JPH06500850A - ほぼ垂直に配置された管から成る垂直煙道を備えた貫流ボイラ - 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】 はぼ垂直に配置された管から成る垂直煙道を備えた貫流ボイラ本発明は、はぼ垂 直に配置され互いに気密に溶接された複数の管で形成された垂直煙道を有し、こ の煙道の管が共同して燃焼室壁を形成するとともに化石燃料用のバーナを支持し 、管内径ｄを有し、その内面に多条ねしを形成するピッチｈおよび高さＨのリブ を有し、冷却材の貫流に対して並列接続されているような貫流ボイラに関する。

このように垂直に配管して構成された燃焼室壁を持つ貫流ボイラは、スパイラル 状に配管して構成されたものに比べて、安価に製造でき、更に水側および蒸気側 の圧力損失が小さい、しかし例えばすす吹きの前後における異なったすすの付着 率により、個々の管への熱の導入に差異が生しることが避けられず、この熱の導 入の差異は蒸発器出口において容管の間に１６０’Ｃまでに達する温度差を生じ てしまい、許容できない熱膨張により損傷を引き起こすおそれがある（ヨーロッ パ特許出ｍ第０２１７０７９号明細書参照）、更にこのようなボイラは従来にお いて管冷却上の理由から大きな単位出力に対してしか実施できない。雑誌「ファ ウ・ゲー・ベー・クラフトウエルクステヒニク」第６４巻　第４号の第２９２頁 から掲載のバー・ユチェ他著の論文「垂直配管形燃焼室による滑り圧力運転用の 強制貫流ボイラ」には、垂直配管構造の燃焼室と石炭接線燃焼装置を備えたボイ ラに対する出力下限値が５００ＭＷであることが記載されている。

この論文から、管内径の他に管内における冷却材の買置流量密度が、渾発器加熱 面として作用する並列管系の流れ技術設計に影響を与える値であることも明らか となっている。内面が滑らかな管をスパイラル状に配管して構成した燃焼室にお ける典型的な質量流量密度は２０００〜３０００ｋｇ／＋ｒｆｓであり、内面に リブが付いた管を垂直に配管して構成した燃焼室におけるそれは１５００〜２０ ００ｋｇ／ｎｆｓである。この設計パラメータにおいて、貫流ボイラの全圧力降 下におけるＨ１！！圧力降下の割合は非常に大きい、従ってこの種のボイラは、 その設計状態に基づいて、個々の管における質量流量が比較的強い加熱の際には 減少し、弱い加熱の際には増加するという典型的な特性を有している。

この特性は、垂直に配置された管から成る煙道において蒸発器出口における個々 の管の間の温度差が大きいことの原因となっている。この温度差を減少するため に、蒸発器入口に絞りを組み込むこと、および／又は燃焼室壁の上部において煙 道の外側に混合器を配置することが知られている。その混合器には容管が開口し 、その中で混合によって成る程度のエンタルピーの補償が行われる。５００ＭＷ 以下の単位出力において、従来実施されていた貫流ボイラの場合には燃焼室壁に 対して、平滑な管の冷却にとって必要な質量流量密度を管内において維持し、長 い管において成る程度の加熱補償を達成するために、スパイラル状の配管構造が とられていた。しかしこの処置は貫流ボイラの製造費用を高めてしまい、発生す る大きな圧力降下のために比較的大きな給水ポンプ出力を必要としている。

本発明の課題は、貫流ボイラをコスト的に有利に製造し且つ運転すること、蒸発 器出口における温度差を経済的な方法で許容値に減少すること、および垂直に配 管して構成した燃焼室壁を備えた貫流ボイラを５００ＭＷよりかなり小さな単位 出力まで使用限界を広げることにある。

本発明によればこの課題は、冒頭に述べた形式の貫流ボイラにおいて、管内径ｄ が商にの関数であり、管内径ｄと商にとの数値組によりてめられた点が座標系に おいて曲線Ａと座標縦軸との間に位置していることによって解決される。商Ｋを 形成するために、蒸気出力１００％においてすべての管の合計質量流量Ｍが、隣 接する管の中心を結ぶ線上で測定した水平断面における煙道の円周長さで割算さ れる１次の数値組 Ｋｌ＝　３ｋｇ／ｓ　ｍにおいてｄ＋−１２，５ｍｍＫｔ−７ｋｇ／ｓ　ｍにお いてｄｔ−２０，４ｍｍＫｓ−１３ｋｇ／ｓ　ｍにおいてｄｓ−３０，６ｍｍＫ ４＝１９ｋｇ／ｓ　ｍにおいてｄ−＝３９．０ｍｍに相応した点は連続して上昇 する曲線Ａ上に位！している。

本発明に基づく貫流ボイラの好適な実施態様においては、管の内面において多条 ねじを形成するリブのピッチｈは管内径ｄの平方根の最大で０．９倍であり、リ ブ高さＨは管内径ｄの少なくとも０．０４倍である。

本発明の有利な実施態様は、座櫂において管内径ｄと商にの数値組によって決定 した点が曲線Ａと直線Ｂとの間に位置し、その直線Ｂが、Ｋｓ＝１．８ｋｇ／ｓ 　ｍにおいてｄ、−１４，３ｍｍＫ＆−７．６ｋｇ／Ｓ　ｍにおいてｄ　ｈ　− ３８，４ｍ　ｍの数値組に相応した点によって規定されるか、あるいは商Ｋに対 応した管内径ｄが、曲線Ａ上でこの商Ｋに対応した管内径ｄよりも最大で３０％ ずれていることにある。

曲線Ａおよび曲線Ｂは、貫流ボイラが本発明に基づく利点を失うことなしに、全 負荷の５０％あるいはそれより小さな最小負荷でも確実な連続運転で作動される ように決められている。

貫流ボイラの本発明に基づ〈実施態様は、全圧力損失における測地上の圧力降下 の割合が貫流ボイラの特性を、その設計状態に基づいて、個々の管における質量 流量密度がその強い加熱の際に増大され、弱い加熱の際に減少されるような特性 に変更させるように、貫流される管の質量流量密度が低減され、管内径ｄが決定 されるので、非常に有利である。この本発明による特性は、蒸発器加熱面を形成 する燃焼室壁の出口における蒸気温度従って管壁温度を著しく均一化する。

蒸発器の並列配管系を通る全質量流量が変化せず且つ管内径ｄを同一にすると、 煙道の燃焼室壁の貫流に対して並列接続された管の数が従来一般的な設計に比べ て増加するので、蒸発器管における質量流量密度が低下するという別の利点が得 られる。これによって、燃焼室円周と全質量流量との比率を増大すること、およ び垂直に配管して構成された燃焼室壁を備えた貫流ボイラに対する使用限界を５ ００ＭＷよりかなり低い単位出力まで広げることができる。

しかし各音の確実な冷却を保証するためには、これらの各音は内面にリブを設け なければならない、その際リブの幾何学的形状は、ノよぼ全蒸発範囲において冷 却材流の旋回流によって強制づけられて常に水が管内壁に存在し、膜沸騰の危険 が回避されるようにしなければならない。

本発明に基づく貫流ボイラの形状を図面を参照して以下に説明する。なお、第１ 図は垂直煙道の水平断面図、 第２図は管の縦断面図、 第３図は曲線Ａと曲線Ｂとを持つ座標系である。

垂直煙道ｌを持つ貫流ボイラは燃焼室壁２で包囲されている。燃焼室壁２は垂直 に並べて配置され互いに気密に溶接されている複数の管３から成っている（第１ 図参照）、互いに気密に溶接されている管は例えば管・ウェブ・管構造あるいは フィン付き管構造において気密の燃焼室壁２を形成している。

管３は第２図に示すようにその内面にリブ４を有し、このリブ４はピッチｈの多 条ねじを形成し、リブ高さＨを有している。管３の内径ｄは、リブ４によって狭 められている管３の自由横断面積と同じ面積を有する円の計算上の直径によって 規定されている。冷却材の流れを十分大きな旋回流に変換するために、管内径ｄ とピッチｈは相対的に式ｈ≦０．９・７ｄによって与えられる。

垂直煙道１の燃焼室壁２は煙道１の内部で燃焼して熱を発生する化石燃料に対す る図示しないバーナを支持している。その熱は燃焼室壁２を形成する管３を貫流 する冷却材によって吸収され、冷却材はそこで蒸発する０通常は冷却材として適 当に処理された水が使用される。流れる冷却材の水部分を管の内面に案内するた めに、リブ４は管内径ｄの少な（とも０．０４倍だけ管３の中に突出している。

これにより、旋回流は特に水が蒸発している範囲でも、まだ液体として存在する 水を管３の内側面に押しつけるので、管３は吸収した熱を良好に液体に放出し、 これによって確実に冷却が行われる。

このことが十分に行われることを保証するために、本発明によれば管内径ｄは商 Ｋに無関係には選択できない、その際商には、蒸気出力１００％において全部の 管３の合計質量流量（ｋｇ／ｓ）を煙道１の円周長さくｍ）で割夏することによ って得られる。煙道１の円周長さは、隣接する各音３の中心を互いに結ぶ第１図 の破線５に沿って測定される。

第３図に示す座標系には、管内径ｄが商にの関数として示されている０曲線Ａに おける四つの点は次の数値組によって与えられる。

Ｋ＋　−３ｋｇ／ｓ　ｍにおいてｄ＋−１２，５ｍｍＫｔ””　７ｋｇ／ｓ　ｍ においてｄｔ−２０，４ｍｍＫｚ−１３ｋｇ／ｓ　ｍにおいてｄｚ−３０，６ｍ ｍＫ、−１９ｋｇ／ｓ　ｍにおいてｄ４−３９．０ｍｍこの曲線Ａと管内径ｄが 記されている縦座標軸との間の区域内におけるあらゆる点は、摩擦圧力降下と測 地上の圧力降下との割合が、各音を過剰加熱する際にこの管を通る質量流量が増 加するような良好な比率にある（一般には測地上の圧力降下がｆｉｌ圧力鋒下よ り大きい）ような数値組となっている。

管の確実な冷却は所定の商Ｋにおいて管内径ｄを任意に選択することを許さない 、従って実際に普通に生ずる数値組における区域は次の数値組に相応した点で決 定される直線Ｂによって限界づけられる。

Ｋｓ　＝１．８ｋｇ／ｓ　ｍにおいてｄｓ＝１４．３ｍｍＫａ−７，６ｋｇ／ｓ 　ｍにおいてｄｈ＝３８．４ｍｍ従って本発明に基づいて管内径ｄと商にで形成 される数値組は、第３図における座標系の曲線Ａと曲ｍＢとの間に位置する。

特に不利な加熱状態の場合には、商Ｋに対応した管内径ｄは曲線Ａにおいてこの 商Ｋに対応した管内径ｄよりも最大で１０％小さいかないしは３０％大きくされ る必要がある。

上述のようにして管内径ｄの大きさをめることによって管３の中には、全圧力降 下において摩擦によって発生される圧力降下の割合が測地上引き起こされる圧力 降下の割合に対して、全負荷運転においても並びに全負荷の５０％およびそれ以 下の部分負荷までの部分負荷運転においても良好な関係にあるような流れ状態が 強制的に発生させられる１本発明に基づいて管３並びに煙道１０寸法が互いに調 整されることによって、この良好な状態は、冷却材の質量に関係する軸方向にお ける冷却材の流速が比較的小さく同時に冷却材の旋回運動が強いことによって保 証される。ｆ量流量密度とも呼ばれるこの流速は、１００％の肩気出力において 管内径ｄが２５ｍｍまでの管に対して約８００〜８５０ｋｇ／ｎｆｓである（曲 １ｉＡ）、２５ｍｍより大きな管内径ｄの場合、質量流量密度は増大し、８５０ 〜約９５０ｋｇ／ｎｆｓである（曲線Ａ）。

管３における全圧力降下、皿ち下部の入口管寄せにおける圧力と上部の出口管寄 せにおける圧力との差は、８１１１圧力降下、測地上の圧力階下および加速圧力 降下の割合で合成される。加速圧力降下の割合は全圧力降下の１〜２％であるの で、ここでは舞視できる。

個々の管３の摩擦圧力降下は、他の管に対して存在する過剰加熱において水・蒸 気混合物の高められた容積増加により増大する０貫流ボイラの蒸発器加熱面の互 いに並列接続されたすべての管ではその共通の入口管寄せないし出口管寄せへの 連結によって同じ圧力降下が生じているので、強く加熱される管の場合にこの圧 力降下を補償するために流量は低減されなければならない、この低減流量は管の 強い加熱と関連して、平均的にあるいは弱く加熱される管に比べて管端に著しく 高められた蒸気出口温度を生しるおそれがある。

これに対して個々の管３の測地上の圧力降下は、この管の過剰加熱の場合に他の 管に比べて、水・蒸気柱が軽くなることにより蒸気の発生が増大されるので低下 する。過剰加熱される管を通る流量はこの作用に基づいて４増大した摩擦圧力降 下と低下した測地上の圧力降下との合計が入口管寄せないし出口管寄せを介して の連結によって与えられる圧力降下に達するまで、増加する。この流量の増加は 、管端における蒸気出口温度を過剰加熱にも拘わらず低くするために望ましいこ とである。測地上引き起こされる圧力降下のこの本発明に基づく比較的大きな影 響は、個々の管の強い加熱がその大部分を貫流する冷却材の大きな流量によって 補償されるので、貫流ボイラの特性をそのボイラの管端における大きな温度差が 避けられるような特性に変化する原因となる。

本発明のこの利点は、石炭のような固形燃料を燃焼する貫流ボイラの場合、燃焼 室壁の種々の汚れに基づいて個々の管の過剰加熱あるいは過小加熱が橿めて大き いので、特に重要である。

フロントページの続き （７２）発明者　ウィトコツ、エバーハルトドイツ連邦共和国　デー−８５２０ エルランゲン　シュローンフェルト　９６

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．互いに気密に溶接された複数の管で形成された煙道を有し、この煙道に化石 燃料用のバーナがあり、煙道の管がほぼ垂直に配置され、管内径ｄを有し、その 内面に多条ねじを形成するリプを支持し、冷却材の貫流に対して並列接続されて いるような貫流ボイラにおいて、 −管内径ｄが商Ｋの関数であり、 −管内径ｄと商Ｋとの数値組によって決定した点が座標において曲線Ａと座標縦 軸との間に位置し、 −商Ｋを形成するために、蒸気出力１００％においてすべての管の合計質量流量 が、隣接する管の中心を結ぶ線上で測定した水平断面における煙道の円周長さで 割算され、 −Ｋ１＝３ｋｇ／ｓｍにおいてｄｌ＝１２．５ｍｍＫ２＝７ｋｇ／ｓｍにおいて ｄ２＝２０．４ｍｍＫ３＝１３ｋｇ／ｓｍにおいてｄ３＝３０．６ｍｍＫ４＝１ ９ｋｇ／ｓｍにおいてｄ４＝３９．０ｍｍの数値組に相応した点を通る曲線Ａが 連続して上昇する曲線Ａ上に位置している、ことを特徴とする貫流ボイラ。
2. ２．管におけるリブのピッチｈ（ｍ）が管内径ｄ（ｍ）の平方根の最大で０．９ 倍であり、ねじを形成するリプの高さＨが管内径ｄの少なくとも０．０４倍であ ることを特徴とする請求の範囲１記載の貫流ボイラ。
3. ３．座標系において管内径ｄと商Ｋの数値組によって決定した点が曲線Ａと直線 Ｂとの間に位置し、 Ｋ５＝１．８ｋｇ／ｓｍにおいてｄ５＝１４．３ｍｍＫ６＝７．６ｋｇ／ｓｍに おいてｄ６＝３８．４ｍｍの数値組に相応した点が直線Ｂ上に位置していること を特徴とする請求の範囲１又は２記載の貫流ボイラ。
4. ４．商Ｋに対応した管内径ｄが、曲線Ａ上でこの商Ｋに対応した管内径ｄよりも 最大で１０％小さいか３０％大きいことを特徴とする請求の範囲１又は２記載の 貫流ボイラ。
5. ５．連続運転における最小負荷が全負荷の５０％と同じであるかそれより小さい ことを特徴とする請求の範囲１ないし４の１つに記載の貫流ボイラ。
6. ６．化石燃料が石炭か別の固形燃料であることを特徴とする請求の範囲１ないし ５の１つに記載の貫流ボイラ。
7. ７．貫流ボイラが付設されている発電所の電気出力が５００ＭＷよりかなり小さ いことを特徴とする請求の範囲１ないし６の１つに記載の貫流ボイラ。
8. ８．管３における質量流量密度が２５ｍｍまでの管内径ｄにおいて約８００〜８ ５０ｋｇ／ｍ２ｓであり、２５ｍｍを超える管内径ｄにおいて約８５０〜約９５ ０ｋｇ／ｍ２ｓであることを特徴とする請求の範囲１ないし７の１つに記載の貫 流ボイラ。