JP4458552B2 - スパイラル状に配置された蒸発器管を備えた貫流ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、互いにフィンを介して気密に溶接された蒸発器管によって形成されている煙道を備え、各蒸発器管が流れ媒体の貫流に対して並列接続され、その内側面に内壁から流れ媒体への高い熱伝達を生ぜしめるための表面構造を有し、煙道の燃焼部位においてほぼスパイラル巻きに配置されている貫流ボイラに関する。
燃焼部位においてスパイラル状に配置された蒸発器管により構成されている貫流ボイラの燃焼室壁には通常、平滑管が採用される。平滑管内を流れる媒体の流速が低い場合にその平滑管の熱伝達特性のために、この種の配置構造においては、貫流ボイラの設計負荷の通常約４０％より高い負荷状態に対してのみ適している。この設計負荷の約４０％の最低負荷より低い場合、貫流ボイラの貫流運転に通常は循環運転が重畳され、その結果蒸発器管の十分な冷却が保証されている。しかし循環運転のこのような挿入は貫流ボイラの生蒸気温度を約８０℃低下させることになる。
特に貫流ボイラから供給される発電所の夜間停止を避けるために、貫流ボイラを、それが設計負荷の２０％より大きな負荷状態で早くも十分に高い生蒸気温度で運転できるように設計する必要がある。これは、蒸発器管の内側面にその内壁から流れ媒体への高い熱伝達を生ぜしめるための例えばリブ（内部リブ付き管）の形の表面構造を有しているような蒸発器管の使用によって可能である。垂直に配置された蒸発器管を備えた貫流ボイラに内部リブ付きの蒸発器管を採用することは、例えばヨーロッパ特許出願公開第０５０３１１６号明細書で知られている。もっとも内部リブ付きの蒸発器管は平滑管に比べてかなり高い摩擦圧力損失を有する。このような高い摩擦圧力損失は、蒸発器管が多重加熱された際に管内を貫流する媒体の質量流量が変動するために、特に蒸発器の出口において、隣接する管の間に温度差を生ずる可能性がある。この温度差は許容できない熱応力によって破損を引き起こすおそれがある。
それ故本発明の課題は、冒頭に述べた形式の貫流ボイラを、貫流ボイラの設計負荷の例えば約２０％の低い負荷状態においても、隣接する蒸発器管間の出口において特にに小さな温度差しか生じないように改良することにある。
本発明によればこの課題は、冒頭に述べた形式の貫流ボイラにおいて、各蒸発器管が、燃焼部位における管長と管外径との値の対によって決定される座標系における点がほぼ直線上に位置するように定められ、この直線は、
− １２ｍｍのフィン幅に対しては、Ｌ＝５９．７ｍ、ｄ＝３１．８ｍｍおよびＬ＝９３．６ｍ、ｄ＝４４．５ｍｍの値の対によって決定される点によって、
− １６ｍｍのフィン幅に対しては、Ｌ＝６４．７ｍ、ｄ＝３１．８ｍｍおよびＬ＝９９．８ｍ、ｄ＝４４．５ｍｍの値の対によって決定される点によって、又は
− ２０ｍｍのフィン幅に対しては、Ｌ＝７０．６ｍ、ｄ＝３１．８ｍｍおよびＬ＝１０６．９ｍ、ｄ＝４４．５ｍｍの値の対によって決定される点によって
定められている。さらに、前記燃焼部位（Ｖ）の上側範囲（２１）における蒸発器管（１０）の内径が下側範囲（２２）におけるより大きいことが望ましい。
その際管長は蒸発器管の始点値と終点値との間の長さであり、その始点値は煙道の下側に設けられた灰ホッパの煙道への移行部によって定められ、その移行部に灰ホッパの高さの３分の１が加算されている。終点値は、スパイラル状に配置された蒸発器管が垂直配置に移行されるか、あるいは例えばアキュムレータによって圧力的に互いに結合されていることによって規定されている。
蒸発器管が特に大きな壁厚あるいは特に小さな壁厚を有しているか、灰ホッパの外壁が特に大きな傾斜角度あるいは特に小さな傾斜角度を有している貫流ボイラをも、各設計負荷の約２０％の低い負荷状態で確実に運転できるようにするために、その蒸発器管の管長はそれぞれの直線で規定された管長の１５％より大きくずれないことが有利である。上述のフィン幅と異なったフィン幅に対しては、管長はフィン幅と線形状に所定の直線から外挿又は内挿される。
上記のように、蒸発器管の管長が、それぞれの直線で規定された管長の１５％よりずれた場合には、各設計負荷の約２０％の低い負荷状態での運転が不確実となる。本発明は、スパイラル巻き貫流ボイラの運転を確実にする上でのベストモードを見出したものであって、前記所定の直線は、前記ベストモードに関する知見の帰結である。即ち、前記直線上に位置するように燃焼部位における管長と管外径との関係を設定することにより、直線上に位置しない場合に対して、設計負荷の約２０％の低い負荷状態での運転がより確実となる作用効果がある。
本発明は、多重加熱された蒸発器管の出口と通常加熱あるいは平均加熱された蒸発器管の出口との間の温度差が、蒸発器管の多重加熱がこの中を貫流する質量流量密度をごく僅か下げるときに特に小さいという考えから出発している。多重加熱された蒸発器管の質量流量密度は、多重加熱に基づいて当該蒸発器管の摩擦圧力損失が高められるために減少する。しかし蒸発器管における総圧力損失は圧力損失部分「摩擦圧力損失」と圧力損失部分「測地圧力損失」とから成っているので、総圧力損失の圧力損失部分「測地圧力損失」が十分に高いことにより、蒸発器管の多重加熱の質量流量密度への影響は減少し得る。例えば摩擦圧力損失の０．５倍より十分高い圧力損失部分「測地圧力損失」は、蒸発器管の相応した設計によって得ることができる。
蒸発器管の摩擦圧力損失は例えば、１９９１年シュプリンガー社出版の文献
「熱及び物質伝達（Ｗａｒｍｅ−ｕｎｄ Ｓｔｏｆｆｕｂｅｒｔｒａｇｕｎｇ）」、第２６巻、第２３２〜３３０頁に掲載のＱ．ツエング（Ｚｈｅｎｇ）ら著の論文”平滑および内部リブ付き蒸発器管における圧力損失（Ｄｒｕｃｋｖｅｒｌｕｓｔ ｉｎ ｇｌａｔｔｅｎ ｕｎｄ ｉｎｎｅｎｂｅｒｉｐｐｔｅｎ Ｖｅｒｄａｍｐｆｅｒｒｏｈｒｅｎ）”および文献ＡＥ−ＲＴＶ−８４１（１９６９年）のＺ．ロウハニ（Ｒｏｕｈａｎｉ）著の論文”ボイド比と二相圧力降下の改善相関関係（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｖｏｉｄ−Ｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｔｗｏ−Ｐｈａｓｅ Ｐｒｅｓｓｕｅｒ Ｄｒｏｐ）”に従い求めることができる。
多重加熱された蒸発器管と通常加熱された蒸発器管との間の温度差が小さい場合にすべての蒸発器管の貫流を一層改善するために、燃焼室の燃焼部位の上側範囲において蒸発器管の内径がその下側範囲におけるより大きいのが有利である。
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１はほぼスパイラル状に配管された燃焼室壁を備えた貫流ボイラの概略縦断面図、
図２は燃焼室壁のはす切り断面図、
図３は曲線Ａ、Ｂ、Ｃを有する座標系である。
各図において同一部分には同一符号が付されている。
図１には矩形断面の貫流ボイラ２が概略的に示され、その垂直煙道は囲い壁あるいは燃焼室壁４で形成され、その下端は漏斗状底６に移行している。
煙道の燃焼部位Ｖには化石燃料用の多数のバーナがそれぞれ開口８（図では２つしか示されていない）内に存在し、その開口に蒸発器管１０から構成された燃焼室壁４が取付けられている。蒸発器管１０は、互いに蒸発器伝熱面１２に気密に溶接されている燃焼部位Ｖにおいてほぼスパイラル巻きに配置されている。
図２に示されているように、蒸発器管１０はフィン幅ｂのフィン１３を介して互いに気密に溶接され、例えば管・ウェブ・管構造あるいはフィン付き管構造の形で気密の燃焼室壁４を形成している。蒸発器管はその内側面上にその内壁から流れ媒体への高い熱伝達を生ぜしめるための表面構造を有している。この種の表面構造は例えばドイツ特許出願公開第２０３２８１号明細書に記載されている。
煙道の燃焼部位Ｖの上側に対流伝熱面１４、１６、１８が存在している。更にその上に燃焼ガス流出通路２０が存在し、この流出通路を通って化石燃料の燃焼によって発生された燃焼ガスＲＧが垂直煙道から排出される。燃焼ガスＲＧは蒸発器管１０内を流れる水あるいは水・蒸気混合物に対する加熱媒体として使用される。
蒸発器管１０は、貫流ボイラ２の運転中に蒸発器管１０を貫流する媒体の測地圧力損失がその摩擦圧力損失の少なくとも０．５倍であるように設計されている。そのために貫流ボイラ２の蒸気出力と無関係に蒸発器管１０における十分に高い測地圧力損失を保証するために、蒸発器管１０は、燃焼部位Ｖにおける管長Ｌと管外径ｄとの値の対によって決定される座標系における点が図３に示される曲線あるいは直線Ａ、Ｂ、Ｃ上に位置するように設計されている。その曲線Ａはフィン幅ｂが１２ｍｍのフィン１３を介して互いに気密に溶接されている蒸発器管１０を備えた貫流ボイラ２に対する設計基準を示している。これに対して曲線Ｂおよび曲線Ｃは、それぞれフィン幅ｂが１６ｍｍ、２０ｍｍである場合に対する設計基準を与える。
燃焼部位Ｖにおける管長Ｌは始点ＡＰと終点ＥＰとの間の蒸発器管１０の平均長である。始点ＡＰは囲い壁４の下縁Ｕに基づいて漏斗状底６の高さＨの３分の１に関連して決定される。終点ＥＰは蒸発器管１０が垂直配置に移行するか圧力的に互いに結合されている個所により決定される。詳細には図示していないが、燃焼部位Ｖの上側範囲２１において蒸発器管１０の内径は燃焼部位Ｖの下側範囲２２におけるより大きい。

Claims (1)

1. 互いにフィン（１３）を介して気密に溶接された蒸発器管（１０）によって形成されている煙道（４）を備え、蒸発器管（１０）が流れ媒体の貫流に対して並列接続され、その内側面上に内壁から流れ媒体への高い熱伝達を生ぜしめるための表面構造を有し、煙道（４）の燃焼部位（Ｖ）においてほぼスパイラル巻きに配置され、各蒸発器管（１０）が、燃焼部位（Ｖ）における管長（Ｌ）と管外径（ｄ）との値の対によって決定される座標系における点がほぼ直線（Ａ、Ｂ、Ｃ）上に位置するように定められ、この直線は、
   − １２ｍｍのフィン幅に対しては、Ｌ＝５９．７ｍ、ｄ＝３１．８ｍｍおよびＬ＝９３．６ｍ、ｄ＝４４．５ｍｍの値の対によって決定される点によって、
   − １６ｍｍのフィン幅に対しては、Ｌ＝６４．７ｍ、ｄ＝３１．８ｍｍおよびＬ＝９９．８ｍ、ｄ＝４４．５ｍｍの値の対によって決定される点によって、
   − ２０ｍｍのフィン幅に対しては、Ｌ＝７０．６ｍ、ｄ＝３１．８ｍｍおよびＬ＝１０６．９ｍ、ｄ＝４４．５ｍｍの値の対によって決定される点によって定められており、さらに、前記燃焼部位（Ｖ）の上側範囲（２１）における蒸発器管（１０）の内径が下側範囲（２２）におけるより大きいことを特徴とする貫流ボイラ。

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