JPS6014241B2 - 変圧ボイラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ボィラ、より詳細には変圧運転で水を蒸気
に変換する亜臨界または超臨界の貫通ボイラに関するも
のである。

発電分野における最近の動向は、配電系統の周期的また
はピーク時の負荷要求を満すために、化石燃料を燃す大
型ボイラを使用していることである。

このような使用は、この種のボィラが急速な負荷変動を
オンラインでできることを意味する。たとえば、配電系
統は毎分３％もの負荷変動能力を、場合によっては毎分
５％−１０％のような高い負荷変動率をボィラに要求す
るかも知れない。そのほか、大型ポイラは夜間または周
末の停止のあと急速な藤起動が可能でなければならない
。上記のような急速な負荷変動は、タービンの寿命の点
からみると、ポイラの変圧運転で行なうのが最良である
ことが広く認められている。それは、タービンに対して
全周噴射をする変圧絞り運転は第一段の温度変化がもっ
とも少なく、したがってタービンロータの損傷をできる
だけ少なくして急速な負梅変動に適応することができる
からである。変圧運転のその他の利点は、タービン入口
部品に疲労損傷が生じないよう、ボィラのコールドスタ
ートまたはホットスタート時の蒸気温度とタービンメタ
ル温度との差を制限範囲内に容易におさ０めることがで
きることである。

しかしながら、変圧運転ができるように設計された貫流
ボィラは、火炉管路内の流れの特性を満足できるように
維持すると共に、加熱の不調やある管路に対する蒸気と
水の不均一な配分によって生じる管路内の流れの不均衡
をできるだけ少なくしなければならない。

米国特許第３，７８９ ８０６号には、変圧運転の可能
な貫通ボィラを使用して上記の不利を克服し、異なる負
荷と圧力における火炉管路の機能性能は満足できるもの
であったことが記載されている。

この構成では、特に第９図と第１０図の実施例で開示さ
れている構成の場合、火炉管路を通過する流体は、最初
に火炉周囲側壁の下の部分を通り、次に混合管寄せを通
ってから前壁、後墜、および側壁の端パネルを一斉に通
過したあと、側壁の上の部分を通過するようになってい
る。しかしながら、この構成の場合、最初に流体が通過
する側壁の下の部分の水平スパンが大きいので、この管
路のェンタルピーの授受を押えるため中間の混合管寄せ
が使用されている。混合管寄せの使用は、気密性と整備
性の点から好ましくなく、その上コスト高になる。以上
のことから、この発明の目的は、異なる負荷と圧力にお
いて火炉管路が過大な温度差すなわち周囲壁管の過熱を
避けるため火炉管路内で好ましい流れの特性が維持され
るように機能する、変圧運転の可能な貫流ボイラを提供
することである。

この発明の別の目的は、技初の流体通路を形成している
火炉周囲壁の側壁部に混合管寄せを設けなくとも、上記
の利点が得られる上記の形式の貫通ボイラを提供するこ
とである。

この発明のさらに別の目的は、火炉周囲壁を構成してい
る管に生じる熱の不均衡を修正するためのクロスオーバ
管路が設けられている上記形式の貫通ボィラを提供する
ことである。

以上の目的を達成するために、この発明に係るポイラは
、周囲壁を構成するように連結された、流体が流れる複
数の管によって作られている。

流体は最初に少なくとも側壁の一つの区画の全長を通過
し、次に前壁、後壁、および側壁の残りの区画を同時に
通過する。前肇、後墜、および側壁の残りの区画には、
クロスオーバ管路が設けられていて、流体を前壁、後壁
、および側壁の残りの区画の一方の区域からそれぞれの
他方の区域へ移送するようになっている。この発明の以
上の簡単な説明、そのほかの目的、特徴、利点は、この
発明に係る説明のための好ましい実施例についての以下
の詳しい説明を読み、添付図面を参照すれば明瞭に理解
できよう。

まず、第１図〜第４図について詳しく説明する。全体と
して参照符号１０で示した、この発明夕 に係るボィラ
は、火炉上部１２と火炉下部１４を有している。火炉の
部分１２，１４を形成している周囲壁は、前壁１６、後
壁１８、および前壁と後整の間に延びている２つの側壁
２０，２２から成っている。前壁１６と後肇１８の下の
部分は内０側に鏡斜しており、通常の方法で灰等を留め
るホッバ部２３を火炉下部１４に形成している。第２図
に図示されているように、各壁１６，１８，２０，２２
は、直径方向の対向する個所から外側に延びている連続
フィン２６を有する複数のタ管２４で構成されており、
隣接管のフィンは、溶接などの既知の方法で相互に連接
されて気密構造になっている。壁１６，１８，２０，２
２を構成している管２４は、後壁１８の一部の管が火炉
上部１２において後壁面から外側へ曲げられて分岐０壁
１８ａを形成していることを除いて、火炉下部１４の下
端から火炉上部１２の上端まで鉛直に延びている。第１
図および第３図のように、分岐壁１８ａは後壁１８から
選んだ本数の管２４を、角度がつく夕ように外側に曲げ
、次に鉛直部分ができるように上方に曲げて作られてい
る。

このため、後壁１８の上方の残りの管２４の間及び分岐
壁１８ａの鉛直部分を形成している管の間にすきまが生
じて、後述するように、火炉上部１２から燃焼ガスが出
０ていくことができる。火炉下部１４には、前壁１６と
後肇１８にそれぞれ複数のバーナ２８が配置されている
。

この実施例の場合、バーナは１列に３個づつ、４列配置
されている。バーナ２８は通常の構造のものであるので
、略図で示してある。第１図に戻って、後部伝熱面３０
は、燃焼ガス流が通る火炉上部１２の近くに設置され、
前室部３２と接触伝熱部３４から成る。前室部３２の床
は分岐壁１８ａの角の部分によって形成され、この部分
の管２４には、床を気密にするために隣接の管のフィン
に連接されるフィンが付けられている。分岐壁１８ａの
鉛直部分を形成している管２４の残りの部分は、前室部
３２から対流部３４へ燃焼ガスが通れるように一定の間
隔をおいて延びている。後部伝熱面３０は、前壁４０、
後墜４１、および２つの側壁４２を有しており、第１図
には側壁の一方が示してある。

前蟹４０の上部は、燃焼ガスが前室部から接触伝熱部へ
入れるように一定の間隔をおいて延びている複数の管で
構成されている。後壁４１、両側壁４２、および前壁４
０の下部は、前述と同様な方法で連接された鉛直に延び
ている複数のフィン付き管２４で構成されている。
Ｚそのほか、後部伝
熱面３０には、複数のフィン付き連結管２４で構成され
た仕切り壁４４が設けられ、伝熱面３０を前方ガス通路
４６と後方ガス通路４８に分けている。後部ガス通賂４
８の下部には、節炭器５０が設置され、節炭器の直ぐ上
方Ｚに一次過熱器５２が設置され、前方ガス通路４６に
は一群の再熱器管５４が設置されている。板形過熱器５
６は、火炉上部１２に設置されており、板形過熱器５６
に直接接続している最終過熱器５７は前室部３２に設置
されている。 ２壁１６，１８，２０，２２，及び
分岐壁１８ａ、のほか伝熱面３０の仕切り壁４４、側壁
４２、および後壁４１の上端はすべて、ボィラ１０の上
部にある共通面で終っている。また、複数の分割壁５８
が設置されており、各２分割壁５８は水平部分５８ａと
鉛直部分５８ｂからなり、一定の間隔をおいて溶接され
たタイで相互に連結された複数の管で構成されている。

壁５８の水平部分５８ａを構成している管は、前肇１６
外側に近接配置された管寄せ５９から延びて、３前壁１
６を突き抜けたあと、上方に曲げられて鉛直部分５８ｂ
になっている。鉛直部分５８ｂの上端は壁１６，１８，
２０．２２と同様に同じ共通面で終っている。分割壁の
水平部分５８ａが前壁１６を突き抜けている個所には溶
接シール（図示せず）が設置されているものと理解され
たい。分割壁５８とシール組立品の詳しい構造は、それ
自体この発明の一部ではないので、これ以上の説明は省
略する。ボィラ１０の上部に配置されている天井部６０
は、前述のように連接されたフィン付きで、火炉の前壁
１６から後部伝熱面３０の後肇４１まで水平に延びてい
る複数の管２４によって構成されている。

以上の説明から、火炉下部１４にあるバーナ２８からの
燃焼ガスは、火炉上部１２まで上昇し、前方ガス通路４
６及び後方ガス遍路４８から出ていく前に後部銭熱面を
通過することが理解できよう。

この結果、板形過熱器５６、最終過熱器５７、一次過熱
器５２のほか、再熱器管５４、節炭器５０の上を高温ガ
スが通過してこれらの管賂を流れる流体を加熱する。第
１図のように、天井部６０と一次過熱器５２間の主流路
内に、複数の分離器６２が後部６毒熱面３０の後墜４１
に近接して平行に配置されている。

起動の際、分離器６２は既知の方法で動作し、天井部６
０からの流体を水分と蒸気に分離する。分離器６２から
の蒸気は直接一次過熱器５２へ送られ、水分は次の処理
のためドレンマニホールド兼６毒熱管磯へ送ることがで
きる。オンライン運転の場合、単相の流体は分離器を素
通りして一次過熱器５２へ送られる。明確にするため図
面には記載してないが、後で詳細に説明する流れ回路を
構成する適当な入口管寄せ、出口管寄せ、下降管および
導管が、前述の壁、分離器、及び熱交換器のほか天井部
６０の各々の管２４に取り付けられているものと理解さ
れたい。

第１図、第３図および第４図からわかるように、各壁１
６，１８．２０，２２に対してクロスオーバ管路６４が
設けられており、壁１６，１燈に対してはバーナ２８の
少し上方の区域に、壁２０，２２に対しても同じような
縦位置に配置されている。

バーナ２８に対する壁位置の差異、灰の不均一な被覆、
バーナの不均一な燃焼等によって生じる壁の種々の管を
流れる流体が受け取る熱の不均衡を修正するために、ク
ロスオーバ管路は、個々の壁の一方の区域から熱に対し
て異なるさら夕され方をしているその他方の区域へ流体
を移送するように設計されている。この目的を達成する
ために、壁１６の一部が描かれている第５図および第６
図について説明すると、クロスオーバ管路６４は壁１６
のある部分１６ａから別の部分１６ｂｏまで水平に延び
ている複数のＵ形管６６を備えている。各Ｕ形管６６は
、一端が壁部１６ａの管２４に、他端が壁部１６ｂを構
成している別の管２４に連結されている。第６図のよう
に、かさ張らないようにするため、壁部１６ａと１６ｂ
の管２４は１本おきに水平のクロスオーバ管６６で連結
されている。第５図および第６図で、連結されていない
管は図示したクロスオーバ管路の直ぐ上の位置で別のク
ロスオーバ管磯で連結されているものと理解されたい。
説明のために、壁部１６ａからの管は２４２で表示し、
壁部１６ｂからの管は２４ｂで表示し、またクロスオー
バ管路を構成する２本の管は６６ａ，６６ｂで表示して
ある。クロスオーバ管６６ａは壁部１６ｂの管２４ｂの
下部を壁部１６ａの管２４ａの上部に連結していること
に注意されたい。同機に、クロスオーバ管６６ｂは壁部
１６ｂの管２４ｂの下部を肇部１６ａの管２４ａの上部
に連結している。このようにして、仮に壁部１６ａと壁
部１６ｂの熱の受け方が異なっていても、管を通過する
水による熱の授受の差はほゞ平衡化されるはずである。
前述したが、第５図および第６図の実例においてクロス
オーバ管６６でクロスオーバされていない１つ置きの管
２４は、前記のクロスオーバ管６６の直ぐ上の位置のと
ころで別の壁部にある別の管にクロスオ−バされている
。

この追加のクロスオーバ管路は第３図に参照符号６８で
表示してある。紛らわしくないように、第３図には、壁
１８，２川こ設置されたクロスオーバ管路６４，６８の
一部のみを示す。前壁１６に対するクロスオーバ管路６
４の具体的な適用を第７図に詳細に示す。

前壁１６は説明のために、各壁区画間をせまし、割れ目
で隔てて壁部１６ａ−１６ｉに分けてあるが、実際には
壁は連続しており、このような割れ目はなく気密になっ
ているものと理解されたい。肇部１６ａの蟹２４を壁部
１６ｂの管２４に連結しているクロスオーバ管６６ａの
ほかに、壁部１６ｃと１６ｄ、壁部１６ｅと１６ｆ、壁
部１６ｇと１６ｈ、壁部１６ｉと１６ｊの管を相互に連
結している各クロスオーバ管６６を略図で示してある。
図には２つの壁部間に延びる１本のクロスオーバ管のみ
を図示してあるが、実際には第５図および第６図の例の
クロスオーバ管６６ａ，６６ｂと同様に、２本のクロス
オーバ管がそれぞれの壁部の２本の管の間に延びており
、またクロスオーバ管路６４は２つの壁部からの１つ置
きの対応する一対の管を相互に連結しており、設置され
る管６６の本数は各壁部内の管２４の本数に対応するも
のと理解されたい。 ‐また、先に説明したように、ク
ロスオーバ管６６の少し上方の位置には、残りの１つ置
きの管に対する追加のクロスオーバ管路６８が設けられ
ているものと理解されたい。

後肇１８に対して設置されるクロスオーバ管路６４は前
壁１６に対するものと同一であるので、後壁１８のクロ
スオーバ管路は第７図に図示してない。

また、第７図を見ると、側壁２２は、説明のために、せ
まし、割れ目で各々を隔てて、５つの区画２２ａ，２２
ｂ，２２ｃ，２２ｄ、および２２ｅに分けてある。

前壁１６について説明した方法と同じような方法で、側
壁の各区画を他の区画に連結するクロスオーバ管路６４
が側壁２２に設けられている。第７図には略して１本の
管７０で図示されているが、クロスオーバ管路６４は複
数のクロスオーバ管から成っており、それぞれが左端区
画２２ａの１つ置きの管と中央区画２２ｃの右側区域の
対応する１つ置きの管とを相互に連結している。また、
１本の管７２で図示されている複数のクロスオーバ管は
、それぞれが右端区画２２ｅの１つ置きの管と中央区画
２２ｃの左側区域の対応する１つ置きの管とを相互に連
結している。前蟹１６の場合と同様に、実際には、２本
のクロスオーバ管７０または７２は、側壁区画の各対の
管を相互に連結しており、また側壁２２の前記各区画の
残りの１つ贋きの管は管７０，７２の少し上方の位置の
ところでクロスオーバ管路６８によって連結されている
ものと理解されたい。第７図で注意されたいことは、中
央区画２２ｃと左端区画２２ａの間および中央区画２２
ｃと右端区画２２ｅの間にある壁区画２２ｂと２２ｄに
は、後で説明する理由のためにクロスオーバ管路が設け
られていないことである。

第７図には図示してないが、側壁２０は側壁２２のそれ
と同様なやり方で分割され、クロスオーバ管路が設けら
れているものと理解されたい。

次に、第８図についてこの発明に係るボィラの動作を説
明する。外部給水源からの給水は節炭器５０を通過して
小温を上昇させたあと、側壁２２の区画２２ｂ，２２ｄ
および側壁２０の対応する区画（参照符号なし）の下端
に付いている入口管寄せに入る。全ての給水は前述の側
壁区画を上方に同時に流れて小温を上昇させたあと、こ
れらの区画の上端に付いている管寄せに集まる。次に流
体は適当な下降管または同種のものを遜って下降し、壁
１６，１８、壁２２の区画２２ａ．２２ｃ，２２ｅ、お
よび肇２０の区画２０ａ，２０ｃ，２０ｅを構成してい
る管の下端に配直されているそれぞれの入口管寄せへ入
る。流体は壁１６，１８、壁区画２０ａ，２０ｃ．２０
ｅ、及び壁区画２２ａ，２２ｃ，２２ｅを上方に同時に
流れてそれぞれの壁に設けられているクロスオーバＺ管
路６４，６８に達する。この個所で、流体は個々の壁部
から前述のように熱の受け方が異っている別の壁部へ移
し替えられて加熱の不均一が修正されたあと、再び壁１
６，１８および側壁区画２０ａ，２０ｃ，２０ｅ，２２
ａ，２２ｃ，２２Ｚｅの残りの部分を上方に同時に流れ
て、火炉上部１２の上端に配置された適当な管寄せに集
まる。次に流体は適当な下降管または同種のものを通っ
て下降したあと、分割壁５８を通って上昇しさらに加熱
される。そのあと、流体は後部民熱面３ ２０の壁４０
，４１，４２，４４を通過してから集められ、天井部６
０へ送られる。流体は天井部６０から適当な管寄せ群ま
たは同種のものを介して分離器６２に入る。分離器６２
は、起動装置を停止させたオンライン運転の場合は流体
を直接一次２過熱器５２へ送る。一次過熱器５２からの
流体は、スプレー調節を受けたあと、板形過熱器５６と
最終過熱器５７へ入り、そこから乾燥蒸気の状態でター
ビンその他へ送られる。この発明に係るボイラを使用し
た典型的な運転の温度ェンタルピー曲線の２５％負荷運
転の場合を第９図に、最大連続蒸発量負荷の場合を第１
０図に示す。特に、第９図で注目すべきことは、２５％
負荷において壁区画２０ｂ，２０ｄ，２２ｂ・２２ｄか
ら成る第１の通路（節炭器５０への通路を除く）を通過
した水は、１００岬ｓｉの一定圧力において入□の４４
肥ＴＵ／ＬＢから出口の５２雌ＴＵ／ＬＢへのェンタル
ピーの授受があり、頭冷却の状態に保たれていることで
ある。側壁２０，２２の残りの区画および壁１６，１８
の全スパンを通る第２の通路を通過する間に、１００岬
ｓｉの一定圧力において入口の５４船ＴＵ／ＬＢから出
口の聡＄ＴＵ／ＬＢへのェンタルピーの授受があって、
水の約７０％が蒸気に変換される。第１０図をみると、
最大連続蒸発量負荷の場合、流体は約４００のｓｉの圧
力レベルにおいて超臨界の状態である。第１の逸機にお
けるェソタルピ−の授受は５７庇ｍＵ／ＬＢから６３肥
ＴＵ／ＬＢであるが、第２の遠藤におけるそれは６３雌
ＴＵ／ＬＢから斑由げＵ／ＬＢである。節炭器５０およ
び第１火炉通路は、単相の流体が第２火炉通路に入って
いくように設計されている。前述したような構成を有す
る本発明のボィラは、従来のものと比べて幾つかの利点
を有している。

特に、水で冷却されたかなり狭い横スパンを有する側壁
の中間区画２０ｂ，２０ｄ，２２ｂ，２２ｄの縦全長か
ら成る第１通路は、流体のェンタタルピーの増加を制限
して単相の流体（液体のみ）が第２通路に斑給され、汽
水混合物（水と蒸気の混合物）が導入されないようにし
ている。

第２通路は、多量のェンタルピーを受ける領域であり、
そのような通路に汽水混合物が供聯合され、蒸気と０水
の分離が起こると、通路を形成する管が設計値よりも過
度に加熱され損傷をもたらすことがある。本発明のボイ
ラにおいては、側壁を複数の区画に分け、当初該区画の
一部にのみ流体を通すことによって汽水温合物が第２通
路に導入されると夕し、う問題を回避している。かくし
て、本発明のボィラにおいては、単相の流体が、前壁１
６、後壁１８、および側壁２０，２２の残りの区画を通
過する間に、比較的大きなェンタルピーを受けて効率的
に蒸気に変換され０る。

また、クロスオーバ管路６４，６８によって種々の壁ス
パンにまたがる熱の不均衡が修正される。このとき、側
壁は、そのようなクロスオーバ管略の働らきが最も効果
的になるように区画配置されている。すなわち、比較的
低温度に加熱され夕ている端区画の流体は、中央区画に
移されて多量の熱を受け、逆に、高温度に加熱されてい
た中央区画からの流体は端区画に導かれることによって
それらの流体の熱の不均衡が修正される。しかして、そ
れらの端区画と中央区画との間に延在する０中間区画を
第１通路とすることによって、全体的な熱の授受を効率
的にしているのである。記載の都合上、ボイラの一部は
、省略されているものと理解されたい。たとえば、前述
のボィラの周囲壁を取り囲むように断熱および支持装置
を設置することができ、またバーナ２８へ通常の方法で
燃焼用空気を供給するウインドボックスまたは同種のも
のをバーナ２８の周囲に設置することができる。また、
火炉上部１２および後部伝熱面３０を構成している管の
上端部分は、熱膨咳段に順応できるようにボィラ１０の
上方位置から通常の方法でつり下げることができるもの
と理鱗されたい。以上の開示において、変更、変形及び
代替は自由に行ないうるものであり、また場合によって
は、発明のある特徴を使用し、対応する他の特徴は使用
しないこともあろう。

したがって、特許請求の範囲は広く、そして発明の精神
と範囲にそって解釈することが適当である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係るボィラの略縦断面図、第２図は
第１図のボィラの炉墜の一部を示す拡大部分斜視図、第
３図は第１図のポィラの一部の縮小部分斜視図、第４図
は第１図の線４一４に沿った断面図、第６図は第１図の
ボィラの部分拡大正面図、第６図は第５図の線６−６に
沿った断面図、第７図は第１図のボィラの周囲壁部と流
体管略を示す略図、第８図は第１図のボィラ全体の流れ
回路を示す略図、第９図および第１０図はそれぞれこの
発明に係るボィラの２５％負荷および最大連続蒸発量に
おける代表的な運転の温度ェンタルタ ピ−曲線のグラ
フである。 図中、主要部品の参照符号は下記の通りである。１０・
・・・・・ボイラ、１２…・・・火炉上部、１４・・・
・・・火炉下部、１６…・・・前壁、１８・・・・・・
後壁、１８ａ・・・・・・分岐壁、２０，２２・・・・
・・側壁、２３・・・・・・ホッ０／ぐ、２４……管（
フィンチューブ）、２６……フィン、２８…・・・バー
ナ、３０・・・・・・後部伝熱面、３２・・・・・・前
室部、３４・・・・・・・・・接触伝熱部、４０・・・
・・・後部民熱面の前壁、４１・…・・同後壁、４２・
・・・・・同側壁、４４・・・・・・同仕切り壁、４６
・・・・・・前方ガス通タ路、４８・・・・・・後方ガ
ス通路、５０・…・・節炭器、５２・・・・・・一次過
熱器、５４・・・・・・再熱器管群、５６・・・・・・
板形過熱器、５７・・・・・・最終過熱器、５８・・・
・・・分割壁、５９・・・・・・管寄せ、６０・・・・
・・天井部、６２・・・・・・分離器、６４・・・・・
・クロスオーバ管路、６６・・・・・・りＵ形クロスオ
ーバ管、６８……別のクロスオーバ管路、７０．７２・
・・・・・複数のクロスオーバ管を１本で表示した管。 繁２図 多３図 繁１図 繁】０翼 第４図 第５図 繁６図 兼７函 銘８凶 繁９囚

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 相互に連結された複数の管から成る前壁、後壁、お
   よび２つの側壁によつて一部が囲まれた構造物；前記前
   壁と前記後壁のいずれかまたは両方に設置されているバ
   ーナ；前記側壁の各々が、その両端部に存する２つの端
   区画、中央に存する１つの中央区画、および、該中央区
   画と対応する端区画との間に延在する２つの中間区画か
   ら成る複数の区画を有し；流体を最初に前記側壁の中間
   区画の全長にわたつて通し、次に、前記側壁の端区画、
   前記側壁の中央区画、前記前壁および前記後壁に通す手
   段；前記前壁、前記後壁、前記側壁の端区画および前記
   側壁の中央区画に設置されていて、前記流体を前記前壁
   、前記後壁、前記側壁の端区画および前記側壁の中央区
   画の一方の区域からそれらの他方の区域へ移送するクロ
   スオーバ手段、から成ることを特徴とするボイラ。