JP3571298B2 - 化石燃料貫流ボイラ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、化石燃料用の燃焼室を有し、高温ガス側においてこの燃焼室に水平煙道を介して垂直煙道が後置接続され、燃焼室の囲壁が垂直に配置され互いに気密に溶接された蒸発管で形成されている貫流ボイラに関する。
【０００２】
ボイラを備えた発電所において、燃料の含有エネルギはボイラにおいて流れ媒体を蒸発させるために利用される。流れ媒体は通常蒸気発生回路内を導かれる。ボイラによって供給された蒸気は例えば蒸気タービンを駆動するために利用され、及び／又は密閉された外部のプロセスに利用される。蒸気が蒸気タービンを駆動すると、その蒸気タービンのタービン軸を介して通常、発電機あるいは作業機械が駆動される。発電機の場合、これによって発生された電流は、複合電力系統及び／又は島状電力系統に供給される。
【０００３】
ボイラは貫流ボイラとして形成される。貫流ボイラは、ＶＧＢ クラフトベルクステヒニーク（Ｋｒａｆｔｗｅｒｋｓｔｅｃｈｎｉｋ） ７３（１９９３年）、第４号、第３５２〜３６０頁に掲載のＦ．フランケ、Ｗ．ケーラー、Ｅ．ウィッチョー共著の論文「ベンソンボイラの蒸発器構想」で知られている。貫流ボイラの場合、蒸発管として設けられた蒸気発生管の加熱は、流れ媒体をその蒸気発生管の一回の通過で蒸発させる。
【０００４】
貫流ボイラは通常、垂直構造の燃焼室が装備されている。これは、燃焼室がほぼ垂直方向における加熱媒体あるいは高温ガスの通過に対して設計されることを意味する。燃焼室には高温ガス側において水平煙道が後置接続され、高温ガス流が燃焼室から水平煙道に移行する際、高温ガスのほぼ水平方向への転向が行われる。しかしそのような燃焼室は一般に、温度に起因して燃焼室長さが変化するために、燃焼室を懸垂支持する架台を必要とする。これは、貫流ボイラを製造および組み立てる際にかなり高い技術的経費がかかることを意味し、その経費は、貫流ボイラの全高が大きくなればなるほど高くなる。これは特に、全負荷時における８０ｋｇ／ｓより大きな蒸気出力用として設計されている貫流ボイラに当てはまる。
【０００５】
貫流ボイラは圧力の制限を受けないので、主蒸気圧は、液状媒体と蒸気状媒体との間にほんの僅かな密度差しか存在しない水の臨界圧（Ｐ_ｋｒｉ＝２２１バール）よりかなり高くできる。高い主蒸気圧は、高い熱効率を助長し、従って燃料として例えば石炭あるいは活性炭が燃焼される化石燃料式発電所におけるＣＯ_２の発生量を少なくする。
【０００６】
特別な問題は、貫流ボイラの煙道あるいは燃焼室の囲壁を、そこで生ずる管壁温度あるいは材料温度を考慮して設計することにある。約２００バールまでの未臨界圧力範囲において、燃焼室の囲壁温度は、蒸発管の内周面の湿りが保証されるとき、主に水の飽和温度の高さによって決定される。これは例えば、内周面に表面構造物を有する蒸発管を利用することによって達成される。そのために、特に内側フィン付き蒸発管が用いられ、貫流ボイラへのその採用は例えば上述の文献で知られている。このいわゆるフィン付き管、即ち内周面にフィンが付けられた管は、管内壁から流れ媒体への特に良好な熱伝達率を有する。
【０００７】
燃焼室の囲壁が種々に異なって加熱されることは経験的に避けられない。従って一般に、蒸発管の異なった加熱に基づいて、貫流ボイラにおける高加熱の（強く加熱される）蒸発管からの流れ媒体の出口温度は、標準加熱あるいは低加熱の（弱く加熱される）蒸発管の場合におけるよりも高くなる。これによって、隣接する蒸発管間に温度差が生じ、この温度差は、貫流ボイラの寿命を短くするか管に亀裂をひき起こす熱応力を生じさせる。
【０００８】
本発明の課題は、特に安価な製造費および組立費しか必要とせず、運転中において燃焼室の隣接する蒸発管間の温度差が特に小さいような、冒頭に述べた形式の化石燃料式貫流ボイラを提供することにある。
【０００９】
この課題は、本発明に基づいて、冒頭に述べた形式の貫流ボイラにおいて、
燃焼室は、水平煙道の高さに配置された多数のバーナを有し、並行に流れ媒体を供給される多数の蒸発管（１０）に対して、全負荷時における蒸気出力Ｍ（ｋｇ／ｓ）と並行に流れ媒体を供給されるこれらの蒸発管の総内側横断面積Ａ（ｍ²）との商が１３５０（ｋｇ／ｓｍ²）より小さいように、設計され、
燃焼室の並行に流れ媒体を供給される多数の蒸発管に、流れ媒体側においてそれぞれ、流れ媒体の共通の入口管寄せ装置が前置接続され、共通の出口管寄せ装置が後置接続され、
多数の蒸発管がその内周面にそれぞれ多条ねじ山を形成するフィンを有している
ことによって解決される。
【００１０】
本発明は、特に安価な製造費および組立費で作れる貫流ボイラは単純に形成できる懸垂構造物を有していなければならない、という考えから出発している。技術的に比較的安価に作れる燃焼室懸垂支持用の架台は、貫流ボイラの全高を特に低くする。貫流ボイラの特に低い全高は、燃焼室が水平構造に形成されていることによって得られる。そのために、バーナは燃焼室壁に水平煙道の高さに配置される。これによって、貫流ボイラの運転中、高温ガスは燃焼室をほぼ水平の主流れ方向に流れる。
【００１１】
しかし水平燃焼室の場合、貫流ボイラの運転中、高温ガス側から見て後方の燃焼室範囲は、高温ガス側から見て前方の燃焼室範囲よりも比較的弱く加熱（低加熱）される。更に例えば、バーナ近くの蒸発管は、燃焼室の隅に配置された蒸発管よりも強く加熱（高加熱）される。燃焼室の前方範囲における加熱量は、後方範囲における加熱量のほぼ３倍の大きさとなることがある。１００％蒸気出力（全負荷）時における従来では一般的な蒸発管の質量流量密度２０００ｋｇ／ｍ^２ｓの場合に、全管の質量流量の平均値に関係して、高加熱の蒸発管における質量流量は低下し、低加熱の蒸発管における質量流量は増加する。この挙動は、蒸発管の全圧力降下における摩擦損失の比較的大きな量によってひき起こされる。更に、燃焼室の特に低い高さに基づく蒸発管の相対伸長差は、垂直燃焼室の場合よりも大きくなる。これは、個々の蒸発管の加熱量および摩擦損失における差を追加的に強める。それでも隣接する蒸発管間の温度をほぼ同じにするために、貫流ボイラは、比較的強く加熱される（高加熱の）蒸発管内に、比較的弱く加熱される（低加熱の）蒸発管におけるより大きな流れ媒体流量が自動的に発生するように、設計しなければならない。これは一般的に、平均的に加熱される蒸発管の圧力降下Δｐ_Ｇ（バール）がその摩擦損失Δｐ_Ｒの数倍の大きさである場合に当てはまる。一定の質量流量において、比較的強く加熱される（高加熱の）蒸発管における流量上昇の条件は、次式の通りである。
【数１】

【００１２】
ここで、ΔｐＰ_Ｂは加速圧力降下の変化（バール）、ΔＱは加熱量の変化（ｋＪ／ｓ）、Ｍは質量流量（ｋｇ／ｓ）、Ｋは定数（バール・ｓ／ｋＪ）である。この不等式で公式化された条件は、一定質量流量において総圧力損失Δ（ΔＰ_Ｇ＋ΔＰ_Ｒ＋ΔＰ_Ｂ）（バール）が高加熱量ΔＱにおいて減少すること、即ち数学的に負になるはずであることを、指している。即ち、多数の蒸発管に同じ総圧力損失が生じているとき、高加熱の蒸発管においては低加熱の蒸発管に比べて上述の不等式に応じて流れ媒体の流量が増大する。
【００１３】
膨大な計算の結果、水平燃焼室を備えた貫流ボイラに対する上述の不等式で公式化された条件は、並列接続された多数の蒸発管に対して、全負荷時における貫流ボイラの蒸気出力Ｍ（ｋｇ／ｓ）と、これらの並列接続された蒸発管の総内側横断面積Ａ（ｍ^２）との商が１３５０（ｋｇ／ｓｍ^２）より大きくない場合に満たされることが、新たに判明した。即ち、数学的に次式で表される。
（Ｍ／Ａ）＜１３５０
【００１４】
その場合、貫流ボイラの全負荷時における蒸発出力Ｍは、許容蒸気発生量あるいはボイラ連続最大定格（ＢＭＣＲ）と呼ばれ、蒸発管のそれぞれの内側横断面積は水平断面を適用される。
【００１５】
好適には、燃焼室の並行接続された多数の蒸発管に、それぞれ流れ媒体用の共通の入口管寄せ装置が前置接続され、共通の出口管寄せ装置が後置接続されている。即ち、この実施態様で形成された貫流ボイラは、並列接続された多数の蒸発管間の確実な圧力バランスを可能にするので、並列接続されたすべての蒸発管は同じ総圧力損失を有する。これは、高加熱の蒸発管においては低加熱の蒸発管に比べて上述の不等式に応じて流量が増大することを意味する。
【００１６】
好適には、燃焼室の正面壁の蒸発管は、流れ媒体側において、燃焼室の側壁を形成する囲壁の蒸発管に前置接続されている。これによって、燃焼室の高加熱の正面壁の特に良好な冷却が保証される。
【００１７】
本発明の他の実施態様において、燃焼室の多数の蒸発管の管内径は、燃焼室における蒸発管のそれぞれの位置に関係して選定されている。このようにして、蒸発管は燃焼室内において高温ガス側の予設定可能な加熱温度分布に合わされる。これによって、蒸発管の貫流に影響を及ぼすことによって、蒸発管の出口における温度差が特に確実に小さくされる。
【００１８】
蒸発管内を導かれる流れ媒体に燃焼室の熱を特に良好に伝達するために、好適には、多数の蒸発管はその内周面にそれぞれ多条ねじ山を形成するフィンを有している。その場合好適には、管軸線に対して垂直な平面と管内周面に設けられたフィンのフランクとの成す傾斜角αは、６０°より小さく、好適には５５°より小さい。
【００１９】
つまり、内側フィンのない蒸発管（いわゆる平滑管）として形成された蒸発管の場合、所定の蒸気含有量からは、特に良好な熱伝達にとって必要な管壁の湿りがもはや維持されない。湿りが不足すると、所々に乾いた管壁が出現する。そのような乾いた管壁への移行は、熱伝達挙動が悪いいわゆる熱伝達危機を生じ、このために一般に、この個所において管壁温度が特に著しく上昇する。しかしこの熱伝達危機は、内側フィン付き蒸発管においては平滑管と異なり、蒸気含有量が０．９より大きい場合に、即ち蒸発の完了直前に初めて生ずる。その理由は、流れにスパイラル状フィンによって旋回が与えられることにある。水分は異なった遠心力に基づいて蒸気分から分離され、管壁を伝って搬送される。これによって、管壁の湿りは高い蒸気含有量まで維持され、従って熱伝達危機の場所に高い流速が出現する。これは熱伝達危機にもかかわらず比較的良好な熱伝達を生じさせ、その結果管壁温度が低くされる。
【００２０】
好適には、燃焼室の多数の蒸発管は、流れ媒体の流量を減少させる手段を有している。その手段が絞り装置として形成されていると特に有利である。その絞り装置は例えば、それぞれの蒸発管の内部の或る個所で管内径を狭める蒸発管内への組込み物である。燃焼室の蒸発管に流れ媒体を供給する多数の並列配管を有する配管系の流量を減少させる手段も有利である。その配管系は、流れ媒体を並行に供給される蒸発管の入口管寄せ装置にも前置接続される。この配管系の１つあるいは複数の配管に例えば絞り弁が設けられる。蒸発管を通る流れ媒体の流量を減少させるためのそのような手段によって、個々の蒸発管を通る流れ媒体の流量が、燃焼室におけるその都度の加熱量に合わせられる。これによって、蒸発管の出口における流れ媒体の温度差が追加的に特に確実に小さくされる。
【００２１】
水平煙道の側壁及び／又は垂直煙道の側壁は、好適には、垂直に配置され互いに気密に溶接され且つ並行に流れ媒体を供給される蒸気発生管で形成されている。
【００２２】
隣接する蒸発管ないしは蒸気発生管はその長手側が、好適には、帯金いわゆる“ひれ”を介して互いに気密に溶接されている。このひれは管の製造過程に管と固く結合され、これと共に単一品を形成している。管とひれとから成るこの単一品はひれ付き管とも呼ばれる。ひれ幅は蒸発管ないしは蒸気発生管への入熱量に影響を与える。従ってひれ幅は、貫流ボイラにおけるそれぞれの蒸発管ないしは蒸気発生管のそれぞれの位置に関係して、高温ガス側の予設定できる加熱温度分布に合わされている。その加熱温度分布として、経験値から求められた代表的な加熱温度分布あるいは例えば段階的な加熱温度分布のような大体の推定でもよい。適当に選定されたひれ幅によって、種々の蒸発管ないしは蒸気発生管が著しく異なって加熱される場合でも、すべての蒸発管ないしは蒸気発生管への入熱量は、蒸発管ないしは蒸気発生管の出口における温度差が特に小さくされるように、得られる。このようにして、材料の早過ぎる疲労は確実に防止される。これによって、貫流ボイラは特に長い寿命を有するようになる。
【００２３】
好適には、水平煙道内に複数の過熱器が配置され、これらの過熱器は高温ガスの主流れ方向に対してほぼ垂直に配置され、その管は流れ媒体の貫流に対して並列接続されている。懸垂構造で配置され且つ隔壁加熱器とも呼ばれるこれらの過熱器は、主に対流加熱され、流れ媒体側において燃焼室の蒸発管に後置接続されている。これによって、高温ガス熱の特に良好な利用が保証される。
【００２４】
好適には、垂直煙道は複数の対流加熱器を有し、これらの対流加熱器は高温ガスの主流れ方向に対してほぼ垂直に配置された管で形成されている。対流加熱器のこれらの管は、流れ媒体の貫流に対して並列接続されている。これらの対流加熱器も主に対流加熱される。
【００２５】
更に高温ガスの熱の特に完全な利用を保証するために、垂直煙道は好適にはエコノマイザを有している。
【００２６】
好適には、バーナが燃焼室の正面壁に配置され、即ち、燃焼室の水平煙道への流出開口に対向して位置する壁に配置されている。そのように形成された貫流ボイラは特に簡単に燃料の燃焼長に合わされる。燃料の燃焼長とは、所定の平均高温ガス温度における水平方向の高温ガス速度と、燃料の火炎の燃焼時間ｔ_Ａとの積を意味する。その都度の貫流ボイラにおける最大燃焼長は、貫流ボイラの全負荷時、いわゆる全負荷運転時における蒸気出力Ｍの際に生ずる。燃料の火炎の燃焼時間ｔ_Ａは、平均粒度の微粉炭が所定の平均高温ガス温度で完全燃焼するために必要とする時間である。
【００２７】
例えば高温溶融灰の侵入に基づく水平煙道の材料損傷および望ましくない汚れを特に僅かにするために、燃焼室の正面壁から水平煙道の入口範囲までの距離で規定された燃焼室の長さは、好適には、貫流ボイラの全負荷時における燃料の燃焼長と少なくとも同じである。燃焼室のこの水平長さは、一般に、灰出しホッパ上縁から燃焼室天井までの燃焼室高さの少なくとも８０％である。
【００２８】
化石燃料の燃焼熱を特に良好に利用するために、好適には、燃焼室の長さＬ（ｍ）は、全負荷時における貫流ボイラの蒸気出力Ｍ（ｋｇ／ｓ）と、化石燃料の火炎の燃焼時間ｔ_Ａ（ｓ）と、燃焼室からの高温ガスの出口温度Ｔ_ＢＲＫ（℃）との関数として選定される。その場合、全負荷時における貫流ボイラの予め定められた蒸気出力Ｍの場合に、近似的に、次の（１）式および（２）式の大きい方の値が適用される。
Ｌ（Ｍ、ｔ_Ａ）＝（Ｃ_１＋Ｃ_２×Ｍ）×ｔ_Ａ （１）
Ｌ（Ｍ、Ｔ_ＢＲＫ）＝（Ｃ_３×Ｔ_ＢＲＫ＋Ｃ_４）×Ｍ＋Ｃ_５（Ｔ_ＢＲＫ）^２
＋Ｃ_６×Ｔ_ＢＲＫ＋Ｃ_７ （２）
【００２９】
ここで、Ｃ_１＝８ｍ／ｓ
Ｃ_２＝０．００５７ｍ／ｋｇ
Ｃ_３＝−１．９０５×１０^−４（ｍ×ｓ）／（ｋｇ℃）
Ｃ_４＝０．２８６（ｓ×ｍ）／ｋｇ
Ｃ_５＝３×１０^−４（ｍ／（℃）^２
Ｃ_６＝−０．８４２ｍ／℃
Ｃ_７＝６０３．４１ｍ
である。
【００３０】
ここで近似的とは、それぞれの式で規定された値の＋２０／−１０％が許容偏差であることを意味する。
【００３１】
本発明によって得られる利点は特に、並列接続された多数の蒸発管における全負荷時の貫流ボイラの蒸気出力と、これらの蒸発管の総内側横断面積との比を適当に選定することによって、蒸発管を通る流れ媒体の流量を加熱量に特に良好に合わせることができ、これによって蒸発管の出口における温度をほぼ一様にできることにある。隣接する蒸発管間の温度差によってひき起こされる燃焼室の囲壁における熱応力は、貫流ボイラの運転中、例えば管亀裂を生ずる恐れがある値よりもかなり低く保たれる。これによって、貫流ボイラに水平燃焼室を比較的長い寿命で使用することができる。燃焼室を高温ガスのほぼ水平の主流れ方向用として設計することによって、貫流ボイラの構造は特にコンパクトになる。これは、この貫流ボイラを蒸気タービンを備えた発電所に組み入れた場合に、貫流ボイラから蒸気タービンまでの接続管を特に短くすることを可能にする。
【００３２】
以下において図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。なお各図において同一部分には同一符号が付されている
【００３３】
図１における貫流ボイラ２は、蒸気タービン設備も有する発電所（図示せず）に付設されている。その貫流ボイラは全負荷時に少なくとも８０ｋｇ／ｓの蒸気出力用として設計されている。貫流ボイラ２で発生された蒸気は蒸気タービンを駆動するために利用され、この蒸気タービンは発電機を駆動する。発電機で発生された電流は、複合電力系統あるいは島状電力系統に供給するために利用される。
【００３４】
化石燃料貫流ボイラ２は、水平構造に形成された燃焼室４を有している。この燃焼室４の高温ガス側は、水平煙道６を介して垂直煙道８が後置接続されている。燃焼室４の囲壁９は、垂直に配置され互いに気密に溶接された多数の蒸発管１０で形成されている。そのＮ本の蒸発管１０は並行に流れ媒体Ｓを供給される。正面壁１１は燃焼室４の囲壁９である。追加的に水平煙道６の側壁１２ないしは垂直煙道８の側壁１４も、垂直に配置され互いに気密に溶接された多数の蒸気発生管１６、１７で形成される。この場合、その蒸気発生管１６、１７はそれぞれ並行して流れ媒体Ｓが供給される。
【００３５】
燃焼室４の多数の蒸発管１０の流れ媒体側には、流れ媒体Ｓに対する入口管寄せ装置１８が前置接続され、出口管寄せ装置２０が後置接続されている。入口管寄せ装置１８は多数の並行入口管寄せを有している。蒸発管１０の入口管寄せ装置１８に流れ媒体Ｓを供給するために、配管系１９が設けられている。この配管系１９は並列接続された多数の配管を有し、これらの配管はそれぞれ、入口管寄せ装置１８の１つの入口管寄せに接続されている。
【００３６】
蒸発管１０は（図２に示されているように）管内径Ｄを有し、その内周面にフィン４０を有している。このフィン４０は多条ねじ山の形をし、フィン高さＲを有している。その管軸線に対して垂直な平面４２と管内周面に設けられたフィン４０のフランク４４との成す傾斜角αは５５°より小さくされている。これによって、蒸発管１０の内壁から蒸発管１０内を導かれる流れ媒体Ｓへの特に高い熱伝達が得られ、同時に特に低い管壁温度が得られる。
【００３７】
燃焼室４の蒸発管１０の管内径Ｄは、燃焼室４内における蒸発管１０のそれぞれの位置に関係して選定される。このようにして、貫流ボイラ２は蒸発管１０の種々の強さの加熱に合わされる。このような燃焼室４の蒸発管１０の設計は、蒸発管１０の出口における温度差が特に小さくされることを特に確実に保証する。
【００３８】
流れ媒体Ｓの流量を減少させる手段として、蒸発管１０の一部に絞り装置（図示せず）が装備されている。この絞り装置は或る個所において管内径Ｄを狭めている孔開き絞り板として形成され、貫流ボイラ２の運転中に、低加熱の蒸発管１０における流れ媒体Ｓの流量を減少させ、これによって、流れ媒体Ｓの流量が加熱量に合わされる。更に、蒸発管１０内における流れ媒体Ｓの流量を減少させる手段として、配管系１９の１つあるいは複数の配管に、絞り装置（特に絞り弁）が装備されている（図示せず）。
【００３９】
互いに隣接する蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７は、それらの長手側が“ひれ”を介して、詳述していないようにして、互いに気密に溶接されている。つまり、そのひれ幅を適当に選定することによって、蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７の加熱量が制御される。従って、それぞれのひれ幅は、貫流ボイラ２におけるそれぞれの蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７の位置に関係する予め設定できる高温ガス側の加熱温度分布に合わされている。その加熱温度分布は、経験値から求められた代表的な加熱温度分布であるか、あるいは大体の推定でもよい。これによって、蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７が著しく異なって加熱される場合でも、蒸発管１０ないしは蒸気発生管１６、１７の出口における温度差は、特に小さくされる。このようにして、材料の疲労が確実に防止され、これによって貫流ボイラ２の長い寿命が保証される。
【００４０】
水平燃焼室４を配管敷設して形成する際、互いに気密に溶接された個々の蒸発管１０の加熱量が貫流ボイラ２の運転中に非常に異なることについて考慮しなければならない。そのために、蒸発管１０の内側フィン、隣接する蒸発管１０への“ひれ”結合および管内径Ｄについての設計は、すべての蒸発管１０が異なった加熱量にもかかわらずほぼ同じ出口温度を有し、貫流ボイラ２のあらゆる運転状態において全蒸発管１０の十分な冷却が保証されるように、行われる。貫流ボイラ２の運転中における若干の蒸発管１０の低加熱は、絞り装置の組込みによって補助的に考慮される。
【００４１】
燃焼室４における蒸発管１０の管内径Ｄは、燃焼室４内における蒸発管１０のそれぞれの位置に関係して選定される。貫流ボイラ２の運転中に強く加熱される蒸発管１０は、貫流ボイラ２の運転中に弱く加熱される蒸発管１０よりも、大きな管内径Ｄを有している。これによって、管内径がすべて同じにされている場合に比べて、大きな管内径Ｄを有する蒸発管１０内における流れ媒体Ｓの流量が増大され、これによって、異なった加熱量による蒸発管１０の出口における温度差が減少する。蒸発管１０内における流れ媒体Ｓの流量を加熱量に合わせる別のやり方は、蒸発管１０の一部に及び／又は流れ媒体Ｓを供給するために設けられた配管系１９に、絞り装置を組み込むことにある。これとは逆に、加熱量を蒸発管１０内における流れ媒体Ｓの流量に合わせるために、ひれ幅が燃焼室４内における蒸発管１０の位置に関係して選定される。上述のすべてのやり方は、個々の蒸発管１０が大きく異なって加熱されるにもかかわらず、貫流ボイラ２の運転中に、蒸発管１０内を導かれる流れ媒体Ｓの比熱量がほぼ同じとなり、これによって蒸発管１０の出口における温度差が小さくなる。蒸発管１０の内側フィンは、貫流ボイラ２のあらゆる負荷状態において、異なった加熱量および流れ媒体Ｓの異なった流量にもかかわらず、蒸発管１０の特に確実な冷却が保証されるように、設計されている。
【００４２】
水平煙道６は隔壁伝熱面として形成された多数の過熱器２２を有している。これらの過熱器２２は高温ガスＧの主流れ方向２４に対して垂直に懸垂構造で配置され、その管は流れ媒体Ｓの貫流に対してそれぞれ並列接続されている。過熱器２２は主に対流加熱され、流れ媒体側において燃焼室４の蒸発管１０に後置接続されている。
【００４３】
垂直煙道８は主に対流加熱される多数の対流加熱器２６を有している。これらの対流加熱器２６は高温ガスＧの主流れ方向２６に対してほぼ垂直に配置された管で構成されている。これらの管は流れ媒体Ｓの貫流に対してそれぞれ並列接続されている。更に垂直煙道８内にエコノマイザ２８が配置されている。垂直煙道８の出口側は別の熱交換器（例えば空気予熱器）に開口し、そこから集塵機を介して煙突に通じている。垂直煙道８に後置接続された構造部品は図１には示されていない。
【００４４】
貫流ボイラ２は特に低い全高の水平燃焼室４で実行され、従って特に安価な製造費および組立費で建設できる。このために、貫流ボイラ２の燃焼室４は化石燃料用の多数のバーナ３０を有している。これらのバーナ３０は燃焼室４の正面壁１１に水平煙道６の高さに配置されている。
【００４５】
特に高い効率を得るために化石燃料Ｂが特に完全燃焼し、例えば高温溶融灰の侵入による、高温ガス側から見て水平煙道６の最初の過熱器２２の材料損傷およびその過熱器２２の汚染が特に確実に防止されるようにするために、燃焼室４の長さＬは、これが貫流ボイラ２の全負荷運転中に燃料Ｂの燃焼長を越えているように、選定されている。長さＬは燃焼室４の正面壁１１から水平煙道６の入口範囲３２までの距離である。燃料Ｂの燃焼長は、所定の平均高温ガス温度時における水平方向の高温ガス速度と、燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Ａとの積として規定される。その都度の貫流ボイラ２における最大燃焼長は、その貫流ボイラ２の全負荷運転中に生ずる。燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Ａは、例えば平均粒度の微粉炭が所定の平均高温ガス温度時に完全燃焼するために必要とする時間である。
【００４６】
化石燃料Ｂの燃焼熱の特に良好な利用を保証するために、燃焼室４の長さＬ（ｍ）は、全負荷時における燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_ＢＲＫ（℃）と、燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Ａ（ｓ）と、貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍ（ｋｇ／ｓ）とに関係して適当に選定される。燃焼室４のこの水平長さＬは燃焼室４の高さＨの少なくとも約８０％である。高さＨは、図１において終点Ｘ、Ｙを含む線で示されている燃焼室４の灰出しホッパ上縁から燃焼室天井までの距離である。燃焼室４の長さＬは近似的に次の式（１）、（２）によって決定される。
Ｌ（Ｍ、ｔ_Ａ）＝（Ｃ_１＋Ｃ_２×Ｍ）×ｔ_Ａ （１）
Ｌ（Ｍ、Ｔ_ＢＲＫ）＝（Ｃ_３×Ｔ_ＢＲＫ＋Ｃ_４）×Ｍ＋Ｃ_５（Ｔ_ＢＲＫ）^２
＋Ｃ_６×Ｔ_ＢＲＫ＋Ｃ_７ （２）
【００４７】
ここで、Ｃ_１＝８ｍ／ｓ
Ｃ_２＝０．００５７ｍ／ｋｇ
Ｃ_３＝−１．９０５×１０^−４（ｍ×ｓ）／（ｋｇ℃）
Ｃ_４＝０．２８６（ｓ×ｍ）／ｋｇ
Ｃ_５＝３×１０^−４（ｍ／（℃）^２
Ｃ_６＝−０．８４２ｍ／℃
Ｃ_７＝６０３．４１ｍ
である。
【００４８】
この場合の許容偏差は、近似的に、それぞれの式で規定される値の＋２０％／−１０％である。全負荷時における貫流ボイラ２の所定の蒸気出力Ｍ用として貫流ボイラ２を設計する際、燃焼室４の長さＬに対して、式（１）、（２）からの大きい方の値が適用される。
【００４９】
貫流ボイラ２の考え得る設計例として、全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍに関する燃焼室４の長さＬに対して、図３の座標系に、６つの曲線Ｋ_１〜Ｋ_６が記されている。それらの曲線には、次のパラメータが対応している。即ち、Ｋ_１、Ｋ_２、Ｋ_３にそれぞれ式（１）におけるｔ_Ａ＝３ｓ、ｔ_Ａ＝２．５ｓ、ｔ_Ａ＝２ｓが対応し、Ｋ_４、Ｋ_５、Ｋ_６にそれぞれ式（２）におけるＴ_ＢＲＫ＝１２００℃、Ｔ_ＢＲＫ＝１３００℃、Ｔ_ＢＲＫ＝１４００℃が対応している。
【００５０】
従って、燃焼室４の長さＬを決定するために、例えば燃焼時間ｔ_Ａ＝３ｓおよび燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_ＢＲＫ＝１２００℃に対して、曲線Ｋ_１、Ｋ_４が関与する。これにより、全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍが予め定められている場合、燃焼室４の長さＬはそれぞれ曲線Ｋ_４に基づいて次のようになる。
Ｍ＝ ８０ｋｇ／ｓの場合、Ｌ＝２９ｍ
Ｍ＝１６０ｋｇ／ｓの場合、Ｌ＝３４ｍ
Ｍ＝５６０ｋｇ／ｓの場合、Ｌ＝５７ｍ
【００５１】
即ち常に、実線で示された曲線Ｋ_４が適用される。
【００５２】
燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Ａ＝２．５ｓおよび燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_ＢＲＫ＝１３００℃に対して、例えば曲線Ｋ_２、Ｋ_５が関与する。これにより、全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍが予め定められている場合、燃焼室４の長さＬは次のようになる。
Ｍ＝ ８０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ_２に基づいてＬ＝２１ｍ
Ｍ＝１８０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ_２、Ｋ_５に基づいてＬ＝２３ｍ
Ｍ＝５６０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ_５に基づいてＬ＝３７ｍ
【００５３】
即ち、蒸気出力Ｍ＝１８０ｋｇ／ｓまでは、実線として示された曲線Ｋ_２の部分が適用され、このＭの値の範囲では破線で示された曲線Ｋ_５は適用されない。１８０ｋｇ／ｓより大きなＭの値に対して、実線で示された曲線Ｋ_５の部分が適用され、このＭの値の範囲では破線で示された曲線Ｋ_２は適用されない。
【００５４】
燃料Ｂの火炎Ｆの燃焼時間ｔ_Ａ＝２ｓおよび燃焼室４からの高温ガスＧの出口温度Ｔ_ＢＲＫ＝１４００℃に対して、例えば曲線Ｋ_３、Ｋ_６が関与する。これにより、全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍが予め定められている場合、燃焼室４の長さＬは次のようになる。
Ｍ＝ ８０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ_３に基づいてＬ＝１８ｍ
Ｍ＝４６５ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ_３、Ｋ_６に基づいてＬ＝２１ｍ
Ｍ＝５６０ｋｇ／ｓの場合、曲線Ｋ_６に基づいてＬ＝２３ｍ
【００５５】
即ち、蒸気出力Ｍ＝４６５ｋｇ／ｓまでは、この範囲において実線として示された曲線Ｋ_３が適用され、この範囲では破線として示された曲線Ｋ_６は適用されない。４６５ｋｇ／ｓより大きなＭの値に対して、実線で示された曲線Ｋ_６の部分が適用され、破線として示された曲線Ｋ_３は適用されない。
【００５６】
貫流ボイラ２の運転中、高加熱の蒸発管１０に低加熱の蒸発管１０よりも大きな流れ媒体Ｓ流量が自動的に生ずるようにするために、並列接続されたＮ本の蒸発管１０に対して、全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍ（ｋｇ／ｓ）と、並行に流れ媒体Ｓを供給される管内径Ｄ_ＮのこれらＮ本の蒸発管１０の総内側横断面積Ａ（ｍ^２）との商が、次式を満足するように選定される。
【数２】

ここで、数１３５０の単位はｋｇ／ｓｍ^２であり、Ｄ_Ｎは、ｉ＝１〜ＮのＮ番目の蒸発管１０の管内径である。
【００５７】
貫流ボイラ２の運転中、バーナ３０に化石燃料Ｂが供給される。バーナ３０の火炎Ｆは水平に延びる。燃焼室４の構造によって、燃焼中に生ずる高温ガスＧの流れはほぼ水平の主流れ方向２４に発生される。この高温ガスＧは水平煙道６を通ってほぼ底に向かって延びる垂直煙道８に到達し、そこから煙突（図示せず）を通って出る。
【００５８】
エコノマイザ２８に流入する流れ媒体Ｓは、垂直煙道８内に配置された対流加熱器２６を通って、貫流ボイラ２の燃焼室４の蒸発管１０の入口管寄せ装置１８に到達する。貫流ボイラ２の燃焼室４の垂直に配置され互いに気密に溶接された多数の蒸発管１０内において、流れ媒体Ｓの蒸発および場合によっては部分的な過熱が行われる。その際に生じた蒸気ないしは水・蒸気混合物は流れ媒体Ｓ用の出口管寄せ装置２０内に集められる。蒸気ないしは水・蒸気混合物はそこから水平煙道６および垂直煙道８の壁を通って水平煙道６の過熱器２２に到達する。この過熱器２２において蒸気が一層過熱され、この蒸気は続いて使用に供され、例えば蒸気タービンの駆動に利用される。
【００５９】
全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍと蒸発管１０の総内側横断面積Ａとの商を、並行接続されたＮ本の蒸発管１０に対して値１３５０ｋｇ／ｓｍ^２に制限することによって、特に簡単に、貫流ボイラ２のあらゆる負荷状態における蒸発管１０の確実な冷却、および隣接する蒸発管１０間の特に小さな温度差が保証される。更に、蒸発管１０の直列接続は特に、高温ガスＧのほぼ水平の主流れ方向２４の利用に対して設計されている。その場合、燃焼室４の長さＬを全負荷時における貫流ボイラ２の蒸気出力Ｍに関係して選定することによって、化石燃料Ｂの燃焼熱が特に確実に利用されることが保証される。更に、貫流ボイラ２はその特に低い全高およびコンパクトな構造によって、特に安価な製造費および組立費で建設できる。その場合、非常に安い技術的費用で作れる架台を利用できる。蒸気タービンとそのような低い全高の貫流ボイラ２とを備えた発電所の場合、貫流ボイラ２から蒸気タービンまでの接続配管は特に短く設計できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】二煙道形の化石燃料式貫流ボイラの概略側面図。
【図２】個々の蒸発管の概略縦断面図。
【図３】燃焼室の長さＬと蒸気出力Ｍとの関係を示した曲線図。
【符号の説明】
２ 貫流ボイラ
４ 燃焼室
６ 水平煙道
８ 垂直煙道
９ 燃焼室の囲壁
１０ 蒸発管
１２ 水平煙道の側壁
１４ 垂直煙道の側壁
１６ 蒸気発生管
１７ 蒸気発生管
１８ 入口管寄せ装置
１９ 配管系
２０ 出口管寄せ装置
２２ 過熱器
２６ 対流加熱器
３０ バーナ
４０ フィン
Ｂ 燃料

Claims (14)

1. 化石燃料（Ｂ）用の燃焼室（４）を備え、高温ガス側においてこの燃焼室（４）に水平煙道（６）を介して垂直煙道（８）が後置接続され、燃焼室（４）の囲壁（９）が垂直に配置され互いに気密に溶接された多数の蒸発管（１０）で形成され、
   燃焼室（４）は、水平煙道（６）の高さに配置された多数のバーナ（３０）を有し、並行に流れ媒体（Ｓ）を供給される多数（Ｎ）の蒸発管（１０）に対して、全負荷時における蒸気出力（Ｍ）（ｋｇ／ｓ）と並行に流れ媒体（Ｓ）を供給されるこれらの蒸発管（１０）の総内側横断面積（Ａ）（ｍ²）との商が１３５０（ｋｇ／ｓｍ²）より小さいように、設計され、
   燃焼室（４）の並行に流れ媒体（Ｓ）を供給される多数の蒸発管（１０）に、流れ媒体側においてそれぞれ、流れ媒体（Ｓ）の共通の入口管寄せ装置（１８）が前置接続され、共通の出口管寄せ装置（２０）が後置接続され、
   多数の蒸発管（１０）がその内周面にそれぞれ多条ねじ山を形成するフィン（４０）を有している
   ことを特徴とする化石燃料貫流ボイラ。
2. 燃焼室（４）の正面壁（１１）の蒸発管（１０）が、流れ媒体側において、燃焼室（４）の他の囲壁（９）の蒸発管（１０）に前置接続されている請求項１記載の貫流ボイラ。
3. 燃焼室（４）の多数の蒸発管（１０）の管内径（Ｄ）が、燃焼室（４）における蒸発管（１０）のそれぞれの位置に関係して選定されている請求項１又は２記載の貫流ボイラ。
4. 管軸線に対して垂直な平面（４２）と管内周面に設けられたフィン（４０）のフランク（４４）との成す傾斜角（α）が６０°より小さい請求項３記載の貫流ボイラ。
5. 多数の蒸発管（１０）がそれぞれ絞り装置を有している請求項１乃至４の１つに記載の貫流ボイラ。
6. 流れ媒体（Ｓ）を燃焼室（４）の蒸発管（１０）に供給するための配管系（１９）が設けられ、その配管系（１９）が流れ媒体（Ｓ）の流量を減少させるために多数の絞り装置を有している請求項１乃至５の１つに記載の貫流ボイラ。
7. 水平煙道（６）の側壁（１２）が、垂直に配置され互いに気密に溶接され且つ並行に流れ媒体（Ｓ）を供給される蒸気発生管（１６）で形成されている請求項１乃至６の１つに記載の貫流ボイラ。
8. 垂直煙道（８）の側壁（１４）が、垂直に配置され互いに気密に溶接され且つ並行に流れ媒体（Ｓ）を供給される蒸気発生管（１７）で形成されている請求項１乃至７の１つに記載の貫流ボイラ。
9. 隣接する蒸発管（１０）ないしは蒸気発生管（１６、１７）がひれを介して互いに気密に溶接され、そのひれ幅が、燃焼室（４）における水平煙道（６）及び／又は垂直煙道（８）の蒸発管（１０）ないしは蒸気発生管（１６、１７）のその都度の位置に関係して選定されている請求項１乃至８の１つに記載の貫流ボイラ。
10. 水平煙道（６）内に複数の過熱器（２２）が懸垂構造で配置されている請求項１乃至９の１つに記載の貫流ボイラ。
11. 垂直煙道（８）内に複数の対流加熱器（２６）が配置されている請求項１乃至１０の１つに記載の貫流ボイラ。
12. バーナ（３０）が燃焼室（４）の正面壁（１１）に配置されている請求項１乃至１１の１つに記載の貫流ボイラ。
13. 燃焼室（４）の正面壁（１１）から水平煙道（６）の入口範囲（３２）までの距離で規定される燃焼室（４）の長さ（Ｌ）が、貫流ボイラ（２）の全負荷時における燃料（Ｂ）の燃焼長と少なくとも同じである請求項１乃至１２の１つに記載の貫流ボイラ。
14. 燃焼室（４）の長さＬ（ｍ）が、全負荷時における蒸気出力（Ｍ）、燃料（Ｂ）の火炎（Ｆ）の燃焼時間（ｔ_A）及び／又は燃焼室（４）からの高温ガス（Ｇ）の出口温度（Ｔ_BRK）の関数として、近似的に次式で選定され、
    Ｌ（Ｍ、ｔ_A）＝（Ｃ₁＋Ｃ₂×Ｍ）×ｔ_A
    Ｌ（Ｍ、Ｔ_BRK）＝（Ｃ₃×Ｔ_BRK＋Ｃ₄）×Ｍ＋Ｃ₅（Ｔ_BRK）² ＋Ｃ₆×Ｔ_BRK＋Ｃ₇
    ここで、Ｃ₁＝８ｍ／ｓ
    Ｃ₂＝０．００５７ｍ／ｋｇ
    Ｃ₃＝−１．９０５×１０^-4（ｍ×ｓ）／（ｋｇ℃）
    Ｃ₄＝０．２８６（ｓ×ｍ）／ｋｇ
    Ｃ₅＝３×１０^-4（ｍ／（℃）²
    Ｃ₆＝−０．８４２ｍ／℃
    Ｃ₇＝６０３．４１ｍ
    であり、全負荷時における予め定められた蒸気出力（Ｍ）に対して、それぞれ燃焼室（４）の大きい方の長さ（Ｌ）が適用される請求項１乃至１３の１つに記載の貫流ボイラ。

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