JP2012502250A - 貫流ボイラ - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の化石燃料用バーナを備え、囲壁の全部あるいは一部が互いに気密に溶接された複数の蒸気発生管によって形成され、バーナが燃焼室に配置され、燃焼室に高温燃焼ガス流路において水平煙道（６）を介して垂直煙道（８）が後置接続され、蒸気発生管の第１部分が流れ媒体流路において気水分離装置（２２）に前置接続された蒸発管系として形成され、蒸気発生管の第２部分が気水分離装置（２２）に後置接続された過熱管系として形成されている貫流ボイラに関し、この貫流ボイラを、比較的少ない修繕費を有し比較的長い寿命を有するようにする。そのために、蒸発管に平行して隣接する過熱管が、流れ媒体流路において気水分離装置（２２）のすぐ下流に後置接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の化石燃料用バーナを備え、囲壁が互いに気密に溶接された複数の蒸気発生管によって全部あるいは一部が形成され、これらのバーナが燃焼室に配置され、燃焼室に高温燃焼ガス流路において水平煙道を介して垂直煙道が後置接続され、蒸気発生管の第１部分が流れ媒体流路において気水分離装置に前置接続された蒸発管系として形成され、蒸気発生管の第２部分が気水分離装置に後置接続された過熱管系として形成されている貫流ボイラに関する。

化石燃料式ボイラにおいて化石燃料のエネルギが過熱蒸気を発生するために利用され、その過熱蒸気は続いて例えば発電所において発電のために蒸気タービンに導かれる。特に発電所環境における通常の蒸気温度および蒸気圧力において、ボイラは通常、水管ボイラとして設計され、即ち、供給された水が多数の管を通って流れ、それらの管がエネルギをバーナ火炎の放射熱の形態でおよび／又は燃焼時に生ずる燃焼ガスの対流により吸収する。

蒸気発生管はバーナの領域において一般に、蒸気発生管が互いに気密に溶接されていることによって燃焼室壁を形成している。燃焼ガス流路において燃焼室に後置接続された他の領域にも複数の蒸気発生管を排気ガス路に配置して設けることができる。

化石燃料式ボイラは多くの基準に応じて分類できる。例えばボイラはガス流の流れ方向に基づいて垂直構造形と水平構造形に分けることができる。垂直構造形の化石燃料式ボイラの場合、一般に単一煙道式ボイラと二煙道式ボイラに区別されている。

単一煙道式ボイラあるいは塔式ボイラにおいて、燃焼室における燃焼によって発生された燃焼ガスは常に垂直に下から上に流れる。燃焼ガス路内に配置されたすべての伝熱面は燃焼室の上側に位置している。塔式ボイラは比較的単純な構造と管の熱膨張により生ずる応力の簡単な支配を提供する。また燃焼ガス路内におけるすべての伝熱面は水平に配置され、従って、完全に排水することができ、これは凍結の恐れがある環境においては望ましい。

二煙道式ボイラの場合、燃焼ガス流路において燃焼室の上部に水平煙道が後置接続され、この水平煙道は垂直煙道に開口している。この第２垂直煙道においてガスは通常垂直に上から下に流れる。即ち、二煙道式ボイラにおいては数回の燃焼ガスの方向転換が行われる。この構造の利点は例えば低い構造高さおよびその結果による安価な製造費にある。

ボイラはまた自然循環式、強制循環式あるいは貫流式ボイラとして設計することができる。貫流ボイラの場合、複数の蒸発管の加熱が蒸発管における一回の貫流で流れ媒体を完全に蒸発させる。流れ媒体（通常は水）はその蒸発後に蒸発管に後置接続された過熱管に導かれ、そこで過熱される。この説明は厳密には、蒸発器において水の未臨界圧（Ｐ_Kri？２２１bar）の部分負荷時（低い温度では、水と蒸気が同時に存在し、相分離できない）においてしか当てはまらない。しかし分り易くするために、この記述を以下の説明でも一貫して使用する。

その場合、蒸発終点の位置、即ち、流れの含有水が完全に蒸発される場所は変動し、運転状況に左右される。かかる貫流ボイラの全負荷運転中、蒸発終点は例えば蒸発管の終端部位に位置し、これにより、蒸発された流れ媒体の過熱は蒸発管において既に始まる。

貫流ボイラは、自然循環ボイラあるいは強制循環ボイラと異なって圧力制限を受けず、従って、生蒸気圧に対して水の臨界圧よりも大幅に高く設計できる。

かかる貫流ボイラは、低負荷運転中あるいは始動時、通常、蒸発管の確実な冷却を保証するために蒸発管における最少流れ媒体流量で運転される。そのために、特に例えば設計負荷の４０％より低い低負荷中において蒸発器を通る純粋な貫流質量流量は、通常、蒸発管の冷却にとって足りず、このために、蒸発器を通る流れ媒体貫流量に追加的な流れ媒体貫流量が重ね合わされる。従って、始動時あるいは低負荷運転中、運転上予定された蒸発管における最少流れ媒体流量は蒸発管において完全に蒸発されず、このためにかかる運転状況の際、蒸発管の端部になお未蒸発流れ媒体が存在し、特に水・蒸気・混合体が存在する。

貫流ボイラの蒸発管に一般に燃焼室壁の貫流後に後置接続された過熱管は未蒸発流れ媒体の貫流に対しては設計されていないので、貫流ボイラは、通常、始動時および低負荷運転中も過熱管への水の流入が確実に防止されるように設計されている。そのために、蒸発管はそれに後置接続された過熱管に気水分離装置を介して接続されている。その気水分離器は、始動時あるいは低負荷運転中、蒸発管から出る水・蒸気・混合体を水と蒸気とに分離する働きをする。その蒸気は気水分離器に後置接続された過熱管に導かれ、これに対して、分離された水は例えば循環ポンプを介して再び蒸発管に導かれるか、あるいは膨張器を介して排出することができる。

しかし上述の構想は特に始動時に蒸発管と過熱管との間に大きな温度差を生じさせる。低温始動時に蒸発管をまだ未蒸発の流れ媒体が飽和温度で流れ、他方で過熱管内にまだ高温の蒸気が存在する。これに対して、高温始動時には蒸発管が低温給水で充填され、他方で過熱管がまだ運転温度レベルにある。これは異なった熱膨張により材料の過負荷と損傷を生じさせる。

本発明の課題は、比較的少ない修繕費ですみ、比較的長い寿命を有する上述した形式の貫流ボイラを提供することにある。

この課題は本発明に基づいて、複数の蒸発管に平行して隣接する複数の過熱管が、流れ媒体流路において気水分離装置のすぐ下流に後置接続されていることによって解決される。

本発明は、互いに溶接された蒸気発生管の異なった熱膨張による損傷が最少にされることによって、貫流ボイラの修繕費の低減および寿命の増大が可能であるという考えから出発している。その異なった熱膨張は蒸気発生管間の大きな温度差の結果である。その温度差は、複数の蒸気発生管の異なった冷却およびその中を流れる流れ媒体の異なった温度により引き起こされ、従って特に、互いに溶接された蒸発管と過熱管との間の分離箇所で生ずる。というのは、この分離箇所が中間接続された気水分離装置によって特に低温始動時および高温始動時に異なった温度の流れ媒体の異なった流量を有するからである。

特に二煙道式構造の貫流ボイラにおいては、構造上から平行に溶接された蒸発管と過熱管を備えた分離箇所が代表的である。蒸発管と過熱管との間の温度差をできるだけ小さく抑えるために、蒸発管に平行に溶接された過熱管における蒸気温度は最小にされねばならない。これは、その過熱管が気水分離装置のすぐ下流に後置接続され、これにより、その過熱管内を流れる流れ媒体が、中間接続された他の過熱管で温度上昇されないことによって達成される。これによって、分離箇所における損傷原因としての温度差が徹底して最小に抑えられる。

有利な実施態様において、貫流ボイラの燃焼室壁が複数の蒸発管で形成され、水平煙道の側壁が複数の過熱管で形成され、燃焼室に隣接する過熱管が、流れ媒体流路において気水分離装置のすぐ下流に後置接続されている。これによって、二煙道式ボイラにおける燃焼室の蒸発管と水平煙道の過熱管との間の垂直分離箇所における温度差が効果的に最小に抑えられる。

有利には、貫流ボイラの天井が流れ媒体流路において気水分離装置のすぐ下流に後置接続された複数の過熱管で形成されている。これは、天井の過熱管が蒸発管に隣接する他の過熱管に対して並列接続されていることを意味する。かかる配管接続は伝熱面の並列接続によって予期される圧力損失に関して有利である。

複数の蒸発管に平行して隣接する複数の過熱管が垂直に配置されている貫流ボイラにおいて、それらの過熱管は有利には流れ媒体が過熱管を上から下に貫流するように設計されている。これによって、過熱管に未蒸発流れ媒体を供給する結果を引きおこす気水分離装置の過剰供給時、その流れ媒体は過熱管の出口管寄せで排出することができる。これによって、場合により生じる流れの淀みが効果的に防止される。

本発明によって得られる利点は特に、蒸発管に平行して隣接する過熱管が流れ媒体流路において気水分離装置のすぐ下流に後置接続されていることによって、それらの管間における温度差が徹底して最小に抑えられることにある。これによって、異なった熱膨張が最小にされ、損傷および過負荷が防止され、これはその結果として貫流ボイラの僅かな修繕要求および長い寿命をもたらす。

かかる配管接続は特に循環ポンプが存在しない貫流ボイラにおいて有利である。循環しないことが蒸発器へのより低い入口温度を生じさせ、より小さな蒸気質量流量を生じさせ、始動時に必要な火炎出力の増大を生じさせる。シミュレーションの結果、特にこの設備において（従来普通であるように）過熱管が分離箇所において例えば天井のような他の過熱管に後置接続されている場合には、蒸発管と過熱管との間の分離箇所に許容できない温度差が生ずることが確認されている。この過熱管の気水分離装置のすぐ下流への後置接続はその大きな温度差を効果的に防止する。

図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

二煙道式貫流ボイラの概略構成図。

図における貫流ボイラ１は垂直煙道として形成された燃焼室２を有し、この燃焼室２には上部４において水平煙道６が後置接続されている。この水平煙道６に他の垂直煙道８が続いている。

燃焼室２の下部１０に詳細に図示されていない複数のバーナが設けられ、これらのバーナは燃焼室において液体燃料あるいは固体燃料を燃焼する。燃焼室壁１２は互いに気密に溶接された複数の蒸気発生管で形成され、これらの蒸気発生管には詳細に図示されていないポンプによって流れ媒体（通常は水）がポンプ搬送され、その流れ媒体はバーナで発生された熱によって加熱される。蒸気発生管は燃焼室２の下部１０においてスパイラル状にあるいは垂直に整列される。スパイラル状配置構造の場合、比較的高い構造費が必要であるが、その代わりに、並列接続された管の間に生ずる加熱差が垂直配管敷設構造の燃焼室２の場合に比べて小さい。

また図示された貫流ボイラ１は燃焼ガス案内を改善するために、水平煙道の底１６に直接移行し燃焼室２の中に突出するノーズ１４を有している。

燃焼室２の複数の蒸気発生管は蒸発管として設計されている。流れ媒体はそれらの中でまず蒸発され、出口管寄せ２０を介して気水分離装置２２に導かれる。気水分離装置２２においてまだ蒸発されていない水が集められ排出される。これは特に始動運転時に、蒸発管貫流において蒸発されるより多量の流れ媒体がポンプ搬送されねばならないときに必要である。発生された蒸気は後置接続され貫流ボイラ１の天井２６および水平煙道６の壁を形成する過熱管の入口管寄せ２４に導かれる。垂直煙道の側壁から水平煙道６の側壁への移行部は燃焼室壁１２の蒸発管と水平煙道６の壁における過熱管との間の分離箇所１８となっている。

化石燃料式ボイラに対しては図に示された二煙道式ボイラのほかに他の構成も勿論可能である。

燃焼室壁１２の複数の蒸発管と水平煙道６の壁における複数の過熱管との間の分離箇所１８における温度差に基づく異なった熱膨張による損傷を防止するために、それらの過熱管は気水分離装置２２のすぐ下流に接続管２８によって後置接続されている。これによって、これらの過熱管には飽和蒸気だけが供給され、高温の過熱蒸気は供給されず、これにより温度が低下される。

その場合、水平煙道６の壁における過熱管は天井２６の過熱管に対して並列接続され、上から下に貫流される。気水分離装置２２の過剰供給時にはまだ蒸発されていない流れ媒体は過熱管の出口管寄せ３０に排出することができ、流れに淀みが生ずることはない。

上述した配管接続によって、燃焼室壁１２の複数の蒸発管と水平煙道６の壁における複数の過熱管との間の分離箇所１８における温度差は最小に抑えられ、これによって、損傷を効果的に防止することができる。これにより、修繕の必要性はより少なくなり、その結果、貫流ボイラ１のより長い寿命をもたらす。

１：貫流ボイラ、２：燃焼室、６：水平煙道、８：垂直煙道、２２：気水分離装置、２６：天井。

ボイラはまた自然循環式、強制循環式あるいは貫流式ボイラとして設計することができる。貫流ボイラの場合、複数の蒸発管の加熱が蒸発管における一回の貫流で流れ媒体を完全に蒸発させる。流れ媒体（通常は水）はその蒸発後に蒸発管に後置接続された過熱管に導かれ、そこで過熱される。この説明は厳密には、蒸発器において水の未臨界圧（Ｐ_Kri ≒２２１bar）の部分負荷時（低い温度では、水と蒸気が同時に存在し、相分離できない）においてしか当てはまらない。しかし分り易くするために、この記述を以下の説明でも一貫して使用する。

Claims (4)

1. 複数の化石燃料用バーナを備え、囲壁の全部あるいは一部が互いに気密に溶接された複数の蒸気発生管によって形成され、該バーナが燃焼室に配置され、該燃焼室に高温燃焼ガス流路において水平煙道（６）を介して垂直煙道（８）が後置接続され、これら蒸気発生管の第１部分が流れ媒体流路において気水分離装置（２２）に前置接続された蒸発管系として形成され、これら蒸気発生管の第２部分が気水分離装置（２２）に後置接続された過熱管系として形成されており、
   前記複数の蒸発管に平行して隣接する前記複数の過熱管が流れ媒体流路において気水分離装置（２２）のすぐ下流に後置接続されている貫流ボイラ。
2. 燃焼室壁（１２）が複数の蒸発管で形成され、水平煙道（６）の側壁が複数の過熱管で形成され、燃焼室（２）に隣接する該過熱管が流れ媒体流路において気水分離装置（２２）のすぐ下流に後置接続されている請求項１に記載の貫流ボイラ。
3. 貫流ボイラ（１）の天井（２６）が、流れ媒体流路において気水分離装置（２２）のすぐ下流に後置接続された複数の過熱管で形成されている請求項１又は２に記載の貫流ボイラ。
4. 垂直に配置され前記複数の蒸発管に平行して隣接する複数の過熱管が、流れ媒体が該過熱管を上から下に貫流するように設計されて請求項１ないし３のいずれか１つに記載の貫流ボイラ。

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