JPH1163406A

JPH1163406A - ボイラ装置

Info

Publication number: JPH1163406A
Application number: JP22820197A
Authority: JP
Inventors: Hidehisa Yoshizako; 秀久吉廻; Noriyuki Imada; 典幸今田; Takeshi Fukuchi; 健福地; Takahiro Marumoto; 隆弘丸本
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1997-08-25
Filing date: 1997-08-25
Publication date: 1999-03-05

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構造で各水壁内を流れる流体の流量を
均一化することができ、熱負荷変動に伴う水壁の熱損傷
を防止又は緩和可能なボイラ装置を提供する。【解決手段】並列された複数本の水管の上端と下端と
を上部ヘッダ５及び下部ヘッダ３にて接続して、水壁４
ａ，４ｂを構成する。水壁４ａとドラム１とを連結する
第１の連結管６ａに絞り１４を設置し、当該絞り１４に
第２の連結管６ｂを連結する。水壁４ａに作用する熱負
荷が大きくなり、連結管６ａの流量が増加すると、それ
に伴って絞り設定部の圧力が低下し、連結管６ｂの流体
が絞り１４に吸い込まれる。よって、第１及び第２の連
結管６ａ，６ｂを流れる流量が均一化され、水壁の熱損
傷が防止又は緩和される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はボイラ装置に係り、
特に、火炉からの熱吸収により水壁内で発生した気液２
相流を取り出す連結管の結合構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に、従来より知られている循環型ボ
イラの流体循環経路を示す。この図において、１はドラ
ム、２は降水管、３ａ，３ｂは下部ヘッダ、４ａ，４ｂ
は水壁、５ａ，５ｂは上部ヘッダ（管寄せ）、６ａ，６
ｂは連絡管、７は給水、８は水、９は蒸気、１１は火炉
を示している。

【０００３】図示しない給水ポンプから押し出され、図
示しない節炭器を通過してきた給水７は、ドラム１に入
る。ドラム１内の水８は、水壁４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を動力源として降水
管２を下降し、下部ヘッダ３ａ，３ｂから水壁４ａ，４
ｂ内に流入する。水壁４ａ，４ｂに流入した水は火炉１
１内の熱を吸収して沸騰する。気液２相流となった流体
は、上部ヘッダ５ａ，５ｂに集められた後、連絡管６
ａ，６ｂによりドラム１に戻る。ドラム１では気液２相
流が蒸気と水とに分離され、分離された蒸気９が図示し
ない過熱器に供給される。一方、ドラム１で分離された
水は、再び降水管２に入り、前記の循環経路を循環す
る。これが自然循環型ボイラにおける流体の循環経路で
あるが、水壁４の流動抵抗が大きい場合や水壁４の高さ
が低い場合には、前記の浮力によるだけでは循環力が弱
いので、これを補強するため、図６に示すように降水管
２に循環ポンプ１１を設けて、流体を強制的に循環させ
る（強制循環型ボイラ）。いずれの場合にも、連絡管６
ａ，６ｂの連結構造に関しては同じであるので、以下、
自然循環型ボイラを例にとって説明する。

【０００４】ボイラは、水壁４ａ，４ｂ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
いほど高い熱伝達率を得ている。しかし、水壁４ａ，４
ｂ内の流速が低下すると、水壁４ａ，４ｂを構成する水
管の内壁に蒸気膜を形成するいわゆる膜沸騰に移行し、
熱伝達率が激減する。熱伝達率が低下すると、水壁４
ａ，４ｂの温度が上昇し、水壁４ａ，４ｂの寿命を著し
く低下させ、最悪の場合には破損に至らしめる。したが
って、ボイラにおいては、膜沸騰への移行を回避するた
め、水壁４ａ，４ｂの水循環は正確に設計されなくてな
らない。

【０００５】ところで、水壁４ａ，４ｂのような並列管
内の流量は、その流動抵抗の比率で決まるから、管内を
流れる流体が単層流である場合には、各管の抵抗を一致
させることによって各管内の流量を均等にすることがで
きる。ところが、管内を流れる流体が気液２相流である
場合には、その流動様式によって流体抵抗が複雑に変化
するので、単に各管の抵抗を一致させただけでは各管内
の流量を均等にすることができない。

【０００６】図７に、水壁内を流れる流体流量Ｗと水壁
の上下端間の差圧（下部ヘッダ３と上部ヘッダ５との間
の差圧）Ｐとの関係を示す。水壁内を流れる流体が単相
の蒸気又は水である場合には、図７に細線で示すよう
に、流量Ｗの変化に伴って差圧Ｐが２次関数的に変化す
る。これに対して、水壁内を流れる流体が気液２相流で
ある場合には、図７に太線で示すように、流量Ｗの変化
に伴って差圧Ｐが３次関数的に変化し、しかもその変化
の状態は、熱負荷ｑ、即ち気液２相流中の蒸気と水の割
合によって大きく変化する。

【０００７】図７から明らかなように、差圧Ｐが一定
（＝Ｐ０）に保たれた状態で熱負荷ｑがｑ０よりも低く
なると、流量ＷはＷ０からＷ１に減少する。逆に、差圧
Ｐが一定（＝Ｐ０）に保たれた状態で熱負荷ｑがｑ０よ
りも高くなると、流量ＷはＷ０からＷ２に増加する。し
たがって、各水壁に熱負荷のアンバランスが生じると、
各水壁を流れる流体の流量がアンバランスになる。

【０００８】従来より、各水壁間の流量を均一化する方
法としては、設計段階で各水壁の熱吸収量を予測し、こ
れに基づいて各水壁を構成する水管の内径を変えたり、
各管の入口に特有の抵抗を付加するといった工夫がなさ
れている。

【０００９】また、各水壁間の流量を均一化する他の方
法としては、図８に示すように、各連結管６の下流側に
これらをまとめるヘッダ１４を設ける方法や、図９に示
すように、連結管６どうしをＴ字継手１２で合流させる
方法も検討されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の流量均一化手段
のうち、予測される熱吸収量に基づいて水管の内径や抵
抗を調整する方法は、火炉１１内の発熱分布が燃焼状況
や運転状況によって複雑に変化することから、各水壁４
ａ，４ｂの熱吸収量を的確に予測することが事実上困難
であり、水壁４ａ，４ｂの熱吸収量が予測からはずれる
ことも多いので、各水壁４ａ，４ｂの流量を高精度に均
一化することが困難である。

【００１１】また、従来の流量均一化手段のうち、各連
結管６ａ，６ｂの下流側にヘッダ１４を設ける方法及び
連結管６ａ，６ｂどうしをＴ字継手１２で合流させる方
法は、ヘッダ１４の内部流速又はＴ字継手１２の内部流
速を極力遅くしなければ各連結管６の流量を均一化でき
ないので、実際上ボイラの連結管構造として利用するこ
とができない。

【００１２】即ち、各連結管６の下流側にヘッダ１４を
設けると、ヘッダ１４の始端で内部流速が最低になり、
ヘッダ１４の終端で内部流速が最大になるため、ヘッダ
１４の始端と終端の間に圧力差が発生する。ヘッダ１４
の内部流速を大きくするとそれに伴って圧力差が大きく
なり、ヘッダ１４の始端側に接続された水壁４ａの流量
とヘッダ１４の終端側に接続された水壁４ｂの流量の不
均一も大きくなるが、ボイラ装置においては大量の蒸気
を過熱器に供給しなくてはならないことからヘッダ１４
の内部流速を小さくすることは不可能であり、ヘッダ１
４を用いた構成では各水壁４ａ，４ｂ内を流れる流体の
流量が却って不均一になる。

【００１３】また、連結管６どうしをＴ字継手１２を介
して合流した場合も同様であって、接続された２つの連
結管６を流れる流体はＴ字継手１２の内部で衝突し、合
流管側に流出するが、一方の連結管の流量が増加した場
合、衝突部の圧力が高くなって他方の連結管の流量が減
少するため、かかる不都合を回避するためには、各配管
を太くしてＴ字継手１２の内部流速を小さくする必要が
ある。ところが、衝突部の圧力は質量流量×流速に比例
するところ、気液２相流の場合、流体の比容積（＝容積
／重量）は単相流の場合に比べて数倍から数百倍になる
ので、このような圧力差を吸収するためには通常の連結
管に比べて格段に大径の連結管を使用しなくてはなら
ず、到底実用性がない。

【００１４】本発明は、かかる従来技術の不備を解消す
るためになされたものであって、その課題とするところ
は、簡単な構造で各水壁内を流れる流体の流量を均一化
することができ、熱負荷変動に伴う水壁の熱損傷を防止
又は緩和可能なボイラ装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するため、第１に、火炉を構成する複数枚の水壁
と、各水壁を構成する複数本の水管の上端部を連結する
上部ヘッダと、当該上部ヘッダに一端が接続された連絡
管とを有するボイラ装置において、前記複数の連絡管の
うちの少なくとも１つに、当該連結管中を流れる気液２
相流の流れを利用した流体吸引手段を設け、当該流体吸
引手段に当該流体吸引手段を有しない連絡管の出口を連
結するという構成にした。

【００１６】第２に、前記と同様のボイラ装置におい
て、前記複数の連絡管のうちの少なくとも１つに、当該
連結管中を流れる気液２相流の流れを利用した流体吸引
手段を設け、当該流体吸引手段と当該流体吸引手段を有
しない連絡管とを連通管を介して連結するという構成に
した。

【００１７】第３に、前記と同様のボイラ装置におい
て、前記複数の連絡管のそれぞれに、当該連結管中を流
れる気液２相流の流れを利用した流体吸引手段を設け、
各流体吸引手段どうしを連通管を介して連結するという
構成にした。

【００１８】前記流体吸引手段としては、絞り又はエジ
ェクタを設けることができる。

【００１９】互いに接続された複数の水壁の一部が計画
よりも高い熱負荷を受け、その結果当該一部の水壁内を
流れる気液２相流の流量が多くなると、絞り又はエジェ
クタ等で構成される流体吸引手段の設定部における圧力
が低くなり、流量が少ない水壁を流れる気液２相流を吸
引するようになる。このため、各水壁の流量バランスが
良好になり、流速不足による膜沸騰への移行が抑制され
て、一部の水壁が過度に昇温されるといった現象が緩和
されるため、水壁の損傷防止及び長寿命化が図られる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は第１実施形態例に係るボイ
ラ装置の構成図であり、図２は本例ボイラ装置の効果を
示すグラフ図である。

【００２１】図１から明らかなように、本例のボイラ装
置は、水壁４ａ，４ｂに連結された連結管６ａ，６ｂの
うち、一方の連結管６ａに流体吸引手段として絞り１４
を設定し、他方の連結管６ｂを当該絞り１４に接続した
ことを特徴とする。水壁４ａは、設計時に熱吸収量が大
きいと予測される水壁を示し、水壁４ｂは、設計時に熱
吸収量が小さいと予測される水壁を示している。したが
って、本実施形態例においては、２つの水壁４ａ，４ｂ
のみを図示しているが、多数の水壁の組合せからなる実
際のボイラ装置においても、設計時に熱吸収量が大きい
と予測される水壁に接続された連結管に絞り１４を設定
し、設計時に熱吸収量が小さいと予測される水壁に接続
された連結管を当該絞り１４に接続することによって、
実施することができる。その他の部分については、図６
に示した従来構造のボイラ装置と同じであるので、対応
部分に同一の符号を付して説明を省略する。

【００２２】本例のボイラ装置は、一方の水壁４ａが設
計条件よりも高い熱負荷を受け、当該水壁４ａ内を流れ
る気液２相流の流量が多くなると、それに伴って絞り１
４の設定部における圧力が低くなり、自動的に高い熱負
荷を受けない水壁４ｂを流れる気液２相流を吸引する。
このため、各水壁４ａ，４ｂの流量バランスが良好にな
り、流速不足によって水壁４ｂ内における沸騰現象が核
沸騰から膜沸騰に移行するのが防止される。よって、壁
４ｂの過度の昇温が防止され、水壁４ａ，４ｂの損傷防
止と長寿命化とが図られる。

【００２３】以下、本実施形態例に係るボイラ装置の実
験例を掲げ、効果を明らかにする。長さ２ｍ、直径２イ
ンチの水管を１５本ずつ並列に並べ、その上端部及び下
端部を直径が８インチのヘッダに接続して、２枚の模擬
水壁を２枚作製した。一方の模擬水壁の連結管に絞りを
設置し、当該絞りに他方の模擬水壁の連結管を連結し
た。連結管の下流に蒸気ドラムを模した水タンクを設置
し、当該水タンクと各模擬水壁の下部ヘッダとを降水管
にて接続した。水タンクに供給された給水は、循環ポン
プにて循環させた。

【００２４】図２に、絞り（１４）の絞り半径比を種々
変更したときの、当該絞りが設けられた連結管の流速の
変化に対する絞り設定部と水タンク設定部との差圧の変
化を示す。このグラフから明らかなように、絞りを有し
ない場合（絞り半径比＝１）には、母管（他の連結管が
接続される連結管）の流量を増加すると差圧が正圧とな
って枝管（母管に接続される連結管）からの吸水が行わ
れないが、適当な絞り半径比を有する絞りを設け、かつ
当該絞りが設けられた連結管の流速をある値以上にする
ことによって、絞り設定部と水タンク設定部との差圧を
負圧にすることができ、他方の連結管からの吸水が可能
になる。なお、前記差圧を負圧にできる絞り半径比の値
は、絞り設定部よりも下流側の配管抵抗によって変化す
るが、本実験の場合には、下流の抵抗はタンクに入ると
きの抵抗だけであるので、絞り半径比を０．７０９以下
にすることで吸い込み作用を発生することができた。

【００２５】なお、絞り半径比を小さくすると、吸い込
み作用が大きくなるが、絞り半径比が大きくなりすぎる
と絞りの設定部においてキャビテーション気泡が生じや
すくなり、全体の流動が不安定になって振動を起しやす
くなる。本実験例では、絞り比を１／３以下にしたとき
にキャビテーション気泡が発生した。したがって、実機
においては、キャビテーション気泡が発生せず、かつ所
要の吸い込み作用が得られる範囲で絞り半径比を選択す
る。

【００２６】つぎに、本発明の第２実施形態例を、図３
に基づいて説明する。図３から明らかなように、本例の
ボイラ装置は、設計時に熱吸収量が大きいと予測される
水壁４ａの連結管６ａに流体吸引手段としてエジェクタ
１３を設置し、設計時に熱吸収量が小さいと予測される
水壁４ｂの連結管６ｂを当該エジェクタ１３に連結した
ことを特徴とする。その他の部分については、図１に示
した第１実施形態例に係るボイラ装置と同じであるの
で、説明を省略する。

【００２７】エジェクタ１３は、連結管６ａを局部的に
絞って内部流速を増加させ、その周囲に設けられた吸引
孔（図示省略）から他の連結管６ｂの流体を吸い込む装
置であって、絞りよりも強力な流体の吸い込み効果を有
する。したがって、流体吸引手段としてエジェクタ１３
を設置した本例のボイラ装置は、水壁４ａ，４ｂの高さ
が大きく、静水圧の比率が高い場合に効果がある。

【００２８】ついで、本発明の第３実施形態例を、図４
に基づいて説明する。図４から明らかなように、本例の
ボイラ装置は、設計時に熱吸収量が大きいと予測される
水壁４ａの連結管６ａに流体吸引手段として絞り１４又
はエジェクタ１３等を設置し、設計時に熱吸収量が小さ
いと予測される水壁４ｂの連結管６ｂから分岐した連通
管１５を当該流体吸引手段に連結したことを特徴とす
る。その他の部分については、図１に示した第１実施形
態例に係るボイラ装置と同じであるので、説明を省略す
る。

【００２９】本例のボイラ装置は、流体吸引手段１３，
１４に連結管６ｂの出口を接続するのではなく、連結管
６ｂから分岐した連通管１５を連結するので、第１実施
形態例又は第２実施形態例のボイラ装置に比べて連結管
４ａに吸引される流体量が低下する。しかし、熱負荷変
動が小さい場合の微調整用として有効に用いることがで
きる。

【００３０】さらに、本発明の第４実施形態例を、図５
に基づいて説明する。図５から明らかなように、本例の
ボイラ装置は、連結管６ａ及び連結管６ｂの双方に流体
吸引手段として絞り１４又はエジェクタ１３等を設置
し、当該流体吸引手段どうしを連通管１６により連通し
たことを特徴とする。その他の部分については、図１に
示した第１実施形態例に係るボイラ装置と同じであるの
で、説明を省略する。

【００３１】本例のボイラ装置は、連結管６ａ及び連結
管６ｂの双方に流体吸引手段１３，１４を設置し、当該
流体吸引手段どうしを連通管１６により連通したので、
いずれの水壁の熱吸収量が設計値よりも上回った場合に
も両者の流量を均一化することができる。

【００３２】なお、前記実施形態例においては、循環型
ボイラを例にとって説明したが、上部ヘッダ及び連結管
を備えた全てのボイラ装置に応用できることは勿論であ
る。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
互いに接続された複数の水壁の一部が計画よりも高い熱
負荷を受けたとき、当該水壁に接続された連結管内を流
れる流体の流れを利用して、熱負荷の低い水壁に接続さ
れた連結管内を流れる流体を自動的に吸引するようにし
たので、各水壁の流量バランスを常時良好に保つことが
できる。よって、一部の水壁の流量が低下して当該水壁
が過度に昇温されるといった現象を防止することができ
るので、水壁の損傷防止と長寿命化とを図ることができ
る。請求項１及び２のボイラ装置について水壁の温度を
試算したところ、流体吸引手段を有しない場合に比べ
て、約２０℃の温度低下を見込めること、及びこれによ
って数年以上の水壁の長寿命化を見込めることが判っ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態例に係るボイラ装置の構成図であ
る。

【図２】第１実施形態例に係るボイラ装置に備えられた
絞りの効果を示すグラフ図である。

【図３】第２実施形態例に係るボイラ装置の構成図であ
る。

【図４】第３実施形態例に係るボイラ装置の構成図であ
る。

【図５】第４実施形態例に係るボイラ装置の構成図であ
る。

【図６】従来例に係るボイラ装置の構成図である。

【図７】水壁に作用する熱負荷と水壁内の流量と水壁の
上下端差圧との関係を示すグラフ図である。

【図８】従来例に係る他のボイラ装置の構成図である。

【図９】従来例に係るさらに他のボイラ装置の構成図で
ある。

【符号の説明】

１ドラム２降水管３ａ，３ｂ下部ヘッダ４ａ，４ｂ水壁５ａ，５ｂ上部ヘッダ（管寄せ）６ａ，６ｂ連絡管７給水８水９蒸気１０循環ポンプ１１火炉１３エジェクタ１４絞り１５，１６連通管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者丸本隆弘広島県呉市宝町３番36号バブコック日立株式会社呉研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】火炉を構成する複数枚の水壁と、各水壁
を構成する複数本の水管の上端部を連結する上部ヘッダ
と、当該上部ヘッダに一端が接続された連絡管とを有す
るボイラ装置において、前記複数の連絡管のうちの少な
くとも１つに当該連結管中を流れる気液２相流の流れを
利用した流体吸引手段を設け、当該流体吸引手段に当該
流体吸引手段を有しない連絡管の出口を連結したことを
特徴とするボイラ装置。
【請求項２】火炉を構成する複数枚の水壁と、各水壁
を構成する複数本の水管の上端部を連結する上部ヘッダ
と、当該上部ヘッダに一端が接続された連絡管とを有す
るボイラ装置において、前記複数の連絡管のうちの少な
くとも１つに当該連結管中を流れる気液２相流の流れを
利用した流体吸引手段を設け、当該流体吸引手段と当該
流体吸引手段を有しない連絡管とを連通管を介して連結
したことを特徴とするボイラ装置。
【請求項３】火炉を構成する複数枚の水壁と、各水壁
を構成する複数本の水管の上端部を連結する上部ヘッダ
と、当該上部ヘッダに一端が接続された連絡管とを有す
るボイラ装置において、前記複数の連絡管のそれぞれ
に、当該連結管中を流れる気液２相流の流れを利用した
流体吸引手段を設け、各流体吸引手段どうしを連通管を
介して連結したことを特徴とするボイラ装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載のボイラ
装置において、前記流体吸引手段として絞り又はエジェ
クタを設けたことを特徴とするボイラ装置。