JP4489307B2

JP4489307B2 - 化石燃料貫流ボイラ

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Inventors: ヴィトコウ、エバーハルト
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Filing date: 2000-03-20
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Description

【０００１】
本発明は、化石燃料用の燃焼室を有し、この燃焼室の高温ガス側に水平煙道を介して垂直煙道が後置接続され、燃焼室の囲壁が垂直に配置され互いに気密溶接された蒸発管で形成された貫流ボイラに関する。
【０００２】
ボイラを備えた原動所において、燃料の含有エネルギはボイラ内で水及び／又は水蒸気からなる流体（以下、媒体流という。）であって、液状の媒体流を蒸発するために利用される。その媒体流は通常、蒸気発生回路内を導かれる。ボイラで用意された蒸気は、例えば蒸気タービンを駆動するために利用されおよび／又は密閉外部プロセスに利用される。蒸気が蒸気タービンを駆動すると、その蒸気タービンのタービン軸を介して通常、発電機や作業機械が駆動される。発電機の場合、発生した電流は、複合電力系統および／又は独立電力系統に供給される。
【０００３】
そのボイラは貫流ボイラとして形成される。貫流ボイラは、VGBクラフトベルクステヒニーク(Kraftwerkstechnik) ７３（１９９３年）、第４号、第３５２〜３６０頁に掲載のＪ．フランケ、Ｗ．ケーラー、Ｅ．ウィッチョー共著の論文「ベンソンボイラの蒸発器構想」で公知である。貫流ボイラでは、蒸発管として設けられた蒸気発生管の加熱は、媒体流を蒸気発生管の一回の通過で蒸発させる。
【０００４】
貫流ボイラは通常、垂直構造の燃焼室を備えている。これは、燃焼室がほぼ垂直方向への加熱媒体又は高温ガスの通過に対し設計されることを意味する。燃焼室には、高温ガス側に水平煙道が後置接続され、高温ガス流が燃焼室から水平煙道に移行する際、高温ガスのほぼ水平方向への転向が行われる。しかしそのような燃焼室は、一般に温度に応じて燃焼室長さが変化するため、燃焼室を懸垂支持する架台を必要とする。これは、貫流ボイラの製造および組み立てに際しかなり高い技術的経費がかかることを意味し、その経費は、貫流ボイラの構造高さが大きくなればなる程高くなる。これは特に、全負荷時に８０ｋｇ／秒より大きな蒸気出力に対し設計された貫流ボイラに当てはまる。
【０００５】
貫流ボイラは圧力の制限を受けないので、主蒸気圧は、液状媒体と蒸気状媒体の間にほんの僅かな密度差しか存在しない水の臨界圧（Ｐ_kri＝２２１バール）よりかなり高くできる。高い主蒸気圧は、高い熱効率を助長し、従って燃料として例えば石炭や活性炭を燃やす化石燃料式原動所のＣＯ₂の発生量を減らす。
【０００６】
特別な問題は、貫流ボイラの煙道や燃焼室の囲壁を、そこで生ずる管壁温度又は材料温度に応じ設計することにある。約２００バール迄の未臨界圧力範囲において、燃焼室の囲壁温度は、蒸発管の内周面の湿りが保障されるとき、主に水の飽和温度の高さによって決定される。これは、例えば内周面に表面組織を有する蒸発管を利用することによって達成される。そのため、特に内側フィン（ひれ）付き蒸発管が考慮され、その貫流ボイラへの採用は、例えば上述の文献で知られている。この所謂フィン付き管、即ち内周面にフィンが付けられた管は、管内壁から媒体流への特に良好な熱伝達率を有する。
【０００７】
貫流ボイラの管壁が互いに溶接されているとき、ボイラの運転中、異なった温度の管壁間に熱応力が生ずることは、経験的に避けられない。これは、特に燃焼室とこれに後置接続された水平煙道との接続部分に、即ち燃焼室の出口範囲の蒸発管と水平煙道の入口範囲の蒸気発生管との間に生ずる。この熱応力により貫流ボイラの寿命が著しく短縮され、極端な場合に管に亀裂が生じる。
【０００８】
本発明の課題は、特に安価な製造費および組立費しか必要とせず、運転中に燃焼室とこれに後置接続された水平煙道との接続部の温度差が小さくなる、冒頭に述べた形式の化石燃料式貫流ボイラを提供することにある。これは特に、互いに直接又は間接的に隣接する燃焼室の蒸発管と、燃焼室に後置接続された水平煙道の蒸気発生管とに適用される。
【０００９】
この課題は、本発明によれば、化石燃料用の燃焼室を有し、この燃焼室に水平煙道を介して垂直煙道が高温ガスの流れ方向で見て後側に接続され、燃焼室が水平煙道の高さに配置された複数のバーナを有し、燃焼室の囲壁が垂直に配置され互いに気密溶接された複数の蒸発管で形成され、大多数の蒸発管が各々並行して水及び／又は水蒸気からなる流体（以下、媒体流という。）を供給され、前記水平煙道の側壁が、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して媒体流が供給される蒸気発生管で形成され、前記燃焼室の出口範囲の囲壁と水平煙道の入口範囲の側壁とが溶接接続され、前記水平煙道の側壁の蒸気発生管が、燃焼室の出口範囲における蒸発管と隣接している化石燃料貫流ボイラであって、前記燃焼室の出口範囲において、並行して媒体流が供給される一部の蒸発管が燃焼室の囲壁に入り込む前に、貫流ボイラの運転中、媒体流の予熱が行われように、燃焼室を通して導かれることによって解決される。
【００１０】
本発明は、特に安価な製造・組立費で作れる貫流ボイラは、単純に形成できる懸垂構造物を有さねばならないと言う考えから出発している。技術的に非常に安価に作れる燃焼室懸垂支持用の架台は、貫流ボイラの比較的低い構造高さに伴い生ずる。貫流ボイラの特に低い構造高さは、燃焼室を水平構造に形成することで得られる。そのため、バーナを燃焼室壁に水平煙道の高さに配置する。これにより、貫流ボイラの運転中、高温ガスは燃焼室をほぼ水平の主流れ方向に流れる。
【００１１】
更に水平燃焼室を備えた貫流ボイラの運転中、燃焼室と水平煙道との接続部の温度差を、熱応力による過早の材料疲労を確実に防止するため特に小さくせねばならない。燃焼室の出口範囲と水平煙道の入口範囲での熱応力による材料疲労を確実に防止するには、この温度差を、特に互いに直接又は間接的に隣接する燃焼室の蒸発管と水平煙道の蒸気発生管との間で、特に小さくせねばならない。
【００１２】
しかし貫流ボイラの運転中、媒体流が供給される蒸発管の入口部分は、燃焼室に後置接続された水平煙道の蒸気発生管の入口部分よりも非常に低温である。即ち、水平煙道の蒸気発生管に流入する高温媒体流に比べ比較的冷たい媒体流が、蒸発管に流入する。即ち、貫流ボイラの運転中、蒸発管は入口部分が、水平煙道の入口部分における蒸気発生管よりも冷たい。従って、燃焼室と水平煙道との接続部に、熱応力による材料疲労が生ずることが予期される。
【００１３】
しかしいま燃焼室の蒸発管に低温媒体流でなく高温媒体流が流入すれば、蒸発管の入口部分と蒸気発生管の入口部分との温度差は、低温媒体流が蒸発管に流入する場合程は大きくならない。水平煙道の蒸気発生管に間接又は直接に接続された蒸発管に、加熱により媒体流の予熱を行う管が直接接続されているか、その蒸発管の一部であるとき、温度差は一層小さくなる。このため、若干の蒸発管は燃焼室の囲壁に入り込む前に燃焼室を通して導かれる。その場合、この若干の蒸発管は、媒体流が並行して供給される多数の蒸発管に付属している。
【００１４】
水平煙道および／又は垂直煙道の側壁は、好適には、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して媒体流が供給される蒸気発生管で形成されている。
【００１５】
好適には、燃焼室の並列接続された多数の蒸発管に、各々媒体流用の共通の入口管寄せ装置が前置接続され、共通の出口管寄せ装置が後置接続される。即ち、この実施態様で形成された貫流ボイラは、並列接続された多数の蒸発管間の確実な圧力バランスを可能にし、並列接続された全ての蒸発管は同じ総圧力損失を示す。これは、低加熱蒸発管に比べ、高加熱蒸発管において流量が増大することを意味する。これは、水平煙道又は垂直煙道の並行して媒体流が供給される多数の蒸気発生管に対しても適用され、媒体流側において、各々共通の入口管寄せ装置が前置接続され、共通の出口管寄せ装置が後置接続される。
【００１６】
好適には、燃焼室の正面壁の蒸発管は、媒体流側において、燃焼室の側壁を形成する囲壁の蒸発管に前置接続されている。これにより、燃焼室の高加熱正面壁の特に良好な冷却が保障される。
【００１７】
本発明の他の実施態様において、燃焼室の多数の蒸発管の内径は、燃焼室における蒸発管の各々の位置に応じ選定される。このようにして、蒸発管は燃焼室内の高温ガス側の予設定可能な加熱温度分布に適合される。こうして蒸発管の貫流に影響を及ぼすことで、蒸発管の出口における温度差が特に確実に小さくなる。
【００１８】
蒸発管内を導かれる媒体流に燃焼室の熱を特に良好に伝達するため、多数の蒸発管の内周面に各々多条ねじを形成するフィンを設けるのがよい。その場合、管軸線に対して垂直な平面と管内周面に設けられたフィンのフランクとの成す傾斜角αは、６０°より小さく、好適には５５°より小さい。
【００１９】
即ち内側フィンのない蒸発管、所謂平滑管として形成した蒸発管の場合、所定の蒸気含有量から特に良好な熱伝達に必要な管壁の湿りがもはや維持できない。湿りが不足すると、所々に乾いた管壁が生ずる。そのような乾いた管壁への移行は、熱伝達挙動が悪い所謂熱伝達危機を生じ、このために一般に、この個所で管壁温度が特に著しく上昇する。しかしこの熱伝達危機は、内側フィン付き蒸発管においては平滑管と異なり、蒸気含有量が０．９より大きいとき、即ち蒸発の完了直前に初めて生ずる。その理由は、スパイラル状フィンによって流れに旋回が与えられることにある。異なる遠心力に基づき、水分は蒸気分から分離され、管壁を伝って搬送される。これにより、管壁の湿りは高い蒸気含有量迄維持され、従って、熱伝達危機の場所に既に流速が生ずる。これは、熱伝達危機にも係らず非常に良好な熱伝達を生じさせ、その結果、管壁温度が低下する。
【００２０】
好適には、燃焼室の多数の蒸発管は、媒体流の流量を減少するための手段を有する。その手段を絞り装置として形成するのが特に有利である。その装置は、例えば各蒸発管の内部において或る個所で管内径を狭める蒸発管内への組込み物である。燃焼室の蒸発管に媒体流を供給する多数の並列配管を有する配管系における、流量を減少するための手段も有効である。その配管系は、媒体流が並行して供給される蒸発管の入口管寄せ装置にも前置接続される。この配管系の１つ又は複数の配管に、例えば絞り弁が設けられる。蒸発管を通る媒体流の流量を減少するための手段により、個々の蒸発管を通る媒体流の流量が、燃焼室におけるその都度の加熱量に適合させられる。これによって、蒸発管の出口における媒体流の温度差が、追加的に特に確実に小さくされる。
【００２１】
隣接する蒸発管ないし蒸気発生管は長手側が、好適には、帯金所謂フィンを介して互いに気密溶接されている。このフィンは管の製造過程において既に管と固く結合され、これと共に単一品を形成している。管とフィンとから成るこの単一品はフィン付き管とも呼ばれる。フィン幅は蒸発管ないし蒸気発生管への入熱量に影響を与える。従ってフィン幅は、貫流ボイラにおける各々の蒸発管ないし蒸気発生管の各々の位置に関係して、高温ガス側の予設定できる加熱温度分布に合わされている。その加熱温度分布として、経験値から求められた代表的な加熱温度分布あるいはまた例えば段階的な加熱温度分布のような大体の推定でもよい。適当に選定されたフィン幅によって、種々の蒸発管ないし蒸気発生管が著しく異なって加熱される場合でも、全ての蒸発管ないし蒸気発生管への入熱量は、蒸発管ないし蒸気発生管の出口における温度差が特に小さくされるように、得られる。このようにして、材料の早過ぎる疲労は確実に防止される。これによって、貫流ボイラは特に長い寿命を持つ。
【００２２】
好適には、水平煙道内に複数の過熱器を配置し、これらの過熱器を高温ガスの主流れ方向に対してほぼ垂直に配置し、その管を媒体流の貫流に対して並列接続する。懸垂構造で配置され且つ隔壁加熱器とも呼ばれるこれらの過熱器は、主に対流加熱され、媒体流側において燃焼室の蒸発管に後置接続される。これによって、高温ガスの熱の特に良好な利用が保障される。
【００２３】
好適には、垂直煙道は複数の対流加熱器を有し、これら加熱器は高温ガスの主流れ方向に対しほぼ垂直に配置された管で形成される。対流加熱器のこれらの管は、媒体流の貫流に対し並列接続される。対流加熱器も主に対流で加熱される。
【００２４】
更に高温ガスの熱の特に完全な利用を保障するため、垂直煙道は好ましくはエコノマイザを有する。
【００２５】
好適には燃焼室の正面壁、即ち燃焼室の水平煙道への流出開口と反対側に位置する壁にバーナが配置される。このような構成の貫流ボイラは、特に簡単に燃料の燃焼長に適合させられる。燃料の燃焼長とは、所定の平均高温ガス温度での水平方向の高温ガス速度と、燃料の火炎の燃焼時間ｔ_Aとの積を意味する。その都度の貫流ボイラにおける最大燃焼長は、貫流ボイラの全負荷時、所謂全負荷運転時の蒸気出力Ｍにおいて生ずる。燃料の火炎の燃焼時間ｔ_Aは、平均粒度の微粉炭が、所定の平均高温ガス温度で完全燃焼するために必要な時間である。
【００２６】
水平煙道の材料損傷と例えば高温溶融灰の侵入に基づく不所望の汚れを特に減らすため、燃焼室の正面壁から水平煙道の入口範囲迄の距離で規定される燃焼室の長さは、貫流ボイラの全負荷時における燃料の燃焼長と少なくとも同じとするとよい。燃焼室の下部は灰出しホッパとして形成し、燃焼室の水平長さは、通常灰出しホッパ上縁から燃焼室天井までの燃焼室高さの少なくとも８０％である。
【００２７】
化石燃料の燃焼熱を特に良好に利用するために、好適には、燃焼室の長さＬ（ｍ）は、全負荷時における貫流ボイラの蒸気出力Ｍ（ｋｇ／秒）、化石燃料の火炎の燃焼時間ｔ_A（秒）および燃焼室からの高温ガスの出口温度Ｔ_BRK（℃）の関数として選定される。その場合、全負荷時の貫流ボイラの所定の蒸気出力Ｍにおいて、近似的に、次の（１）式および（２）式のうち大きい方の値が適用される。
【数１】
Ｌ（Ｍ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂・Ｍ）・ｔ_A （１）
【数２】
Ｌ（Ｍ、Ｔ_BRK）＝（Ｃ₃・Ｔ_BRK＋Ｃ₄）Ｍ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）²＋Ｃ₆・Ｔ_BRK＋Ｃ₇
（２）
【００２８】
ここでＣ₁＝８ｍ／秒、Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ₃＝−１．９０５・１０^-4（ｍ・秒）／（ｋｇ℃）、Ｃ₄＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、Ｃ₅＝３・１０^-4ｍ／（℃）²、Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ₇＝６０３．４１ｍである。
【００２９】
ここで近似的とは、各々の式で規定された燃焼室長さＬの値の＋２０／−１０％が許容偏差であることを意味する。
【００３０】
燃焼室の下部は、灰出しホッパとして形成するとよい。かくして、貫流ボイラの運転中、化石燃料の燃焼時に生ずる灰は、特に簡単に排出され、例えば灰出しホッパ下に配置した灰出し装置に排出される。化石燃料は固形の石炭である。
【００３１】
本発明により得られる利点は、特に幾本かの蒸発管を燃焼室の囲壁に入り込む前に燃焼室を通して導くことで、貫流ボイラの運転中、燃焼室と水平煙道の接続部の直ぐ周辺の温度差が、特に小さくなることにある。従って貫流ボイラの運転中、燃焼室と水平煙道の接続部における互いに直接隣接する燃焼室の蒸発管と、水平煙道の蒸気発生管との間の温度差により生ずる熱応力が、例えば管亀裂を生ずる恐れがある値よりもかなり低く保たれる。これに伴い、貫流ボイラに水平燃焼室を非常な長寿命で用いることができる。高温ガスのほぼ水平の主流れ方向に対し燃焼室を設計することで、貫流ボイラの構造は特にコンパクトになり、その結果、貫流ボイラを、蒸気タービンを備える原動所に組み入れる際に、貫流ボイラから蒸気タービン迄の接続管を特に短くすることを可能にする。
【００３２】
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ある
【００３３】
図１の貫流ボイラ２は、蒸気タービン設備も有する原動所（図示せず）に付属している。貫流ボイラは全負荷時に少なくとも８０ｋｇ／秒の蒸気出力に対して設計されている。貫流ボイラ２で発生された蒸気は蒸気タービンを駆動するために利用され、この蒸気タービンは発電機を駆動する。発電機で発生した電力は、複合電力系統あるいは独立電力系統への給電に利用される。
【００３４】
化石燃料貫流ボイラ２は、水平構造に形成された燃焼室４を備える。この燃焼室４の高温ガス側には、水平煙道６を介し垂直煙道８が後置接続されている。燃焼室４の下部は灰出しホッパ５により形成され、その上縁は終点Ｘ、Ｙを含む補助線で示す。貫流ボイラ２の運転中、灰出しホッパ５を通して、化石燃料Ｂの灰がその下に設けた灰出し装置７に排出される。燃焼室４の囲壁９は、垂直に配置され互いに気密溶接された多数の蒸発管１０で形成されている。そのＮ本の蒸発管１０には、並行して媒体流Ｓが供給される。正面壁１１は燃焼室４の囲壁９である。追加的に水平煙道６の側壁１２ないし垂直煙道８の側壁１４も、垂直に配置され互いに気密溶接された多数の蒸気発生管１６、１７で形成される。この場合、その蒸気発生管１６、１７は各々並行して媒体流Ｓが供給される。
【００３５】
燃焼室４の多数の蒸発管１０には、媒体流側において、媒体流Ｓに対する入口管寄せ装置１８が前置接続され、出口管寄せ装置２０が後置接続されている。入口管寄せ装置１８は多数の並行入口管寄せを備える。蒸発管１０の入口管寄せ装置１８に媒体流Ｓを供給するため配管系１９が設けられている。この配管系１９は並列接続された多数の配管を有し、これらの配管は各々、入口管寄せ装置１８の１つの入口管寄せに接続されている。
【００３６】
同様に、水平煙道６の側壁１２の媒体流Ｓが並行して供給される蒸気発生管１６に、共通の入口管寄せ装置２１が前置接続されている。その場合、蒸気発生管１６の入口管寄せ装置２１に媒体流Ｓを導入するため、同様に配管系１９が設けられている。この配管系１９はここでも多数の並列接続された配管を有する。これらの配管は各々入口管寄せ装置２１の入口管寄せに接続されている。
【００３７】
入口管寄せ装置１８、２１と出口管寄せ装置２０、２２を備えた貫流ボイラ２をこのように形成することで、並列接続された全ての蒸発管１０ないし蒸気発生管１６が同じ総圧力損失を有するよう、燃焼室４の互いに並列接続された蒸発管１０間、ないし水平煙道６の互いに並列接続された蒸気発生管１６間の圧力を特に確実にバランスできる。これは、高加熱蒸発管１０ないし高加熱蒸気発生管１６において、低加熱蒸発管１０ないし低加熱蒸気発生管１６に比べ流量が増大せねばならないことを意味する。
【００３８】
蒸発管１０は管内径Ｄを有し、内周面にフィン４０を有する（図２参照）。このフィン４０は多条ねじの形をし、フィン高さＲを有する。その管軸線に対して垂直な平面４２と管内周面に設けられたフィン４０のフランク４４との成す傾斜角αは５５°より小さい。これにより、蒸発管１０の内壁から蒸発管１０内を導かれる媒体流Ｓへの特に高い熱伝達率が、同時に低い管壁温度が得られる。
【００３９】
燃焼室４の蒸発管１０の管内径Ｄは、燃焼室４内における各蒸発管１０の位置に関係して選定される。このようにして、貫流ボイラ２は蒸発管１０の種々の強さの加熱量に合わされる。このような燃焼室４の蒸発管１０の設計は、蒸発管１０の出口における温度差を特に小さくすることを、特に確実に保障する。
【００４０】
媒体流Ｓの流量を減少する手段として、蒸発管１０の一部に絞り装置（図示せず）が装備されている。絞り装置は、或る個所で管内径Ｄを狭める孔開き絞り板として形成され、貫流ボイラ２の運転中に低加熱蒸発管１０における媒体流Ｓの流量を減少させ、これにより、媒体流Ｓの流量が加熱量に適合させる。
【００４１】
更に、蒸発管１０内での媒体流Ｓの流量を減少する手段として、配管系１９の１つ又は複数の配管に、絞り装置特に絞り弁が装備されている（図示せず）。
【００４２】
互いに隣接する蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７は、それらの長手側がフィンを介して互いに、詳述しない方法で気密溶接されている。つまり、そのフィン幅を適当に選定することで、蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７の加熱量が制御される。従って、各フィン幅は、貫流ボイラ２における各蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７の位置に関係する予め設定できる高温ガス側の加熱温度分布に合わされている。温度分布は、経験値から求めた代表的な加熱温度分布であるか、或いは大体の推定でもよい。これにより、蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７が著しく異なる加熱を受ける場合でも、蒸発管１０ないし蒸気発生管１６、１７の出口における温度差は、特に小さくできる。かくして、材料の疲労を確実に防止し、貫流ボイラ２の長寿命を保障できる。
【００４３】
水平燃焼室４を配管敷設して形成する際、互いに気密溶接された個々の蒸発管１０の加熱量が、貫流ボイラ２の運転中に非常に異なってしまうことにつき考慮せねばならない。そのため、蒸発管１０の内側フィン、隣接する蒸発管１０へのフィン結合および管内径Ｄについて、全蒸発管１０が異なる加熱量にも係らずほぼ同じ出口温度を有し、貫流ボイラ２のあらゆる運転状態において全蒸発管１０の十分な冷却が保障されるように設計する。貫流ボイラ２の運転中における若干の蒸発管１０の低加熱は、絞り装置の組込みにより補助的に考慮する。
【００４４】
燃焼室４における蒸発管１０の管内径Ｄは、燃焼室４内における蒸発管１０の各々の位置に関係して選定される。貫流ボイラ２の運転中に強く加熱される蒸発管１０は、貫流ボイラ２の運転中に弱く加熱される蒸発管１０よりも、大きな管内径Ｄとされる。これにより、管内径が全て同じにされている場合に比べ、大きな管内径Ｄを持つ蒸発管１０内における媒体流Ｓの流量が増大し、これに伴い、異なった加熱量による蒸発管１０の出口における温度差は減少される。蒸発管１０内における媒体流Ｓの流量を加熱量に合わせる別の処置は、蒸発管１０の一部におよび／又は媒体流Ｓを供給するために用意された配管系１９に、絞り装置を組み込むことにある。これに対して、加熱量を蒸発管１０内における媒体流Ｓの流量に適合させるために、フィン幅が燃焼室４内における蒸発管１０の位置に関係して選定される。上述の全ての処置は、個々の蒸発管１０が大きく異なって加熱されるにも係らず、貫流ボイラ２の運転中に、蒸発管１０内を導かれる媒体流Ｓの比熱量がほぼ同じとなり、これによって、蒸発管１０の出口における温度差が小さくなる。蒸発管１０の内側フィンは、貫流ボイラ２のあらゆる負荷状態において、異なる加熱量および異なる媒体流Ｓの流量にも係らず、蒸発管１０の特に確実な冷却が保障されるよう設計されている。
【００４５】
水平煙道６は隔壁伝熱面として形成された多数の過熱器２３を備える。これらの過熱器２３は高温ガスＧの主流れ方向２４に対し垂直に懸垂構造で配置され、その管は媒体流Ｓの貫流に対し各々並列接続されている。過熱器２３は主に対流加熱され、媒体流側において燃焼室４の蒸発管１０に後置接続されている。
【００４６】
垂直煙道８は、主に対流加熱される多数の対流加熱器２６を備える。これら対流加熱器２６は、高温ガスＧの主流れ方向２４に対しほぼ垂直に配置された管で構成されている。これら管は、媒体流Ｓの貫流に対し各々並列接続されている。更に垂直煙道８内にエコノマイザ２８が配置されている。垂直煙道８は出口側が別の熱交換器、例えば空気加熱器に開口し、そこから、集塵機を介して煙突に通じている。垂直煙道８に後置接続された構造部品は、図１には示していない。
【００４７】
貫流ボイラ２は、特に低い構造高さの水平燃焼室４で実現され、従って特に安価な製造費および組立費で建設できる。このために、貫流ボイラ２の燃焼室４は化石燃料用の多数のバーナ３０を有している。これらバーナ３０は、燃焼室４の正面壁１１に、水平煙道６の高さで配置されている。
【００４８】
特に高い効率を得るため、化石燃料Ｂを特に完全燃焼させ、高温ガス側から見て水平煙道６の最初の過熱器２３の材料損傷および例えば高温溶融灰の侵入によるその過熱器２３の汚染を特に確実に防止できるようにするため、燃焼室４の長さＬを、これが貫流ボイラ２の全負荷運転中に燃料Ｂの燃焼長を越えるように選定してある。長さＬは燃焼室４の正面壁１１から水平煙道６の入口範囲３２迄の距離である。燃料Ｂの燃焼長は、所定の平均高温ガス温度時における水平方向の高温ガス速度と、燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Aとの積として規定される。その都度の貫流ボイラ２における最大燃焼長は、貫流ボイラ２の全負荷運転中に生ずる。燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Aは、例えば平均粒度の微粉炭が所定の平均高温ガス温度時に完全燃焼するために必要とする時間である。
【００４９】
化石燃料Ｂの燃焼熱の特に良好な利用を保障するため、燃焼室４の長さＬ（ｍ）は、全負荷時における燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_BRK（℃）、燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_A（秒）、貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍ（ｋｇ／秒）に関係して適当に選定される。燃焼室４の水平長さＬは、燃焼室４の高さＨの約８０％である。高さＨは、図１において終点Ｘ、Ｙを含む線で示す燃焼室４の灰出しホッパ上縁から燃焼室天井迄の距離である。燃焼室４の長さＬは、近似的に次の式（１）、（２）によって決定される。
【数３】
Ｌ（Ｍ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂・Ｍ）・ｔ_A （１）
【数４】
Ｌ（Ｍ、Ｔ_BRK）＝（Ｃ₃・Ｔ_BRK＋Ｃ₄）Ｍ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）²＋Ｃ₆・Ｔ_BRK＋Ｃ₇
（２）
【００５０】
ここでＣ₁＝８ｍ／秒、Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ₃＝−１．９０５・１０^-4（ｍ・秒）／（ｋｇ℃）、Ｃ₄＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、Ｃ₅＝３・１０^-4ｍ／（℃）²、Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ₇＝６０３．４１ｍである。
【００５１】
この場合の許容偏差は、近似的に、各式で規定される燃焼室長さＬの＋２０％／−１０％である。全負荷時における貫流ボイラ２の所定の蒸気出力Ｍに対して貫流ボイラ２を設計する際、燃焼室４の長さＬに対し、式（１）、（２）からの大きい方の値が適用される。
【００５２】
貫流ボイラ２の考え得る設計例として、全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍに関する燃焼室４の長さＬに対して、図３の座標系に、６つの曲線Ｋ₁〜Ｋ₆を記してある。それら曲線には、次のパラメータが対応する。即ち、Ｋ₁、Ｋ₂、Ｋ₃に各々式（１）におけるｔ_A＝３秒、ｔ_A＝２．５秒、ｔ_A＝２秒が対応し、Ｋ₄、Ｋ₅、Ｋ₆に各々式（２）におけるＴ_BRK＝１２００℃、Ｔ_BRK＝１３００℃、Ｔ_BRK＝１４００℃が対応している。
【００５３】
従って、燃焼室４の長さＬを決定するために、例えば燃焼時間ｔ_A＝３秒および燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_BRK＝１２００℃に対し、曲線Ｋ₁、Ｋ₄が関与する。これにより、貫流ボイラ２の全負荷時に所定の蒸気出力Ｍの場合に、燃焼室４の長さＬは次のようになる。即ち各々曲線Ｋ₄に基づいて、Ｍ＝８０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝２９ｍ、Ｍ＝１６０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝３４ｍ、Ｍ＝５６０ｋｇ／秒の場合、Ｌ＝５７ｍとなる。
【００５４】
即ち常に、実線で示す曲線Ｋ₄が適用される。
【００５５】
燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_A＝２．５秒および燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_BRK＝１３００℃に対し、例えば曲線Ｋ₂、Ｋ₅が関与する。これにより、貫流ボイラ２の全負荷時、所定の蒸気出力Ｍにおいて、燃焼室４の長さＬは次のようになる。即ち、Ｍ＝８０ｋｇ／秒の場合曲線Ｋ₂に基づきＬ＝２１ｍ、Ｍ＝１８０ｋｇ／秒の場合、曲線Ｋ₂、Ｋ₅に基づきＬ＝２３ｍ、Ｍ＝５６０ｋｇ／秒の場合曲線Ｋ₅に基づいてＬ＝３７ｍとなる。
【００５６】
即ち、蒸気出力Ｍ＝１８０ｋｇ／秒迄は、実線で示す曲線Ｋ₂の部分が適用され、このＭの値の範囲では破線で示された曲線Ｋ₅は適用されない。１８０ｋｇ／秒より大きなＭの値に対して、実線で示された曲線Ｋ５の部分が適用され、このＭの値の範囲では破線で示された曲線Ｋ₂は適用されない。
【００５７】
燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_A＝２秒および燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_BRK＝１４００℃に対し、例えば曲線Ｋ₃、Ｋ₆が関与する。これにより、貫流ボイラ２の全負荷時、所定の蒸気出力Ｍの場合に、燃焼室４の長さＬは次のようになる。即ち、Ｍ＝８０ｋｇ／秒の場合曲線Ｋ₃に基づいてＬ＝１８ｍ、Ｍ＝４６５ｋｇ／秒の場合曲線Ｋ₃、Ｋ₆に基づいてＬ＝２１ｍ、Ｍ＝５６０ｋｇ／秒の場合曲線Ｋ₆に基づいてＬ＝２３ｍとなる。
【００５８】
即ち蒸気出力Ｍ＝４６５ｋｇ／秒迄の範囲では実線で示す曲線Ｋ₃が適用され、破線で示す曲線Ｋ₆は適用されない。４６５ｋｇ／秒より大きなＭの値には、実線で示す曲線Ｋ₆の部分が適用され、破線で示す曲線Ｋ₃は適用されない。
【００５９】
貫流ボイラ２の運転中、燃焼室４の出口範囲３４と水平煙道６の入口範囲３２の間に比較的小さな温度差が生ずるようにすべく、図１に示す接続部分Ｚに蒸発管５０、５１が特別な形態で導かれている。接続部分Ｚは図４に詳細に示され、燃焼室４の出口範囲３４と水平煙道６の入口範囲３２を含んでいる。蒸発管５０は、水平煙道６の側壁１２に直接溶接された燃焼室４の囲壁９のそれであり、蒸発管５２は、蒸発管５０に直接隣接する燃焼室４の囲壁９のそれである。
【００６０】
これら両蒸発管５０、５２は、これらに並列接続された蒸発管１０と共に、共通の入口管寄せ装置１８から出ている。しかし蒸発管５０並びに蒸発管５２は、まずほぼ水平方向に高温ガスＧの主流れ方向と逆向きに、燃焼室４の外を導かれている。それから燃焼室４に入り込み、そして本発明に基づき燃焼室４に入り込んだ際、直ちに燃焼室４の囲壁９の構成部分とはなっていない。即ち、これら蒸発管５０、５２は、高温ガスＧの主流れ方向２４と逆向きに延ばすため、燃焼室４の外でそのほぼ垂直な経路から分岐される範囲迄、高温ガスＧの主流れ方向２４に沿って燃焼室４内を戻されている。これら蒸発管５０、５２は、ループ後に初めて、燃焼室４の囲壁９に溶接され、燃焼室４の囲壁９の一部となる。
【００６１】
この特別な管案内によって、貫流ボイラ２の運転中、蒸発管５０、５２は燃焼室４の囲壁９に入り込む前に予熱される。即ち貫流ボイラ２の運転中、蒸発管５０、５２に導入された媒体流Ｓが加熱、即ち予熱される。これに伴って媒体流Ｓは、蒸発管５０、５２に直接隣接する燃焼室４の蒸発管１０の場合よりも比較的高い温度で、燃焼室４の囲壁９に流入する。蒸発管５０、５２はこの特別な管案内によって、貫流ボイラ２の運転中、その入口部分Ｅが、それに直接隣接する燃焼室４の囲壁９の蒸発管１０よりも比較的高い温度を持つ。これによって貫流ボイラ２の運転中、燃焼室４と水平煙道６との接続部３６における温度差は確実に小さくなる。
【００６２】
燃焼室４の蒸発管１０ないし水平煙道６の蒸気発生管１６における媒体流Ｓの考え得る温度Ｔｓに対する例として、図５における座標系に、相対管長Ｒと幾つかの温度Ｔｓ（℃）との関係が、曲線Ｕ₁〜Ｕ₄で記してある。曲線Ｕ₁は、水平煙道６の蒸気発生管１６の温度経過、Ｕ₂は蒸発管１０の相対管長Ｒに沿った温度経過、Ｕ₃は特別に導かれた蒸発管５０の温度経過、Ｕ₄は燃焼室４の囲壁９の蒸発管５２の温度経過である。図示の曲線を参照して、燃焼室４の囲壁９における入口部分Ｅで蒸発管５０、５２を特別に案内することにより、水平煙道６の側壁１２の蒸気発生管１６に対する温度差がかなり減少することが明らかである。例えば、蒸発管５０、５２の温度は、蒸発管５０、５２の入口部分Ｅで４５Ｋ（ケルビン）だけ高められる。これにより、貫流ボイラ２の運転中、燃焼室４と水平煙道６との接続部３６において、入口部分Ｅにおける蒸発管５０、５２と水平煙道６の蒸気発生管１６の特に小さな温度差が保障される。
【００６３】
貫流ボイラ２の運転中、バーナ３０に化石燃料Ｂが供給される。バーナ３０の火炎Ｆは水平に延びる。燃焼室４の構造に伴い、燃焼中に生ずる高温ガスＧの流れは、ほぼ水平の主流れ方向２４に生ずる。ガスＧは水平煙道６を通りほぼ底に向かって延びる垂直煙道８に達し、そこから煙突（図示せず）を通って出る。
【００６４】
エコノマイザ２８に流入する媒体流Ｓは、貫流ボイラ２の燃焼室４の、蒸発管１０の入口管寄せ装置１８に到達する。貫流ボイラ２の燃焼室４の垂直に配置され互いに気密溶接された多数の蒸発管１０内で、媒体流Ｓの蒸発と、場合によっては部分的な過熱とが行われる。その際生じた蒸気ないし水・蒸気混合物は、媒体流Ｓ用の出口管寄せ装置２０内に集められる。蒸気ないし水・蒸気混合物は、そこから水平煙道６および垂直煙道８の壁を通り水平煙道６の過熱器２３に到達する。この過熱器２３において蒸気が一層過熱され、この蒸気は続いて使用に供され、例えば蒸気タービンの駆動に利用される。
【００６５】
貫流ボイラの運転中、蒸発管５０、５２の特別な案内により、燃焼室４の出口範囲３４と水平煙道６の入口範囲３２との間の温度差が特に小さくなる。その場合、燃焼室４の長さＬを全負荷時の貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍに関係して選定することで、化石燃料Ｂの燃焼熱を確実に利用することができる。更に、貫流ボイラ２はその特に低い構造高さおよびコンパクトな構造により、特に安価な製造費と組立費で建設できる。その場合、非常に安い技術的費用で作れる架台を利用できる。蒸気タービンと低い構造高さの貫流ボイラ２とを備えた原動所の場合、貫流ボイラ２から蒸気タービン迄の接続配管は、特に短く設計できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二煙道形の化石燃料式貫流ボイラの概略側面図。
【図２】個々の蒸発管の概略縦断面図。
【図３】燃焼室の長さＬと蒸気出力Ｍとの関係を示した曲線図。
【図４】燃焼室と水平煙道との接続部の概略構成図。
【図５】媒体流の温度Ｔｓと蒸発管の相対管長Ｒとの関係を示した曲線図。
【符号の説明】
２貫流ボイラ
４燃焼室
６水平煙道
８垂直煙道
９燃焼室の囲壁
１０蒸発管
１２水平煙道の側壁
１４垂直煙道の側壁
１６蒸気発生管
１７蒸気発生管
１８入口管寄せ装置
１９配管系
２０出口管寄せ装置
２３過熱器
２６対流加熱器
３０バーナ
４０フィン
Ｂ燃料

Claims

化石燃料（Ｂ）用の燃焼室（４）を有し、この燃焼室（４）に水平煙道（６）を介して垂直煙道（８）が高温ガスの流れ方向で見て後側に接続され、燃焼室（４）が水平煙道（６）の高さに配置された複数のバーナ（３０）を有し、燃焼室（４）の囲壁（９）が垂直に配置され互いに気密溶接された複数の蒸発管（１０）で形成され、大多数の蒸発管（１０）が各々並行して水及び／又は水蒸気からなる流体（以下、媒体流という。）（Ｓ）を供給され、前記水平煙道（６）の側壁（１２）が、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して媒体流（Ｓ）が供給される蒸気発生管（１６）で形成され、前記燃焼室（４）の出口範囲の囲壁（９）と水平煙道（６）の入口範囲（３２）の側壁とが溶接接続され、前記水平煙道の側壁の蒸気発生管が、燃焼室の出口範囲における蒸発管と隣接している化石燃料貫流ボイラであって、
前記燃焼室（４）の出口範囲（３４）において、並行して媒体流（Ｓ）が供給される一部の蒸発管（５０，５２）が、燃焼室（４）の囲壁（９）に入り込む前に、貫流ボイラの運転中、媒体流の予熱が行われように、燃焼室（４）を通して導かれることを特徴とする化石燃料貫流ボイラ。
垂直煙道（８）の側壁（１４）が、垂直に配置され互いに気密溶接され且つ並行して媒体流（Ｓ）が供給される蒸気発生管（１７）で形成されたことを特徴とする請求項１記載の貫流ボイラ。
並行して媒体流（Ｓ）が供給される大多数の蒸発管（１０）に、各々、共通の入口管寄せ装置（１８）が媒体流の流れ方向で見て前側に接続され、共通の出口管寄せ装置（２０）が後側に接続されたことを特徴とする請求項１または２記載の貫流ボイラ。
水平煙道（６）又は垂直煙道（８）の並行して媒体流（Ｓ）が供給される複数の蒸気発生管（１６、１７）に、各々、共通の入口管寄せ装置（２１）が媒体流の流れ方向で見て前側に接続され、共通の出口管寄せ装置（２２）が後側に接続されたことを特徴とする請求項１ないし３の１つに記載の貫流ボイラ。
正面壁（１１）が燃焼室（４）の囲壁（９）であり、この正面壁（１１）の蒸発管（１０）が並行して媒体流（Ｓ）を供給されることを特徴とする請求項１ないし４の１つに記載の貫流ボイラ。
燃焼室（４）の正面壁（１１）の蒸発管（１０）が、燃焼室（４）の他の囲壁（９）の蒸発管に媒体流の流れ方向で見て前側に接続されたことを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の貫流ボイラ。
燃焼室（４）における複数の蒸発管（１０）の管内径（Ｄ）が、燃焼室（４）における蒸発管（１０）の各々の位置に関係して選定されたことを特徴とする請求項１ないし６の１つに記載の貫流ボイラ。
複数の蒸発管（１０）がその内周面に各々多条ねじを形成するフィン（４０）を有することを特徴とする請求項１ないし７の１つに記載の貫流ボイラ。
管軸線に対して垂直な平面（４２）と管内周面に設けられたフィン（４０）のフランクとの成す傾斜角（α）が、６０°より小さいことを特徴とする請求項８記載の貫流ボイラ。
複数の蒸発管（１０）が各々絞り装置を有することを特徴とする請求項１ないし９の１つに記載の貫流ボイラ。
媒体流（Ｓ）を燃焼室（４）の蒸発管（１０）に供給するための配管系（１９）が設けられ、その配管系（１９）が媒体流（Ｓ）の流量を減少するために、複数の絞り装置を有することを特徴とする請求項１ないし１０の１つに記載の貫流ボイラ。
隣接する蒸発管（１０）ないし蒸気発生管（１６、１７）がフィンを介して互いに気密溶接され、そのフィン幅が、燃焼室（４）における水平煙道（６）および／又は垂直煙道（８）の蒸発管（１０）ないし蒸気発生管（１６、１７）のその都度の位置に関係して選定されたことを特徴とする請求項１ないし１１の１つに記載の貫流ボイラ。
水平煙道（６）内に複数の過熱器（２３）が懸垂構造で配置されたことを特徴とする請求項１ないし１２の１つに記載の貫流ボイラ。
垂直煙道（８）内に複数の対流加熱器（２６）が配置されたことを特徴とする請求項１ないし１３の１つに記載の貫流ボイラ。
バーナ（３０）が燃焼室（４）の正面壁（１１）に配置されたことを特徴とする請求項１ないし１４の１つに記載の貫流ボイラ。
燃焼室（４）の正面壁（１１）から水平煙道（６）の入口範囲（３２）迄の距離で規定される燃焼室（４）の長さ（Ｌ）が、貫流ボイラ（２）の全負荷時における燃料（Ｂ）の燃焼長と少なくとも同じであることを特徴とする請求項１ないし１５の１つに記載の貫流ボイラ。
燃焼室（４）の長さＬ（ｍ）が、全負荷時の蒸気出力（Ｍ）、燃料（Ｂ）の火炎（Ｆ）の燃焼時間（ｔ_A）および／又は燃焼室（４）からの高温ガス（Ｇ）の出口温度（Ｔ_BRK）の関数として、近似的に次式で選定され、
Ｌ（Ｍ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂・Ｍ）・ｔ_A （１）
Ｌ（Ｍ、Ｔ_BRK）＝（Ｃ₃・Ｔ_BRK＋Ｃ₄）Ｍ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）²＋Ｃ₆・Ｔ_BRK＋Ｃ₇
（２）
ここでＣ₁＝８ｍ／秒、Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ、Ｃ₃＝−１．９０５・１０^-4（ｍ・秒）／（ｋｇ・℃）、Ｃ₄＝０．２８６（秒・ｍ）／ｋｇ、Ｃ₅＝３・１０^-4ｍ／（℃）²、Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃、Ｃ₇＝６０３．４１ｍであり、
全負荷時の所定の蒸気出力（Ｍ）に対し、各燃焼室（４）の大きい方の長さ（Ｌ）が適用されることを特徴とする請求項１ないし１６の１つに記載の貫流ボイラ。
燃焼室（４）の下部が、灰出しホッパ（５）として形成されたことを特徴とする請求項１ないし１７の１つに記載の貫流ボイラ。