JP4272622B2 - 横置形ボイラの運転方法とこの運転方法を実施するためのボイラ - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ガスがほぼ水平方向に貫流する燃焼ガス通路の中に蒸発器・貫流伝熱面が配置され、この蒸発器・貫流伝熱面が流れ媒体の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管を有し、該蒸気発生管が、それぞれほぼ垂直に配置され流れ媒体が下向きに貫流する降下管部分と、流れ媒体側においてこの降下管部分に後置接続されかつほぼ垂直に配置され、流れ媒体が上向きに貫流する上昇管部分とを有し、前記蒸発器・貫流伝熱面が、同じ蒸発器・貫流伝熱面の他の蒸気発生管に比べ余計に加熱される蒸気発生管においては、前記の他の蒸気発生管に比べて大きな流れ媒体流量を有するように設計されているボイラの運転方法に関する。また本発明はこの方法を実施するためのボイラに関する。

ガス・蒸気複合タービン設備において、ガスタービンからの膨張した作動媒体又は燃焼ガスに含まれる熱は、蒸気タービン用の蒸気を発生するために利用される。熱伝達はガスタービンに後置接続された廃熱ボイラで行われ、該廃熱ボイラには、通常給水加熱用、蒸気発生用、蒸気過熱用の多数の伝熱面が配置されている。これら伝熱面は、蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。この水・蒸気回路は一般に複数、例えば３つの圧力段を含み、その各圧力段は蒸発伝熱面を有している。

ガスタービンの排気ガス側に廃熱ボイラとして後置接続されたボイラは、種々の選択可能な設計構想にあり、即ち、貫流ボイラとしての設計又は循環ボイラとしての設計が考えられる。貫流ボイラの場合、蒸発管として設けられた蒸気発生管の加熱によって、蒸気発生管内の流れ媒体は一回の貫流で蒸発する。これに対して、自然循環ボイラ又は強制循環ボイラの場合、循環水は、これを更に蒸発させるべく発生した蒸気を分離した後で、同じ蒸発管にあらためて導入される。

貫流ボイラは自然循環ボイラや強制循環ボイラと異なり圧力の制限がないので、生蒸気圧は、液相と気相との区別がつかず、従って、相の分離もできない水の臨界圧（Ｐ_kri≒２２１×１０⁵Ｐａ）よりかなり高く設計できる。高い生蒸気圧は熱効率を高め、従って化石燃料形発電所のＣＯ₂放出を僅かにする。また、貫流ボイラは循環ボイラに比べて簡単な構造を持つので、特に安価に製造できる。従って、ガス・蒸気複合タービン設備の総合効率を簡単な構造で高めるべく、ガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラとして貫流原理で設計したボイラを使用すると特に有利である。

横置形構造の廃熱ボイラは、製造費用に関する他に必要な点検作業に関しても特に利点を有する。この横置形廃熱ボイラの場合、加熱された媒体又は燃焼ガス、即ちガスタービンからの排気ガスが、ほぼ水平の流れ方向に貫流する。しかし、横置形ボイラでは、蒸発器・伝熱面の蒸気発生管はその位置に応じ著しく異なる加熱に曝される。特に、貫流ボイラの出口側が共通の出口管寄せに開口している蒸気発生管では、個々の蒸気発生管の異なる加熱は、互いに著しく異なった蒸気パラメータを有する蒸気流の合流を生じさせ、従って、望ましくない効率損失を生じ、特にその伝熱面の効率を非常に悪化させ、これによって、蒸気の発生を低下させる。また隣接する蒸気発生管の異なる加熱は、特にそれらの出口管寄せの開口部において蒸気発生管又は管寄せに損傷を生じさせる恐れがある。従って、横置形構造に形成された貫流ボイラのガスタービンの廃熱ボイラとしての望ましい利用は、十分安定した流れ案内に関して大きな問題をもたらす。

欧州特許第０９４４８０１号明細書で、横置形構造の設計に適し、かつ貫流ボイラの上述の利点を有するボイラが公知である。そのため、該ボイラの蒸発伝熱面は貫流伝熱面として形成され、同じ貫流伝熱面を持つ他の蒸気発生管に比べ余計に加熱される蒸気発生管が、前記の他の蒸気発生管に比べ大きな流れ媒体流量を有するよう設計されている。ここで貫流伝熱面とは、一般に、貫流原理に応じた貫流に対し設計された伝熱面を意味する。即ち、貫流伝熱面として形成された蒸発伝熱面に導入された流れ媒体は、その貫流伝熱面を通しての一回の貫流で、又は直列接続された多数の貫流伝熱面を有する伝熱面系を通しての一回の貫流で、完全に蒸発される。

従って、公知のボイラの貫流伝熱面として形成した蒸発伝熱面は、個々の蒸気発生管が異なる加熱を受ける場合でも自然循環蒸発伝熱面の流れ特性の形で自己安定挙動を呈し、この自己安定挙動は、流れ媒体側において並列接続され、異なる加熱を受ける蒸気発生管においても、それらの出口側温度を、外的処置を施すことなく同じにさせる。

かかる構造のボイラは、特に流れ媒体の水側および／又は蒸気側の分配を考えに入れて特に安価な製造費用と点検費用で熱応力による負荷を特に小さくすべく、ボイラの蒸発器・貫流伝熱面を、Ｕ字状構造の形で、流れ媒体の貫流に対し並列接続した多数の蒸気発生管で形成し、該各蒸気発生管を、各々ほぼ垂直に配置され流れ媒体が下向きに貫流する降下管部分と、流れ媒体側においてこの降下管部分に後置接続されほぼ垂直に配置され流れ媒体が上向きに貫流する上昇管部分とを有している。この構造の場合、自明のとおり、各蒸気発生管の降下管部分に存在する水柱の測地学的圧力による貫流伝熱面の貫流を促進する（流れを助長する）圧力貢献分が利用される。

もっともそのような構造は、基本的に蒸発器・貫流伝熱面の運転中の不安定な流れの発生を助長し、該不安定流れは運転上の欠点を生じさせる。蒸発器・貫流伝熱面を形成する蒸気発生管への比較的低い質量流量密度と、それに伴う比較的小さな摩擦圧力損失での供給とにより、確かに蒸気発生管内に自然循環特性が得られ、これは流れを安定させる働きをする。それでもなお、下向きに貫流される降下管部分を備えたこの種構造において、蒸発器・貫流伝熱面の運転中における流れ状態を更に大きく安定化することが望まれる。

本発明の課題は、非常に単純な様式で、蒸発器・貫流伝熱面の運転中の、特に大きな流れ安定性を確保できる、冒頭に述べた形式のボイラの運転方法を提供することにある。また本方法を実施するのに特に適した、冒頭に述べた形式のボイラを提供することにある。

方法に関する課題は、本発明に基づき、蒸発器・貫流伝熱面の流れ媒体を、該媒体が各蒸気発生管の降下管部分内で所定の最低速度より大きな流速を有するように供給することで解決できる。

本発明は、冒頭に述べた形式のボイラにおける特に大きな流れ安定性、従って特に大きな運転安全性が、流れを不安定化させると考えられる原因を徹底して抑制することで得られるという考えから出発する。自明のように、考え得る原因として、各蒸気発生管の降下管部分内における蒸気泡の発生が挙げられる。即ち降下管部分内に蒸気泡が発生すると、その泡は降下管部分内に存在する水柱内を上昇し、このため流れ媒体の流れ方向と逆向きの動きをする。おそらく存在する蒸気泡の、そのような流れ媒体の流れ方向と逆向きの動きを徹底して防止すべく運転パラメータを適当に設定すると、流れ媒体の本来の流れ方向への蒸気泡の強制的連れ出しが保証される。これは蒸発器・貫流伝熱面への流れ媒体の供給を適当な様式で行うことで達成され、その際、蒸気発生管内での流れ媒体の十分大きな流速が、多分存在するか発生する蒸気泡に関し所望の連れ出し作用を生じさせる。

各蒸気発生管の降下管部分での流れ媒体の流速は、どんな場合でも許容運転範囲で、おそらく存在する蒸気泡の確実な連れ出しを保証すべく設定している。そのため、各蒸気発生管の降下管部分における流れ媒体の流速の最低速度として、蒸気泡を連れ出すために必要な流速を設定し、場合によっては適当に選択した安全係数だけ高めるとよい。

各蒸気発生管の降下管部分における流れ媒体の十分高い流速の設定は、流れ媒体を各蒸気発生管の降下管部分に部分蒸発状態および／又は或る最低エンタルピーで供給することで、特に簡単にできる。そのため流れ媒体を、蒸発器・貫流伝熱面への流入前に、該蒸発器・貫流伝熱面への流入時に所定の最低蒸気含有量又は最低エンタルピーより大きな蒸気含有量および／又はエンタルピーを有するように、部分的に予蒸発させるとよい。

ボイラについての本発明の課題は、本発明に基づき、蒸発器・貫流伝熱面に流れ媒体側においてもう１つの（第２）蒸発器・貫流伝熱面を前置接続することで解決できる。

従って、ボイラの蒸発器系を多段式とし、その際、第２蒸発器・貫流伝熱面を予蒸発器の形で、流れ媒体が本来（第１）の蒸発器・貫流伝熱面に流入する前に流れ媒体を適当に状態調整するために利用するとよい。これに対し本来（第１）の蒸発器・貫流伝熱面は、流れ媒体の蒸発を完全にするための第２蒸発段の形で使う。

第２蒸発器・貫流伝熱面も、各蒸気発生管における自然循環特性の徹底利用による自己安定流れ挙動に対し設計するとよい。そのため第２蒸発器・貫流伝熱面が、流れ媒体の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管を有すると目的に適う。これら蒸気発生管は、第２蒸発器・貫流伝熱面の他の蒸気発生管に比べて余計に加熱される蒸気発生管を、前記の他の蒸気発生管に比べて大きな流れ媒体流量を有するように設計するとよい。

第１蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管の降下管部分内に存在する蒸気泡の、この所望の徹底した連れ出し作用を確実に保証すべく、第２蒸発器・貫流伝熱面を、それに後置接続された蒸発器・貫流伝熱面に流入する流れ媒体が、運転中、蒸気泡を連れ出すために必要な最低速度より大きな流速を有するように寸法づけるとよい。

ボイラの第１蒸発器・貫流伝熱面を上述のＵ字状をなす蒸気発生管で形成する一方で、第２蒸発器・貫流伝熱面を、そこに存在する蒸気泡による障害を回避すべく、流れ媒体が下から上に向けて貫流するようにほぼ垂直に敷設した蒸気発生管で形成するとよい。従って、特に第２蒸発器・貫流伝熱面は専ら上昇管部分で形成する。

ボイラのこの実施態様では、第２蒸発器・貫流伝熱面に、燃焼ガス通路の上側に配置された多数の流れ媒体用出口管寄せを設けるとよい。第２蒸発器・貫流伝熱面から流出する流れ媒体の出口側均質化に関する特に単純化した構想に関し、第２蒸発器・貫流伝熱面に流れ媒体側で後置接続した出口管寄せは、その長手軸線が燃焼ガス流れ方向に対しほぼ平行になるように向けるとよい。

この実施態様では、第２蒸発器・貫流伝熱面の元来利用している特性、即ち自己安定循環特性を、分配の単純化のため徹底的に利用する。自己安定循環特性のため、燃焼ガス流れ方向に見て連続して配置され、従って異なる加熱を受ける蒸気発生管は、出口側がほぼ同じ蒸気状態で共通の出口管寄せに開口する。蒸気発生管から流出する流れ媒体は、出口管寄せ内で混合され、続く伝熱面系への継続案内に対し、混合時に得られた均質化を害することなしに準備される。従って、第２蒸発器・貫流伝熱面に後置接続した非常に高価な別個の分配系は不要となる。

非常に単純な構造とすべく、第２蒸発器・貫流伝熱面が、燃焼ガス流れ方向に見て連続して配置した多数の管層を管束の形で有し、各管層を、燃焼ガス流れ方向に見て並べて配置した多数の蒸気発生管で形成するとよい。第２貫流伝熱面に流れ媒体側で後続する次の貫流伝熱面への高価な分配系を省いての流れ媒体の分配は、他の有利な実施態様では、第２蒸発器・貫流伝熱面に、各管層の蒸気発生管の数に相当する数の出口管寄せを付設し、該管寄せの長手軸線を燃焼ガス流れ方向に対し平行に向けることで特に単純化できる。各出口管寄せに、各管層の１つの蒸気発生管が開口する。出口管寄せは、燃焼ガス通路の上側に配置すると望ましい。

第１蒸発器・貫流伝熱面を形成する蒸気発生管をほぼＵ字状に形成することで、その流入部を燃焼ガス通路の上部又は上側に位置させる。第２蒸発器・貫流伝熱面に付属し、燃焼ガス通路の上側に配置され、長手軸線が燃焼ガスの流れ方向に対しほぼ平行に向いた出口管寄せを徹底利用することで、第１蒸発器・貫流伝熱面と第２蒸発器・貫流伝熱面との結合は、有利な実施態様では、第２蒸発器・貫流伝熱面の出口管又は各出口管寄せを、流れ媒体側で後置接続した第１蒸発器・貫流伝熱面のそれらに対応した入口管寄せと１つの構造ユニットの形に一体化することで、特に僅かな経費で可能となる。

この配置構造は、第２蒸発器・貫流伝熱面から流出する流れ媒体の、流れ媒体側に後置接続した第１蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管への直接転流を可能にする。この配置構造の場合、第２蒸発器・貫流伝熱面から流出する流れ媒体の第１蒸発器・貫流伝熱面への継続案内は、第２蒸発器・貫流伝熱面の出口管寄せ内での混合で得た均質化を殆ど害することなしにできる。従って、第２貫流伝熱面の出口管寄せと第１貫流伝熱面の入口管寄せとの間の、高価な分配器又は接続管並びにそれに付属する混合・分配要素は不要となり、全般的に配管案内が非常に単純になる。

他の有利な実施態様では、第１蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管は入口側を、管寄せユニットの長手軸線に対し垂直な共通平面内で、それらに対応する入口管寄せに接続する。この配置構造で、一体構造ユニットの第２蒸発器・貫流伝熱面用出口管寄せとして利用する部分から出て第１蒸発器・貫流伝熱面に流入する、部分的に蒸発した流れ媒体を、一体構造ユニットの第１蒸発器・貫流伝熱面用入口管寄せとして用いる部分の底に衝突させ、そこでもう一度渦巻かせ、続いて各入口管寄せに接続した第１蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管に、ほぼ同量の二相流れ媒体を流入させることができる。その際、各入口管寄せからの流出個所の、管寄せユニットの長手軸線に対する対称配置に基づき、第１貫流伝熱面への流れ媒体の特に均質な供給が可能となる。

このボイラをガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラとして利用するとよい。該ボイラは、ガスタービンに排気ガス側に後置接続すると望ましい。この接続では、ガスタービンの下流に排気ガス温度を高めるための追加燃焼装置を配置するとよい。

本発明により得られる利点は、特にほぼＵ字状に形成した蒸気発生管で構成した第１貫流伝熱面への流入前に、流れ媒体が本発明に基づき所定の基準に応じて少なくとも部分的に予蒸発することで、流れ媒体の所望の蒸気含有量および／又は所望のエンタルピーが得られることにある。第１貫流伝熱面に流入する流れ媒体の蒸気含有量および／又はエンタルピーを所定の最低蒸気含有量および／又は最低エンタルピーより大きく適切に選択することで、第１貫流伝熱面の各蒸気発生管の降下管部分内での流れ媒体の十分な流速を保証できる。つまり、質量流量が同じなら、水・蒸気混合体の流速は、蒸気含有量、従って比容積の増大に伴い大きくなる。

水・蒸気混合体の流速は、特に各蒸気発生管の降下管部分内に存在する蒸気泡を確実に一緒に運び、各降下管部分に後置接続した上昇管部分に転流させる程に大きく設定する。従って第１蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管が仮にＵ字状であっても、流れ媒体の流れ方向と逆向きの蒸気泡の動きを確実に防ぎ、もってそのように形成した蒸発器・貫流伝熱面を備えたボイラの特に大きな流れ安定性、従って特に高い運転確実性を保証できる。

以下、図を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付している。

図１に蒸発器部分を示すボイラ１は、廃熱ボイラの形で、ガスタービン（図示せず）の排気ガス側に後置接続されている。ボイラ１は外周壁２を備える。この壁２は、矢印４で示すほぼ水平方向ｘにガスタービンからの排気ガスが貫流する燃焼ガス通路６を形成している。該通路６内に、複数（この実施例では２つ）の蒸発器・伝熱面８、１０が配置されている。これら蒸発器・伝熱面８、１０は貫流原理に応じて設計され、流れ媒体Ｗ、Ｄの貫流に関し直列接続されている。

蒸発器・貫流伝熱面８、１０で形成された多段蒸発器系に、未蒸発流れ媒体Ｗが供給される。この媒体Ｗは、蒸発器・貫流伝熱面８、１０の一回の貫流で蒸発し、第１蒸発器・貫流伝熱面８からの流出後、蒸気Ｄとして排出され、通常、更に過熱のために過熱器に導かれる。蒸発器・貫流伝熱面８、１０で形成された蒸発器系は、蒸気タービンの水・蒸気回路（図示せず）に接続されている。蒸気タービンの水・蒸気回路には、この蒸発器系の他に、図１に示さない別の複数の伝熱面が接続され、それら伝熱面は、例えば過熱器、中圧蒸発器、低圧蒸発器および／又は給水加熱器である。

ボイラ１の蒸発器・貫流伝熱面８は、流れ媒体Ｗの貫流に関し並列接続された多数の蒸気発生管１２を管束の形で備える。多数の蒸気発生管１２は、所謂管層を形成して燃焼ガス流れ方向ｘに並べて配置されている。従って、並べて配置された各管層の１つの蒸気発生管１２しか見えていない。この並置された蒸気発生管１２に流れ媒体側で、夫々に対応した入口管寄せ１４が前置接続され、共通の出口管寄せ１６が後置接続されている。

蒸発器・貫流伝熱面８は、比較的低い質量流量密度での蒸気発生管１２への供給に適するよう設計され、該発生管１２は自然循環特性を持つ。この特性に基づき、同じ蒸発器・貫流伝熱面８の他の蒸気発生管１２に比べ余計に加熱される蒸気発生管１２は、前記他の蒸気発生管１２に比べ大きな流れ媒体流量を有する。これを特に単純な構造手段で確実に保証すべく、蒸発器・貫流伝熱面８は流れ媒体側で互いに直列接続された２つの管区域を備える。該蒸発器・貫流伝熱面８の各蒸気発生管１２は第１管区域に、略垂直に配置され流れ媒体Ｗが下向きに貫流する降下管部分２０を持つ。各蒸気発生管１２は第２管区域に上昇管部分２２を有し、該部分２２は流れ媒体側で降下管部分２０に後置接続され、かつほぼ垂直に配置され、流れ媒体Ｗが上向きに貫流する。

上昇管部分２２はそれに対応した降下管部分２０に、転流管部分２４を介して接続されている。

蒸発器・貫流伝熱面８の各蒸気発生管１２は、略Ｕ字形をなす（図１参照）。Ｕ字の脚部は降下管部分２０と上昇管部分２２とからなり、結合湾曲部は転流管部分２４により形成されている。かく形成された蒸気発生管１２で、降下管部分２０の範囲における流れ媒体Ｗの測地学的圧力貢献分が、上昇管部分２２の範囲と異なり、流れを促進し流れを妨げない圧力貢献分を発生する。換言すれば、降下管部分２０内に存在する未蒸発流れ媒体Ｗの水柱が、各蒸気発生管１２の貫流を妨げるのではなく、一層助長する。この結果蒸気発生管１２は全体として比較的僅かな圧力損失を示す。

各蒸気発生管１２は、それらが略Ｕ字状構造をなす場合、その降下管部分２０の入口部およびその上昇管部分２２の出口部で、燃焼ガス通路６の天井に懸架又は固定される。これに対し転流管部分２４で互いに結合された降下管部分２０と上昇管部分２２の空間的に見ての下端は、燃焼ガス通路６に直接場所的に固定されていない。従って蒸気発生管１２のその管区域の縦膨張が損傷を生ずる恐れなしに許され、転流管部分２４は伸縮湾曲管として作用する。従って蒸気発生管１２のこのような配置は、機械的に特に柔軟性を有し、発生する膨張差により熱応力は生じない。

しかし一般に、略Ｕ字状をなす蒸気発生管１２を備えた蒸発器・貫流伝熱面８を利用した横置形ボイラ１では、蒸気発生管１２の降下管部分２０内で蒸気泡が生ずる。この泡は各降下管部分２０内で流れ媒体Ｗの流れ方向と逆向きに上昇し、流れの安定性を妨げ、ボイラ１の確実な運転をも妨げる。これを確実に防止すべく、このボイラ１では、既に部分的に蒸発した流れ媒体Ｗを蒸発器・貫流伝熱面８に供給すべく設計している。

蒸発器・貫流伝熱面８への流れ媒体Ｗの供給は、各蒸気発生管１２の降下管部分２０で流れ媒体Ｄ、Ｗが所定の最低速度より高い流速を有するように考慮している。該流速は、更に各降下管部分２０での流れ媒体Ｄ、Ｗの十分大きな流速に基づき、そこに存在する蒸気泡が流れ媒体Ｄ、Ｗの流れ方向に確実に一緒に運ばれ、各転流管部分２４を介して各々後置接続された上昇管部分２２に転流するように定められている。その目的のため十分大きな蒸気発生管１２の降下管部分２０への流れ媒体Ｄ、Ｗの流速の維持は、蒸発器・貫流伝熱面８への流れ媒体Ｄ、Ｗの供給を、そのために十分大きな蒸気含有量および／又はエンタルピーで行うことで保証される。

そのために適したパラメータを有し、既に部分的に蒸発した状態の流れ媒体Ｄ、Ｗの供給を可能にすべく、ボイラ１の蒸発器・貫流伝熱面８に、流れ媒体側においてもう１つ（第２）の貫流伝熱面として、蒸発器・貫流伝熱面１０を前置接続している。従って第２蒸発器・貫流伝熱面１０を予蒸発器の形に設計し、このため蒸発器系を、第２蒸発器・貫流伝熱面１０と、これに流れ媒体側で後置接続された第１蒸発器・貫流伝熱面８とで形成している。予蒸発器として利用する第２蒸発器・貫流伝熱面１０は、場所的に燃焼ガス通路６の比較的低温の空間範囲内、従って燃焼ガス側において第１蒸発器・貫流伝熱面８の下流に配置している。これに対し第１蒸発器・貫流伝熱面８は、ガスタービンから流出する排気ガスに対する燃焼ガス通路６の入口範囲に大きく接近して配置しており、従って面８は運転中、燃焼ガスから非常に大きな熱量を受ける。

第２蒸発器・貫流伝熱面１０も、流れ媒体Ｗの貫流に対し並列接続した多数の蒸気発生管３０で形成している。該蒸気発生管３０は、その長手軸線が垂直に方向づけられ、流れ媒体Ｗが下側入口部位から上側出口部位に向けて、即ち下から上に向けて貫流するように設計している。この第２蒸発器・貫流伝熱面１０に対しても自己安定運転特性の形で特に大きな流れ安定性を保証すべく、第２蒸発器・貫流伝熱面１０も同様に、他の蒸気発生管３０に比べて余計に加熱される蒸気発生管３０が前記の他の蒸気発生管３０に比べて大きな流れ媒体流量を有するように設計している。

第１蒸発器・貫流伝熱面８と、流れ媒体側でこれに前置接続した第２蒸発器・貫流伝熱面１０とで形成した蒸発器系の構想に応じ、即ち設計状態において、第１蒸発器・貫流伝熱面８の入口側に、部分的に予蒸発されて十分大きな蒸気含有量および／又はエンタルピーを有する流れ媒体Ｄ、Ｗを供給すべく、第２蒸発器・貫流伝熱面１０は適切に寸法づけている。その場合、特に蒸気発生管３０の適当な材料の選択と適当な寸法づけ、又は蒸気発生管３０の相対位置の適当な位置付けを考慮している。これらパラメータに関して第２蒸発器・貫流伝熱面１０は、それに後置接続した第１蒸発器・貫流伝熱面８に流入する流れ媒体Ｄ、Ｗが、運転中、その降下管部分２０内で生ずるか存在する蒸気泡を連れ出すために必要な最低速度より大きな流速を有するように寸法づけている。

上記の如く、設計上企図した高い運転安全性は、運転中の平均供給熱量を第１蒸発器・貫流伝熱面８と第２蒸発器・貫流伝熱面１０に略同一に分配することで達成される。従って、両蒸発器・貫流伝熱面８、１０とこれらを形成する蒸気発生管１２、３０は、この実施例では、運転時第１蒸発器・貫流伝熱面８を形成する蒸気発生管１２への総入熱量が、第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する蒸気発生管３０への入熱量に略相当するように寸法づけている。その際に生ずる質量流量を考慮し、第２蒸発器・貫流伝熱面１０は流れ媒体側でそれに後置接続された第１蒸発器・貫流伝熱面８の蒸気発生管１２の数を考えに入れて、適切に選択した数の蒸気発生管３０を設ける。

第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する蒸気発生管は、流れ媒体Ｗが下から上に貫流するように設計している。第２蒸発器・貫流伝熱面１０は、燃焼ガス流れ方向ｘに見て連続して配置され多数の管層３２を管束の形で備えている。該各管層３２は燃焼ガス流れ方向ｘに見て並べて配置した多数の蒸気発生管３０で形成し、図１は、各管層３２の１つの蒸気発生管３０のみを示す。各管層３２の蒸気発生管３０に、その長手軸線が燃焼ガス流れ方向ｘに対し垂直に向いた共通の入口管寄せ３４を前置接続している。この入口管寄せ３４は、図１に概略的に示す給水系３６に接続している。この給水系３６は入口管寄せ３４に、流れ媒体Ｗを必要に応じて分配するための分配系を有する。

第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する蒸気発生管３０は、出口側、従って燃焼ガス通路６の上側の範囲が、対応した多数の出口管寄せ３８に開口している。互いに略平行に並べて配置され、図１では１つしか見えない出口管寄せ３８は、長手軸線が流れ媒体流れ方向ｘに対し平行に向いている。出口管寄せ３８の数は、各管層３２における蒸気発生管３０の数に適合している。

各出口管寄せ３８に、第２蒸発器・貫流伝熱面１０に流れ媒体側で後置接続した第１蒸発器・貫流伝熱面８を付設している。第１貫流伝熱面８のＵ字状形状に基づき、各入口管寄せ１４は各出口管寄せ３８と同様に燃焼ガス通路６の上側に位置している。第１蒸発器・貫流伝熱面８と第２蒸発器・貫流伝熱面１０との流れ媒体側における直列接続は、各出口管寄せ３８をそれに対応した入口管寄せ１４と１つの構造ユニット４０の形に一体化することで特に簡単になる。この構造ユニット４０で、高価な分配系又は接続系を用いることなく、第２蒸発器・貫流伝熱面１０から第１蒸発器・貫流伝熱面８への流れ媒体Ｗの直接的転流が可能となる。

図２に部分平面図で示すように、各々互いに隣接する２つの管層３２の蒸気発生管３０を燃焼ガス流れ方向ｘに対し垂直方向に見て互いにずらして配置し、この結果蒸気発生管３０の配置に関しほぼ菱形の基本模様が生じている。この配置構造の場合、図２に１つしか示さない出口管寄せ３８を、各出口管寄せ３８に各管層３２から各々１つの蒸気発生管３０が開口するように置いている。その際、各出口管寄せ３８を第２蒸発器・貫流伝熱面１０に後置接続された第１蒸発器・貫流伝熱面８に対し付設した入口管寄せ１４と１つの構造ユニット４０の形で一体化していることも解る。

図２から更に、第１蒸発器・貫流伝熱面８を形成する蒸気発生管１２も同様に、燃焼ガス流れ方向ｘに見て連続して配置された多数の管層を形成していることが解る。その際、燃焼ガス流れ方向ｘに見て最初の２つの管層は、出口側が蒸発した流れ媒体Ｗに対する出口管寄せ１６に開口する蒸気発生管１２の上昇管部分２２で形成している。これに対し燃焼ガス流れ方向ｘに見て次の２つの管層は、入口側が夫々に対応した入口管寄せ１４に接続した蒸気発生管１２の降下管部分２０で形成している。

図３は、構造ユニット４０への蒸気発生管１２の流入範囲と蒸気発生管３０の流出範囲の一部を側面図で示す。構造ユニット４０は、一方で第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する多数の蒸気発生管３０に対する出口管寄せ３８を、他方で第１蒸発器・貫流伝熱面８を形成する蒸気発生管１２の２本毎の入口管寄せ１４を備える。この図から、特に蒸気発生管３０から流出し出口管寄せ３８に流入する流れ媒体Ｄ、Ｗが、第１蒸発器・貫流伝熱面８に付属した入口管寄せ１４に直接転流することが解る。流れ媒体Ｄ、Ｗの転流時、該媒体は運転状態に応じ、まず入口管寄せ１４を含む構造ユニット４０の底板４２に衝突する。この衝突のため、流れ媒体Ｄ、Ｗが入口管寄せ１４から対応した蒸気発生管１２の降下管部分２０に流入する前に、その流れ媒体Ｄ、Ｗの渦巻きと特に緊密な混合が起る。

特に図３から解るように、蒸気発生管１２に対する入口管寄せ１４として形成した構造ユニット４０の終端部分は、蒸気発生管１２への流れ媒体Ｗの流出が全ての蒸気発生管１２で、構造ユニット４０の長手方向に対し垂直な唯一の平面から行われるように設計している。このことが、その本来の空間的位置に関し燃焼ガス流れ方向ｘに見て連続して配置された２つの異なった管層に配列されている２つの蒸気発生管１２に対しても可能にすべく、各蒸気発生管１２に各々転流管部分４６を付設している。その各転流管部分４６は燃焼ガス流れ方向ｘに対し斜めに延び、それぞれに対応した蒸気発生管１２の上部部位を入口管寄せ１４の流出開口４８に接続している。この配置構造により、入口管寄せ１４の全流出開口４８は、構造ユニット４０の円筒軸線に対し垂直な共通平面内に位置し、この結果、流れ媒体Ｄ、Ｗの流れ軌道に関する流出開口４８の対称的配置に基づき、蒸気発生管１２に流入する流れ媒体Ｄ、Ｗの一様な分布を保証できる。

構造ユニット４０への流入範囲又は構造ユニット４０からの流出範囲での管案内を一層明瞭にすべく、図４はかかる複数の構造ユニット４０を正面図で示す。これは、図２のＩＶ−ＩＶ断面線を基礎とする。その際図４の左側に示す２つの構造ユニット４０は、後置接続された蒸気発生管１２に対する入口管寄せ１４として形成された端部範囲であり、各々転流管部分４６を介して、蒸気発生管１２の後置接続された降下管部分２０に結合されていることが解る。

それとは別に図４の右側に示す２つの構造ユニット４０は、第２蒸発器・貫流伝熱面８の蒸気発生管３０に対する出口管寄せ３８として形成した前部範囲である。この図から各々連続して位置する管層３２から構造ユニット４０に開口する蒸気発生管３０が単純に折り曲げられた形で構造ユニット４０に導かれていることが解る。

図２〜図４に応じて特別に形成された図１のボイラ１は、第１蒸発器・貫流伝熱面８の特に確実な運転を可能とする。そのため、ボイラ１の運転中、ほぼＵ字形に形成した第１蒸発器・貫流伝熱面８に所定の最低速度より大きな流速で流れ媒体Ｄ、Ｗを供給できる。この結果第１蒸発器・貫流伝熱面８を形成する蒸気発生管の降下管部分２０内に存在する蒸気泡を連れ出し、後置接続した上昇管部分２２に運べる。第１蒸発器・貫流伝熱面８に流入する流れ媒体Ｄ、Ｗの十分大きな流速を保証すべく、第１蒸発器・貫流伝熱面８への供給は、これに前置接続した第２蒸発器・貫流伝熱面１０を利用し、第１蒸発器・貫流伝熱面８に流入する流れ媒体Ｄ、Ｗが、所定の最低蒸気含有量より大きな蒸気含有量を有するか、所定の最低エンタルピーより大きなエンタルピーを有するようにして行う。そのために適した運転パラメータを維持すべく、蒸発器・貫流伝熱面８、１０は、第１蒸発器・貫流伝熱面８に流入する際の流れ媒体Ｄ、Ｗの蒸気含有量ないしエンタルピーが、全運転点において、例えば図５ａ、図５ｂに示すような適当に設定した特性曲線の上側に位置するよう設計し又は寸法づける。

図５ａ、図５ｂは、曲線族パラメータとして運転圧力をした曲線族の形で、少なくとも設定すべき蒸気含有量Ｘ_minの関数依存性ないし少なくとも設定すべきエンタルピーＨ_minの関数依存性を、設計上選択された質量流量密度・ｍの関数として示す。ここで曲線７０として、ｐ＝２５×１０⁵Ｐａの運転圧力に対する設計基準を示し、これに対し曲線７２はｐ＝１×１０⁷Ｐａの運転圧力に対して利用される。

即ちこの曲線族から、部分負荷運転時に１００ｋｇ／ｍ²ｓの設計質量流量密度・ｍおよびｐ＝１×１０⁷Ｐａの設定運転圧力において、貫流伝熱面８に流入する流れ媒体Ｗにおける蒸気含有量Ｘ_minが少なくとも２５％、好適には約３０％の値であることを保証せねばならないことが解る。この設計基準の異なった図において、貫流伝熱面８に流入する流れ媒体Ｗにおけるエンタルピーが、上述の運転条件において少なくともＨ＝１７５０ｋＪ／ｋｇでなければならないことも解る。これら条件を維持すべく設計上考慮した第２貫流伝熱面１０は、その寸法、即ち、例えば第２貫流伝熱面１０を形成する蒸気発生管３０の形式、数および形状に関し、その空間的位置に対し考慮した燃焼ガス通路６の内部における空間範囲に設計上存在する供給熱量を考えに入れてこの周辺条件に合わされる。

横置形ボイラの蒸発器部分の概略縦断面図。 図１におけるボイラの部分平面図。 図１におけるボイラの図２の（ＩＩＩ−ＩＩＩ）断面線に沿った側面図。 図１におけるボイラの図２の（ＩＶ−ＩＶ）断面線に沿った断面図。 エンタルピーないし流速と質量流量との関係を表した線図。

符号の説明

１ ボイラ、６ 燃焼ガス通路、８、１０ 蒸発器・貫流伝熱面、１２ 蒸気発生管、１４ 入口管寄せ、２０ 降下管部分、２２ 上昇管部分、３０ 蒸気発生管、３８ 出口管寄せ、Ｄ、Ｗ 流れ媒体、ｘ 燃焼ガス流れ方向

Claims (9)

1. 燃焼ガスが水平方向（ｘ）に貫流する燃焼ガス通路（６）内に蒸発器・貫流伝熱面（８）が配置され、該伝熱面（８）が流れ媒体（Ｗ）の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管（１２）を有し、該各蒸気発生管（１２）が垂直に配置され流れ媒体（Ｗ）が下向きに貫流する降下管部分（２０）と、流れ媒体側でこの降下管部分（２０）に後置接続され垂直に配置されかつ流れ媒体（Ｗ）が上向きに貫流する上昇管部分（２２）とを有し、前記蒸発器・貫流伝熱面（８）が、同じ蒸発器・貫流伝熱面（８）の他の蒸気発生管（１２）に比べ余計に加熱される蒸気発生管（１２）においては、前記の他の蒸気発生管（１２）に比べ大きな流れ媒体流量を有するように設計された横置形の貫流式廃熱ボイラ（１）の運転方法において、
   蒸発器・貫流伝熱面（８）の流れ媒体（Ｗ）を、該媒体（Ｗ）が各蒸気発生管（１２）の降下管部分（２０）内において所定の最低速度より大きな流速を有するように供給することとし、前記所定の最低速度としては、少なくとも各降下管部分（２０）内で発生した蒸気泡を実質的に全て連れ出すために必要な流速とするために、前記流れ媒体（Ｗ）を、蒸発器・貫流伝熱面（８）への流入前に、該蒸発器・貫流伝熱面（８）への流入時に所定の最低蒸気含有量ないし所定の最低エンタルピーより大きな蒸気含有量および／又はエンタルピーを有するように部分的に予蒸発させることを特徴とする横置形の貫流式廃熱ボイラの運転方法。
2. 請求項１記載の運転方法を実施するための横置形の貫流式廃熱ボイラ（１）であって、燃焼ガスが水平方向（ｘ）に貫流する燃焼ガス通路（６）内に蒸発器・貫流伝熱面（８）が配置され、該蒸発器・貫流伝熱面（８）が流れ媒体（Ｗ）の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管（１２）を有し、これら蒸気発生管（１２）が各々、垂直に配置され流れ媒体（Ｗ）が下向きに貫流する降下管部分（２０）と、流れ媒体側においてこの降下管部分（２０）に後置接続され、かつ垂直に配置されて流れ媒体（Ｗ）が上向きに貫流する上昇管部分（２２）とを有し、前記蒸発器・貫流伝熱面（８）が、同じ蒸発器・貫流伝熱面（８）の他の蒸気発生管（１２）に比べて余計に加熱される蒸気発生管（１２）においては、前記の他の蒸気発生管（１２）に比べて大きな流れ媒体流量を有するように設計されている横置形の貫流式廃熱ボイラ（１）において、
   蒸発器・貫流伝熱面（８）に流れ媒体側においてもう１つの（第２）蒸発器・貫流伝熱面（１０）が前置接続され、前記第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）は、流れ媒体（Ｗ）の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管（３０）を有し、第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）の他の蒸気発生管（３０）に比べ余計に加熱される蒸気発生管（３０）が前記他の蒸気発生管（３０）に比べ大きな流れ媒体（Ｗ）流量を有するよう設計されており、さらに、第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）は、運転中それに後置接続された第１蒸発器・貫流伝熱面（８）に流入する流れ媒体（Ｗ）が発生蒸気泡を実質的に全て連れ出すために必要な最低速度より大きな流速を有するよう寸法づけられ、かつ前記請求項１記載の部分的に予蒸発させるための貫流伝熱面としたことを特徴とする横置形の貫流式廃熱ボイラ。
3. 第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）の蒸気発生管（３０）に流れ媒体側において後置接続された出口管寄せ（３８）が、その長手軸線が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に対して平行に向けられたことを特徴とする請求項２記載の横置形の貫流式廃熱ボイラ。
4. 第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見て連続して配置された多数の管層を有し、該各管層が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見て並べて配置された多数の蒸気発生管（３０）で形成されたことを特徴とする請求項２又は３記載の横置形の貫流式廃熱ボイラ。
5. 第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）に、各管層の蒸気発生管（３０）の数に相当する数の出口管寄せ（３８）が付設され、これら出口管寄せ（３８）の長手軸線が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に対し平行に向けられ、各出口管寄せ（３８）に各管層における１つの蒸気発生管（３０）が開口することを特徴とする請求項４記載の横置形の貫流式廃熱ボイラ。
6. 第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）の出口管寄せ又は各出口管寄せ（３８）が、流れ媒体側で後置接続された第１蒸発器・貫流伝熱面（８）の対応した入口管寄せ（１４）と１つの構造ユニットの形に一体化されたことを特徴とする請求項３から５の１つに記載の横置形の貫流式廃熱ボイラ。
7. 第１蒸発器・貫流伝熱面（８）の蒸気発生管（１２）が、燃焼ガス流れ方向（ｘ）に対し垂直に向いた共通平面内で、それらに対応する入口管寄せ（１４）に接続されたことを特徴とする請求項６記載の横置形の貫流式廃熱ボイラ。
8. 出口管寄せ（３８）が燃焼ガス通路の上側に配置されたことを特徴とする請求項３から７の１つに記載の横置形の貫流式廃熱ボイラ（１）。
9. 燃焼ガス側において、ガスタービンが前置接続されたことを特徴とする請求項２から８の１つに記載の横置形の貫流式廃熱ボイラ（１）。

Images