JP3085873B2 - 超臨界圧変圧貫流ボイラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は事業用又は産業用の超臨
界圧変圧貫流ボイラに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の超臨界圧変圧貫流ボイラの構成例
を図９に示している。図９において、後部煙道１２に位
置する節炭器を出た給水は、火炉入口連絡管１を介して
火炉１４の下部にある火炉入口分配管寄せ１８に入り、
火炉分配管１７を通って火炉周壁蒸発管入口管寄せ４に
入り、ほぼ鉛直に配置された火炉周壁を構成する周壁蒸
発管２を上昇し火炉最上部に至る。

【０００３】この場合、火炉周壁の壁面内の熱負荷分布
に対応して各周壁蒸発管２を通過する缶水の流量を制御
するオリフィス２０を上記火炉周壁蒸発管入口管寄せ４
の出口の直上部の蒸発管に設置している。

【０００４】このように、流量を調整された各周壁蒸発
管２の缶水は、燃料及び燃焼用空気を投入し燃焼させる
バーナ及び空気噴出口をもつ燃焼設備を備えた火炉１４
を構成する火炉壁で加熱されつつ上昇し、火炉周壁蒸発
管出口管寄せ５より、火炉出口連絡管６を経て気水分離
器７に流入するが、亜臨界圧領域での運転においてはこ
こで蒸気とドレンが分離されることとなる。気水分離器
７での分離蒸気は、過熱器入口連絡管１３を経由して過
熱器９に流入する。

【０００５】一方、気水分離器７で分離されたドレンは
ドレン排出管８を通じて循環ポンプ１１により節炭器入
口に戻される。当然であるがこの場合、気水分離器７の
ドレンレベルが一定レベル以下とならぬようにドレンレ
ベル調整弁１０により制御されるようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前項に述べたような従
来の超臨界圧変圧貫流ボイラにおいては、火炉周壁蒸発
管出口部の管群間で温度アンバランスが発生する問題が
あり、これに伴う熱応力による火炉耐圧部の障害が危惧
されており、早期にこの温度アンバランスを防止する対
応策の確立が迫られているのが現状である。

【０００７】火炉周壁のメタル温度のアンバランスは、
炉内の燃焼状況によって壁面内の熱吸収量に偏差が発生
した場合に、これが各蒸発管の出口流体温度のアンバラ
ンスとなって現れるものであり、これに対する設計上の
対策としては、前項で説明したように、火炉周壁蒸発管
入口に設けるオリフィスにより熱吸収偏差に応じて給水
量を調整することで、出口流体温度のアンバランスを抑
える方式が採られていた。

【０００８】しかし、この従来方式の火炉入口部に於け
るオリフィスによる給水の流量制御は次の（１），
（２）のような問題点があり、このような問題点の為
に、従来方式の火炉入口部におけるオリフィスによる給
水の流量制御は、その設置目的に対して充分なものとな
っていない可能性がある。

【０００９】（１）火炉入口部はサブクール状態として
設計されているので、火炉上部に比べ比容積ｖが小さい
ため流速が遅く、そのため、流速の二乗に比例するオリ
フィスの圧損特性上、効果が発揮され難い。

【００１０】（２）更に、低負荷となると、給水流量が
減りその流速が減少するので、ますます上記の傾向が大
きくなる。だからといって、低負荷においても流量制御
が出来るようにオリフィスで圧損を持たせると、高負荷
時にはオリフィスでの圧損が効きすぎて、流量が極端に
絞られる蒸発管が出現するので、火炉の信頼性を損なう
こととなる。

【００１１】周壁蒸発管の過熱度の上昇に伴う温度アン
バランスの発生は、火炉壁面内に大きな熱応力を生ずる
ことから、負荷変化に伴う熱応力の繰り返しにより、火
炉耐圧部はその寿命を消費し、ひいては火炉耐圧部の損
傷によりボイラの運転に支障を来すことにもつながるも
のである。

【００１２】本発明は、このような問題を解決し、火炉
周壁蒸発管の過熱度の上昇に伴い火炉周壁蒸発管出口部
の管群間に温度アンバランスを生じさせないように構成
した超臨界圧変圧貫流ボイラを提供することを課題とし
ている。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、水冷
蒸発管により周壁を構成された火炉を有し、その火炉内
に燃料及び燃焼用空気を投入し燃焼させるバーナ及び空
気噴出口を有する燃焼設備を備え、同火炉内で発生した
燃焼ガスは火炉周壁に熱吸収されつつ火炉上部より後部
煙道側へ流れる方式の超臨界圧変圧貫流ボイラにおける
前記した課題を解決するため、部分負荷時に火炉周壁蒸
発管内の流体が二相流となる火炉周壁管中間部に炉壁面
内の熱負荷分布に対応して缶水の通過流量を調節するオ
リフィスを設置する。

【００１４】このように、本発明による超臨界圧変圧貫
流ボイラでは、流量制御の機能向上の為、従来のような
火炉入口部にオリフィスを設ける代わりに火炉中間部に
オリフィスを設ける。以下、本発明により、超臨界圧変
圧貫流ボイラにおける火炉周壁中間部にオリフィスを設
けることの有効性並びにその検証結果について説明す
る。まず火炉中間部にオリフィスを設けることの有効性
について説明する。

【００１５】（１）下部火炉においては、熱吸収量Ｑが
壁内で差があっても図５のエンタルピ／圧力チャートに
示すａ〜ｂの領域では温度は一定（飽和温度）であり、
下部火炉出口の温度を均一化する目的で火炉入口にオリ
フィスを設置する必要性は低い。

【００１６】（２）一方、上部火炉は、その後流側に蒸
発器からなる伝熱面等が設置されていなければ、上部火
炉の出口では常に過熱状態であり、また、煙道蒸発器が
あったとしても動的には十分過熱状態となり得ることか
ら、熱吸収量Ｑの分布が付き、有意な差があれば、上部
火炉の出口では確実に温度差となって表われるので、給
水流量Ｇの調整が必要である。

【００１７】（３）また、下部火炉域においては、図７
に示すように静圧損失が支配的であることにより、熱吸
収量Ｑの偏差に対して、より信頼性が高い特性をもって
いる。即ち、熱吸収量Ｑの高い部分であっても、静圧損
失（ΔＰ_static）の減少が支配的であり、全圧力損失
（ΔＰ_total ) が減少することで、その部分の流量が増
加することになるのである。これは自己調整能力がある
ということであり、この点でも下部火炉出口の温度を均
一化する目的でオリフィスを設置する必要性は低い。

【００１８】（４）一方、上部火炉域に於いては、図８
に示すように逆に摩擦損失が支配的であることにより、
熱吸収量Ｑの偏差に対する信頼性が低い特性をもってい
る。即ち、熱吸収量に分布が付いた場合、熱負荷の高い
蒸発管は摩擦損失（ΔＰ_fric）の増加が支配的であり、
全圧力損失（ΔＰ_total ) が増加して流れ難くなり、益
々ΔＴ（温度差）を増やす方向に進むので、実缶での熱
吸収分布に対応した上部火炉の流量Ｇの制御が必要とい
うことになる。

【００１９】（５）従来のオリフィス設置位置での問題
点として説明した諸点及び上記（１）〜（４）を勘案す
れば、流量Ｇの調整の為には火炉入口よりも乾き度（St
eamQuality)の高い火炉中間部でのオリフィス制御が有
効であると言える。

【００２０】次に上記に関する検証結果について説明す
る。変圧貫流ボイラは、負荷により蒸気圧力が変化す
る。従って、負荷が低ければ蒸気圧力も低く、蒸気の比
熱が圧力の高い領域に比べ小さいため、同じエンタルピ
差の熱吸収量Ｑに対して過熱域では温度差としては大き
くなる。これは図５のエンタルピ／圧力チャートと表１
に示す通りである。

【００２１】

【表１】

【００２２】それ故、低負荷で精度良く流量制御が出来
れば、高負荷では少し制御が緩くなっても熱応力的な問
題が少ないと言える。図６は負荷変化に伴う流量分配特
性を示すグラフであり、低負荷（３０％ＥＣＲ）時に火
炉熱負荷の分布に応じた缶水の流量分配を行った場合
に、高負荷（７５％ＥＣＲ）ではこの流量分配特性がど
の様に変化するかを示したものである。

【００２３】図６において、火炉下部にオリフィスを設
置した場合（一点鎖線）は、火炉中間部にオリフィスを
設置した場合（点線）に比し、負荷の変化（３０％ＥＣ
Ｒ→７５％ＥＣＲ）に対する流量分配の変化の割合が大
きい。しかも流量の少ないチューブは高負荷ではより流
量が絞られることになる。

【００２４】これは、Δｈ＝Ｑ／Ｇ（Δｈ：エンタルピ
差，Ｑ：熱吸収量，Ｇ＝チューブ当たりの流量）の関係
より、熱吸収量Ｑ一定でチューブ当たりの流量が減少す
れば、Δｈが増加することにより、温度差を助長する可
能性がある。

【００２５】オリフィスを火炉下部に設置した場合と、
火炉中間部に設置した場合とで負荷変化による流量分配
特性に差の出る理由としては、次に示すような要因に基
づく（表２，３に火炉下部と火炉中間部にそれぞれオリ
フィスを設置した場合の、負荷変化に伴う各状態量の比
率を示している）。

【００２６】即ち、オリフィスでの圧力損失は管内流速
の２乗に比例するが、火炉中間部では管内流速Ｖの変化
が殆ど無くγの変化のみであるのに対して、火炉下部に
おいては、管内流速Ｖの比が大きく２乗で影響し、缶水
流量の変化に応じてオリフィスの影響度が変化すること
となるため、負荷の変化（即ち、缶水流量の変化）に対
する流量分配の変動が大きい結果となる。

【００２７】以上により、火炉中間部にオリフィスを設
置する方が、火炉下部にオリフィスを設置する場合に比
し、各負荷の缶水流量の変化に対してオリフィスの影響
度が変化しにくく、設定した流量分配目標値を維持し易
い。

【００２８】

【表２】

【００２９】

【表３】

【００３０】なお、以上の説明からいえば、本発明によ
って設けられるオリフィスは火炉出口部に設ける事が流
量制御上最も効果があるが、通常、火炉壁は熱負荷が高
く蒸発管内面からスケールが剥がれ易く、オリフィス上
流の剥がれたスケールがオリフィスの穴を塞ぐ可能性も
あり、火炉の信頼性を損なうものとなる。

【００３１】そこで本発明に基づいてオリフィスを設け
る場合、火炉中間部に、断面が大きく従って流速の小さ
い、スケールトラブルに関しての一種のバッファーの役
割を果たす管寄せを設けて、その直後流である直上部に
オリフィスを配置した構成を採ること、或いはそれに加
え更に、オリフィス穴径を塞ぐようなスケールをオリフ
ィスの手前で防ぐ為に、オリフィス径よりも小さい径の
穴をあけた多孔板ストレーナをこの火炉周壁中間管寄せ
の中央部に備えた構成を採ることでオリフィスの位置を
火炉中間部とすることのリスクを無くす事が出来る。

【００３２】

【実施例】以下、本発明による超臨界圧変圧貫流ボイラ
について図１〜図４に示した一実施例に基づいて具体的
に説明する。なお、以下の実施例において、図９に示し
た従来の装置と同じ構成の部分には説明を簡潔にするた
め同じ符号を付してある。

【００３３】図１〜図４に示すように、本実施例のボイ
ラは、下方に燃料及び燃焼用空気を投入し燃焼させるバ
ーナ及び空気噴出口等よりなる燃焼設備を備えるほぼ鉛
直に立つ火炉１４構造で、その高さの中間部に火炉１４
の周壁蒸発管２を上部火炉周壁蒸発管１５と下部火炉周
壁蒸発管１６に分かつ火炉周壁中間管寄せ２１を設置し
ている。

【００３４】この火炉周壁中間管寄せ２１は火炉１４壁
各面にそれぞれ１本づつ合計４本設ける。火炉周壁中間
管寄せ２１内の中央全面には水平に多孔板ストレーナ２
２を取り付けてある。この管寄せ２１から上部火炉周壁
蒸発管１５として出ていく管寄せ直上部（直後流）の蒸
発管個々に適正な穴径のオリフィス２０を装着してあ
る。

【００３５】このような火炉１４を有するボイラの給
水、蒸気系統について言えば、後部煙道１２に設置され
る節炭器の出口より火炉入口連絡管１を介して火炉入口
分配管寄せ１８に入った給水は、更に火炉分配管１７を
介して火炉周壁蒸発管入口管寄せ４に入り、これから下
流が火炉１４の周壁を構成する。

【００３６】火炉１４を熱吸収しつつ下部火炉周壁蒸発
管１６より、火炉周壁中間管寄せ２１を経て上部火炉周
壁蒸発管１５に入り火炉１４最上部の火炉周壁蒸発管出
口管寄せ５に出た缶水は火炉出口連絡管６を通って気水
分離器７に入る。

【００３７】臨界圧以下であれば、この気水分離器７で
蒸気とドレンに分離され、蒸気は過熱器入口連絡管１３
を介して過熱器へと流れ、ドレンはドレン排出管８を通
じて循環ポンプ１１により節炭器入口に戻される。この
場合、気水分離器７のドレンレベルが一定レベル以下と
ならぬようドレンレベル調整弁１０により制御されるよ
うになっている。

【００３８】図２に示した火炉周壁中間管寄せ２１を設
けた周壁蒸発管の系統は図１で説明したが、図２のＡ−
Ａ断面の概念図を図３に示している。管寄せ２１の断面
の中央に図３及び図４に示すような水平な多孔板ストレ
ーナ２２を全面にわたって取り付け、その下方から入っ
てくる下部火炉周壁蒸発管１６からの管水中のスケール
のうち、上部にあるオリフィス２０の穴径に近いものは
このストレーナ２２で排除されるようにしている。

【００３９】以上のような構成を有する本実施例による
ボイラに特有な機能について以下に説明する。本実施例
のボイラでは従来のボイラのように火炉１４入口にオリ
フィス２０を設置せず、火炉中間部に、断面が大きく流
速の小さい、そしてその内部に多孔板ストレーナ２２を
備える火炉周壁中間管寄せ２１を設置し、その直後流で
ある直上部の蒸発管にオリフィス２０を設ける。このよ
うに構成したことによる働きであるが、要約してその特
徴を次の３点に集約することが出来る。

【００４０】（１）火炉周壁中間管寄せ２１の下方の下
部火炉ではオリフィス２０が無くとも、熱吸収量Ｑの高
い部分が生じた場合、静圧損失（ΔＰ_static）の減少が
支配的であり、その結果、全圧力損失（ΔＰ_total ) が
減少し、その熱吸収量Ｑの高い部分の流量が自ずから増
加する、所謂、自己調整能力が備わっている。

【００４１】（２）これに対して、上部火炉では熱吸収
量Ｑの高い蒸発管は摩擦損失（ΔＰ _fric）の増加が支配
的であり、全圧力損失（ΔＰ_total ) が増加して流量は
減少し温度差ΔＴは大きくなる一方であり、ここにオリ
フィス２０を設け、上部火炉の熱吸収分布に対応して流
量を制御するので、火炉出口流体のエンタルピレベルの
均一化が可能となる。

【００４２】（３）スケールの発生し易い火炉中間部に
おいて、バッファーとしての火炉周壁中間管寄せ２１、
更に多孔板ストレーナ２２をその内部に備えることで、
スケールトラブルフリーとする事が出来る。

【００４３】以上、本発明を図示した実施例に基づいて
具体的に説明したが、本発明がこれら実施例に限定され
ず特許請求の範囲に示す本発明の範囲内で、その具体的
構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。
例えば、上記実施例ではオリフィス２０の上流に多孔板
ストレーナ２２つきの火炉周壁中間管寄せ２１を設けて
いるが、これは必ずしも必要ない。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、従来方式の火炉入
口部におけるオリフィス設置方式が設置目的に対して充
分なものとなっていない可能性があるのに対して、本発
明によって、部分負荷時に火炉周壁蒸発管内の流体が二
相流となる火炉周壁管中間部に炉壁面内の熱負荷分布に
対応して缶水の通過流量を調節するオリフィスを設置し
た構成にすると、下部火炉は自己調整能力により熱吸収
量Ｑの分布に対応させ、、流量調整を真に必要とする火
炉周壁中間管寄せの下流、すなわち上部火炉に設置した
ことになり、そこでの熱吸収量Ｑの分布に対応させて、
火炉出口流体のエンタルピレベルの均一化を計る事が可
能となる。

【００４５】そして、オリフィスの上流に火炉周壁中間
管寄せを設けることによって、オリフィスをこのような
中間部に設置することによる二次的なスケールトラブル
をも防止するので、火炉周壁蒸発管の過熱度の上昇に伴
う温度アンバランスの発生に起因する火炉耐圧部の寿命
の消費、ひいては損傷によるボイラの運転への支障等を
防ぐ効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る超臨界圧変圧貫流ボイ
ラの系統図。

【図２】本発明の一実施例に係る超臨界圧変圧貫流ボイ
ラにおける火炉周壁中間管寄せの構造説明図。

【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。

【図４】火炉周壁中間管寄せを破断して示す斜視図。

【図５】水、蒸気のエンタルピ／圧力チャート

【図６】負荷変化に伴う流量分配特性図。

【図７】超臨界圧変圧貫流ボイラの下部火炉域における
圧力損失の状態を示した説明図。

【図８】超臨界圧変圧貫流ボイラの上部火炉域における
圧力損失の状態を示した説明図。

【図９】従来の超臨界圧変圧貫流ボイラの系統図。

【符号の説明】

１ 火炉入口連絡管 ２ 周壁蒸発管 ３ 火炉周壁蒸発管出口 ４ 火炉周壁蒸発管入口管寄せ ５ 火炉周壁蒸発管出口管寄せ ６ 火炉出口連絡管 ７ 気水分離器 ８ ドレン排出管 ９ 過熱器 １０ ドレンレベル調整弁 １１ 循環ポンプ １２ 後部煙道 １３ 過熱器入口連絡管 １４ 火炉 １５ 上部火炉周壁蒸発管 １６ 下部火炉周壁蒸発管 １７ 火炉分配管 １８ 火炉入口分配管寄せ ２０ オリフィス ２１ 火炉周壁中間管寄せ ２２ 多孔板ストレーナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F22B 37/74 F22B 3/08 F22B 29/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水冷蒸発管により周壁を構成された火炉
   を有し、その火炉内に燃料及び燃焼用空気を投入し燃焼
   させるバーナ及び空気噴出口を有する燃焼設備を備え、
   同火炉内で発生した燃焼ガスは火炉周壁に熱吸収されつ
   つ火炉上部より後部煙道側へ流れる方式の超臨界圧変圧
   貫流ボイラにおいて、部分負荷時に火炉周壁蒸発管内の
   流体が二相流となる火炉周壁管中間部に炉壁面内の熱負
   荷分布に対応して缶水の通過流量を調節するオリフィス
   を設置したことを特徴とする超臨界圧変圧貫流ボイラ。
2. 【請求項２】 前記火炉周壁管中間部に単一もしくは複
   数の火炉周壁中間管寄せを設け、この管寄せを出た直上
   部（直後流）に前記オリフィスを設置したことを特徴と
   する請求項１記載の超臨界圧変圧貫流ボイラ。
3. 【請求項３】 前記単一もしくは複数の火炉周壁中間管
   寄せの内部に前記オリフィスの穴径よりも小さい径の多
   数の穴を有する多孔板ストレーナを備えたことを特徴と
   する請求項２記載の超臨界圧変圧貫流ボイラ。