JPS60228805A - 蒸気発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は蒸気発生装置に係わり、特に伝熱管群、蒸気ド
ラムおよび降水管により構成される蒸気発生装置に関す
る。

［発明の技術的背景］ 第２図は伝熱管群、蒸気ドラムおよび降水管によって構
成された缶水循環経路を用い、伝熱管と降水管との缶水
の平均密度差により缶水の循環を行なう自然循環形の蒸
気発生装置を示すもので、この蒸気発生装置では給水ポ
ンプ１により移送された缶水は、多数の伝熱管２によっ
て構成された節炭器３に送られ、伝熱管２外の高温熱ガ
スから加熱されつつ流動し、飽和温度近くまで昇温して
蒸気ドラム４の底部へと流出する。

このような給水により蒸気ドラム４の底部、降水管５お
よび蒸発器６の伝熱管７内には缶水が満ノ〔されている
が、蒸発器伝熱管７内の缶水はすでに節炭器３により飽
和温度近くまで加熱されているため、蒸発器伝熱管７外
の高温熱ガス流体８の加熱により直ちに蒸気泡を発生す
る。

蒸発器伝熱管７内で蒸気泡が発生すると、蒸発器伝熱管
７の缶水の平均密度は降水管５の平均密度に比べると、
その蒸気泡の分だけ軽くなる。従って、この両者の密度
差により、降水管５の缶水は蒸発器伝熱管７へと移動し
、缶水の循環が開始される。

蒸発器伝熱管７内の缶水は蒸発器伝熱管７内を流動する
うちに発生気泡の数を増し、これらの気泡は合体して大
きな気泡塊となり、未蒸発の飽和缶水との混合流、すな
わち気液二相流となり上昇管９を通り蒸気ドラム４内へ
流出する。

蒸気ドラム４へ流出した気液二相流は蒸気ドラム４によ
り蒸気と飽和水とに分離され、蒸気は蒸気管１０へ送ら
れ、一方飽和水は蒸気ドラム４の底部へ蓄積される。こ
の間蒸気管１０に送られた蒸気口に等しい量の缶水が常
に給水ポンプ１により補給されるため、蒸気ドラム４の
液面１１は常に一定レベルに保持される。

このように蒸発器伝熱管７および降水管５内の缶水の平
均密度差により缶水の循環が始まるが、缶水の流動に際
して蒸発器伝熱管７および降水管５から種々の流動抵抗
が作用するため、これと密度差による循環力とが平衡す
るところで一定の循環速度に落ち着く。

このような流動抵抗としては、蒸発器伝熱管７および降
水管５内面から缶水に作用する摩擦抵抗、蒸発器伝熱管
７および降水管５に缶水が流入、流出するときの流入流
出抵抗等がある。

また、蒸発器伝熱管７では缶水が管内を流動するうち、
高温ガス流体により加熱され、缶水中の蒸気成分が増大
するため、この部分の缶水、すなわち気液二相流の速度
が非常に増大する。これは気液二相流の慣性力が増大す
ることを意味するが、この力は蒸発器伝熱管７および降
水管５内の缶水の平均密度差による循環力により維持さ
れねばならず、従って、一種の流動抵抗と考えることが
できる。なお、第２図において符号１２は過熱器を示し
ており、この過熱器１２は蒸気ドラム４から蒸気管１０
を通して送られる蒸気を熱ガス流体８により加熱し、過
熱蒸気とするものである。また、符号１３は高温熱ガス
中のＮＯＸを取除くための脱硝装置を示している。

第３図は缶水の蒸発器伝熱管７人口部での入口流速の分
布を示すもので、図において左上りの曲線ａは入口流速
分布が比較的高い場合を、曲線すは低い場合を示してい
る。

図から明らかなように、入口流速は高温熱ガス流体の上
流側が最も高く、下流側に向かい次第に減少し、蒸発器
出口部で最も低くなっている。

高温熱ガス流体は蒸発器伝熱管７の間を下流に向かい通
過するうち、各蒸発器伝熱管７内の缶水と熱交換し、温
度を低下させるため、その温度分布曲線は前述の入口分
布曲線ａ、ｂと類似のものとなる。各蒸発器伝熱管７で
の交換熱量は高温熱ガス流体の温度と缶水の温度との差
で決定され、蒸発器伝熱管７内の缶水温度はすべて蒸気
ドラム４の圧力に対応する飽和温度となっているため、
蒸発器伝熱管７の交換熱量の分布も、また入口流速の分
布に類似のものとなる。

ところで、各蒸発器伝熱管７当たりの蒸発量は、その蒸
発器伝熱管７の交換熱量に比例するため、各蒸発器伝熱
管７の蒸発量の分布も、また入口流速分布と同一傾向を
示すが、このため蒸発器伝熱管７の二相流の平均密度の
分布はまったく逆の傾向となる。

すなわち、高温熱ガス流体の上流側から下流側に向かい
増大することになる。各蒸発器伝熱管７の循環力は前述
のように、蒸発器伝熱管７と降水管５との缶水の密度差
によるわけであるから、この原理を蒸発器伝熱管７に適
用すると、高温熱ガス流体の下流に向かい循環力は低下
し、従って入口流速の分布は、第３図に示した曲線ａ、
ｂのように右下がりの曲線となる。

ところで、このような蒸気発生装置においては、入口流
速が低いと種々の弊害が生ずる。

すなわち、蒸発器伝熱管７内の缶水の熱吸収能力は入口
流速に比例するため、入口流速が低いと蒸発器伝熱管や
に熱がこもることとなり、蒸発器伝熱管７の完璧温度が
上昇する。このように完璧の冷却が十分でない場合には
、蒸発器伝熱管７は酸化腐食し易く、また高温熱ガス流
体の温度が高い場合には蒸発器伝熱管７が過熱され損傷
するおそれがある。

さらにこのような場合には、缶水中のスケールが蒸発器
伝熱管７内壁に付着し、容易に剥離することができない
等の問題を生ずる。

また、さらに第２図に示したような蒸気発生装置では、
高温熱ガス流体の出口付近の蒸発器伝熱管７内の缶水は
降水管５内の缶水との密度差が小さく、本質的に十分に
安定した循環力を有していない。

そこで、例えば第３図の曲線すのような、蒸発器伝熱管
７人口流速が全体的に低い設計を行なうと、高温熱ガス
流体出口付近の蒸発器伝熱管７では容易に缶水の流れ方
向が逆転し、蒸発器伝熱管７が降水管５となったり、あ
るいは流れの方向の時間的反転を繰り返し、これが他の
すべての蒸発器伝熱管７の入口流速に影響を及ぼすとい
う問題がある。

すなわち、前者の状態では、流れの方向は安定であるが
、蒸発器伝熱管７の一部が降水管５となり、蒸気が発生
しなくなるため、その蒸発量が減少する。

一方、後者の状態では、入口流速の時間的反転に伴い蒸
発器伝熱管７が降水管５になったり、蒸発器伝熱管７に
なったりして蒸発器の発生蒸気量が変動し、蒸発量のコ
ントロールが不可能となり、蒸気の安定供給ができなく
なるという問題がある。

また、入口流速の時間的反゛転はとりもなおさず、入口
流速の変動ということであるから、蒸発器伝熱管７内の
缶水の熱吸収能力もこの変動に従い変化する。従って、
この変動に呼応して蒸発器伝熱管７の管壁温度が変動す
ることとなり、蒸発器伝熱管７の熱疲労の原因となる。

以上述べたような問題を阻止するため、従来より蒸発器
伝熱管７人口流速の下限には経験的な値が定められてい
る。

従って、蒸気発生装置を設計する際にはいかなる運転時
においても、この経験的な基準値を保持することができ
るように、すなわち循環水量をできるだけ一定に保持す
るように設計する必要がある。

［背景技術の問題点］ ところで、近年、蒸気発生装置の運転方法が多様化して
おり、従来は熱源の状態が変化しない場合に用いられる
のが普通であったが、変化する場′合での需要が増大し
ている。

これは、近年、省エネルギー、省資源ということを志向
せざるを得ない時代になり、従来かえりみられなかった
諸プラントから排出される熱的変動の激しい排熱からも
積極的に熱を回収し、有用な蒸気へ変換しようとするこ
とが図られていること等が影響している。

このような熱源では、通常、時間の経過に伴って熱源の
流量もしくは温度が、その熱源が排出されるプラントの
運転状態の変化に伴って時々刻々変化する。ここで、−
例として熱源として高温熱ガス流体を考え、温度は一定
のままそのｍが変化する場合を考える。この場合蒸気発
生装置を最大ガス流量の条件に合せ、この条件の基で蒸
発器伝熱管７の管径、本数および降水管５の管径、本数
を決定し、蒸発器伝熱管７人口流速が前述のような基準
値を満足できるとする。

このような設計の蒸気発生装置を運転中にプラント側の
負荷低下により高温熱ガス流体量が減少したとすると、
蒸発器伝熱管７の熱負荷が低下することとなる。この変
化に対応し、各蒸発器伝熱管７の蒸発量も減少するから
各蒸発器伝熱管７の平均比重量は減少するが、降水管５
の比重量は変らないため、結局両者の平均密度差が小さ
くなり、蒸発器伝熱管７人口流速が低下することになる
。

すなわち、前述した第３図において、入口流速分布が曲
線ａから曲線すに変化することとなる。

このような状態になると、前述の如く蒸発器伝熱管７の
酸化腐食、過熱損傷、管内壁へのスケールの蓄積、蒸発
性能の低下、蒸発器の変動、蒸発器伝熱管７の熱疲労等
の種々の問題を生ずる。

そこで、この負荷低下の場合を考慮し、この低負荷の状
態で蒸発器伝熱管７の入口流速が基準値を満足するよう
な設計を行なった場合を考える。

前述のように缶水の循環力は、蒸発器伝熱管７と降水管
５との密度差に起因し、その流動抵抗力は蒸発器伝熱管
７および降水管５の摩擦抵抗、入口および出口抵抗、蒸
発器伝熱管７内の二相流の慣性抵抗であるが、このうち
摩擦抵抗が最も大きく、この摩擦抵抗は蒸発器伝熱管７
および降水管５の形状寸法に大きく依存している。

すなわち、このような場合には、蒸発器伝熱管７および
降水管５の管径を大きくし、摩擦抵抗を低下することに
より、入口流速を増加し、所定の基準値を保持すること
ができる。

しかしながら、このような方法による場合には、熱源の
負荷が上昇したときには、逆に循環水量が増大し、蒸発
器伝熱管７の入口流速および降水管５の流速が著しく増
大することになる。これは蒸発器伝熱管７にとっては好
都合であるが、降水管５において次のような弊害が生ず
る。

すなわち、第３図に示したように、蒸気ドラム４の底部
には上昇管９により気液二相流が送り込まれるため、蒸
気ドラム４の底部には多数の気泡１４が浮遊しており、
循環水流量が過大になると、蒸気ドラム４底部から降水
管５人口部へ至る太きな巻込み流１５が生じ、気泡１４
が降水管５内に巻込まれることとなる。降水管５内に気
泡１４が巻込まれると、蒸発器伝熱管７と降水管５との
密度差が非常に低下し、缶水の循環がほぼ停止して蒸発
器伝熱管７の入口流速分布がほぼ零になり、前述したと
同様の問題が生ずる。

［発明の目的］ 本発明はかかる従来の事情に対処してなされたもので、
熱源のいかなる変化に対しても蒸発器伝熱管の入口流速
が予め定められた基準値を下回ることがなく、かつ循環
量の変動を防止し降水管での気泡の巻込みを防止するこ
とのできる蒸気発生装置を提供しようとするものである
。

［発明の概要コ すなわち本発明は、蒸気ドラム内の熱水貯留域を常用の
第１貯水部と、これに隣接する非常用の第２貯水部とに
区画し、第１貯水部は第１降水管、また第２貯水部は第
２降水管をそれぞれ介して蒸気ヘッダーと連通してなり
、負荷変動時に熱水を外部から、もしくは第１貯水部か
ら第２貯水部に送給して蒸発器入口での流量を所定の値
に保持するようにしたことを特徴とする蒸気発生装置で
ある。

［発明の実施例］ 以下本発明の詳細を第１図に示す一実施例について説明
する。なお第１図において第２図に示す部分と共通する
部分には同一符号が付されている。

第１図は本発明の一実施例の蒸気発生装置を示すもので
、図において符号１６は缶水を供給する給水配管１７の
一端が開口する蒸気ドラムを示している。

この蒸気ドラム１６内の熱水貯留域は蒸気ドラム１６の
下面から上方に突出して形成される２枚の堰板１８によ
り、中央に形成される第１貯水部Ａと、この両側に隣接
する第２貯水部Ｂ、Ｃとに区分されている。中央の第１
貯水部Ａには流量調整弁Ｖの介挿される給水配管１７が
開口している。

そしてこの給水配管１７の開口する第１貯水部Ａには、
大径の配管からなる第１降水管１９の一端が開口してい
る。また、この中央の第１貯水部Ａの両側に配置さ、れ
る第２貯水部Ｂ、Ｃには第１降水管１９より小径の配管
からなる第２降水管２０が開口している。第１降水管１
９および第２降水管２０の他端はそれぞれヘッダ２１に
接続されている。なお、第２降水管２０の先端開口部の
位置は堰板１８の高さより低くされている。

図において符号２２は制御装置を示しており、この制御
装置２２には蒸気ドラム１６の水位を検出する水位検出
器２３からの信号および第２図に示した伝熱管のうち、
入口流速が最小となる伝熱管７ａに配設される流速検出
器２６からの信号Ｓ１を入力する。

以上のように構成された蒸気発生装置では、蒸気発生装
置の最高負荷時においては、第１降水管１９のみが用い
られて運転され、この状態で蒸発器の伝熱管入口流速が
基準値を保持し、かつ伝熱管７の循環水流量が最適とな
るように設計される。

なお、このとき蒸気ドラム１６の液面２５は第３図に示
すように、堰板１８の上端より下方の位置とされる。

そして、このように構成された蒸気発生装置では、熱源
の負荷が低下した場合には制御装置２２の働きにより第
１降水管１９および第２降水管２０が降水管として同時
に使用される。

すなわち、熱源の負荷が低下した場合には、前述したよ
うに伝熱管７の循環量が低下し、伝熱管７の入口流速が
低下するため、第３図に示した伝熱管に配設される入口
流速検出器２６により伝熱管７８入ロ流速の低下が検出
され、これが制御装Ｍ２２に入力される。

制御装置２２はこの信号を入力し、給水管１７に介挿さ
れる流量調整弁Ｖの弁開度を増大する。

これにより蒸気ドラム１６内に流入する給水量が増大し
、蒸気ドラム１６内の液面２５が第４図に示すように、
堰板１８を越え中央の［第１貯水部Ａの両側に配設され
る第２貯水部８１Ｃに流入し、第２降水管２０からの降
水が行なわれる。

蒸気ドラム１６の液面の監視は、液面計２３により行な
われ所定の液面高さになったところで液面計から制御装
置２２に信号が出力され、この後、給水管１７に配設さ
れる流量調整弁Ｖの弁開度が元に戻され、液面２５が一
定の高さに維持される。

すなわち、以上のように構成された蒸気発生装置では、
低負荷時においては降水管の数を増やすことにより、降
水管の流路を増大し、これにより管路の摩擦抵抗を減少
させ循環量の低下を防止し、伝熱管の入口流速を所定の
値に維持することができる。なお、再度負荷が上昇した
場合には、伝熱管の入口流速を入力した制御装置２２に
より給水管１７の流量調節弁■が閉とされ、蒸気ドラム
１６内の液面２５が第３図に示すような液面２５とされ
、降水管からの降水は第１降水管１９によりのみ行なわ
れることとなる。

［発明の効果Ｊ 以上述べたように本発明の蒸気発生装置によれば、蒸気
ドラム内の熱水貯留域を常用の第１貯水部とこれに隣接
する非常用の第２貯水部とに区画し、それぞれに降水管
を設け、熱源の負荷の変化に対応して非常用の降水管か
ら缶水を流すようにしたので、いかなる負荷変化に対し
ても蒸発器伝熱管の入口流速と循環水量とを熱負荷の変
化によらずにほぼ等しく保持することができる。

従って、本発明の蒸気発生装置によれば、負荷変化の激
しいプラントに用いた場合にも、その信頼性を十分確保
することができる。

なお、以上述べた実施例では、第１貯水部のみに熱水を
直接供給する例について説明したが、本発明は、かかる
実施例に限定されるものではなく、第２貯水部に外部か
ら直接熱水を供給てしてもよいことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の蒸気発生装置の一実施例を示す配管系
統図、第２図は従来の蒸気発生装置を示す配管系統図、
第３図は蒸発器伝熱管の入口流速の分布および蒸気ドラ
ム底部における気泡の挙動゛を示す説明図、第４図は第
３図の側面図である。 ７・・・・・・・・・・・・蒸発器伝熱管１０・・・・
・・・・・・・・蒸気管 １６・・・・・・・・・・・・蒸気ドラム１７・・・・
・・・・・・・・給水配管１９・・・・・・・・・・・
・第１降水管２０・・・・・・・・・・・・第２降水管
２１・・・・・・・・・・・・蒸気ヘッダＡ・・・・・
・・・・・・・第１貯水部Ｂ、Ｃ・・・・・・第２貯水
部 代理人弁理士　須　山　佐　− 第１因 第２図 第３図 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）蒸気ドラム内の熱水貯留域を常用の第１貯水部と
   、これに隣接する非常用の第２貯水部とに区画し、第１
   貯水部は第１降水管、また第２貯水部は第２降水管をそ
   れぞれ介して蒸気ヘッダーと連通してなり、負荷変動時
   に熱水を外部から、もしくは第１貯水部から第２貯水部
   に送給して蒸発器入口での流量を所定の値に保持するよ
   うにしたことを特徴とする蒸気発生装置。
2. （２）第１貯水部の両側に第２貯水部を形成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の蒸気発生装置。
3. （３）第１貯水部および第２貯水部は、堰板により区画
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２
   項記載の蒸気発生装置。