JP4463825B2 - 貫流ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、底部に漏斗側壁を有する燃焼室と、互いに気密溶接された蒸気発生管で形成された囲壁とを備えた貫流ボイラに関する。

ボイラは種々の設計原理に従い設計される。貫流ボイラでは、共に燃焼室の気密囲壁を形成する多数の蒸気発生管の加熱は、蒸気発生管における一回の貫流で、水・蒸気からなる液状流体（以下、流れ媒体という。）を完全に蒸発させる。流れ媒体（通常は水）は、その蒸発後に、蒸気発生管に後置接続された過熱管に導かれ、そこで過熱される。

貫流ボイラは、自然循環ボイラと異なって、圧力制限を受けず、従って生蒸気圧に対し液相と蒸気相が区別できず、従って、相分離も生じない水の臨界圧（Ｐ_Kri≒２２１×１０⁵Pa）よりかなり高く設計できる。高い生蒸気圧は、高い熱効率に貢献し、従って化石燃料式発電所のＣＯ₂発生量の低減に寄与する。

垂直煙道を備えたボイラの場合、蒸気発生管は、一般に、フィンを介して互いに結合される。即ち囲壁は、略平行に延び互いにフィンを介して結合され、気密溶接された多数の蒸気発生管で形成される。ボイラの蒸気発生管は垂直、或いはスパイラル状に傾斜して配置される。

煙道の下端に、通常、燃焼室の漏斗側壁が配置され、その形状は、燃焼過程中に生ずる灰の簡単な除去を可能にしている。その場合、燃焼室壁は、一般に垂直の蒸気発生管とフィンで形成される。蒸気発生管は、その漏斗の領域における下部で、通常燃焼室壁を形成する上部におけると同じ方向に、垂直配管敷設の形で継続して延びている。その並列管は入口管寄せを介して漏斗に入り、継続経過において燃焼室の並列管を形成している。

貫流ボイラの運転中、燃焼室の内部で燃料ガスの燃焼時に発生した熱は、蒸気発生管の壁を経て直接、並びにフィンを経て蒸気発生管内を貫流する流れ媒体に伝わる。各蒸気発生管の加熱は、各蒸気発生管内での水柱の重量を決定する。蒸気発生管における流れ媒体の流量、従って流れ媒体の出口温度は、当該蒸気発生管における水柱の圧力に左右されるので、蒸気発生管の出口温度はその蒸気発生管の加熱により決定的な影響を受ける。

蒸気発生管を異なる強さで加熱すると、異なる流れ媒体出口温度が生ずる。事情によっては（特に始動過程時および低負荷運転時）、その温度差は、許容できない大きな材料負荷を生じさせる程の値に達する。

燃焼室壁において漏斗側壁の領域で垂直に延びる蒸気発生管の場合、漏斗側壁の領域において、幾つかの蒸気発生管とそれらのフィン、即ち横断面四角形の燃焼室において四隅の領域に位置する蒸気発生管とそれらのフィンは、漏斗側壁の尖端部を形成するものより短くされている。従って、蒸気発生管とフィンはその異なる長さのため、異なる強さの加熱を受ける。即ち、漏斗側壁の領域での蒸気発生管の異なる加熱のため、個々の蒸気発生管から流出する流れ媒体に許容できない大きな温度差が生ずる恐れがある。

本発明の課題は、全ての運転状態で、個々の蒸気発生管の出口における流れ媒体の温度差が臨界値を超過しないようにした、冒頭に述べた形式のボイラを提供することにある。

この課題は、本発明に基づき、漏斗側壁の領域の多数の蒸気発生管が、囲壁の領域の蒸気発生管と異なる管直径および／又は異なったフィン幅を有することで解決される。

本発明は、個々の蒸気発生管の出口で、流れ媒体の温度差が臨界値を超過しないよう保証することで、蒸気発生管の大きな材料負荷を回避できるという考えから出発する。従って、蒸気発生個所でない蒸気発生管の加熱は、本質的に他の蒸気発生管の加熱と異ならせねばならない。尤も、燃焼室の漏斗側壁の領域で、従来通常の構造で、蒸気発生管の長さは、漏斗が先細るにつれて変化させねばならない。従って、幾本かの蒸気発生管は他の蒸気発生管より短く、従って漏斗側壁の領域で弱い加熱を受ける。従来通常の構造の場合、漏斗側壁の領域に配置された蒸気発生管とフィンの下部の幾何学的状態のため、蒸気発生管とフィンの異なった加熱は避けられない。漏斗の必要な先細りにも係らず個々の蒸気発生管の一様な加熱を保証すべく、個々の蒸気発生管の長さは互いに過度に異なってはならない。これを可能にするため、漏斗側壁の領域で、蒸気発生管をその側壁面に沿って導かねばならない。これは、管幾何学形状を適当に選択することで可能となる。

ボイラは、貫流ボイラとして設計するとよい。漏斗側壁を形成する多数の蒸気発生管の下部は、燃焼室壁を形成する上部より小さな管直径を有すると望ましい。漏斗側壁における管直径の減少は、燃焼室壁を形成する上部と同じ数の蒸気発生管の配管敷設を可能にする。換言すれば、漏斗側壁の先細りは、蒸気発生管の数の減少ではなく、管直径の減少によって実現される。この結果、全蒸気発生管は加熱領域においてほぼ同じ長さにわたり延び、全蒸気発生管の一様な加熱を保証できる。

しかし、流れ媒体への熱供給は、管壁を経るばかりか、蒸気発生管を互いに結合するフィンによっても生ずる。燃焼室壁と漏斗側壁の幅は、蒸気発生管数と管軸線間距離の積で生ずる。管軸線間距離は管直径とフィン幅との和である。漏斗側壁を先細りとすべく、漏斗側壁を形成する蒸気発生管の下部のフィンの幅も変化させ、特に減少させるとよい。

蒸気発生管の下部の管直径を、上部の管直径に対し５〜１５％減少さ、下部のフィン幅を、上部のフィン幅に対し３０〜７０％減少させるとよい。かくして、漏斗側壁を形成する蒸気発生管下部で、有用な熱の特に効果的な利用が達成されることは明らかである。

漏斗側壁の領域に、多数の蒸気発生管を、少なくとも部分的に漏斗側壁の傾斜方向に対して平行に配置するとよい。かかる配置は、個々の蒸気発生管の長さを、加熱状況、従って特に一様な加熱に、特に良好に適合することを可能にする。特にこの配置の場合、弱く加熱される蒸気発生管を、加熱領域の内部に大きな長さを有するように敷設し、かくして弱い加熱作用を長時間の加熱により補償することが可能になる。

本発明による利点は特に、ボイラを貫流ボイラとして設計する際、非常に安価な構造的経費で、各蒸気発生管での流れ媒体の許容できない大きな温度差の発生を効果的に防止できる点にある。特に漏斗側壁を形成する蒸気発生管下部で、全蒸気発生管が同等の強さの加熱を受ける故、ボイラが小さな質量流量密度で供給される場合も、過度に異なる流量は生ぜず、従って蒸気発生管の出口に流れ媒体の許容できない大きな温度差も生じない。

これに対しボイラを循環構造で設計した場合、各蒸気発生管でほぼ同じ質量流量、従って良好な冷却を達成し、かつ各蒸気発生管でほぼ同じ蒸気含有量を達成できる。

以下図を参照し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１Ａは、貫流ボイラとして形成したボイラ１を概略的に示す。垂直煙道は囲壁４で取り囲まれ、燃焼室を形成している。燃焼室は下端が漏斗側壁６で形成された底に移行している。底は、詳細に図示しない灰の取出し口８を備える。

煙道の領域において、垂直に配置した蒸気発生管１２で形成された燃焼室の囲壁４に、図示しない多数のバーナを設けている。垂直に延びる蒸気発生管１２は、フィン１４を介して互いに溶接され、フィン１４と共に蒸気発生管上部に燃焼室の囲壁４を形成している。底の下側に入口管寄せ１６が配置され、該管寄せ１６から蒸気発生管１２に流れ媒体が供給される。

ボイラ１の運転中、燃焼室内に化石燃料の燃焼で火炎が生ずる。かくして燃焼室内で発生した熱は、蒸気発生管１２を貫流する流れ媒体に伝達され、そこで流れ媒体を蒸発させる。熱供給は、蒸気発生管１２の管壁を経て直接に、且つフィン１４を経ても行われる。

個々の蒸気発生管１２を通る流れ媒体の流量ないし個々の蒸気発生管１２への流量の分配は、個々の蒸気発生管１２における水柱の重量により大きく影響されて決定される。この結果、燃焼室の下部で、特に漏斗側壁６の領域で行われる加熱は、蒸気発生管１２の貫流に大きな影響を与える。個々の蒸気発生管１２が比較的強く加熱された際、その水柱の重量、従って蒸気発生管１２における抵抗も低下する。これに伴い、当該蒸気発生管１２では、他の弱く加熱される蒸気発生管１２に比べ流量が増大する。蒸気発生管１２が比較的弱く加熱されると、それに応じ流量も減少する。

例えば蒸気発生管１２が漏斗側壁６の上縁で初めて加熱領域に入り込み、従って、加熱領域の内部に比較的短かな寸法しか有していないために、その漏斗側壁の領域では蒸気発生管１２は比較的弱く加熱され、加熱領域の内部に比較的大きな長さを有する比較的強く加熱される他の蒸気発生管１２に比べて、小さな流量を有する。燃焼室の囲壁４を形成する蒸気発生管１２の上部において、全蒸気発生管１２はほぼ一様な加熱を受ける。この条件下で、比較的小さな流量の蒸気発生管１２は、比較的大きな流量の蒸気発生管１２より多量の熱を吸収する。これによって、漏斗側壁６の領域における蒸気発生管１２の異なった加熱により、事情によっては、流れ媒体の出口温度にかなりの差異が生ずる。

この温度差は、或る限界内でしか許されない。それは、蒸気発生管１２の許容材料負荷によって設定された値を超過してはならない応力を生じさせ得るからである。従って、全蒸気発生管１２のできるだけ一様な加熱が求められ、特に、漏斗側壁６を形成する蒸気発生管１２の下部において重要である。

全蒸気発生管１２のできるだけ一様な加熱を達成すべく、図１Ａのボイラ１の蒸気発生管１２は、漏斗側壁６を形成する下部で、燃焼室の囲壁４を形成する上部より小さな直径を持つ。フィン１４も同様に下部で上部より小さな幅を持つ。この結果、並列蒸気発生管１２の数とフィン１４の幅を加えた管直径で定まる底の幅は、並列蒸気発生管１２の数を減少する代わりに、小さな管の直径とフィン１４の幅とにより減少する。それ故、底の所望の先細りが、底に沿った蒸気発生管の少なくとも部分的な案内の形で達成される。

各蒸気発生管１２の下部の直径が、上部の管直径に対し５〜１５％減少され、フィン１４の下部の幅が、上部のフィン幅に対し３０〜７０％減少されたことに伴い、蒸気発生管１２の最良の配置および漏斗側壁６の領域に存在する熱の特に効果的な利用が達成されることは明らかである。従って、管直径が通常３４ｍｍでフィン幅が１６ｍｍであるとき、下部において約３２ｍｍの管直径および約６ｍｍのフィン幅が生ずる。

漏斗側壁６の領域での蒸気発生管１２の特に一様な加熱は、蒸気発生管１２の下部を、図１Ａに示す如く、部分的に底（漏斗側壁）の傾斜方向に対し平行に配置しないことで達成される。この傾斜配置は、各蒸気発生管の加熱の強さを加熱領域の内部での蒸気発生管長に十分に合わせることを可能にする。換言すれば蒸気発生管１２の比較的弱い加熱は、加熱領域での蒸気発生管１２の傾斜配置により可能となる長さの増加で補償される。

蒸気発生管１２の底の領域での配置は、該領域における温度分布に合わされる。図１Ａは、蒸気発生管１２の管直径が減少した下部を、傾斜して（即ち底（漏斗側壁）の傾斜方向に対して平行でなしに）配置した構成を示している。この配置構造の場合、底（漏斗側壁）とフィン１４と蒸気発生管１２の幾何学形状と大きさにより定まる或る高さＨ迄、底（漏斗側壁）の傾斜方向に対し平行な蒸気発生管１２の配置を行っている。高さＨの上側では、上述の傾斜配置を実行している。

これとは別に、蒸気発生管１２を図１Ｂに示すように配置してもよい。この場合或る高さＨ迄、同様に、上部での直径に比べて小さな管直径を持つ蒸気発生管１２の底（漏斗側壁）の傾斜方向に対し平行に配置した配管敷設を行っている。高さＨの上側で、第１実施例の場合の如く、蒸気発生管１２の傾斜配置を行っている。しかし、蒸気発生管１２の傾斜角は、底の平面における本来の方向に対し、蒸気発生管１２がフィン１４と同様に傾斜領域では上部と同じ管直径ないし幅を有するように選択している。即ち、この場合、管直径とフィン幅は、高さH迄しか減少させていない。

入口管寄せ１６が比較的幅広く、外側蒸気発生管が、例えば循環渦流層付きのボイラの場合のように大きな相対間隔を有しているとき、蒸気発生管１２は図２に示すように配置できる。この配置構造の場合、最外側蒸気発生管１２、即ち中心軸線Ａから最も大きな間隔を有する蒸気発生管１２は、漏斗側壁６の全高さにわたり、減少していない管直径とフィン幅とで形成され、且つ傾斜して配置されている。これに対し、中心軸線Ａから最も小さな間隔を有する最内側蒸気発生管１２は、その全長にわたって減少した管直径とフィン幅とで形成され、中心軸線Ａに対し平行に、従って底（漏斗側壁）の傾斜方向に対して平行に配置されている。最外側蒸気発生管１２と最内側蒸気発生管１２との間に位置する蒸気発生管１２は、移行部を形成し、減少した管直径とフィン幅を有し、中心軸線に対し平行に配置された第１部分と、減少していない管直径とフィン幅とを有し傾斜して、従って最外側蒸気発生管１２に対して平行に配置された第２部分とを有している。

この配置構造の場合、底の領域での蒸気発生管１２の加熱の強さにおける相違は、ずっと小さく、場合によりその結果として生ずる流れ媒体の温度差は、許容できない大きな材料負荷が確実に防止される程に小さい。従って、低負荷時および始動過程時、温度差を小さくするための補助的処置は不要である。

燃焼室壁の範囲における垂直に配置された蒸気発生管と、底の範囲における部分的に底の傾斜方向に対して平行に配置された蒸気発生管とを備えた貫流ボイラの概略構成図。 貫流ボイラの異なった実施例の概略構成図。 図１における貫流ボイラの異なった実施例の概略構成図。

符号の説明

１ ボイラ、４ 囲壁、６ 漏斗側壁、１２ 蒸気発生管

Claims (6)

1. 底部に漏斗側壁（６）を有する燃焼室と、水・蒸気からなる液状流体である流れ媒体で貫流される多数の蒸気発生管（１２）で形成された囲壁（４）とを備えたボイラ（１）であって、漏斗側壁（６）の領域の多数の蒸気発生管（１２）が、少なくとも部分的に漏斗側壁（６）の傾斜方向に対し平行に配置され、囲壁（４）の領域の蒸気発生管（１２）より小さな管直径を有することを特徴とするボイラ。
2. 互いに隣接する蒸気発生管（１２）が各々フィン（１４）を介して結合され、囲壁（４）の領域の多数のフィン（１４）が、漏斗側壁（６）の領域のフィンと異なる幅を有することを特徴とする請求項１記載のボイラ。
3. 漏斗側壁（６）の領域の多数のフィン（１４）が、囲壁（４）の領域のフィンより小さな幅を有することを特徴とする請求項２記載のボイラ。
4. 漏斗側壁（６）の領域の多数の蒸気発生管（１２）の直径が、囲壁（４）の領域の蒸気発生管（１２）の管直径に対し５〜１５％減少されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載のボイラ。
5. 漏斗側壁（６）の領域の多数のフィン（１４）の幅が、囲壁（４）の領域のフィン幅に対し３０〜７０％減少されたことを特徴とする請求項３又は４記載のボイラ。
6. 貫流ボイラとして設計されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載のボイラ。

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