JP5193007B2 - ボイラ構造 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば超臨界変圧貫流ボイラのように、ボイラ蒸発管（火炉水冷壁）を備えているボイラ構造に関する。

従来、超臨界変圧貫流ボイラにおいては、火炉の壁面に多数配設されたボイラ蒸発管の内部に水を流し、この水を火炉内の熱により加熱して蒸気を生成している。この場合のボイラ蒸発管は、ボイラ蒸発管の一方から押し込まれた水が循環することなく一方向に流れて蒸気に変化するように、火炉内の上下方向に配管されている。すなわち、火炉の下方から押し込まれた水は、火炉壁の上部へ上向きに流れる過程で蒸気に変化する。

上述したボイラ蒸発管は、火炉内の熱負荷が最も厳しい領域に揃えて管内径が選定されている。具体的には、たとえば図１に示すように、ボイラ１の火炉２内へ燃料及び空気を投入するバーナ３が設置されている領域の熱負荷に合わせて管内径が選定されている。
一方、ボイラ蒸発管の内径は、伝熱特性を確保する上では小径にして内部流体の流速を上げ、火炉の圧力損失（以下、「圧損」とも言う）を低減する上では大径にして内部流体の流速を遅くするべきものである。

しかし、現状のボイラ構造においては、火炉２内に熱負荷の大小が生じているにもかかわらず、火炉内の熱負荷が最も厳しい（熱負荷が大きい）領域でも十分に耐えられるように流速及び管肉厚を定め、この流速及び管肉厚によりボイラ蒸発管全体の管内径が同一となるように決めるのが一般的である。従って、火炉２のボイラ蒸発管で生じる圧力損失に関してのみ言えば、適切な管内径の設定が困難であるから、所望の値に調整できず成り行きとならざるを得なかった。

また、上述したボイラ蒸発管においては、管内径を一律に大きく設定して全体の流速を低く抑えると、圧力損失の摩擦損失成分が小さくなり、流動安定性や自然循環特性の向上に有効であることが知られている。（たとえば、非特許文献１参照）
Evaporator Designs for Benson Boilers State of the Art and LatestDevelopment Trends By J.Franke, W.Kohler and E.Wittchow (VGB Kraftwerkstechnik73(1993), Number 4)

ところで、上述した従来技術は、ボイラ蒸発管の管内径最適化や圧損管理が困難であるため、ボイラ蒸発管の圧損増大により給水ポンプ動力等の補器動力を増大させる。このような補器動力の増大は、ボイラ装置を大型化させる原因となり、さらに、ランニングコスト等を上昇させる原因ともなるため改善の余地が残されている。
また、ボイラ蒸発管の管内径最適化や圧損管理が困難であるため、昇温により管内の水が膨張すると、流速が上昇して圧力損失の摩擦損失成分を増大させる。このような摩擦損失成分の増大は、流動安定性を悪化させるため改善の余地が残されている。

さらに、管内径を一律に大きく設定して全体の流速を低く抑える場合、圧力損失の摩擦損失成分が小さくなって流動安定性や自然循環特性の向上に有効となるが、ボイラ高さ方向距離に応じて熱負荷が異なるという超臨界圧貫流ボイラ等の現実を考慮すると、管内径を一律に大きくすることには自ずと限界が生じてくる。すなわち、上述した従来技術のように、火炉内の熱負荷が最も厳しい領域に揃えて管内径を選定することとなる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ボイラ高さ方向距離に応じて異なる熱負荷に対応して管肉厚を選定して、ボイラ蒸発管の健全性を保ったままボイラ蒸発管（火炉水冷壁）の圧力損失を低減し、給水ポンプ等の補器動力低減に加えて、流動安定性や自然循環特性の向上を可能にしたボイラ構造の提供を目的としている。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係るボイラ構造は、火炉の壁面に配設された多数のボイラ蒸発管が火炉水冷壁を形成し、前記ボイラ蒸発管に圧送された水が管内部を流れる際に前記火炉内で加熱されて蒸気を生成するボイラ構造において、前記ボイラ蒸発管は、同外径の管肉厚を火炉熱負荷に応じて調整し、火炉熱負荷の大きい領域ほど管内径を小さくした複数種が、内径小の管素材端部内面を内径大の管素材と同じ内径に加工して接続されていることを特徴とするものである。

このようなボイラ構造によれば、火炉水冷壁を形成するボイラ蒸発管は、前記ボイラ蒸発管は、同外径の管肉厚を火炉熱負荷に応じて調整し、火炉熱負荷の大きい領域ほど管内径を小さくした複数種が、内径小の管素材端部内面を内径大の管素材と同じ内径に加工して接続されているので、管内径を熱負荷に応じて最適化することができる。このため、火炉熱負荷の小さい領域では管内径が大きくなり、ボイラ蒸発管の入口から出口までの圧力損失を低減することができる。

上記の発明において、前記ボイラ蒸発管は、火炉熱負荷の大きい領域にライフル管を使用し、火炉熱負荷の小さい領域にスムース管を使用して使い分けされていることが好ましく、これにより、ボイラ蒸発管の圧力損失をより効果的に低減することができる。

上述した本発明によれば、ボイラ高さ方向距離に応じて異なる熱負荷に対応し、火炉水冷壁を形成する同外径のボイラ蒸発管の管肉厚を調整して管内径を段階的に変化させているので、熱負荷の小さい領域では管内径の拡大により圧力損失を低減し、給水ポンプ等の補器動力を低減することができる。また、上述した圧力損失の低減により、火炉水冷壁を流れる水の流動安定性や自然循環特性が向上するという顕著な効果が得られる。

以下、本発明に係るボイラ構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図３に示す実施形態において、ボイラ１は、火炉２の壁面に配設された多数のボイラ蒸発管１０が火炉水冷壁４を形成し、ボイラ蒸発管１０に圧送された水が管内部を流れる際、火炉２の内部で水が加熱されて蒸気を生成するように構成された超臨界変圧貫流ボイラである。図示のボイラ１は、火炉２の水平断面が矩形状とされ、前後左右の４面に火炉水冷壁４が形成されている。

図１に示す中間ヘッダ５は、バーナ３が配設されたバーナ部の上方でボイラ蒸発管１０をいったん非加熱の火炉外へ出して集め、炉内上部の天井壁側へ向けて再度分散させる部分である。
従って、ボイラ１の火炉水冷壁４を形成するボイラ蒸発管１０に火炉２の外部から給水された水は、ボイラ蒸発管１０の内部を流れて火炉２の下方から上方へ上向きに流れ、この上昇過程で加熱を受けて蒸気に変化する。この蒸気は、バーナ部の上方でいったん火炉２の外部へ流出し、各ボイラ蒸発管１０から中間ヘッダ５に集められた後、再度分散して炉内上部の天井壁へ向けて流出する。こうして天井壁へ導かれた蒸気は、さらに加熱されることにより過熱度がつけられる。なお、上述した水は、図示しない給水ポンプにより圧送され、火炉２内の下方からボイラ蒸発管１０の内部に押し込まれる。

上述したボイラ蒸発管１０は、管肉厚を火炉熱負荷に応じて調整し、火炉熱負荷の大きい領域ほど管内径を小さくした複数種が接続されている。すなわち、ボイラ１の火炉２内は、たとえば図１に示すように、ボイラ高さ方向距離に応じて火炉２内の熱負荷が変化するので、火炉熱負荷の大小に応じてボイラ蒸発管１０の管肉厚を調整し、管内径を複数段階に変化させている。このとき、ボイラ伝熱管１０の内径を決める際には、必要伝熱特性を確保するため、管内径を広げすぎないようにして必要な流速を確保することも考慮する必要がある。
なお、この場合のボイラ蒸発管１０は、内径（肉厚）が異なる同外径の管素材を溶接により複数本接続し、必要長さを有する１本の長尺管とされる。

具体的に説明すると、火炉熱負荷が最も高いボイラ部と略同レベルの領域では、ボイラ蒸発管１０の管内厚が最も大きく設定され、結果として、管内径が最も小さい管素材を使用している。この場合の管肉厚は、所定の運転時間において、ボイラ蒸発管１０が火炉熱負荷により破損することなく十分耐えられるように定めた値であり、従って、耐圧上必要な最小の管肉厚ｔよりも大きな値となる。換言すれば、ボイラ１に関する諸条件が同じであれば、管肉厚が最大となる領域では、従来の管肉厚ｔｍと同様の値になる。

次に、火炉熱負荷が最も高い領域の上下に隣接する領域では、最も大きな管肉厚ｔｍよりやや小さい管肉厚ｔ２に設定される。この管肉厚ｔ２は、火炉熱負荷の減少分だけ肉厚を低減した値であり、やはり耐圧上必要な最小の管肉厚ｔよりも大きな値となる。
同様に、火炉熱負荷が最も高い領域から上下に離間するにつれて、ｔｍ、ｔ２、ｔ１の順に管肉厚を段階的に小さく設定し、最終的には耐圧上必要な最小の管肉厚ｔとする。すなわち、図示の構成例では、ボイラ蒸発管１０の管肉厚は、火炉２の下方から順に、ｔ、ｔ１、ｔ２、ｔｍと大きくなった後、ｔ２、ｔ１、ｔの順に小さくなる。換言すれば、ボイラ蒸発管１０の管内径は、火炉２の下方から順にバーナ部まで段階的に小さくなった後、最も小径のバーナ部から段階的に大きくなる。

ところで、上述した実施形態では、４段階の管肉厚ｔ、ｔ１、ｔ２、ｔｍを有する同外径の管素材を接続しているが、ボイラ１の諸条件に応じて５段階以上にしてもよいし、あるいは、３段階以下にすることも可能である。また、上述した実施形態では、火炉熱負荷を受ける火炉２の内部でボイラ蒸気管１０の肉厚を段階的に変化させているが、非加熱部分についても同様に肉厚を変化させて薄くしてもよい。

図２は、等しい外径を有して管内径が異なる管素材を接続したボイラ蒸発管１０について、その接続構造例を示す断面図である。
図示のボイラ蒸発管１０は、外径が等しい２本の管素材を付け合わせ溶接により接続した構造を示している。すなわち、内径大（肉厚小）の管素材１１と内径小（肉厚大）の管素材１２とは、内径小（肉厚大）となる管素材１２側の端部内面を加工することにより、管素材１１と同じ内径及び肉厚とされ、この後、溶接部１３において付け合わせ溶接がなされている。なお、この場合の管素材はスムース管どうしを接続しているが、この接続構造は、後述するライフル管２０との接続にも適用可能である。
このようにして接続されたボイラ蒸発管１０は、管内径が異なる管素材１１，１２間の接続部に流れの妨げとなるような段差はほとんどなく、しかも、管素材１１，１２間の内径差も数ミリ程度と小さいため、火炉水冷壁４の圧力損失等に対して悪影響を与えることはほとんどない。

このようなボイラ構造によれば、火炉水冷壁４を形成するボイラ蒸発管１０は、管肉厚を火炉熱負荷に応じて調整し、火炉熱負荷の大きい領域ほど管内径を段階的に小さくした複数種が接続されているので、管内径を熱負荷に応じて最適化することができる。このため、火炉熱負荷の小さい領域では管内径を大きくすることができ、従って、ボイラ蒸発管１０の入口から出口までの圧力損失を低減することができ、給水ポンプ等の補機動力低減が可能になる。

この結果、ボイラ蒸発管１０は、内径が全長にわたって均一な従来構造と比較して、内径の大きい領域（管の長さ）が増大したので、管内を流れる水及び蒸気の流動安定性が向上する。すなわち、火炉熱負荷が増して温度上昇により流体が膨張しても、ボイラ蒸発管１０の管内径平均値が大きいために流速の変化は小さく、従って、圧力損失に占める摩擦損失成分の変動幅を抑制して安定した流れを形成することができる。

また、ボイラ蒸発管１０に内径の大きい領域（管の長さ）が増大することは、上述した流動安定性の向上に加えて、ボイラ蒸発管１０内における水や蒸気の自然循環特性を向上させることができる。
すなわち、ボイラ蒸発管１０の管内径平均値が大きいため、圧力損失に占める摩擦損失成分の割合は小さく、火炉熱負荷が増しても流速変化は小さい。このため、摩擦損失成分の変動幅が抑制され、さらに、流体の膨張により圧力損失のスタティック成分も低減されるので、これら両成分の合計値である全体の圧力損失自体も小さくなる。従って、圧力損失の低下に応じてボイラ蒸発管１０内を流れる流体の流量が増加するので、自然循環特性は向上したことになる。

また、上述したボイラ蒸発管１０の変形例として、たとえば図３に示すように、火炉熱負荷の大きい領域にライフル管２０を使用し、火炉熱負荷の小さい領域に通常の内壁面を有するスムース管を使用して使い分けしてもよい。
すなわち、火炉熱負荷の大きい火炉２内のバーナ部近傍領域については、管内周面に螺旋溝が形成されたライフル管２０を使用する。このライフル管２０は、伝熱特性の面では有利になる反面、摩擦損失が大きいという特性を有している。

従って、この変形例のボイラ蒸発管１０Ａは、ライフル管２０をスムース管と接続して使用することにより、最も火炉熱負荷の高い領域に配置したライフル管２０が管内を流れる流体に効率よく吸熱し、他の領域に配置した摩擦損失の小さいスムース管が全体の圧力損失を低減させることができる。このようにしても、火炉水冷壁４の圧力損失が小さくなるので、給水ポンプ等の補機動力を低減できるだけでなく、流動安定性や自然循環特性の向上にも有効である。
また、このようなライフル管２０は、管肉厚を大きくしたライフル管２０を最も火炉熱負荷の大きい領域に配置するなど、上述した実施形態との組合せが可能であることは言うまでもない。

上述したように、本発明のボイラ構造によれば、ボイラ高さ方向距離に応じて異なる熱負荷に対応し、火炉水冷壁４を形成するボイラ蒸発管１０の管肉厚を調整して管内径を段階的に変化させているので、必要伝熱特性を確保するとともに、熱負荷の小さい領域では管内径の拡大により圧力損失を低減し、給水ポンプ等の補機類を小型化し、補機類の運転に要する補器動力を低減することができる。従って、ボイラ装置の小型化や、ランニングコストの低減が可能となる。
また、上述した圧力損失の低減により、火炉水冷壁を流れる水の流動安定性や自然循環特性を向上させることもできる。

また、火炉熱負荷の高い領域に対し、部分的にライフル管２０を組み合わせて使用すれば、火炉２の圧力損失を低減して同様の作用効果を得ることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

本発明に係るボイラ構造の一実施形態を示す説明図である。 内径が異なる同外径の管素材を接続した接続構造例を示す断面図である。 本発明に係るボイラ構造の変形例としてライフル管を示す図である。

符号の説明

１ ボイラ
２ 火炉
３ バーナ
４ 火炉水冷壁
５ 中間ヘッダ
１０、１０Ａ ボイラ蒸発管
２０ ライフル管

Claims (2)

1. 火炉の壁面に配設された多数のボイラ蒸発管が火炉水冷壁を形成し、前記ボイラ蒸発管に圧送された水が管内部を流れる際に前記火炉内で加熱されて蒸気を生成するボイラ構造において、
   前記ボイラ蒸発管は、同外径の管肉厚を火炉熱負荷に応じて調整し、火炉熱負荷の大きい領域ほど管内径を小さくした複数種が、内径小の管素材端部内面を内径大の管素材と同じ内径に加工して接続されていることを特徴とするボイラ構造。
2. 前記ボイラ蒸発管は、火炉熱負荷の大きい領域にライフル管を使用し、火炉熱負荷の小さい領域にスムース管を使用して使い分けされていることを特徴とする請求項１に記載のボイラ構造。

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