JP2000097404A - 貫流ボイラとその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 節炭器内でスチーミングが起こるような場合
でも火炉壁を構成する水管内で流体の流動アンバランス
が生じないようにした貫流ボイラを提供すること。 【解決手段】 節炭器３と火炉入口マニホールド３２と
の間に汽水分離器３５を設けると、汽水分離器３５は二
相流の流体をそれぞれ分離するように動作し、それによ
って、節炭器３内で生じたスチーミングによる二相流は
分離され火炉入口マニホールド３２に入るのは水の一相
流のみとなり火炉壁４内では流動アンバランスを生じな
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変圧貫流ボイラに
係り、節炭器内でスチーミングが生じた場合において
も、火炉壁での流動アンバランスを解消するのに好適な
変圧貫流型のボイラ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボイラ系統図を図５に示す。図５におい
てボイラ火炉壁４は、水管を板状に連続溶接したメンブ
レン壁からなり、伝熱面を構成している。

【０００３】ボイラ火炉壁４への給水は、まず、給水ポ
ンプ１から給水加熱器２に送られて加熱された後、節炭
器３を経てボイラ火炉壁４に送られる。給水は、ボイラ
火炉壁４で加熱されながら上昇し、ついには蒸気を生成
する。生成した蒸気は汽水分離器１６、一次過熱器５、
過熱器過熱低減器１２および二次過熱器６を経て高圧タ
ービン７へ送られる。高圧タービン７の排気は一次再熱
器８、再熱器過熱低減器１３および二次再熱器９を経て
中圧タービン１０へ蒸気を送るよう系統構成されてい
る。なお、中圧タービン１０から排出される蒸気は復水
器１１で熱回収される。また、給水加熱器２で加熱さ
れ、ボイラ火炉壁４へ供給される給水の一部は、節炭器
３の入口部から抽水されて過熱器注水流量調節弁１４の
設けられた分岐配管から過熱器過熱低減器１２に供給さ
れる。また、給水ポンプ１の中段からの圧力の低い給水
の一部は、抽水されて再熱器注水流量調節弁１５が設け
られた分岐配管から再熱器過熱低減器１３に供給可能で
ある。

【０００４】図６には従来の貫流ボイラの火炉壁４に関
する流体経路の一例を示す。ボイラ火炉壁４は前述した
ように水壁パネル構造となっており、火炉壁４と副側壁
２１の取合部および副側壁２１と後部伝熱壁２２の取合
部は板材を介して溶接されたメンブレン壁となってい
る。

【０００５】図６に示すボイラ壁構造物において、節炭
器出口管寄２４からの流体は連絡管２５を経て火炉を形
成する火炉壁入口管寄２６に供給され、複数の火炉壁を
構成する水壁パネルの水管にほぼ均等に供給され、それ
ぞれの水管で熱吸収を行いながら、火炉壁４を上昇して
火炉壁出口管寄２７へと流れる。その後、連絡管２８に
て天井壁２９を通過した後、連絡管３０を経て副側壁２
１と後部伝熱壁２２を流れる。これらの水壁パネル内を
通過した流体は連絡管（図示せず）により、ボイラ内部
に設置される過熱器（図５参照）を通過し、最終的に蒸
気となってタービン７、１０（図５参照）へ導かれる。

【０００６】上記従来技術のボイラ装置における節炭器
３から火炉壁４への給水系統の一部を図３に示し、図４
には上記従来技術のボイラ装置におけるボイラの各伝熱
器の圧力−エンタルピ線図を示す。

【０００７】ところで、最近の火力発電用石炭焚きボイ
ラは１０００ＭＷクラスで約６０ｍ高さに達しており、
建設費の低減の要求や景観上の理由により、ボイラ高さ
の低減が求められている。ボイラの高さを低減するに
は、火炉高さの低減、火炉のコンパクト化が有効であ
る。火炉のコンパクト化のためには、火炉入口の流体エ
ンタルピを従来より増加させる必要がある。しかしなが
ら、従来の図３に示すような給水系統においては、前記
要求に対応することができなかった。

【０００８】ここで、火炉壁入口管寄２６に節炭器３か
ら水と蒸気からなる２相流が供給された場合には、それ
らの比重差により、流体が火炉壁４の水管に均等に供給
されずに連絡管２５の入口管寄２６への取り付け位置
と、連絡管２８の火炉壁出口管寄２７への取り出し位置
により火炉壁４内での流量のアンバランスが生じ、火炉
壁４全体が変形したり、局部的に過熱し、破損する可能
性がある。従って、従来の節炭器３は、通常のボイラ運
転状態において、排ガスからの熱吸収により蒸気が発生
することがないように、排ガス流路の最後尾の最も排ガ
ス温度が低くなる位置に配置されると共に、その伝熱面
積が決定されていた。

【０００９】図４に示す従来のボイラの各伝熱器の圧力
−エンタルピ線図において、横軸に内部流体の出口圧
力、縦軸に内部流体の出口エンタルピを示す。また、図
４の横軸方向の細線は内部流体の等温線である。また、
図４の左側の山形状の内側の温度が急上昇する領域はス
チーミング発生域であることを示す。

【００１０】ここで、従来は節炭器３の出口流体は１０
０％負荷時には図４の矢印Ａで示す〇印のポイントにあ
るように設定されていた。すなわち、図４の〇印で示す
ポイントは最もボイラの運転効率のよい１００％負荷か
ら３５％負荷まで負荷降下する場合にも節炭器３領域で
は流体のスチーミングが生じないように設定するが、１
００％負荷から３５％負荷まで負荷降下させる場合、保
有熱量により、流体温度は高い値を保持したままであ
り、従って、図４において、太線（矢印Ｂ）を左にトレ
ースし、ボイラ設計上の最低負荷である３５％負荷時に
なっても蒸気が発生することを示す線より下になるよう
に設定する。

【００１１】なお、図４におけるＭＣＲ（Ｍａｘｉｍｕ
ｍ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｒａｔｉｏ：最大連続負
荷）は、夏場など復水器の真空度が下がり、タービン
７、１１の効率が低下するため、ボイラとしては１００
％負荷以上の余裕としてプラス７％から８％程度持って
おり、その余裕を含めた負荷をいう。通常の運転では１
００％負荷で考えればよく、従って、本発明では無視し
ている。

【００１２】前記従来技術では火炉壁４入口の流体エン
タルピを増加させる場合には、１００％負荷の前記矢印
Ａで示す○印のポイントの位置から図４の縦軸方向に移
動させることになるので、負荷降下時に横軸にトレース
すれば分かるように節炭器３でのスチーミングが発生し
やすいことになる。すなわち、前記した火炉壁入口側の
流体エンタルピを増加させる要求があれば、運転状態に
よっては、節炭器３でのスチーミングの発生する条件で
の運転が必要となる。

【００１３】また、最近はタービン７、１０側が要求す
る蒸気の条件がより高圧高温となり、このため、タービ
ン７、１０で仕事をした後、復水器１１で復水となっ
て、再度節炭器３に供給される給水温度も、それに伴っ
て、高温化する傾向があり、その点でも節炭器３におけ
る排ガスからの熱吸収により、スチーミングが発生しや
すい条件となってきている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の変圧貫
流型のボイラ装置において、節炭器３内でスチーミング
が発生すると以下に述べる不具合が発生する。節炭器３
のスチーミングとは、亜臨界域で節炭器３の熱吸収が多
いため、節炭器３内で水と蒸気の二相流が生じる現象で
ある。従来の装置は、図３に示すように流体は節炭器３
からマニホールド３２を経由して火炉壁４に供給される
流体経路を通っていた。

【００１５】節炭器３内のスチーミングは火炉壁４の入
口において二相流における流動アンバランスによる火炉
壁４の破損を起こす可能性があるため、従来技術では図
４に示すように節炭器内でスチーミングを起こさないよ
うに節炭器３の伝熱面を決定している。そのため、節炭
器３内でスチーミングが生じた場合の火炉壁４内の流体
の流動アンバランス解消の点について考慮がなされてい
なかった。

【００１６】一方、近年の価格破壊あるいは景観上の理
由によりボイラの高さの低減といった顧客のニーズによ
り火炉のコンパクト化が求められるようになってきた。
火炉のコンパクト化を実現するためには火炉壁４の入口
の流体エンタルピを増加させる必要があり、その際に問
題になるのが前述の亜臨界域での節炭器３内の流体のス
チーミングによる火炉壁４内の流動アンバランスであ
る。

【００１７】上記従来技術は、節炭器３内で生じるスチ
ーミングによる火炉内での流動アンバランス解消の点に
ついて配慮されておらず、スチーミングを起こさないよ
うにするため、節炭器３の伝熱面配置に制限があり、ボ
イラの各バンクの伝熱面配置に多様性がなかった。ま
た、最近の高蒸気条件では節炭器３入口の給水温度が高
くなっている傾向があり、その分、節炭器３内でのスチ
ーミングに対しては不利な厳しい条件となっており、さ
らなる高蒸気条件に対しては対応できない可能性があ
る。

【００１８】本発明の課題は節炭器内でスチーミングが
起こるような場合でも火炉壁を構成する水管内で流体の
流動アンバランスが生じないようにした貫流ボイラを提
供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記本発明の課題は、節
炭器と火炉入口マニホールドとの間に汽水分離器を設け
ることにより達成される。本発明では、汽水分離器は二
相流の流体をそれぞれ分離するように動作する。それに
よって、節炭器内で生じたスチーミングによる二相流は
分離され火炉入口マニホールドに入るのは水の一相流の
みとなり火炉壁内では流動アンバランスを生じない。

【００２０】すなわち、本発明は、少なくとも節炭器と
蒸発部を構成する火炉壁伝熱面と過熱器の各流体流路系
統を備えた貫流ボイラにおいて、節炭器出口と火炉壁伝
熱面入口との間の流体流路に汽水分離器を設置した貫流
ボイラである。より具体的には、本発明は、節炭器出口
と火炉壁伝熱面入口に接続する流体流路に火炉入口マニ
ホールドを設け、さらに、火炉入口マニホールドをバイ
パスして節炭器出口からの流体を導入する汽水分離器を
設け、該汽水分離器で分離した水を貯蔵するドレンタン
クを設けた流体流路を火炉入口マニホールドに接続した
貫流ボイラである。

【００２１】また、本発明の上記貫流ボイラには、節炭
器出口と火炉入口マニホールドを接続する流体流路及び
節炭器出口と汽水分離器を接続する流体流路にそれぞれ
切替バルブを設け、ドレンタンクと火炉入口マニホール
ドを接続する流体流路にボイラ循環ポンプを設け、さら
に汽水分離器で分離した蒸気を過熱器へ導く汽水分離器
から過熱器入口を接続する流体流路を設けておくと、節
炭器出口流体が超臨界圧で一相流の高負荷においては節
炭器出口と火炉入口マニホールドを接続する流体流路に
設けたバルブを全開し、かつ節炭器出口と汽水分離器を
接続する流体流路に設けたバルブを全閉にして節炭器出
口から火炉入口マニホールドに流体を流し、また、節炭
器出口流体が亜臨界で二相流でスチーミングを生ずる低
負荷では節炭器出口と火炉入口マニホールドを接続する
流体流路に設けたバルブを全閉、節炭器出口と汽水分離
器を接続する流体流路に設けたバルブを全開にして汽水
分離器で蒸気と水を分離してドレンタンクの水位を制御
しながらボイラ循環ポンプにより火炉入口マニホールド
へ水を流すことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
説明する。図１には本実施の形態のボイラ装置における
節炭器３から火炉壁４への給水系統の一部を示し、図２
には本実施の形態のボイラ装置の各伝熱器の圧力−エン
タルピ線図を示す。

【００２３】図３に示す従来技術のボイラ装置における
節炭器３から火炉壁４への給水系統に比べて、本実施の
形態のボイラ装置では、節炭器３と火炉壁４との間の給
水系統にマニホールド３２の外に汽水分離器３５を配置
して蒸気が火炉壁４へ供給されないようにしたことが大
きな特徴であり、新しい設備を除いて図３で用いた設備
は同一番号を付してその説明は省略する。

【００２４】節炭器３とマニホールド３２を接続する連
絡管２０にはバルブ３６を設け、節炭器３と汽水分離器
３５とを接続する連絡管３７にはバルブ３９を設け、汽
水分離器３５で分離された水は連絡管４０に設けられた
ドレンタンク４１を介してポンプ４３によりマニホール
ド３２に戻される構成になっている。

【００２５】上記構成のボイラにおいて、超臨界圧で一
相流の高負荷条件下ではバルブ３６を全開、バルブ３９
を全閉にして節炭器３の出口からマニホールド３２まで
流体が流れるようにする。また、亜臨界圧で二相流のス
チーミングを生じる低負荷条件下ではバルブ３６を全
閉、バルブ３９を全開にして汽水分離器３５にて蒸気と
水に分離して、ドレンタンク４の水位を制御しながらボ
イラ循環ポンプ４３によりマニホールド３２へ水が流れ
るようにして、蒸気は過熱器側（図５参照）へ供給す
る。

【００２６】上記したように、本発明では節炭器３とマ
ニホールド３２との間に汽水分離器３５を設置すること
により、節炭器３内のスチーミングによる二相流が分離
され、火炉壁４の入口マニホールド３２には水のみが流
入し、蒸気は過熱器側へ流入する。従来では節炭器３内
で生じるスチーミングは火炉内での流動アンバランスを
引き起こすが、本発明では火炉に入る前に二相流分離が
可能となり火炉内流動アンバランスを解消する効果があ
る。

【００２７】本発明によれば、節炭器３内でスチーミン
グが発生しても、火炉壁４の入口マニホールド３２には
水のみが流入するので、節炭器３内ではスチーミングが
発生しても良い。このため、図２に示す線図で節炭器３
を従来技術の場合（点線で示す）より高エンタルピ側
（太線で示す）に設けることができる。それは排ガスの
より高温側に節炭器３を配置することができるというこ
とであり、火炉の高さをより低くすることができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば節炭器内で生じるスチー
ミングによる二相流を分離できるので火炉内流動アンバ
ランスを解消できる効果があり、高蒸気条件に十分対応
することが可能となる。また、火炉入口エンタルピが増
加するため、火炉でのエンタルピ増分が低減でき火炉の
コンパクト化が図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の貫流ボイラの火炉入口
までの流体経路を示す。

【図２】 図１の貫流ボイラの圧力−エンタルピ線図で
ある。

【図３】 従来技術の実施の形態の貫流ボイラの火炉入
口までの流体経路を示す。

【図４】 図３の貫流ボイラの圧力−エンタルピ線図で
ある。

【図５】 従来技術の貫流ボイラの流体経路図である。

【図６】 従来技術の貫流ボイラの外観流体経路図であ
る。

【符号の説明】

１ 給水ポンプ ２ 給水加熱器 ３ 節炭器 ４ ボイラ火炉壁 ５ 一次過熱器 ６ 二次過熱器 ７ 高圧タービン ８ 一次再熱器 ９ 二次再熱器 １０ 中圧タービン １１ 復水器 １２ 過熱器過熱低減器 １３ 再熱器過熱低減器 １４ 過熱器注水流量調
節弁 １５ 再熱器注水流量調節弁 １６ 汽水分離器 ２１ 副側壁 ２２ 後部伝熱壁 ２４ 節炭器出口管寄 ２０、２５、２８、３０、３７、４０ 連絡管 ２６ 火炉壁入口管寄 ２７ 火炉壁出口管寄 ２９ 天井壁 ３２ マニホールド ３５ 汽水分離器 ３６、３９ バルブ ４１ ドレンタンク ４３ ポンプ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも節炭器と蒸発部を構成する火
   炉壁伝熱面と過熱器の各流体流路系統を備えた貫流ボイ
   ラにおいて、 節炭器出口と火炉壁伝熱面入口との間の流体流路に汽水
   分離器を設置したことを特徴とする貫流ボイラ。
2. 【請求項２】 節炭器出口と火炉壁伝熱面入口に接続す
   る流体流路に火炉入口マニホールドを設け、さらに、火
   炉入口マニホールドをバイパスして節炭器出口からの流
   体を導入する汽水分離器を設け、該汽水分離器で分離し
   た水を貯蔵するドレンタンクを設けた流体流路を火炉入
   口マニホールドに接続したことを特徴とする請求項１記
   載の貫流ボイラ。
3. 【請求項３】 節炭器出口と火炉入口マニホールドを接
   続する流体流路及び節炭器出口と汽水分離器を接続する
   流体流路にそれぞれ切替バルブを設け、ドレンタンクと
   火炉入口マニホールドを接続する流体流路にボイラ循環
   ポンプを設け、さらに汽水分離器で分離した蒸気を過熱
   器へ導く汽水分離器出口と過熱器入口を接続する流体流
   路を設けたことを特徴とする請求項２記載の貫流ボイ
   ラ。
4. 【請求項４】 節炭器出口流体が超臨界圧で一相流の高
   負荷においては節炭器出口と火炉入口マニホールドを接
   続する流体流路に設けたバルブを全開し、かつ節炭器出
   口と汽水分離器を接続する流体流路に設けたバルブを全
   閉にして節炭器出口から火炉入口マニホールドに流体を
   流し、また、節炭器出口流体が亜臨界で二相流でスチー
   ミングを生ずる低負荷では節炭器出口と火炉入口マニホ
   ールドを接続する流体流路に設けたバルブを全閉、節炭
   器出口と汽水分離器を接続する流体流路に設けたバルブ
   を全開にして汽水分離器で蒸気と水を分離してドレンタ
   ンクの水位を制御しながらボイラ循環ポンプにより火炉
   入口マニホールドへ水を流すことを特徴とする請求項１
   記載の貫流ボイラの運転方法。