JP3809975B2 - ボイラ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、煙道内に過熱器及び再熱器を配置してなるボイラ装置に係り、特に、再熱器よりも燃焼ガスの流れ方向に関して上流側に配置される過熱器の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、従来より知られているこの種のボイラ装置の構成を示す。この図から明らかなように、本例のボイラ装置は、火炉１と、火炉出口２に備えられた煙道３と、煙道３内に備えられた第１、第２、第３の過熱器４，５，６と、再熱器７とから主に構成されている。第１及び第２の過熱器４，５は、所謂吊り下げ型の過熱器であって、煙道３の水平部３ａを構成する天井壁８より吊り下げられ、その先端部は当該天井壁８と対向に設けられた副側壁底壁９との間に所要の空間を介して配置されている。一方、第３の過熱器６及び再熱器７は、所謂横置き型の過熱器及び再熱器であって、煙道３の垂直部３ｂを構成するケージ後壁１０に取り付けられ、その先端部が当該ケージ後壁１０と対向に設けられたケージ前壁１１との間に所要の空間を介して配置されている。
【０００３】
吊り下げ型の第１及び第２の過熱器４，５は、図６に示すように、天井壁８側の基部から副側壁底壁９側の先端部まで、煙道３の断面方向位置に関して伝熱面積がほぼ均一になるように構成されている。また、横置き型の第３の過熱器６及び再熱器７も、図７に示すように、ケージ後壁１０側の基部からケージ前壁１１側の先端部まで、煙道３の断面方向位置に関して伝熱面積がほぼ均一になるように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、煙道３内を流れる燃焼ガスの温度分布は、燃焼負荷の増減や燃料の種類の変更によって変化する。即ち、燃焼負荷の増減を例にとって説明すると、高負荷時においては、図８（ａ），（ｂ）に示すように、煙道水平部３ａの中心より天井壁８側に片寄った部分並びに煙道垂直部３ｂの中心よりケージ後壁１０側に片寄った部分が最も高温になる。これに対して、低負荷時においては、図９（ａ），（ｂ）に示すように、煙道水平部３ａの中心より副側壁底壁９側に片寄った部分並びに煙道垂直部３ｂの中心よりケージ前壁１１側に片寄った部分が最も高温になる。
【０００５】
然るに、従来のボイラ装置に備えられている過熱器は、図６及び図７に示したように、基部から先端部まで伝熱面積がほぼ均一に形成されているので、低負荷時における再熱器７の吸収熱量が小さく、再熱器７の出口蒸気温度が低くなるため、プラント全体の効率を上げることができないという問題がある。
【０００６】
従来においては、ボイラ装置にガス再循環システムを備え、低負荷時に火炉１内に再循環される燃焼ガス量を増加して燃焼ガス温度を高温に保ち、もって低負荷時における再熱器７の出口蒸気温度の低下を防止するという手段が採られている。しかしながら、ガス再循環システム等の補助的手段をボイラ装置に備えると、ボイラ装置のシステム構成が複雑化、高コスト化すると共に、これら補助的手段を駆動するための所内動力が増加し、プラント全体の効率を効率的に上げることが難しいという問題がある。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の不備を解消するためになされたものであって、その課題とするところは、システム構成を複雑化、高コスト化することなく、低負荷時における再熱器の出口蒸気温度を上げることのできるボイラ装置を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するため、煙道内に過熱器と再熱器とを配置してなるボイラ装置において、前記再熱器の設定位置よりも燃焼ガスの流れ方向に関して上流側に配置される過熱器の全部又は一部を、当該過熱器の設定位置における前記煙道の断面方向に関して伝熱面積が段階的に変化する構造とし、当該過熱器の伝熱面積が大きな部分を高負荷時に燃焼ガス温度が最も高くなる流路中に配置し、伝熱面積が小さな部分を低負荷時に燃焼ガス温度が最も高くなる流路中に配置するという構成にした。
【０００９】
煙道が水平部とこれに続く垂直部とから構成される場合には、過熱器の伝熱面積が大きな部分は前記水平部の上側又は前記垂直部の火炉からみて外側に配置され、過熱器の伝熱面積が小さな部分は前記水平部の下側又は前記垂直部の火炉からみて内側に配置される。
【００１０】
図８（ａ），（ｂ）に示したように、高負荷時においては、煙道３内を流れる燃焼ガスの温度分布は、水平部３ａの上側（天井壁８側）及び垂直部３ｂの火炉からみて外側（ケージ後壁１０側）が高くなる。したがって、再熱器７の設定位置よりも燃焼ガスの流れ方向に関して上流側に配置される過熱器４，５，６を、当該過熱器４，５，６の設定位置における煙道３の断面方向に関して伝熱面積が段階的に変化する構造とし、当該過熱器４，５，６の伝熱面積が大きな部分をこれら高負荷時に燃焼ガス温度が最も高くなる流路中に配置すると、過熱器４，５，６の吸収熱量ひいては出口蒸気温度を高く維持することができるため、プラントの効率を高く維持することができる。
【００１１】
一方、図９（ａ），（ｂ）に示したように、低負荷時においては、煙道３内を流れる燃焼ガスの温度分布は、水平部３ａの下側（副側壁底壁９側）及び垂直部３ｂの火炉からみて内側（ケージ前壁１１側）が高くなる。したがって、再熱器７の設定位置よりも燃焼ガスの流れ方向に関して上流側に配置される過熱器４，５，６の伝熱面積が小さな部分をこれら低負荷時に燃焼ガス温度が最も高くなる流路中に配置すると、過熱器４，５，６を通過して再熱器７に達する熱量が増加するため、再熱器７の吸収熱量ひいては出口蒸気温度が高くなり、低負荷時におけるプラント効率を高めることができる。よって、プラント全体の効率を高めることができる。
【００１２】
かように、上記の構成によれば、過熱器４，５，６の構成を工夫することによってプラント全体の効率を高めることができ、ガス再循環システム等の補助的手段を省略できるので、ボイラ装置のシステム構成を簡略化、低コスト化できる。なお、仮にガス再循環システム等の補助的手段を備えた場合にも、これら補助的手段を駆動するための所内動力を減少できるので、プラントの高効率化を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１〜図３に、本発明に係るボイラ装置の一実施形態例を示す。図１はボイラ装置の構成図、図２は吊り下げ型過熱器の構成図、図３は横置き型過熱器の構成図である。
【００１４】
図１から明らかなように、本例のボイラ装置も、全体的な構成については図５に示した従来のボイラ装置と同じであり、火炉１と、火炉出口２に備えられた煙道３と、煙道３内に備えられた第１、第２、第３の過熱器１４，１５，１６と、再熱器７とから主に構成されている。第１及び第２の過熱器１４，１５は、所謂吊り下げ型の過熱器であって、煙道３の水平部３ａを構成する天井壁８より吊り下げられ、その先端部は当該天井壁８と対向に設けられた副側壁底壁９との間に所要の空間を介して配置されている。一方、第３の過熱器１６及び再熱器７は、所謂横置き型の過熱器及び再熱器であって、煙道３の垂直部３ｂを構成するケージ後壁１０に取り付けられ、その先端部が当該ケージ後壁１０と対向に設けられたケージ前壁１１との間に所要の空間を介して配置されている。
【００１５】
吊り下げ型の第１及び第２の過熱器１４，１５は、図２に示すように、天井壁８側の基部１４ａ（１５ａ）の伝熱面積が大きく、副側壁底壁９側の先端部１４ｂ（１５ｂ）の伝熱面積が小さく形成されている。一方、横置き型の第３の過熱器１６は、図３に示すように、ケージ後壁１０側の基部１６ａの伝熱面積が大きく、ケージ前壁１１側の先端部１６ｂの伝熱面積が小さく形成されている。前記基部１４ａ，１５ａ，１６ａの伝熱面積及び前記先端部１４ｂ，１５ｂ，１６ｂの伝熱面積は、高負荷時において各過熱器１４，１５，１６が所要の出口蒸気温度を得るに必要な熱量を吸収でき、かつ低負荷時において再熱器７が所要の出口蒸気温度を得るに必要な熱量を吸収できるように調整される。
【００１６】
なお、再熱器７については、従来技術と同様に、ケージ後壁１０側の基部からケージ前壁１１側の先端部まで、煙道３の断面方向位置に関して伝熱面積がほぼ均一に構成される。
【００１７】
図８（ａ），（ｂ）に示したように、高負荷時においては、煙道３内を流れる燃焼ガスの温度分布が、煙道３の中心より各過熱器１４，１５，１６の基部１４ａ，１５ａ，１６ａが配置される部分において高くなるので、各過熱器１４，１５，１６より発生する出口蒸気の温度を高く維持することができる。一方、図９（ａ），（ｂ）に示したように、低負荷時においては、煙道３内を流れる燃焼ガスの温度分布が、煙道３の中心より各過熱器１４，１５，１６の先端部１４ｂ，１５ｂ，１６ｂが配置される部分において高くなるので、過熱器１４，１５，１６を通過して再熱器７に達する熱量が増加し、再熱器７の吸収熱量ひいては出口蒸気温度が高くなる。よって、低負荷時におけるプラント効率が高められ、プラント全体の効率を高めることができる。また、かかる構成によれば、過熱器１４，１５，１６の構成を工夫することによってプラント全体の効率を高めることができ、ガス再循環システム等の補助的手段を省略できるので、ボイラ装置のシステム構成を簡略化、低コスト化できる。また、仮にガス再循環システム等の補助的手段を備えた場合にも、これら補助的手段を駆動するための所内動力を減少できるので、プラントの高効率化を図ることができる。
【００１８】
なお、前記実施形態例においては、過熱器１４，１５，１６を基部と先端部との２段構造としたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではなく、過熱器１４，１５，１６を３段以上の多段構造とすることもできる。図４は、過熱器１４（１５，１６）を基部１４ａ（１５ａ，１６ａ）と先端部１４ｂ（１５ｂ，１６ｂ）と中間部１４ｃ（１５ｃ，１６ｃ）とから構成し、基部の伝熱面積を最大とし、先端部の伝熱面積を最小とし、中間部の伝熱面積をその中間とした場合を示している。
【００１９】
また、前記実施形態例においては、再熱器７の設定位置よりも燃焼ガスの流れ方向に関して上流側に配置された全部の過熱器１４，１５，１６について伝熱面積が段階的に変化する構造としたが、一部の過熱器についてのみ伝熱面積を段階的に変化させることもできる。
【００２０】
また、本発明は、燃焼負荷を増減した場合のみならず、燃焼ガス温度が異なる２種以上の燃料を使用する場合にも有効である。例えば、ガス燃料と油燃料を切替て使用するタイプのボイラ装置を例にとって説明すると、ガス専焼時における燃焼ガス温度は同じ負荷の油専焼時における燃焼ガス温度よりも高いため、放射伝熱による伝熱量が油専焼時に比べて高くなる。放射伝熱は、煙道３及び過熱器１４，１５，１６を構成する全ての伝熱面が有効に活用できるため、ガス専焼時には過熱器１４，１５，１６の伝熱面積の変化による影響を余り受けない。これに対して、油専焼時には、同じ負荷のガス専焼時に比べて燃焼ガス温度が低いため、放射伝熱量がガス専焼時よりも減少し、対流伝熱の割合が増加する。対流伝熱は、ガス流路に配置された過熱器１４，１５，１６の伝熱面積によって大きな影響を受ける。即ち、油専焼時には、煙道３内を流れる燃焼ガスの流速が、副側壁底壁９側及びケージ前壁１１側で高くなるので、伝熱面積が小さな過熱器１４，１５，１６の先端部における伝熱量が減少し、再熱器７における伝熱量が増加する。このため、再熱器７の出口蒸気温度が高められ、プラント効率が改善される。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、再熱器の設定位置よりも燃焼ガスの流れ方向に関して上流側に配置される過熱器の全部又は一部を、当該過熱器の設定位置における前記煙道の断面方向に関して伝熱面積が段階的に変化する構造とし、当該過熱器の伝熱面積が大きな部分を高負荷時に燃焼ガス温度が最も高くなる流路中に配置し、伝熱面積が小さな部分を低負荷時に燃焼ガス温度が最も高くなる流路中に配置するという構成にしたので、高負荷時におけるプラント効率を高く維持しつつ、低負荷時におけるプラント効率を高めることができるので、プラント全体の効率を高めることができる。よって、ガス再循環システム等の補助的手段が不要になり、ボイラ装置のシステム構成を簡略化、低コスト化できるか、仮にこれらの補助的手段を備えた場合にも、補助的手段を駆動するための所内動力を減少できるので、プラントの効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るボイラ装置の構成図である。
【図２】本発明に係る吊り下げ型過熱器の構成図である。
【図３】本発明に係る横置き型過熱器の構成図である。
【図４】本発明に係る吊り下げ型過熱器の他の例を示す構成図である。
【図５】従来例に係るボイラ装置の構成図である。
【図６】従来例に係る吊り下げ型過熱器の構成図である。
【図７】従来例に係る横置き型過熱器の構成図である。
【図８】高負荷時における煙道内の温度分布を示す説明図である。
【図９】低負荷時における煙道内の温度分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 火炉
２ 火炉出口
３ 煙道
３ａ 煙道水平部
３ｂ 煙道垂直部
７ 再熱器
８ 天井壁
９ 副側壁底壁
１０ ケージ後壁
１１ ケージ前壁
１４，１５，１６ 過熱器
１４ａ，１５ａ，１６ａ 基部
１４ｂ，１５ｂ，１６ｂ 先端部
１４ｃ，１５ｃ，１６ｃ 中間部

Claims (2)

1. 煙道内に過熱器と再熱器とを配置してなるボイラ装置において、前記再熱器の設定位置よりも燃焼ガスの流れ方向に関して上流側に配置される過熱器の全部又は一部を、当該過熱器の設定位置における前記煙道の断面方向に関して伝熱面積が段階的に変化する構造とし、当該過熱器の伝熱面積が大きな部分を高負荷時に燃焼ガス温度が最も高くなる流路中に配置し、伝熱面積が小さな部分を低負荷時に燃焼ガス温度が最も高くなる流路中に配置したことを特徴とするボイラ装置。
2. 請求項１に記載のボイラ装置において、前記煙道を水平部とこれに続く垂直部とから構成し、前記過熱器の伝熱面積が大きな部分を前記水平部の上側又は前記垂直部の火炉からみて外側に配置し、前記過熱器の伝熱面積が小さな部分を前記水平部の下側又は前記垂直部の火炉からみて内側に配置したことを特徴とするボイラ装置。

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