JP2008134053A - 貫流ボイラとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い蒸気圧で運転される貫流ボイラに適し、比較的安価であり又は技術的に容易な貫流ボイラとその製造方法を提供する。
【解決手段】互いに気密に溶接され、流れ媒体の貫流に対し並列接続された蒸発管で形成された炉壁を備えた貫流ボイラにおいて、少なくとも幾つかの蒸発管が、各々流れ媒体側が直列接続され第１材料カテゴリーの材料で作られた複数の管セグメント（１８）で形成され、蒸発管の流れ方向に連続する管セグメントが、各々第２材料カテゴリーの材料で作られた移行ユニット（２２）を介して互いに接続され、前記第２材料カテゴリーの材料で作られた複数の移行部材（１９）から成る多数の移行ユニット（２２）が、同じ移行ユニットの２つの移行部材を相互に接続すべく設けた溶接継手が、管セグメント（１８）で形成されたパネル面の外に位置するように配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、互いに気密に溶接された多数の蒸発管で形成された炉壁を有し、該炉壁が工場で、最終組立時に互いに溶接されるモジュールの形に予め作られた貫流ボイラの製造方法に関する。本発明は、この方法による製造に特に適した貫流ボイラにも関する。

貫流ボイラにおいて、燃焼室の気密の炉壁を共に形成する多数の蒸発管は、流れ媒体がそれら蒸発管を一回貫流する間に完全に蒸発させるように加熱される。流れ媒体（通常は水）は蒸発後に後置接続された過熱器に導かれ、そこで過熱される。貫流ボイラの蒸発管は、垂直或いはスパイラル状に、従って傾斜して配置される。

貫流ボイラは、自然循環ボイラと異なり圧力の制限を受けず、従って生蒸気圧は、水相と蒸気相の区別がつかず、従って相分離もできない水の臨界圧（Ｐ_kri≒２２１×１０⁵Ｐａ）より大きく設計できる。高い生蒸気圧は熱効率を高め、この結果、化石燃料原動所のＣＯ₂発生量を低下させる。

例えば１００ＭＷ以上の設計出力の貫流ボイラに対する大形燃焼室の炉壁は、運搬上の理由から工場で完成品として作れない。この場合には本来の採用現場で最終組立が必要となり、燃焼室の炉壁を形成すべく用意した部材やモジュールを現場で直接溶接せざるを得ない。その生産を容易にすべく、モジュール様式が採用され、炉壁をモジュールの形に予め作り、該モジュールを最終組立時に互いに溶接する。しかしそのような構造様式は、利用可能な材料の選択に関して、溶接時に熱的および機械的に非常に大きく負荷される材料に関連して再熱処理が不可欠なので、かなりの制限を受ける。

溶接継手の再熱処理は大きな技術的経費を必要とし、従って、一般に工場でしか実施できず、最終組立の際、現場で直接行なえない。このため従来、貫流ボイラの大形燃焼室に対する炉壁を製造する際、溶接継手の再熱処理が不要な材料しか利用できない。

化石燃料原動所の効率を高め、もってＣＯ₂発生量を減少すべく、貫流ボイラを特に高い生蒸気圧と生蒸気温度用に設計することが望まれる。かかる貫流ボイラを製造するために、高い蒸気温度と材料温度において大きな熱流密度による負荷に耐える材料が必要となる。しかしそのような材料こそ溶接継手の再熱処理を必要とする。

その材料に代えて、大きな熱的負荷にも係らず溶接継手の再熱処理が不要なニッケル基材料を利用することもできるが、この材料は、製造をかなり複雑化し、高価にする。

本発明の課題は、高い蒸気圧で運転される貫流ボイラの製造に適し、比較的安価であり又は技術的に容易な、冒頭に述べた形式の貫流ボイラの製造方法を提供することにある。またこの方法による製造に適した貫流ボイラを提供することにある。

上記課題は、本発明によれば、互いに気密に溶接された蒸発管で形成された炉壁を有する貫流ボイラの製造方法において、蒸発管を形成すべく設計し、第１材料カテゴリーの材料で作った多数の管セグメントを複数のモジュールの形に結合し、該各モジュールの、他のモジュールとの結合に対し用意した結合個所に、第２材料カテゴリーの材料で作った移行部材を設け、前記管セグメントをモジュールの形に、各モジュールが各々パネル面を形成するように結合し、互いに隣接する２つのモジュールを結合すべく用意した移行部材を、各パネル面からずれた平面内で互いに溶接すべく、湾曲突出させることによって解決される。

本発明は、貫流ボイラの製造時、貫流ボイラを高価で加工困難なニッケル基材料に代えて、徹底した通常材料を利用することで、技術的経費および生産価格を低く抑えられるという考えから出発する。その際、製造すべき貫流ボイラは、高い生蒸気圧と生蒸気温度による負荷に対し適切に対応して設計せねばならない。本発明では、炉壁を形成する蒸発管の主要部品をそれに適応するよう選択した材料で作ることを特徴としている。

それにも係らず製造費を低く抑えるべく、貫流ボイラを特に大きな割合で工場にて予め作るよう配慮する。これに伴い、特に恐らく必要となる溶接継手の再熱処理が、何時でも用意できる多くの資材を利用して非常に単純な条件下で行なえる。この結果、プレハブモジュールを高い生蒸気圧と生蒸気温度に適した材料の管セグメントで形成できる。

この基準に適した予製作モジュールの最終組立を、再処理要件を徹底的に回避しつつ可能にすべく、モジュールに、最終組立時に溶接継手の再熱処理を要せず、溶接を可能にする移行部材を設ける。そのため、移行部材は管セグメントと異なる特性の材料で作る。

本発明の有利な実施態様を従属請求項に示す。

一方で管セグメント、他方で移行部材又はそれで形成する移行ユニットの材料は、溶接継手の再熱処理が必要か否かを基準にして選択するとよい。材料が溶接継手の再熱処理を必要とするか否かを評価する上で特に適した基準は、所謂ビッカース硬さである（ＤＩＮ規格 ５０１３３）。

従って貫流ボイラにおいて燃焼室壁の大きな熱流密度で強く負荷される部分は、燃焼室壁の左程強く負荷されない部分のビッカース硬さより大きなビッカース硬さを有する第１材料カテゴリーの材料で作るとよい。燃焼室壁の左程強く負荷されない部分は第２材料カテゴリーの材料で作り、そのビッカース硬さを約３５０〜４００より低く選ぶとよい。

流れ媒体の貫流に対し並列接続される隣接した蒸発管は、特に蒸発管への大きな比入熱量を保証すべく、第２材料カテゴリーの材料で作ったフィンを介して互いに接続するとよい。即ち自明の如く、フィンは貫流ボイラの非貫流部品として内圧がかからないので過度に負荷されず、従ってこれに関する材料要件は比較的緩やかである。この低い材料要件は第２材料カテゴリーの材料で満足させ得る。貫流ボイラを垂直に敷設する際、最終組立時に水平方向における個々のモジュールの結合もこのフィンを介して問題なしにできる。そのため、モジュールに他のモジュールと結合すべく用意した個所に、各々半分の幅を持つフィンを工場で予め溶接し、最終組立時にそれらフィンを介して結合するとよい。

個々のモジュールの垂直方向における結合は、複数の移行部材と、必要に応じ補助的な湾曲接続部材から成る移行ユニットを介して行なえる。その場合、例えば第１材料カテゴリーの材料から成る管セグメントに、工場で第２材料カテゴリーの材料から成る移行部材を溶接し、その溶接継手を再熱処理する。そのように作った移行部材付き管セグメントを最終組立時に、例えば互いに直接又は同様に第２材料カテゴリーの材料で作った湾曲接続部材を介して結合する。最終組立時に形成した溶接継手は、そこに利用する材料が再熱処理を必要としないので再熱処理は不要である。

貫流ボイラに関する上述の課題は、互いに気密に溶接され、流れ媒体の貫流に対し並列接続された蒸発管で形成された炉壁を備えた貫流ボイラにおいて、少なくとも幾つかの蒸発管が、各々流れ媒体側が直列接続され第１材料カテゴリーの材料で作られた複数の管セグメントで形成され、蒸発管の流れ方向に連続する管セグメントが、各々第２材料カテゴリーの材料で作られた移行ユニットを介して互いに接続され、前記第２材料カテゴリーの材料で作られた複数の移行部材から成る多数の移行ユニットが、同じ移行ユニットの２つの移行部材を相互に接続すべく設けた溶接継手が、管セグメントで形成されたパネル面の外に位置するように配置されたことで解決される。

移行ユニットは複数の移行部材と、場合によっては湾曲接続部材とから成るとよく、移行部材を他の部品に接続すべく形成した溶接継手を管セグメントで形成したパネル面の外に位置するように配置する。

隣接する蒸発管はフィンを介して気密に溶接し、該フィンも同様に第２材料カテゴリーの材料で作るとよい。

本発明による利点は、特に燃焼室の炉壁に種々の材料を利用すること、即ち一方では管セグメント、他方では移行部材又は該部材で形成した移行ユニットに対し、各蒸発管の熱負荷に合わせた特性を有する材料を利用することで、高い蒸気圧の貫流ボイラにおける製造方法を特に単純化できることにある。種々の材料の利用と組合せは、特に蒸発管を第１材料カテゴリーの材料から工場で予め作り、モジュールの形に溶接し、再熱処理し、他のモジュールとの結合に対して用意した結合個所に、再熱処理を必要としない第２材料カテゴリーの材料で作った移行部材を設けることを可能にする。大きな熱流密度に曝される領域の外に移行部材を適切に配置することで、材料の過負荷を防止できる。組立時に個々のモジュール相互の溶接によって生ずる溶接継手は、最終組立時に第２材料カテゴリーの材料しか溶接する必要がないので、再熱処理は不要である。

以下、図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。各図において、同一部分には同一符号を付している。

図１は貫流ボイラ１を概略的に示す。その垂直煙道は炉壁４によって取り囲まれ、燃焼室を形成している。燃焼室は下端が漏斗状底６に移行している。底６は詳細に図示しない灰出し口８を有している。

煙道の領域Ａにおいて、垂直に配置された蒸発管１２で形成された燃焼室の炉壁に、多数のバーナ１０を設けている。この図は１つのバーナしか示していない。垂直に延びて配置された蒸発管１２は、フィン１４を介して気密の炉壁４の形に互いに溶接されている。

貫流ボイラ１の運転中、化石燃料の燃焼に伴い燃焼室内に火炎１６が生ずる。貫流ボイラ１の運転中、火炎１６により、符号「Ａ」を付した領域は非常な高温に曝される。火炎１６はバーナの範囲から出発して垂直方向に低下する温度分布を持つ。領域Ａの下側に火炎から離れた領域Ｂ、領域Ａの上側に火炎から離れた領域Ｃが各々存在し、該領域Ｂ、Ｃはそこに生ずる温度分布のために比較的弱い加熱に曝される。

貫流ボイラ１は高い生蒸気圧と生蒸気温度に対し、従って特に高い効率を得るべく低く抑えた製造費で済むように設計されている。そのため、蒸発管１２は特に高い熱流密度と材料温度の部分において、高い熱流密度による負荷に耐える材料で作られている。その製造費と生産価格を低く抑えるべく、燃焼室の炉壁４は工場でモジュール１７の形に予め作ってある。モジュール１７を工場で予め作る際、別の経費なしにそこに存在する多種多様の資材が利用できる利点がある。この結果、大きな熱的負荷容量を持つ材料の加工が、特に溶接継手の再熱処理の際にそれに伴って経費がかかるものの可能である。

従って、モジュールを製造すべく、特に大きな熱的負荷容量を有する第１材料カテゴリーの材料で作った管セグメント１８を互いに溶接する。該セグメント１８は、最終組立後に流れ技術的に直列接続された複数の管セグメント１８が各々１本の蒸発管１２を形成するよう選択する。

モジュール１７の最終組立時の再熱処理を回避すべく、工場において、モジュール１７の、続いて他のモジュール１７と結合すべき個所に、第２材料カテゴリーの材料から成る移行部材１９を設けるとよい。第２材料カテゴリーの材料は、溶接に対し再熱処理なしに適用できるように選択する。各管セグメント１８に、同様に工場において移行部材１９を溶接で設ける場合、管セグメント１８を構成する材料の要件を十分に満たすべく、溶接継手の再熱処理を行なう。第２材料カテゴリーの材料は、第１材料カテゴリーの材料に比べて小さなビッカース硬さを示す。

最後に現場で最終組立を行なう際、個々のモジュール１７を水平分割接合面２０と垂直分割接合面２１で各々移行部材１９を介して互いに溶接する。その場合、専ら第２材料カテゴリーの材料で作った部品相互の結合を行えばよく、再熱処理は不要である。

垂直分割接合面２１においてフィン１４を経て結合が行われ、水平分割接合面２０において、互いに溶接された複数の移行部材１９から成る移行ユニット２２を介しての結合が行われる。

図２は、特に火炎近くの領域Ａでの採用に適した水平分割接合面２０における移行範囲の実施例を示す。そこでは、熱流密度が特に高い領域Ａでの利用に向けて設計した２つの管セグメント１８を移行ユニット２２により流れ方向で互いに接続している。該移行ユニット２２は２つの移行部材１９と１つの湾曲接続部材２３から成り、該両部材１９、２３は各々第２材料カテゴリーの材料から成っている。第１材料カテゴリーの材料から成る２つの接続部材２４は、移行部材１９を管セグメント１８に接続すべく設計している。

管セグメント１８と接続部材２４との間の溶接継手２５は、該継手２５が管セグメント１８の材料特性のために再熱処理が必要なので、工場で作成する。このことは、接続部材２４と移行部材１９との間の溶接継手２６に対しても当てはまる。これに対し移行部材１９と湾曲接続部材２３との間の溶接継手２７は、該継手２７が移行部材１９および湾曲接続部材２３の材料特性のために再熱処理が不要なので、最終組立時に形成する。

フィン１４は流れ媒体による内圧を受けず、従ってフィン１４がたとえ領域Ａに位置する場合でも、第２材料カテゴリーの材料で作れる。

図３は、同様に領域Ａで利用する移行ユニット２２の異なる実施例を示す。この移行ユニット２２は、第２材料カテゴリーの材料製の２つの移行部材１９から成る。管セグメント１８は、最終組立時の溶接のために用意された個所が、モジュール１７の形に結合された管セグメント１８で形成されたパネル面から湾曲突出するように湾曲している。従ってこの実施例の場合、別個の接続部材２４は不要である。管セグメント１８と移行部材１９との間の溶接継手２６は、該継手２６が再熱処理を必要とするので工場で製造し、他方２つの移行部材１９間の溶接継手２７は最終組立時に形成する。フィン１４は流れ媒体の内圧を受けないので再熱処理が不要の第２材料カテゴリーの材料で作り、従ってフィン１４はここでも最終組立時に問題なしに溶接継手２８に溶接できる。

図４は、領域Ｂ、Ｃに設けた移行ユニット２２を介して互いに結合した２つの管セグメント１８を示す。移行ユニット２２は、第２材料カテゴリーの材料製の２つの移行部材１９から成る。管セグメント１８と移行部材１９との溶接継手２６は工場で製造し、これに対し溶接継手２７は、それが再熱処理を必要としない第２材料カテゴリーの材料間に位置しているので、最終組立時に形成する。この実施例では、火炎から離れた領域Ｂ、Ｃにおいて入熱量が非常に小さく、従って第２材料カテゴリーの材料で作った部品を本来のパネル面内に配置できるので、移行ユニット２２を、移行部材１９を相互に溶接すべく管セグメント１８で形成したパネル面内に納めている。

図５は、モジュール１７の形に結合した管セグメント１８を横断面図で示す。これら管セグメント１８をフィン１４を介して相互に接続し、蒸発管１２を形成している。蒸発管１２は第１材料カテゴリーの材料から成り、これに対しフィン１４は第２材料カテゴリーの材料から成っている。蒸発管１２とフィン１４との間の溶接継手２９は、該継手２９が蒸発管１２の材料特性のために再熱処理を必要とするので、工場で製造する。また２つのモジュール１７を垂直分割接合面２１で互いに接続する溶接継手３０は、この継手３０が再熱処理を必要としない故、最終組立時に形成する。最終組立の際、２つのモジュール１７を垂直分割接合面２１において半分の幅１３を持つフィンを介して互いに溶接する。

垂直に配置された蒸発管を備えた貫流ボイラの概略図。 移行ユニットを介して互いに接続された２つの管セグメントの概略図。 移行ユニットを介して互いに接続された２つの管セグメントの異なった実施例の概略図。 移行ユニットを介して互いに接続された２つの管セグメントの更に異なった実施例の概略図。 フィンを介して互いに接続された蒸発管の横断面図。

符号の説明

１ 貫流ボイラ、４ 炉壁、１２ 蒸発管、１４ フィン、１７ モジュール、１８ 管セグメント、１９ 移行部材、２２ 移行ユニット。

Claims (7)

1. 互いに気密に溶接された蒸発管（１２）で形成された炉壁（４）を有する貫流ボイラ（１）の製造方法において、
   蒸発管（１２）を形成すべく設計し、第１材料カテゴリーの材料で作った多数の管セグメント（１８）を複数のモジュール（１７）の形に結合し、該各モジュール（１７）の、他のモジュール（１７）との結合に対し用意した結合個所に、第２材料カテゴリーの材料で作った移行部材（１９）を設け、前記管セグメント（１８）をモジュール（１７）の形に、各モジュール（１７）が各々パネル面を形成するように結合し、互いに隣接する２つのモジュール（１７）を結合すべく用意した移行部材（１９）を、各パネル面からずれた平面内で互いに溶接すべく、湾曲突出させることを特徴とする方法。
2. 第１材料カテゴリーの材料が第２材料カテゴリーの材料に比べて高いビッカース硬さを有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 隣接する蒸発管（１２）をフィン（１４）を介して互いに気密に溶接し、該フィン（１４）を第２材料カテゴリーの材料で作ることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 互いに気密に溶接され、流れ媒体の貫流に対し並列接続された蒸発管（１２）で形成された炉壁（４）を備えた貫流ボイラ（１）において、
   少なくとも幾つかの蒸発管（１２）が、各々流れ媒体側が直列接続され第１材料カテゴリーの材料で作られた複数の管セグメント（１８）で形成され、蒸発管（１２）の流れ方向に連続する管セグメント（１８）が、各々第２材料カテゴリーの材料で作られた移行ユニット（２２）を介して互いに接続され、前記第２材料カテゴリーの材料で作られた複数の移行部材（１９）から成る多数の移行ユニット（２２）が、同じ移行ユニット（２２）の２つの移行部材（１９）を相互に接続すべく設けた溶接継手が、管セグメント（１８）で形成されたパネル面の外に位置するように配置されたことを特徴とする貫流ボイラ。
5. 第１材料カテゴリーの材料が第２材料カテゴリーの材料に比べて高いビッカース硬さを
   有することを特徴とする請求項４記載の貫流ボイラ。
6. 燃焼室壁が垂直に敷設されたことを特徴とする請求項４又は５記載の貫流ボイラ。
7. 隣接する蒸発管（１２）がフィン（１４）を介して気密に溶接され、該フィン（１４）
   が第２材料カテゴリーの材料で作られたことを特徴とする請求項４から６の１つに記載の
   貫流ボイラ。

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