JP2012508362A - 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た燃焼室（２）と互いに気密溶接された複数の蒸気発生管により形成された囲壁（１２）とを有し、燃焼室（２）に高温燃焼ガス回路において上部（４）に水平煙道（６）を介して垂直煙道（８）が後置接続され、囲壁（１２）の垂直煙道（８）側の部分が水平煙道（６）の下側において内側に傾斜され、これにより、隣接する水平煙道（６）の底（１６）と共に燃焼室（２）の中に突出するノーズ（１４）を形成している貫流ボイラに関し、特に運転中における高い信頼性のもとで簡単な構造を有するようにする。そのために、ノーズ（１４）の蒸気発生管（２０）の少なくとも一部におけるその上端に流れ媒体回路において、ノーズ（１４）の下端までほぼ垂直に導かれている複数の支持管（２６）が後置接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の化石燃料用バーナを備えた燃焼室と互いに気密溶接された複数の蒸気発生管により形成された囲壁とを有し、燃焼室に高温燃焼ガス回路において上部に水平煙道を介して垂直煙道が後置接続され、囲壁の垂直煙道側の部分が水平煙道の下側において内側に傾斜され、これにより、隣接する水平煙道の底と共に燃焼室の中に突出するノーズを形成し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電流発生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。燃焼ガス回路において燃焼室に後置接続された他の領域にも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。即ちボイラは一般に自然循環式、強制循環式あるいは貫流式ボイラとして設計される。貫流ボイラの場合、複数の蒸発管の数回の加熱により蒸発管における一回の貫流で流れ媒体が完全に蒸発する。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以下の説明でも一貫して適用する。その場合、蒸発終点の位置、即ち、流れに含まれている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かなり高く設計できる。

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畳される。従って、始動時あるいは低負荷運転中、運転上考慮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は蒸発されず、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。

一般に燃焼室壁の貫流後にはじめて貫流ボイラの蒸発管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、蒸発管は一般に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される。

またボイラはガス流の流れ方向を基礎として垂直構造形と水平構造形に分類することができる。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、燃焼室で燃焼によって発生された燃焼ガスは常に下から上に垂直に流れる。燃焼ガス路内に配置されたすべての伝熱面は燃焼ガス回路において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であり、管の熱膨張により生ずる応力を容易に制御できる。また燃焼ガス路内に配置されたボイラのすべての伝熱面は水平であり、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望まれる。

二煙道式ボイラの場合、燃焼室の上部に燃焼ガス回路において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の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。

二煙道式ボイラとして形成されたボイラにおいて、通常、壁は運転中の加熱時に自由に下向きに膨張できるようにボイラ架台に懸架して配置されている。その場合、二煙道式ボイラは、通常、煙道当たり４つの壁を有し、それらの個々の煙道の壁は、さもなければ個々の壁の結合部に許容できない応力が生じてしまうので、一様に膨張することに留意しなければならない。

またかかる二煙道式ボイラは、通常、いわゆる燃焼室ノーズを有している。このノーズは、水平煙道への移行部で内側に傾斜された燃焼室壁と水平煙道の底とで形成された突出部である。かかる燃焼室ノーズは水平煙道への移行部における燃焼ガスの流れを改善する。

しかしその場合、燃焼室ノーズによって燃焼室背面壁の敷設配管が、即ち、水平煙道側および第２の垂直煙道側の壁の配管が中断されるという欠点がある。即ち、背面壁の重量は、通常、ノーズの上端と下端との間の特別な支持構造物によってボイラ架台に、背面壁が加熱時および（例えば内圧、灰堆積あるいは自重による）荷重時に他の壁と同じ程度に動くように導かれねばならない。この問題を解決するために従来において種々の方式が存在している。

例えばノーズの上端と下端の結合が引張り棒とばね又はいわゆるばね行程の変化にもかかわらず常にほぼ同じ力を伝達する定荷重吊り具によって行われ得る。即ち、かかる構造物は壁の種々の膨張に順応する。しかし例えば変動する内圧ないし灰堆積による異なった荷重は側面壁に対する結合部に大きな応力を引き起す。またこの定荷重吊り具は経費がかかる。

他の方式は下側燃焼室の管をボイラ架台における懸架点まで垂直方向に単純に継続案内することにある。これによって、ノーズの下端からボイラ架台までの結合部は側面壁および前面壁とほぼ同じ温度を有する。その場合、もっともノーズの敷設配管は別個に行われねばならず、これは接続管における追加的経費を意味する。

さらに他の方式は、ノーズの下端における燃焼室背面壁の管を流れ媒体回路において、その管の一部がノーズの敷設配管に導かれ、他の部分がそれに対して平行でボイラ架台に対して垂直に導かれるように分割することにある。しかしこれによって、ノーズに対して管の一部しかおよび流れ媒体の一部しか用立てられず、これは事情によっては、ノーズがその燃焼室内における露出位置によって比較的大きな入熱量を有するので、ノーズの冷却不足を生じさせる。これに対して、引き出され垂直上向きに導かれた支持管に対する入熱量は相応して僅かであり、これは質量流量の分割に関して問題を引き起こす。ノーズの上側における全壁管および支持管は出口においてできるだけ同じ蒸気温度を有するようにしなければならない。また管分割の変化あるいは異なった管形状によりノーズ敷設配管への経費のかかる移行が必要である。

本発明の課題は、特に運転中における高い信頼性のもとで単純な構造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、ノーズの蒸気発生管の少なくとも一部におけるその上端に流れ媒体回路において、ノーズの下端までほぼ垂直に導かれている複数の支持管が後置接続されていることによって解決される。

本発明は、特にノーズの範囲における背面壁の懸架が垂直に配置された支持管によって行われ、これにより補助的なばねや定荷重吊り具が不要とされるとき、二煙道式における貫流ボイラの特に簡単な技術的構造が可能になるという考えから出発している。その場合、運転安全性の意味において、大きな入熱量のためにノーズ自体の十分な冷却が行われることに留意しなければならない。従ってこの背景のもとで、ほぼ全媒体流がノーズの冷却に用立てられるように、燃焼室の背面壁の下部の管のできるだけ大部分がノーズに導かれねばならない。もっともその場合、支持管としての管はもはや背面壁に対して用立てられない。もっとも又、対策としての複雑な分配系統あるいはノーズの別個の敷設配管は追加的な技術構造経費を意味する。

従って、この一見矛盾する設計目標を解決するために、まずはノーズの上端において管の一部が燃焼室の敷設配管の通常の流れ方向と逆向きに上から下に向けて導かれねばならない。これらの管はノーズの下端との結合部において背面壁に対する支持管として用いることができる。

有利な実施態様において、流れ媒体回路において、ノーズの蒸気発生管の他の一部における上端に燃焼室の天井まで垂直に導かれている複数の支持管が後置接続されている。これによって、ノーズおよびこのノーズに接続された燃焼室の下部を天井に結合し、そのようにして確実な懸架作用をする支持管も用立てられる。この支持管は流れ媒体で貫流されるので、これは燃焼室の残りの部分と同じように膨張し、４つすべての燃焼室壁の一様な膨張が生じ、壁の結合部に許容できない応力は生じない。

他の有利な実施態様において、囲壁の垂直煙道の側の部分の全蒸気発生管に流れ媒体回路においてノーズの蒸気発生管が後置接続されている。これによって、燃焼室背面壁ないしその下側蒸気発生管からの全流れ媒体がノーズに流入し、これにより、ノーズの十分な冷却に供せられることが保証される。つまりノーズはその燃焼室の内部における露出位置に基づいて特に大きな入熱量を有している。

有利には、ノーズの下端に導かれた支持管に、ノーズの下端の範囲に配置された管寄せが後置接続されている。この管寄せはこれらの支持管に対して分岐された流れ媒体を集め、相応した継続配管を介して再びこの系統に用立てられる。

そのために、ノーズの下端に導かれた支持管に、燃焼室の上部の蒸気発生管に後置接続された管に開口する複数の接続管が後置接続されている。これによって、支持管に対して分岐された媒体流は、燃焼室の上部の他の蒸気発生管に並列接続され、再びこの系統に導かれる。従って、支持管の媒体流の完全な活用が可能となる。

本発明によって得られる利点は特に、流れ媒体回路におけるほぼ垂直にノーズ下端に導かれている複数の支持管の後置接続によって、ボイラの高い運転確実性のもとでノーズの蒸気発生管の少なくとも一部の上端における特に簡単な技術的構造を可能とする。一方では、ボイラ架台により荷重を受けるために全部の蒸気発生管が利用され、例えば定荷重吊り具のような別個の構造は利用されず、他方では、この構造によって背面壁の全水・蒸気・流がノーズに対して用立てられ、燃焼室ノーズの十分な冷却を保証する。ちなみに、ノーズの別個の高価な孔あけあるいは管の形状変更を有する複雑な移行が必要とされることなく、背面壁において広く一様な温度が生ずる。

図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。

二煙道式化石燃料貫流ボイラの概略構成図。 燃焼室壁の個別蒸気発生管の敷設配管の概略図。

なお両図において同一部分には同一符号が付されている。

図１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にもう１つの垂直煙道８が続いている。

燃焼室２の下部１０に詳細には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２において液体燃料あるいは気体燃料を燃焼する。燃焼室２の囲壁１２は互いに気密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は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、発生するゆがみ状態（並列管内における流れ媒体の異なった質量流量と温度）が垂直敷設配管構造の燃焼室２の場合に比べて小さい。

また貫流ボイラ１は燃焼ガス案内を改善するために、水平煙道６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。ノーズ１４はその燃焼室２内における露出位置によって特に大きな入熱量を有し、従って、ノーズ１４の十分な冷却をすべく特に多量の流れ媒体質量流量を有していなければならない。

ボイラ１の煙道が加熱時に支障なしに下向きに膨張できるように、ボイラ１の煙道は架台１８に懸架して配置されている。これによって、ボイラ１の特に燃焼室２の全壁のできるだけ一様な膨張が生ずるようにするために、燃焼室２の全囲壁１２は一様な加熱および膨張が生ずるようにほぼ同じ温度を有するようにしなければならない。これは全支持構造物が蒸気発生管から成っていることによって最も簡単に実行できる。

一方では特に燃焼室２の囲壁１２の水平煙道６側の部分の支持構造を可能とするためおよび他方ではノーズ１４の十分な冷却を保証するため、燃焼室２の水平煙道６側の囲壁１２が図２に示されているように敷設配管されている。

燃焼室２の背面壁の下部における蒸気発生管２０はまずは点Ａで（これは点Ａ〜Ｄの幾何学的位置について図１にも図示）管寄せ２２に開口し、さらに継続して点Ｂに導かれている。ここでまずはＡ点の全質量流量がノーズ１４の敷設配管の中に導かれる。従って、燃焼室背面壁の蒸気発生管からの全質量流量がノーズの冷却に用立てられる。

その質量流量は点Ｃで分割され、管の一部は支持管２４としてボイラの天井における点Ｄまで延び、他の部分は点Ｃから支持管２６として下向きに点Ｂまで導かれている。これによって、支持管２４、２６は蒸気発生管から成る燃焼室の背面壁に対する通し支持構造物を形成している。支持管２６は点Ｂで管寄せ２８に開口し、媒体流は点Ｂに後置接続された管ないし気水分離装置に接続管３０を介して導かれる。これによって、支持管２６からの媒体流の活用も可能となる。

１：貫流ボイラ、２：燃焼室、６：水平煙道、８：垂直煙道、１２：囲壁、１４：ノーズ、２４，２６：支持管、２８：管寄せ、３０：接続管。

Claims (5)

1. 複数の化石燃料用バーナを備えた燃焼室（２）と互いに気密溶接された複数の蒸気発生管により形成された囲壁（１２）とを有し、燃焼室（２）に高温燃焼ガス回路において上部（４）に水平煙道（６）を介して垂直煙道（８）が後置接続され、囲壁（１２）の垂直煙道（８）側の部分が水平煙道（６）の下側において内側に傾斜され、これにより、隣接する水平煙道（６）の底（１６）と共に燃焼室（２）の中に突出するノーズ（１４）を形成している貫流ボイラであって、
   ノーズ（１４）の蒸気発生管（２０）の少なくとも一部におけるその上端に流れ媒体回路において、ノーズ（１４）の下端までほぼ垂直に導かれている複数の支持管（２６）が後置接続されていることを特徴とする貫流ボイラ。
2. ノーズ（１４）の蒸気発生管（２０）の他の一部におけるその上端に流れ媒体回路において、燃焼室（２）の天井までほぼ垂直に導かれている複数の支持管（２４）が後置接続されていることを特徴とする請求項１に記載の貫流ボイラ。
3. 囲壁（１２）の垂直煙道（８）の側の部分の全蒸気発生管（２０）に流れ媒体回路においてノーズ（１４）の複数の蒸気発生管が後置接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の貫流ボイラ。
4. ノーズ（１４）の下端に導かれた複数の支持管（２６）にノーズ（１４）の下端の範囲に配置された管寄せ（２８）が後置接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の貫流ボイラ。
5. ノーズ（１４）の下端に導かれた複数の支持管（２６）に、燃焼室（２）の上部の複数の蒸気発生管に後置接続された管に開口する複数の接続管（３０）が後置接続されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の貫流ボイラ。

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