JP3916784B2 - ボイラ構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボイラに係わり特に電力事業用に使用されるような最大連続蒸発量が５００ｔ／ｈ以上となる中容量または大容量ボイラにおいて、その据付、建設コストを低減させるのに好適な貫流ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の事業用等の大容量の発電プラントでは被加熱流体の循環運転と貫流運転の切り替えを達成させるための汽水分離器を設けた貫流ボイラが使用されているが、特に高圧タービンで仕事をした蒸気を取り出して再熱し、再び中圧タービン、低圧タービンに戻して仕事を行わせ、タービンプラント全体の熱効率を向上させるいわゆる再熱ボイラが使用されている。
【０００３】
再熱ボイラでは火炉で燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを火炉後流側に設けた後部伝熱部のガス流路において二分割して分流し、その一方のガス流路に再熱器を設置し、他方のガス流路には過熱器等の伝熱管群を配置し、前記両ガス流路の後流に設置したガス分配ダンパにより各ガス流路を流れる燃焼ガス流量の配分を変化させることで、再熱器の熱吸収量を調整し、ボイラ出口の再熱蒸気温度を制御させることが一般的に行われる。
【０００４】
この場合、後部伝熱部に再熱器の他にも、過熱器、蒸発器、節炭器等多数の伝熱管群を配置することとなり、その据え付け、建設時には多くの工数、費用が必要となる。
【０００５】
後部伝熱部へ配置する伝熱管群の据付け、建設コストを低減させる工法として後部伝熱部の伝熱管群を一括したブロック構造として、当該ブロック構造の荷重を支持する支持管を利用して、このブロック構造を吊り上げる、いわゆる大型ブロック工法が有効であり、従来、ガス流れの最後流側に位置する節炭器の一部を前記支持管として使用する構成が採用されていた。
【０００６】
図２に従来技術による再熱ボイラの構成図を示す。
主給水管１から供給される水は節炭器入口管寄せ２から節炭器３、後部伝熱管支持管５、節炭器出口管寄せ４及び下降管６を流れて、火炉壁入口管寄せ１０から火炉壁１１を上昇し、火炉上部壁出口管寄せ１６を通過し、火炉上部の火炉出口管寄せ１８に集合し、その後、天井壁入口管寄せ３０から天井壁３１に流入し、この過程では水は加熱されて蒸気を含む流体となる。
【０００７】
天井壁３１から天井壁出口管寄せ３２に集合した流体は、後部伝熱壁下降管３３を介して後部伝熱壁入口管寄せ４０に集まり、次いで後部伝熱壁４１を上昇しながら熱吸収をすることにより、流体温度は上昇する。加熱された流体は後部伝熱壁後壁出口管寄せ４４から汽水分離器２０に流入する。
【０００８】
主給水管１から供給される水は前記各種伝熱管を通過中にボイラ燃焼ガスにより加熱されて汽水混合状態の流体となり、汽水分離器２０において、飽和蒸気と飽和水とに分離される。汽水分離器２０で分離された飽和蒸気は一次過熱器下降管４５を経由して一次過熱器入口管寄せ５０から一次過熱器５１へ流入し、次いで一次過熱器出口管寄せ５２に送られ、図示しない高圧蒸気タービンの駆動に利用される。また、汽水分離器２０で分離された飽和水はドレンタンク２１を介してボイラ循環ポンプ２２により再び主給水管１に循環供給される。
【０００９】
また、図示しない高圧蒸気タービンで仕事をした蒸気は低温再熱蒸気管７０から再熱器入口管寄せ７１を経て後部伝熱部に配置された再熱器７２に導かれ、所定の温度の再熱蒸気温度に過熱された後、再熱器出口管寄せ７３から図示しない中圧蒸気タービンに送られる。なお、バーナ８０が火炉下方の壁面に設けられている。
【００１０】
このように、流体の循環運転領域内に後部伝熱壁４１があるため、後部伝熱壁４１の入口管寄せ４０において、飽和蒸気と飽和水とに分離する汽水分離現象が生じて、後部伝熱壁４１での流体の流動停滞が発生するおそれがあった。
【００１１】
すなわち、前記汽水分離現象が生じることにより、後部伝熱壁入口管寄せ４０に接続された後部伝熱壁４１を構成する各伝熱管において、飽和蒸気と飽和水との比重差により伝熱管毎に流入する流体に偏流（アンバランス）が生じる。例えば、飽和水が主として流入した伝熱管では流体の持つ静水頭が大きく、伝熱管内の流体を流動させるためには、その伝熱管の入口と出口との差圧を大きく採る必要があることから、このような飽和水が流入した伝熱管では流動停滞が生じやすくなる。
【００１２】
貫流ボイラにおいて、流体流路内で流体の流動停滞が生じた場合、流動停滞が生じた流体流路で流体温度及び伝熱管のメタル温度がオーバーヒートする可能性があり、このような流体の流動停滞が発生しないようにすることが必要である。従って、後部伝熱壁４１における流体の流動停滞の発生を防止するために、入口管寄せ４０に接続された後部伝熱壁４１を構成する伝熱管の入口部にオリフィス構造を採用し、絞り抵抗を与え、さらに必要に応じて管肉厚を増加させて管内の抵抗を増加させ、管全体の流体の流動抵抗を増加させることが実施されている。
【００１３】
この場合に、後部伝熱壁下降管３３に続く、流体系路上に後部伝熱壁４１とは別に流体の一部を流す後部伝熱壁４１の支持管を設置することは後部伝熱壁４１の管内の流体流量の減少を引き起こし、流体流量の減少した後部伝熱壁４１では、後部伝熱壁４１を構成する伝熱管内の流動抵抗が減少するために、上述の流動停滞防止が困難となるため採用できなかった。
【００１４】
従って、再熱器７２、一次過熱器及び節炭器３など、多数の伝熱管群を配置した後部伝熱部の伝熱管群を一括したブロック構造として、このブロック構造を吊り上げるいわゆる大型ブロック工法を実施するには、ブロック構造を吊るための複数の支持管５として後部伝熱部の２つの流路に分割設置した節炭器３、３の出口管に相当する給水管を用いる必要があった。
【００１５】
この従来技術では、節炭器出口管寄せ４を後部伝熱部の２つに分割されたガス流路の上部にそれぞれ複数設置することとなり、水冷壁下降管６への接続を含め、設備費の増加を招くことになる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、後部伝熱部の２つに分割されたそれぞれのガス流路に各々節炭器３、３を設置し、節炭器３、３と節炭器出口寄せ４との接続部となる支持管５を後部伝熱管群（節炭器３、３、一次過熱器５１、再熱器７２）のブロック構造体の支持用に多数設けた構成とするため、節炭器出口管寄せ４を両ガス流路上部の非加熱部に設置する必要があり、節炭器出口管寄せ４の員数が増加し、また、節炭器出口管寄せ４から下降管６の入口管寄せ１０までの下降管６の員数、長さが増加するというコストアップ側の問題があった。
【００１７】
本発明の課題は、後部伝熱壁の管内での流動停滞の発生を防止して、この後部伝熱部の伝熱管群の支持管の構成を簡素化し、設備費などのコストアップを抑えることにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明はボイラの循環運転と貫流運転の切替を達成させるための汽水分離器を後部伝熱管の前流側の流体流路に設置し、後部伝熱壁内の流体を常に乾き状態とした、いわゆる蒸冷壁構成とした上で後部伝熱壁内に流れる流体と同一の乾き状態の蒸気が流れる配管により後部伝熱管群（節炭器、一次過熱器、蒸発器、再熱器など）の支持管として構成するものである。
【００１９】
すなわち、本発明は火炉で燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを用いて火炉壁及び火炉天井部に配置された天井壁と伝熱管群並びに火炉後流側のガス流路にある後部伝熱壁と後部伝熱管群を含む流体流路内を流れる内部流体から蒸気を発生させるボイラにおいて、前記流体流路を流れる内部流体の循環運転と貫流運転の切替を達成させるための汽水分離器を後部伝熱壁の前流側の前記流体流路に配置し、後部伝熱壁はその上方に設置した入口管寄せより鉛直下方の出口管寄せへ流体が流れる構成として入口管寄せと前記出口管寄せの負の静水頭により後部伝熱壁の流動停滞を防止し、更に前記出口管寄せに連接し、かつ後部伝熱壁の上方に設置した出口管寄せへ流体が流れる流体配管群により後部伝熱管群の荷重を支持する支持管群を構成して該支持管群の入り口蒸気を過熱させるボイラ構造である。
【００２０】
【作用】
従来の貫流ボイラでは、管内を被加熱流体が流れる流体流路において、汽水分離器が後部伝熱壁の後流側に位置する水冷式後部伝熱壁構成の場合には、ボイラの部分負荷、亜臨界圧運転領域で後部伝熱壁入口管寄せ内の流体が汽水混合状態にあるため、この入口管寄せ内での汽水分離現象により、後部伝熱壁を構成する管内において、流体の流動停滞が生じる。
【００２１】
その原因は、後部伝熱壁入口管寄せ内での汽水分離により、蒸気含有率の低い流体と高い流体とが後部伝熱壁内に流入した場合、後部伝熱壁での流体の静水頭の大小のアンバランスが大きくなり、静水頭が大きくなる流体の場合、流動停滞が生じるためである。
【００２２】
このため、従来は、後部伝熱壁の入口部にオリフィス構造を採用し、絞り抵抗を与えたり、さらに必要に応じては管肉厚を増加させて管内の流動抵抗を増加させ、管の出入口の圧力差を増加させ、汽水分離が生じた場合にも管内の流動停滞が生じないようにしていた。
【００２３】
前述のように、この場合には後部伝熱壁の前流側の流体流路で気液混合流体を分流して、その分流した一方の流体を後部伝熱管壁の伝熱管に流入させ、もう一方の分流した流体を流す流路を後部伝熱管の支持管として使用することは後部伝熱壁管内の流体流量を減少させることになり、上記流動停滞防止が困難となる。
【００２４】
しかし、本発明では管内に被加熱流体が流れる流体流路において、（ａ）汽水分離器（２０）を後部伝熱壁（４１）の前流側に配置する構成とすることで、後部伝熱壁（４１）には通常は乾き蒸気が流入する構成とし、かつ後部伝熱壁（４１）の管は上部に入口管寄せ（４０）、下部に出口管寄せ（４３）を持った下降流構成とすることで負の静水頭が発生し、負荷変化時等一時的に入口流体が湿り領域となり、仮に蒸気含有率の流体がある管に流入した場合においても流動停滞が発生することがない。
【００２５】
さらに、その後流、すなわち後部伝熱壁出口管寄せ（４３）に連接した管群で後部伝熱管支持管（４２）群を構成することで支持管（４２）群入口蒸気の過熱度を高くとることができると同時に、この管内流速を高くとることができるので、入口部へのオリフィス構造採用あるいは管肉厚の増加といった流動停滞防止上の対策が不要となる。
【００２６】
本発明の上記構成により、節炭器（３）の出口管寄せ（４）は節炭器（３）上部のガス流中に設置すれば良く、火炉水冷壁への下降管長さを短縮することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態になるボイラの構成図を図１に示す。
ボイラへの給水はまず、主給水管１からガス流路内に配置された節炭器入口管寄せ２を経由して節炭器３へ供給される。節炭器３では供給された給水が節炭器３内を通る間にガス流から熱吸収を行った後、節炭器出口管寄せ４から下降管６に供給される。水冷管下降管６を経た給水は水冷壁入口管寄せ１０に分配され、火炉を螺旋状に囲む、いわゆるスパイラル状に設置された火炉下部周壁管１１により火炉内での熱吸収を行いながら高温水となって上昇する。
【００２８】
この高温水は火炉下部周壁出口管寄せ１２から火炉中間混合管寄せ１３に流入し、ここで温度の均一化がなされた後、火炉上部周壁入口管寄せ１４から火炉の上部に設けられた火炉上部壁１５を上昇する間に熱吸収を行い、さらに火炉上部壁出口管寄せ１８に流入して流体温度の均一化が行われ、さらに、ボイラの管前部上方に設けた汽水分離器２０に流入する。
【００２９】
ボイラの起動時からの強制循環運転領域では前記汽水分離器２０には汽水混合の二相流が流入して、ここで蒸気と水に分離される。このうち分離した水はドレンタンク２１を介してボイラ循環ポンプ２２により、再度主給水管１に循環される。
【００３０】
また、汽水分離器２０で分離された蒸気は、天井壁入口管寄せ３０に供給される。ここで、ボイラの貫流運転時には前記汽水分離器２０に流入する全流体を構成する蒸気が天井壁入口管寄せ３０に供給される。
【００３１】
次に前記天井壁入口管寄せ３０に供給された蒸気は火炉の上部から火炉後流側のガス流路にある後部伝熱部上部にわたって設けられた天井壁３１を構成する天井壁管を経て、天井壁出口管寄せ３２に至る間に熱吸収により加熱されて、いずれの運転領域においても過熱蒸気になる。
【００３２】
前記天井壁出口管寄せ３２に集まった過熱蒸気は後部伝熱壁入口連絡管を通り、後部伝熱壁４１の上部に配置された入口管寄せ４０に流入する。後部伝熱壁入口管寄せ４０に流入した過熱蒸気は後部伝熱壁４１の管内に流入し、ここで下降流となり後部伝熱壁４１の下方に設置された後部伝熱壁出口管寄せ４３に集まる。出口管寄せ４３に集まった過熱蒸気は、出口管寄せ４３に連接し、後部伝熱管群（再熱器７２、一次過熱器５１及び節炭器３）の荷重を支持する後部伝熱管支持管４２に流入し、上部に設置された後部伝熱管支持管出口管寄せ４７に集まる。
【００３３】
出口管寄せ４７に集まった蒸気は一次過熱器下降管４５を介して一次過熱器入口管寄せ５０に流入した後、一次過熱器５１に流入して過熱された後に、一次過熱器出口管寄せ５２から二次過熱器連絡管５３を経て二次過熱器入口管寄せ５４から火炉天井部に設けられた二次過熱器５５に流入する。また、二次過熱器５５で過熱された蒸気は二次過熱器出口管寄せ５６と三次過熱器連絡管５７及び三次過熱器入口管寄せ５８を経て三次過熱器５９に流入し、所定の蒸気温度に過熱された後、三次過熱器出口管寄せ６０、主蒸気管６１を介して図示しない高圧蒸気タービンに送られる。
【００３４】
高圧蒸気タービンで仕事をした蒸気は、低温再熱蒸気管７０から再熱器入口管寄せ７１を経て、後部伝熱部に配置された再熱器７２に導かれ、所定の温度の再熱蒸気温度に過熱された後、再熱器出口管寄せ７３から高温再熱蒸気管７４を介して図示しない中圧蒸気タービンに送られる。なお、バーナ８０が火炉下方の壁面に設けられている。
【００３５】
このような本発明の実施の形態においては、後部伝熱壁４１及び後部伝熱壁支持管４２を構成する管に流入する流体が常に乾き蒸気の状態にあるため、汽水混合の二相流流域にある場合に考慮する必要がある後部伝熱管入口管寄せ４０内での汽水分離現象による後部伝熱壁４１の管内での流動停滞が発生しない。また、一時的には入口流体が湿り領域に入る可能性のある後部伝熱壁４１を下降流体経路とすることで流動停滞の発生を完全に防止することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、後部伝熱部を構成する後部伝熱壁及び後部伝熱壁支持管を構成する管に流入する流体が常に乾き蒸気の状態にあるため後部伝熱壁の管内での流動停滞の発生を防止でき、また従来必要であった節炭器出口管寄せの設置が必要でなくなり、かつ水冷壁への下降管の長さを短縮できるだけでなく、後部伝熱管群（再熱器、一次過熱器、蒸発器及び節炭器など）の大型ブロック構造化による据付けに適した支持管による荷重支持が可能になり、前記大型ブロック構造の据付け、建設コストが従来より低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態のボイラ構造を説明するための側面図である。
【図２】 従来技術のボイラ構造を説明するための側面図である。
【符号の説明】
１ 主給水管 ２ 節炭器入口管寄せ
３ 節炭器 ４ 節炭器出口管寄せ
５、４２ 後部伝熱管支持管 ６ 下降管
１０ 火炉壁入口管寄せ １１ 火炉下部周壁管
１２ 火炉下部周壁出口管寄せ １３ 火炉中間混合管寄せ
１４ 火炉上部周壁入口管寄せ １５ 火炉上部壁
１６、１８ 火炉上部壁出口管寄せ ２０ 汽水分離器
２１ ドレンタンク ２２ ボイラ循環タンク
３０ 天井壁入口管寄せ ３１ 天井壁
３２ 天井壁出口管寄せ ３３ 後部伝熱壁下降管
４０ 後部伝熱壁入口管寄せ ４１ 後部伝熱壁
４２ 支持管 ４３ 後部伝熱壁出口管寄せ
４４ 後部伝熱壁後壁出口管寄せ ４５ 一次過熱器下降管
４７ 後部伝熱管支持管出口管寄せ ５０ 一次過熱器入口管寄せ
５１ 一次過熱器 ５２ 一次過熱器出口管寄せ
５３ 二次過熱器連絡管 ５４ 二次過熱器入口管寄せ
５５ 二次過熱器 ５６ 二次過熱器出口管寄せ
５７ 三次過熱器連絡管 ５８ 三次過熱器入口管寄せ
５９ 三次過熱器 ６０ 三次過熱器出口管寄せ
６１ 主蒸気管 ７０ 低温再熱蒸気管
７１ 再熱器入口管寄せ ７２ 再熱器
７３ 再熱器出口管寄せ ７４ 高温再熱蒸気管
８０ バーナ

Claims (1)

1. 火炉で燃料を燃焼させて生じた燃焼ガスを用いて、火炉壁及び火炉天井部に配置された天井壁と伝熱管群と火炉後流側のガス流路にある後部伝熱壁と後部伝熱管群を含む流体流路内を流れる内部流体から蒸気を発生させるボイラにおいて、
   前記流体流路を流れる内部流体の循環運転と貫流運転の切り替えを達成させるための汽水分離器を後部伝熱壁の前流側の前記流体流路に配置し、
   後部伝熱壁はその上方に設置した入口管寄せより鉛直下方の出口管寄せへ流体が流れる構成として前記入口管寄せと前記出口管寄せの負の静水頭により後部伝熱壁の流動停滞を防止し、更に前記出口管寄せに連接し、かつ後部伝熱壁の上方に設置した出口管寄せへ向けて流体が流れる流体配管群により後部伝熱管群の荷重を支持する支持管群を構成して該支持管群の入り口蒸気を過熱させることを特徴とするボイラ構造。

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