JP2014052167A - ボイラ - Google Patents

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Abstract

【課題】ボイラの大型化や高コスト化を招かずに、降水管を通じて缶水の所望の還流量を取得するボイラを提供する。
【解決手段】上下方向に延びて配置される複数の水管12と、複数の水管12の下方に配置され複数の水管12の下端部に接続される下部ヘッダ13と、複数の水管12の上方に配置され複数の水管12の上端部に接続される上部ヘッダ14と、複数の水管12を加熱するバーナ16と、を有する缶体10を備え、上部ヘッダ14に、水管12において生成された蒸気と該水管12から押し上げられた缶水とを分離する気液分離空間14Aが形成されたボイラ1であって、下部ヘッダ13と上部ヘッダ14とを連通する降水管20と、降水管20に接続される給水管90と、を更に備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、ボイラに関する。詳細には、下部ヘッダと上部ヘッダとを連通する降水管を備えたボイラに関する。
従来、下部ヘッダと上部ヘッダとの間に連結した複数の水管をバーナで加熱する缶体を備える保有水量が比較的少ないボイラが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1のような保有水量が比較的少ないボイラは、蒸気を生成するまでの起蒸時間が短く、かつ、負荷変動に対する追従性も良好であるため、ボイラの運転効率が高まる。
特許文献1のようなボイラでは、水管内の缶水が沸騰して生成された蒸気によって缶水が水管から上部ヘッダに押し上げられるため、上部ヘッダの内部に滞留する缶水を下部ヘッダに効率よく還流すべく、下部ヘッダと上部ヘッダとを連通する降水管が設けられる。
特開2010−78204号公報
しかしながら、降水管を通じて上部ヘッダの内部に滞留する缶水を下部ヘッダに還流させる場合に、降水管の上部領域に気相溜まりが生じ、気相溜まりが上部ヘッダの内部に滞留する缶水の還流を阻害し、十分な缶水の還流量を取得できない場合があった。
これに対し、缶水の所望の還流量を取得するために上部ヘッダの大型化や降水管の本数の増加などの対策を実施すると、ボイラの大型化や高コスト化を招く。
本発明は上記課題を解決するためのものであり、その目的は、ボイラの大型化や高コスト化を招かずに、降水管を通じて缶水の所望の還流量を取得するボイラを提供することにある。
本発明は、上下方向に延びて配置される複数の水管と、複数の前記水管の下方に配置され複数の前記水管の下端部に接続される下部ヘッダと、複数の前記水管の上方に配置され複数の前記水管の上端部に接続される上部ヘッダと、複数の前記水管を加熱するバーナと、を有する缶体を備え、前記上部ヘッダに、前記水管において生成された蒸気と該水管から押し上げられた缶水とを分離する気液分離空間が形成されたボイラであって、前記下部ヘッダと前記上部ヘッダとを連通する降水管と、前記降水管に接続される給水管と、を更に備えるボイラに関する。
また、前記降水管は、前記上部ヘッダから水平方向に延びる水平方向部と、前記水平方向部から下方へ屈曲する屈曲部と、前記屈曲部から鉛直方向に下降する鉛直方向部と、を有し、前記給水管は、前記降水管の前記屈曲部の直上から前記屈曲部に接続されることが好ましい。
また、前記給水管の前記降水管との接続部分の開口径は、前記降水管の管径よりも小径であることが好ましい。
また、前記給水管の前記降水管との接続部分の開口中心は、前記降水管の前記鉛直方向部の管中心軸と一致することが好ましい。
本発明によれば、ボイラの大型化や高コスト化を招かずに、降水管を通じて缶水の所望の還流量を取得するボイラを提供することができる。
本発明の第1実施形態に係るボイラを示す概略構成図である。 上記実施形態に係るボイラの缶体を示す概略構成図である。 上記実施形態に係る給水時の動作説明図である。 本発明の第2実施形態に係る給水管の降水管との接続部分を拡大して示す部分拡大図である。
以下に図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
<第1実施形態>
まず、第1実施形態に係るボイラ1の構成について説明する。
図1は、本実施形態に係るボイラ1を示す概略構成図である。図2は、本実施形態に係るボイラ1の缶体10を示す概略構成図である。
図1および図2に示すボイラ1は、缶体10と、降水管20と、外部水位検出部30と、制御部40と、を備える。
缶体10は、図1および図2に示すように、ボイラ筐体11と、複数の水管12と、下部ヘッダ13と、上部ヘッダ14と、バーナ16と、を有する。缶体10は、燃料を燃焼して水管12内の缶水(ボイラ用水)を加熱する。
ボイラ筐体11は、円筒形状であり、缶体10の外形の主要部を構成する。ボイラ筐体11は、円筒形状の軸線を鉛直方向に沿わせて配置される。
複数の水管12は、ボイラ筐体11の内部に、ボイラ筐体11の軸線に合せて上下方向に延びて配置される。水管12には、バーナ16の燃焼によって加熱される缶水が保持される。
複数の水管12は、円環状に配置される内側水管群12Aと、この内側水管群12Aの外側に内側水管群12Aと同軸の円環状に配置される外側水管群12Bと、を構成する。内側水管群12Aおよび外側水管群12Bの中心軸は、ボイラ筐体11の中心軸と一致している。
内側水管群12Aは、一部を除いて、隣り合う水管12同士が当接して配置される。
外側水管群12Bは、内側水管群12Aとの間に所定の空間を形成するように内側水管群12Aから離間して、ボイラ筐体11の内壁近傍に配置される。
下部ヘッダ13は、環状の容器によって構成され、ボイラ筐体11の内部において複数の水管12の下方に配置される。下部ヘッダ13には、複数の水管12の下端部が接続される。
下部ヘッダ13には、下部ヘッダ13の内部の缶水を排出させる主排水管50が接続される。主排水管50の途中には、主排水管50における排水量を調節する主排水弁51が設けられる。
上部ヘッダ14は、環状の容器によって構成され、ボイラ筐体11の内部において複数の水管12の上方に配置される。上部ヘッダ14には、複数の水管12の上端部が接続される。
上部ヘッダ14の上部には、上部ヘッダ14の内部の蒸気を流出させる蒸気流出管15が接続される。
上部ヘッダ14は、図1および図2に示すように、下部ヘッダ13よりも高さが高く構成される。この上部ヘッダ14の内部には、気液分離空間14Aが形成される。また、上部ヘッダ14の内部には、バッフル板17および揺動抑制板18が配置される。
気液分離空間14Aは、水管12において生成された蒸気と水管12から押し上げられた缶水とを分離する空間である。この気液分離空間14Aが形成された上部ヘッダ14の内部には、ボイラ運転時には、蒸気と水管12から押し上げられた缶水との界面である気液界面AEFが存在することになる。
バッフル板17は、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFよりも上方、すなわち蒸気流出管15の近傍に配置される。バッフル板17は、気液界面AEFから上昇した水蒸気中に含まれる微細な水滴を水蒸気から分離する。
揺動抑制板18は、上部ヘッダ14の内部における気液界面AEFよりも下方に配置される。揺動抑制板18は、上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水に可及的に沈むよう配置されることが好ましく、本実施形態では、後述する降水管20と上部ヘッダ14との接続部分の中心、すなわち図2に示す水平方向に延びる中心線C1よりも下方に配置される。揺動抑制板18は、水管12から押し上げられた缶水の揺動を抑制する。
バーナ16は、上部ヘッダ14内の中央部に配置される。バーナ16は、図示しない燃料噴射ノズルおよび空気供給ノズルを有し、燃料管53から供給されて燃料供給弁54で燃料量が調整される燃料を燃料噴射ノズルからボイラ筐体11の内部に向けて噴射するとともに、空気供給ノズルから空気をボイラ筐体11の内部に供給し、火炎を下向きに放出して燃料を燃焼させて複数の水管12を加熱する。
火炎が放出されるバーナ16の下方の空間、すなわちボイラ筐体11の内部における環状に配置された内側水管群12Aに囲まれた空間が燃焼室60を構成する。燃焼室60では、燃料が燃焼され、排気が発生する。
燃焼室60の下方、すなわち下部ヘッダ13の上面および中央部は、耐火材70で覆われる。
外側水管群12Bの上部の外側とボイラ筐体11の外側に突出した内壁との間の空間は、排気通路80を構成する。排気通路80は、燃焼室60で発生した排気をボイラ筐体11から図示しない排気管を通じて排出させる。
降水管20は、缶体10の外側で下部ヘッダ13と上部ヘッダ14とを接続し、下部ヘッダ13と上部ヘッダ14とを連通する。降水管20は、上部ヘッダ14に押し上げられた缶水を下部ヘッダ13に降下させる。
降水管20の下部ヘッダ13との接続部分は、降水管20の内部の缶水が下部ヘッダ13に流入できればよく、下部ヘッダ13の中間部に設けられる。一方、降水管20の上部ヘッダ14との接続部分は、上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水を可及的に降下できるよう、上部ヘッダ14の下部に設けられる。
降水管20の上部には、降水管20内に給水する給水管90が接続される。給水管90の途中には、給水管90における給水量を調節する給水ポンプ91が設けられる。
降水管20の下部には、図1に示すように、降水管20を流通する缶水を排出させる副排水管55が接続される。副排水管55は、加熱され濃縮された缶水を排出できる。副排水管55の途中には、副排水管55における排水量を調節する副排水弁56が設けられる。
副排水弁56は、濃縮ブロー実施時に降水管20を流通する缶水の電気伝導度が所定の閾値を超えると、制御部40によって開弁され、濃縮された缶水を、副排水管55を介して外部へ排出する。なお、濃縮ブローを実施するにあたっては、制御部40は、濃縮ブローを実施前の燃焼時間を記憶しておき、その燃焼時間に基づいて実施タイミングが決定される。
降水管20および給水管90の詳細については、後述する。
外部水位検出部30は、缶体10の外部に水位制御筒31を有し、水位制御筒31の上下にそれぞれ接続された連通管32a,32bで、水位制御筒31と上部ヘッダ14との間および水位制御筒31と下部ヘッダ13との間を接続する。外部水位検出部30は、連通管32a,32bに缶体10の内部の缶水を流通させて水位制御筒31内の缶水の水位を検出することで、缶体10の内部に保持される缶水の水位を推測する。
水位制御筒31には、内部に複数の棒状の電極33a,33b,33cが配置されている。複数の棒状の電極33a,33b,33cは、それぞれ下方への長さが異なり、水位制御筒31内の異なる水位を検出する。
制御部40は、缶体10の外部に設置され、外部水位検出部30の複数の棒状の電極33a,33b,33cなどの検出信号が入力される。また、これらの検出信号に応じてバーナ16の燃料供給弁54、給水ポンプ91、主排水弁51、副排水弁56などの駆動部位に駆動信号を送信して駆動部位を制御する。
例えば、缶体10内の水位が低下すると、蒸気の乾き度が高まるが、ボイラ1が過熱するおそれが生じる。一方、缶体10内の水位が上昇すると、ボイラ1の過熱を防止できるが、蒸気の乾き度が低下するおそれが生じる。このため、制御部40は、蒸気の所望の乾き度を得ることと、ボイラ1の過熱を防止することとのバランスをとり、加えて缶体10内の缶水の濃縮度を過度に高めないように、外部水位検出部30が検出する水位によってバーナ16の燃料供給弁54、給水ポンプ91、主排水弁51、副排水弁56などの駆動部位を制御する缶体内水位制御を実施する。
次に、降水管20および給水管90の詳細について説明する。
降水管20は、図2に示すように、上側水平方向部21と、上側屈曲部22と、鉛直方向部23と、下側屈曲部24と、下側水平方向部25と、を有する。
上側水平方向部21は、上部ヘッダ14の下部と接続され、上部ヘッダ14から上側屈曲部22まで水平方向に延びる。
上側屈曲部22は、上側水平方向部21から下方へ直角に屈曲する。上側屈曲部22は、下方へ直角に屈曲した位置における上側水平方向部21からの延長方向に所定長の水平方向端部22aを有する。
上側水平方向部21から上側屈曲部22への接続は、両者が端部に有するフランジ21f,22f1を接合することにより行われる。
また、水平方向端部22aの末端では、端部のフランジ22f2に閉塞板26が接合される。
鉛直方向部23は、上側屈曲部22から下側屈曲部24まで鉛直方向に下降する。
鉛直方向部23は、上側屈曲部22および下側屈曲部24と一体的に形成されている。
下側屈曲部24は、鉛直方向部23から水平方向へ直角に屈曲する。下側屈曲部24は、水平方向へ直角に屈曲した位置における下側水平方向部25とは反対方向に所定長の水平方向端部24aを有する。
水平方向端部24aの末端では、端部のフランジ24f1に閉塞板27が接合される。
下側水平方向部25は、下部ヘッダ13の中間部と接続され、下側屈曲部24から下部ヘッダ13まで水平方向に延びる。
下側屈曲部24から下側水平方向部25への接続は、両者が端部に有するフランジ24f2,25fを接合することにより行われる。
これら上側水平方向部21と上側屈曲部22と鉛直方向部23と下側屈曲部24と下側水平方向部25とは、同じ管径を有する。
給水管90は、図2に示すように、降水管20の上側屈曲部22の直上から上側屈曲部22に接続される。具体的には、給水管90の降水管20との接続部分の開口中心Coを、降水管20の鉛直方向部23の管中心軸C2と一致させた状態で接続されている。このため、給水管90から供給される給水は、降水管20内に鉛直方向に直線的に落下する。
この給水管90の管径は、降水管20の管径よりも小径であり、降水管20との接続部分の開口径は、降水管20の管径よりも小径となっている。
次に、本実施形態に係るボイラ1の動作について説明する。
本実施形態に係るボイラ1は、缶水の保有水量が比較的少なく、バーナ16が燃焼を停止しているときには、水管12の水位が水管12の上端よりも低位となる。
バーナ16が燃焼を開始すると、複数の水管12内に保持された缶水が加熱されて沸騰する。水管12内の缶水が沸騰すると、沸騰して生成された蒸気によって缶水の一部が水管12から上部ヘッダ14に押し上げられる。これにより、上部ヘッダ14の内部では、上方に蒸気が存在するとともに下方に水管12から押し上げられた缶水が存在し、その両者を気液界面AEFが分離した状態となる。
本実施形態に係るボイラ1は、上記のような上部ヘッダ14によって気液分離を図るため、セパレータ(気液分離器または汽水分離器)が設けられておらず、上部ヘッダ14に気液分離空間14Aが形成されている。
このようなボイラ1の状態で、上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水を下部ヘッダ13に効率よく還流すべく、下部ヘッダ13と上部ヘッダ14とを連通する降水管20が設けられている。
しかしながら、降水管20を通じて上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水を下部ヘッダ13に還流させる場合に、降水管20の上部領域に気相溜まりが生じ、気相溜まりが上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水の還流を阻害し、十分な缶水の還流量を取得できない場合がある。
そのため、本実施形態に係るボイラ1では、降水管20の上側屈曲部22の直上から上側屈曲部22に給水管90を接続し、給水による缶水の引き込み効果を発揮させる。
図3は、本実施形態に係る給水時の動作説明図である。
具体的には、図3の(1)に示すように、降水管20の上側屈曲部22の直上から上側屈曲部22に接続された給水管90から給水を行い、降水管20内の蒸気が凝縮する吸熱反応を生じさせるとともに、給水の噴流の動圧によって降水管20の上部領域にエジェクタ効果による負圧を生じさせる。これらの蒸気の凝縮と負圧とによって、上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水を降水管20に引き込み降水を誘引し(給水による缶水の引き込み効果)、降水管20を介した缶水の還流量を増加する。
特に、給水管90を上側屈曲部22の直上から上側屈曲部22に接続し、給水管90からの給水を降水管20の鉛直方向部23に直接的に供給する。これによって、給水が降水管20内の蒸気に接触する確立を増加させて給水による吸熱反応を生じ易くするとともに、給水が空中落下することによる給水の噴流の動圧によってエジェクタ効果を生じ易くし、給水による缶水の引き込み効果をより向上する。
また、給水管90の降水管20との接続部分の開口径を、降水管20の管径よりも小径にしているため、給水管90からの給水が降水管20の内壁から離間した状態で降水管20の内壁を伝わらずに供給される。これによって、降水管20の内壁を伝わらずに空中落下する給水は降水管20内の蒸気に接触し易くなるとともに、給水の噴流の動圧が増大してエジェクタ効果を生じ易くなる。
また、給水管90の降水管20との接続部分の開口中心Coを、降水管20の鉛直方向部23の管中心軸C2と一致させているため、給水管90からの給水が降水管20の内壁から離間した状態で降水管20の内壁を伝わらずに供給される。これによっても、降水管20の内壁を伝わらずに空中落下する給水は降水管20内の蒸気に接触し易くなるとともに、給水の噴流の動圧が増大してエジェクタ効果を生じ易くなる。
以上によって、降水管20を介した缶水の還流量を増加し、缶体10の内部の缶水の循環量を多くする。
また、図3の(1)に示す上側屈曲部22の直上から上側屈曲部22に接続された給水管90からの給水は、図3の(2)に示すように吸熱反応により降水管20内の蒸気を凝縮させる。この凝縮した蒸気は、落下して降水管20の缶水に含まれ、図3の(3)に示すように下部ヘッダ13の水管12の入口温度を上昇させる。これにより、図3の(4)に示すように水管12の過熱限界水位が低下し、図3の(5)に示すように水管12の加熱量が増大して水管12において生成される蒸発量(蒸気速度)が増大する。このため、水管12の内壁が濡れ易くなり、ボイラ1の過熱が抑制される。
また、濃縮した降水管20内の缶水に対して新たなボイラ用水を供給するため、所定範囲に設定された電気伝導度となっている新たなボイラ用水と濃縮した缶水とが攪拌され、局所的な濃縮が起こり難くなり、缶水の濃縮度が均一化される。このため、下部ヘッダ13の内部における缶水の濃縮度も低下させ、下部ヘッダ13の防食効果も向上する。
以上の本実施形態に係るボイラ1によれば、以下の効果を奏する。
(1)ボイラ1を、下部ヘッダ13と上部ヘッダ14とを連通する降水管20と、この降水管20に接続される給水管90と、を含んで構成した。これにより、給水管90から降水管20に供給された給水によって、降水管20内の蒸気が凝縮する吸熱反応を生じさせられるとともに、給水の噴流の動圧によって降水管20の上部領域にエジェクタ効果による負圧を生じさせられる。よって、上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水を降水管20に引き込み降水を誘引できる(給水による缶水の引き込み効果)ため、降水管20を介した缶水の還流量を増加させられ、上部ヘッダ14の大型化や降水管20の本数の増加などの対策を実施する必要がない。したがって、ボイラ1の大型化や高コスト化を招かずに、降水管20を通じて缶水の所望の還流量を取得できる。
また、降水管20に接続された給水管90からの給水は、吸熱反応により降水管20内の蒸気を凝縮させ、凝縮した蒸気が降水管20の缶水に含まれ、下部ヘッダ13の水管12の入口温度を上昇させる。これにより、水管12の過熱限界水位が低下し、水管12の加熱量が増大して水管12において生成される蒸発量(蒸気速度)が増大するため、水管12の内壁が濡れ易くなり、ボイラ1の過熱を抑制できる。
(2)降水管20を、上側水平方向部21と、上側屈曲部22と、鉛直方向部23と、を含んで構成し、給水管90を上側屈曲部22の直上からこの上側屈曲部22に接続した。これにより、給水管90からの給水を降水管20の鉛直方向部23に直接的に供給できる。したがって、給水による吸熱反応を生じ易くできるとともに、エジェクタ効果を生じ易くでき、給水による缶水の引き込み効果をより向上できる。
(3)給水管90の降水管20との接続部分の開口径を、降水管20の管径よりも小径にした。これにより、給水管90からの給水を降水管20の内壁から離間した状態で降水管20の内壁を伝わらずに供給できる。したがって、給水による缶水の引き込み効果をより向上できる。
(4)給水管90の降水管20との接続部分の開口中心Coを、降水管20の鉛直方向部23の管中心軸C2と一致させた。これにより、給水管90からの給水を降水管20の内壁から離間した状態で降水管20の内壁を伝わらずに供給できる。したがって、給水による缶水の引き込み効果をより向上できる。
なお、本発明は上記第1実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲で変形、改良などを行っても、本発明の範囲に包含される。
第1実施形態に係る給水管90は、降水管20の上側屈曲部22の直上から上側屈曲部22に接続されていたが、これに限られない。例えば、給水管90を降水管20の鉛直方向部23の途中に接続するものであってもよい。
<第2実施形態>
第2実施形態では、給水管90の降水管20との接続部分の構成が第1実施形態と異なるが他の部分は同様であるため、その特徴部分を説明し、同様の構成については説明を省略する。
第2実施形態に係る給水管90の降水管20との接続部分の構成について説明する。
図4は、本実施形態に係る給水管90の降水管20との接続部分を拡大して示す部分拡大図である。
本実施形態では、給水管90は、給水内管90aを有する。
給水内管90aは、降水管20の上側屈曲部22との接続部分から鉛直方向部23の内部に鉛直方向に延出されている。
給水内管90aは、中心軸C3を降水管20の鉛直方向部23の管中心軸C2と一致させた状態で給水管90に接続され、給水管90の管径と同じ管径を有し、先端が水管12内の缶水の水位と同程度の高さ位置まで延出されている。
本実施形態に係るボイラ1では、給水内管90aの先端が水管12内の缶水の水位と同程度の高さ位置まで延出されているため、給水を降水管20内の缶水の循環速度よりも速い速度で供給すると、給水内管90aの先端付近では圧力が下がり、缶水を鉛直方向に多く引き込む流れが生じる。これによって、上部ヘッダ14の内部に滞留する缶水を降水管20に引き込み降水を誘引し(給水による缶水の引き込み効果)、降水管20を介した缶水の還流量を増加する。
また、給水内管90aの先端を水管12内の缶水の水位と同程度の高さ位置まで延出しているため、給水内管の先端が高すぎる場合に生じるハンマリングによる音の発生を防止する。
1…ボイラ
10…缶体
12…水管
12A…内側水管群
12B…外側水管群
13…下部ヘッダ
14…上部ヘッダ
14A…気液分離空間
15…バーナ
20…降水管
21…上側水平方向部
22…上側屈曲部
23…鉛直方向部
24…降水管
AEF…気液界面
Co…開口中心
C2…管中心軸

Claims (4)

  1. 上下方向に延びて配置される複数の水管と、
    複数の前記水管の下方に配置され複数の前記水管の下端部に接続される下部ヘッダと、
    複数の前記水管の上方に配置され複数の前記水管の上端部に接続される上部ヘッダと、
    複数の前記水管を加熱するバーナと、を有する缶体を備え、前記上部ヘッダに、前記水管において生成された蒸気と該水管から押し上げられた缶水とを分離する気液分離空間が形成されたボイラであって、
    前記下部ヘッダと前記上部ヘッダとを連通する降水管と、
    前記降水管に接続される給水管と、を更に備えるボイラ。
  2. 前記降水管は、前記上部ヘッダから水平方向に延びる水平方向部と、前記水平方向部から下方へ屈曲する屈曲部と、前記屈曲部から鉛直方向に下降する鉛直方向部と、を有し、
    前記給水管は、前記降水管の前記屈曲部の直上から前記屈曲部に接続される請求項1記載のボイラ。
  3. 前記給水管の前記降水管との接続部分の開口径は、前記降水管の管径よりも小径である請求項2記載のボイラ。
  4. 前記給水管の前記降水管との接続部分の開口中心は、前記降水管の前記鉛直方向部の管中心軸と一致する請求項3記載のボイラ。
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