JPH11166703A - ボイラの伝熱管構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボイラ水壁を構成する伝熱管内で流体の流量
の低下を防止し、また逆流が発生しないようにして水壁
の熱損傷を防ぐことにより、ボイラ水壁の寿命を延ばす
こと。 【解決手段】 水又は水／蒸気の混合流体を分配するた
めの入口ヘッダから分配されて導入された前記混合流体
を水壁６で加熱することによって蒸気を発生させ出口ヘ
ッダ９に導く。このとき全ての水壁６を構成する伝熱管
の出口を出口ヘッダ６の内部底面より高い位置、例え
ば、出口ヘッダ６内の仮想気液界面より上方位置または
出口ヘッダ６内の蒸気含有率が１０％（体積率）以上の
領域の出口ヘッダ６部分に接続すると、たとえ伝熱管内
で流体が逆流しても、逆流する際には出口ヘッダ６内の
比重の小さい蒸気を吸い込むため、逆流管の静水圧は低
くなり下方の入口ヘッダから流体が流入する。その結果
伝熱管内では逆流が発生しにくくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はボイラに係わり、特
にその水循環経路の伝熱管構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】工業用ボイラは水の流動経路によって循
環型と還流型に分けられるが、大型で変圧運転をするも
のを除き、循環型ボイラが広く使用される。循環型ボイ
ラは浮力を利用する自然循環型ボイラとポンプによって
強制的に循環させる強制循環型ボイラとに分けられる。
図３に自然循環型ボイラの水循環系の概略を示す。この
水循環系は降水管２、供水管４、入口ヘッダ５、多数の
伝熱管から成る水壁６、吊り水壁８、出口ヘッダ９、連
絡管１０及び気水分離ドラム１１などからなる。

【０００３】図示しない節炭器を経て、給水は気水分離
ドラム１１に入る。この時、給水は気水分離ドラム１１
内の気液２相流（蒸気と飽和水の混合流体）に比べて密
度が大きいので降水管２を下降する。入口ヘッダ５から
水壁６に流入した水は火炉内の燃焼ガスの熱を吸収して
沸騰を開始する。気液２相流となった流体は出口ヘッダ
９に集められた後、連絡管１０により気水分離ドラム１
１に戻る。気水分離ドラム１１では蒸気と水とに分離さ
れ、蒸気は図示しない過熱器へ供給され、また水は再び
降水管２に入り、供水管４と入口ヘッダ５を経て水壁６
を構成する伝熱管群で加熱されて再び気水分離ドラム１
１に供給される。この流体の循環の動力源は水壁６内の
流体と降水管２内の水との密度差によって生じる浮力で
ある。

【０００４】なお、水壁６の流動抵抗が大きかったり、
高さがない場合には流体の循環力が弱いので、循環ポン
プを設けて循環力を増強しようとする強制循環方式もあ
るが、浮力の効果が相対的に小さくなるだけである。

【０００５】ここで、ボイラは水壁６内で生じる核沸騰
現象を利用して、通常の対流熱伝達とは比較にならない
程高い熱伝達率を得ている。つまり、水壁６は少ない伝
達面積で能率の良い熱交換をしている。しかし、管内流
速が低下すると、水壁６の内壁面に蒸気膜を形成する、
いわゆる膜沸騰に移行して熱伝達率が激減する。熱伝達
率が低下すると水壁６の温度が上昇し、水壁６の寿命を
著しく低下させたり、あるいは破損に至らしめる。従っ
て、ボイラでは膜沸騰への移行を回避するように水循環
系は正確に設計しなければならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ボイラの水壁６を構成
する並列配置された多数の伝熱管において、各伝熱管の
流量はその流動抵抗の比率で決まるから、単相流であれ
ば各伝熱管の抵抗を一致させれば均等に流すことができ
る。ところが、気液２相流の流動抵抗はその流動様式に
よって複雑に変化する。

【０００７】図４はサブクール水１５が存在する入口ヘ
ッダ５と飽和水１７と蒸気１８と気泡１９が混在する出
口ヘッダ９とそれらの間に設けられる水壁６部分の構造
を示す。

【０００８】水壁６の一部には分岐管７が設けられてい
るので、該分岐管７部分の気液２相流と水流の流動状態
を模式化して図４に示している。通常、水壁６は天井か
ら吊すので、水壁６の形状が変化する部分には分岐管７
を入れて、吊り水壁に取られた分を補っている。

【０００９】これらの水壁６は火炉からの熱で加熱さ
れ、内部は気液２相流の状態となっている。図４は正常
に流体（気液２相流）が流れた場合の模式図であるが、
条件によっては図５に示すように分岐管７の一部で逆流
を生じる場合がある。流体（気液２相流）の逆流は間欠
的に発生するものであるが、定常的に存在する。図６に
流体（気液２相流）が逆流する水壁（逆流管）６の内部
流動を模式化して示したが、逆流する水壁６内には上部
の出口ヘッダ９から飽和水１７あるいは一部気泡１９を
含んだ流体を多量に吸い込んでいる。そのため、逆流管
内ではほとんど蒸気１８の割合が増えず比重の重たい流
体が詰まっている。

【００１０】一般に、水壁６などを構成する伝熱管内の
流体流動の圧力損失は静水圧と管摩擦の和で定まる。静
水圧は流体の密度を伝熱管の上方向に積分したもので、
伝熱管中の流体の重量に相当する。管摩擦は伝熱管内を
流体が流れる時の摩擦によるもので、流体流速の２乗に
比例する。図５に示す流体循環系でも圧力損失のバラン
スは成立している。つまり、逆流する水壁（逆流管）６
では静水圧が大きく、逆流しない水壁（正常管）６では
管摩擦が大きくなっている。

【００１１】一般に入口ヘッダ５と出口ヘッダ９間の圧
力差はボイラ全体の流体の循環流量で決まるので、図５
に示すような流体の逆流が一部の水壁６内で発生しても
一定である。したがって、線図を用いて流体系の流動を
考えることができる。

【００１２】図７は亜臨界圧ボイラ（圧力１８０ｋｇ／
ｃｍ²、蒸発量１００ｔ／ｈ）における水壁６内の流量
とヘッダ間の差圧（＝入口ヘッダ５と出口ヘッダ９の差
圧）の関係を示したものである。図７中の記号は伝熱管
に流入する流体の蒸気含有率（クオリテイ、乾き度とも
言い、重量割合で表す）を表す。●印は飽和水の状態で
あり、□印は５％、△印は１０％および×印は１５％の
蒸気含有率をそれぞれ表す。

【００１３】この図７に示す線図において、圧力損失ａ
のように圧力差が十分大きい状態では順方向の流体の流
れしか存在しない。一方、圧力損失ｂのように圧力差が
小さい状態では順方向に流体が流れるだけでなく、逆流
が生じることもある。ただし、入口ヘッダ５の蒸気含有
率が高くなると逆流が生じにくくなる。これは静水圧が
小さくなるためである。

【００１４】水壁６内で逆流が発生すると、図５に示す
場合には分岐管７の下部の水壁６内流量が極端に低下す
る。この例では入口ヘッダ５内の流体が飽和水である場
合には、正常時の実に１／１０の量しか流れない。流量
が少ないと水壁６を構成する伝熱管内での流体中の蒸気
の割合が異常に高くなり、その結果、水壁６のメタル温
度が許容値を超え、噴破に至る場合がある。

【００１５】水壁６内の流体の流量の低下を防止するた
めに、ボイラでは下記の操作を行っている。 （１）水壁６を構成する伝熱管の管径と入口ヘッダ５と
出口ヘッダ９の間の高さの比率を変える。 （２）水壁６を構成する伝熱管の各管入口に固有の抵抗
体を設ける。

【００１６】ところが、ボイラ火炉内の発熱量は燃料の
燃焼状況とかボイラの運転状況によって複雑に変化する
ので、その熱放射を受けるボイラ水壁６の熱吸収量も予
測値からずれることがある。つまり、並列配置の多数の
伝熱管からなる水壁構造を採用する工業用ボイラでは、
実用上、各伝熱管の流量を設計値通りにすることは不可
能である。

【００１７】本発明の課題はボイラ水壁を構成する伝熱
管内で流体の流量の低下を防止し、また逆流が発生しな
いようにすることである。

【００１８】また、本発明の課題は水壁の熱損傷を防ぐ
ことにより、ボイラ水壁の寿命を延ばすことである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題は次の
構成によって解決される。すなわち、水又は水／蒸気の
混合流体を分配するための入口ヘッダと、入口ヘッダか
ら分配されて導入された混合流体を加熱することによっ
て蒸気を発生する伝熱管と、伝熱管内で発生した蒸気を
含有した混合流体が流入する出口ヘッダと、出口ヘッダ
から供給される混合流体を気水分離する気水分離ドラム
を備えたボイラの伝熱管構造において、全ての伝熱管の
出口を、少なくとも出口ヘッダの内部底面より高い位置
の出口ヘッダ部分に接続したボイラの伝熱管構造であ
る。

【００２０】本発明において、水壁を構成する全ての伝
熱管の出口を出口ヘッダ内の仮想気液界面より伝熱管出
口が上方になるように伝熱管出口を出口ヘッダ部分に接
続するか、または出口ヘッダ内の蒸気含有率が１０％
（体積率）以上の領域に伝熱管出口を接続することが望
ましい。

【００２１】こうして本発明によれば、伝熱管の出口を
出口ヘッダの内部底面より高い位置（例えば、出口ヘッ
ダ内の仮想気液界面より上方位置または出口ヘッダ内の
蒸気含有率が１０％（体積率）以上の領域）の出口ヘッ
ダ部分に接続したので、たとえ伝熱管内で流体が逆流し
ても、逆流する際には出口ヘッダ内の比重の小さい蒸気
を吸い込むため、逆流管の静水圧は低くなり下方の入口
ヘッダから流体が流入する。その結果伝熱管内では逆流
が発生しにくくなる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面と共に
説明する。図３に示すボイラ水壁構造はそのまま本発明
にも共通する構成であり、図１に本発明のボイラの水壁
構造の一部を示す。水壁６の高さは約１０ｍ、水壁６を
構成する各伝熱管の直径は６０ｍｍである。各伝熱管は
それぞれ直径約２００ｍｍの入口ヘッダ（図示せず）及
び出口ヘッダ９に接続されている。水壁出口は出口ヘッ
ダ９の全体高さの約２／３の高さの位置に揃えて取り付
けてある。

【００２３】図７から分かるように、水壁６の入口の蒸
気含有率が高くなるにつれて水壁６内の２相流１６は逆
流しにくくなる。したがって、本発明では水壁１６の出
口を出口ヘッダ９内の仮想気液界面より高く設定してい
る。つまり、逆流時には出口ヘッダ９上部の蒸気含有率
の高い流体を吸い込むので、結果的に逆流が発生しにく
くなる。そして、水壁６内で流体の流量の減少を招くこ
とがない。

【００２４】この効果を確認するために、直径２０ｍｍ
のガラス管にヒータを巻いたボイラ水壁構造の簡易装置
を作り実験した。水壁６の出口を出口ヘッダ９の下面に
合わせた従来技術では逆流が発生したが、水壁６の出口
を出口ヘッダ９の全体高さの約２／３の高さ位置に設け
た上記簡易装置では、逆流は全く発生しなかった。

【００２５】なお、実機での蒸気圧が１８０ｋｇ／ｍｍ
²の場合には蒸気と飽和水の密度差が約６倍であるのに
対して、上記簡易装置では圧力が常圧であるために、蒸
気と飽和水の密度差が約１６００倍と大きく、本発明よ
り拡大された効果が得られているものの、本発明の効果
が推定できる。

【００２６】図１に示す例では出口ヘッダ９内の仮想気
液界面が存在する箇所に水壁６の出口を設定した。しか
し、ほとんどの場合に出口ヘッダ９内の仮想気液界面が
存在する位置は出口ヘッダ９の中央付近となるが、これ
より低い位置にあっても水壁６内では逆流は全く発生し
ないようにすることができる。これは、低圧の場合には
仮想気液界面が比較的明瞭に存在するのに対し、高圧の
場合には蒸気と水のそれぞれの密度が類似した値とな
り、蒸気と水が混在した状態となるからである。ただ
し、その場合でも出口ヘッダ９内の上部ほど蒸気の割合
が高い。

【００２７】水と蒸気の分離状態は気泡の上昇速度で定
まるので、水と蒸気の密度差と出口ヘッダ９内での気泡
の滞留時間を用いて予測できる。つまり、気泡の滞留時
間が長いほど水と蒸気の分離が進行する。

【００２８】そこで、先の常圧ガラス管を用いたボイラ
水壁構造の簡易装置による実験で出口ヘッダ９内の蒸気
の体積割合３１％の位置に水壁６の出口を設定したとこ
ろ、図７に示すグラフと同等の効果が得られた。ここ
で、重量割合で表した蒸気含有率は体積割合ではそれに
密度比（水の密度／蒸気の密度の比であり、常圧では１
６００、蒸気圧が１８０ｋｇ／ｃｍ²では６）を乗じた
値となる。

【００２９】気水分離を論じる場合には体積割合が便利
である。この値を用いると、蒸気圧１８０ｋｇ／ｃｍ²
での蒸気含有率の体積割合３０％は重量割合５％に相当
する。これを常圧の重量割合に変換すると０．０１９％
となる。したがって、体積割合で表した方が一般的表現
となる。実験では更に体積割合の小さいところに設定し
たが、蒸気含有率の体積割合が１０％程度までは水壁６
内での逆流発生防止効果が確認できた。

【００３０】ボイラ水壁構造の簡易装置による実験に対
して、水壁６内の流体温度上昇がどれだけ低減できるか
試算したところ、約２０℃であった。通常、水壁６は極
限に近い状態を想定して、その設計がされるので、この
約２０℃の流体温度低減により、水壁６は数年以上用い
ることができる。

【００３１】図２に示す例は水壁６を折り曲げて出口ヘ
ッダ９の上部にその出口を取り付けたものである。水壁
６の熱負荷が高い発電用ボイラでは水壁６に隣接する伝
熱管相互の間隔が狭いので、出口ヘッダ９にそのまます
ぐに取り付けるのは難しい。そこで、水壁６の出口ヘッ
ダ９への取り付け位置を上方にしたものである。

【００３２】なお、従来技術には図２に示す構造に似た
構造があるが、これは伝熱管の伸び差を回避するための
もので、伝熱管が出口ヘッダ９の内部まで挿入されてい
るものではなく、本発明の場合の水壁６の出口ヘッダ９
への取り付け方とは異なる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ボイラ内の水壁内で逆
流が発生することが防止でき、このため水壁の熱損傷を
防ぐことが可能となり、水壁の寿命を延ばすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の出口ヘッダ部の構造を
示す図である。

【図２】 本発明の実施の形態の出口ヘッダ部の構造を
示す図である。

【図３】 工業用ボイラの水壁部分の伝熱管構造の概略
図である

【図４】 水壁管内の流動模式図（側断面図）である。

【図５】 水壁管内の流動模式図（側断面図）である。

【図６】 従来技術の水壁内の流動模式図（側断面図）
である。

【図７】 入口ヘッダと出口ヘッダ間の圧力差と流量の
関係を示す図である。 ２ 降下管 ４ 供水管 ５ 入口ヘッダ ６ 水壁 ７ 分岐管 ８ 吊り水壁 ９ 出口ヘッダ １０ 連絡管 １１ 気水分離ドラム １５ サブクー
ル水 １６ ２相流 １７ 飽和水 １８ 蒸気 １９ 気泡

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水又は水／蒸気の混合流体を分配するた
   めの入口ヘッダと、入口ヘッダから分配されて導入され
   た混合流体を加熱することによって蒸気を発生する一以
   上の伝熱管と、伝熱管内で発生した蒸気を含有した混合
   流体が流入する出口ヘッダと、出口ヘッダから供給され
   る混合流体を気水分離する気水分離ドラムを備えたボイ
   ラの伝熱管構造において全ての伝熱管の出口を、少なく
   とも出口ヘッダの内部底面より高い位置の出口ヘッダ壁
   面に接続したことを特徴とするボイラの伝熱管構造。
2. 【請求項２】 出口ヘッダ内の仮想気液界面より伝熱管
   出口が上方になるように伝熱管出口を出口ヘッダ部分に
   接続したことを特徴とする請求項１のボイラの伝熱管構
   造。
3. 【請求項３】 出口ヘッダ内の蒸気含有率が１０％（体
   積率）以上の領域に伝熱管出口を出口ヘッダ部分に接続
   したことを特徴とする請求項１のボイラの伝熱管構造。