形であり、主に垂直管であることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器の保護回路。
【請求項１５】
炉（１２）、燃焼ガス流路（１８）、熱回収部分（２０）および熱交換器（３６）を有する蒸気ボイラであって、前記熱交換器が、該蒸気ボイラ（１０）の燃焼ガスとの熱交換接続部に向流原理に基づいて接続されたプラスチックの熱回収管（４２）を有し、該熱回収管（４２）が、熱交換媒体の流れ方向に端部をヘッダ（４６’）に接続された蒸気ボイラにおいて、
膨張容器（５２）が前記熱交換器（３６）に関連して配置され、該膨張容器（５２）が、前記熱回収管（４２）の上流で前記媒体の流れ方向に、上部を流路（５４）によって前記ヘッダ（４６’）に、下部を流路（５６）によって前記熱交換器（３６）に接続されていることを特徴とする蒸気ボイラ。
【請求項１６】
前記膨張容器（５２）が大気の状態にあり、前記熱回収管（４２）より高い位置に配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気ボイラ。
【請求項１７】
前記膨張容器（５２）と前記熱回収管（４２）の間の垂直方向の距離が、約３〜７メートルであることを特徴とする請求項１６に記載の蒸気ボイラ。
【請求項１８】
前記膨張容器（５２）が加圧されていることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気ボイラ。
【請求項１９】
前記膨張容器（５２）が、蒸気を放出するための通気導管（５８）を有することを特徴とする請求項１６または請求項１８に記載の蒸気ボイラ。
【請求項２０】
前記熱交換器（３６）が熱交換器（３０）を有し、それによって前記燃焼ガスから回収されたエネルギーが、前記炉（１２）へ送り込まれる燃焼用空気へ移されることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気ボイラ。
【請求項２１】
前記熱回収管（１２）がＵ字形であり、主に垂直管であることを特徴とする請求項１５に記載の蒸気ボイラ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２００８−５０７６７９（Ｐ２００８−５０７６７９Ａ）
【公表日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５２１９６５（Ｐ２００７−５２１９６５）
【出願日】平成１７年６月２９日（２００５．６．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＩ２００５／０００３０３
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００８３２９
【国際公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【出願人】（５０６４２５２５１）フォスター ホイーラー エナージア オサケ ユキチュア (23)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２９日（２００５．６．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＩ２００５／０００３０３
【国際公開番号】ＷＯ２００６／００８３２９
【国際公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【出願人】（５０６４２５２５１）フォスター ホイーラー エナージア オサケ ユキチュア (23)
【Ｆターム（参考）】
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