JP3934252B2 - 自然循環型水管ボイラ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、起動運転時、蒸気ドラム内の飽和水の循環を良好にさせた自然循環型水管ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、火力発電プラントまたはコンバインドサイクル発電プラント等に適用される自然循環型水管ボイラには、竪型タイプと横型タイプとがあり、設置面積の余裕度合によりいずれか一方のタイプのものが選定されている。
【０００３】
自然循環型水管ボイラのうち、横型タイプは、図１５に示すように、横長筒状のダクトＤの外側に蒸気ドラム１００と降水集合部１０８とを備え、蒸気ドラム１００と降水集合部１０８とを互いに接続させる降水管１０１と蒸発管１０３とを熱ガスＧの流れ方向に対して交差させてダクトＤ内に収容する構成になっている。
【０００４】
また、蒸発管１０３は、降水集合部１０８との間に管寄せ１０２を介装させるとともに、蒸気ドラム１００との間に管寄せ１０４と上昇管１０５とを介装させている。
【０００５】
また、蒸気ドラム１００には、その内部に気水分離器１０６が収容されている。
【０００６】
このような構成を備えた横型タイプの自然循環型水管ボイラにおいて、給水管１０９から水位調整弁１１０を介して蒸気ドラム１００に供給された飽和水（給水）は、重力差を利用して降水管１０１を介して降水集合部１０８に集められ、ここから管寄せ１０２を介して蒸発管１０３に流れる間に、例えばガスタービン等から排出される熱ガスＧと熱交換し、気液二相流となって管寄せ１０４、上昇管１０５を介して蒸気ドラム１００に循環する。
【０００７】
蒸気ドラム１００は、気液二相流を気水分離器１０６で飽和水と蒸気とに分離させ、分離させた蒸気を蒸気出口１０７を介して他の熱交換器に供給する一方、分離させた飽和水を再び降水管１０１を介して循環させるようになっている。
【０００８】
このように、飽和水がポンプ等の外力を借りずに、降水管１０１、降水集合部１０８、管寄せ１０２、蒸発管１０３、管寄せ１０４、上昇管１０５を介して蒸気ドラム１００を循環することを、自然循環型水管ボイラと称している。ここで、自然循環の原理を今少し詳しく説明すると、蒸発管１０３および上昇管１０５の飽和水の密度が、降水管１０１の飽和水の密度に較べて、加熱による温度上昇または単相状態から飽和水−蒸気の気液二相状態への相変化により小さくなり、蒸発管１０３および上昇管１０５内の飽和水と降水管１０１内の飽和水との密度の軽重が異なり、この密度差に相当する力が降水管１０１内の飽和水に作用することを利用したものである。この力を循環力と称する。高温化により密度が小さく軽くなった蒸発管１０３および上昇管１０５内の飽和水は、低温で密度が大きく重い降水管１０１内の飽和水により蒸気ドラム１００に押し上げられる。また、この自然循環の飽和水の循環量は、循環力と飽和水が循環中に増加する圧力損失とのバランスから決定される。
【０００９】
また、横型自然循環型水管ボイラに発生する飽和水の循環力は、大別して二つ分けることができる。一つは、飽和水が加熱される部分であり、蒸発管１０３に相当する。残りの一つは、非加熱部分であり、上昇管１０５に相当する。
【００１０】
この循環力のうち、蒸発管１０３で発生する循環力は、蒸発管１３０内の飽和水の温度上昇に伴って発生する対流または沸騰による飽和水−蒸気の気液二相流に基づく。また、上昇管１０５で発生する循環力も、蒸発管１０３から上昇管１０５に案内される比較的高温水または飽和水−蒸気の気液二相状態の温度上昇に伴って発生する対流または気液二相流に基づく。なお、上昇管１０５で発生する循環力は、蒸発管１０３からの比較的高温水または気液二相流が上昇管１０５に供給される関係上、時間的遅れを伴って発生する。
【００１１】
しかし、横型自然循環型水管ボイラでは、上昇管１０５での循環力の時間的な遅れがあっても、蒸発管１０３の長さが上昇管１０５に較べて長く、また、蒸発管１０３がドラムＤ内に熱ガスＧの流れと交差させて飽和水を直ぐさま沸騰させてその循環力を上昇管１０５の飽和水に与えているので、上昇管１０５の循環力に時間的な遅れが伴っても大きな影響にはなっていない。
【００１２】
他方、竪型タイプは、図１６に示すように、竪筒状のダクトＤの外側に蒸気ドラム１００、降水管１０１、降水集合部１０８、管寄せ１０２，１０４、上昇管１０５を備えるとともに、蒸発管１０３を熱ガスＧの流れ方向に横断させダクトＤ内に収容する構成になっている。他の構成は、横型タイプと同一なので、その説明は省略する。
【００１３】
このような構成を備えた竪型タイプの自然循環型水管ボイラでは、蒸発管１０３を熱ガスＧの流れ方向に横断して配置させているので、蒸発管１０３で飽和水の循環力を確保することができず、専ら上昇管１０５で沸騰する飽和水と降水管１０１の飽和水との密度差で飽和水の循環力を確保している。このため、竪型タイプでは、飽和水の温度上昇、沸騰現象（二相流現象）の発生および飽和水の循環力の確保等が横型タイプに較べてより一層の時間的遅れを伴っていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
竪型自然循環型水管ボイラでは、起動運転時、飽和水（給水）の温度が低く、上昇管１０５内の飽和水と降水管１０１内の飽和水との密度差が低く、ほとんど循環力が発生していないため、蒸発管１０３の飽和水が飽和温度になるまで停流している。このため、蒸発管１０３に停流している飽和水が飽和温度になると一斉に沸騰して上昇管１０５に流入する。このとき、上昇管１０５内の低温の飽和水（給水）と蒸発管１０３での高温の蒸気との温度差が大きいと、ウォータハンマを発生させる問題点があった。
【００１５】
また、竪型自然循環型水管ボイラでは、起動運転時、飽和水の圧力が低いので、沸騰の際、飽和水の相変化に伴う体積変化率が大きく、過渡的に過大な循環力を必要とし、また、ボイド率が高くなり、蒸発管１０３や上昇管１０５により大きな流動抵抗を与え、脈動を発生させる要因になっていた。
【００１６】
また、竪型自然循環型水管ボイラでは、起動運転時、蒸発管１０３内の飽和水が熱ガスＧと熱交換しないまま上昇管１０５に流れるので、飽和水が途中で停流してしまい、飽和水の流れが断続的な不安定状態になる等の問題点があった。
【００１７】
本発明は、このような問題点に照してなされたもので、飽和水の循環力を間断なく連続的に発生させるとともに、飽和水の脈動、停流を抑制して安定状態で運転させる自然循環型水管ボイラを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、ケーシングの外側に蒸気ドラムを載設し、ケーシング内にガス通路部を形成し、上記蒸気ドラム内の飽和水を、降水管、蒸発管、上昇管を介して再び上記蒸気ドラムに循環させる竪型の自然循環型水管ボイラにおいて、上記ガス通路部に配置する蒸発管のうち、熱ガスに向って最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管のうち少なくとも一方を、熱ガスに向って上流側蒸発管と下流側蒸発管とに区分けし、区分けした上流側蒸発管と下流側蒸発管をＵベントで接続させるとともに、上記上流側蒸発管の入口管寄せ管および上記下流側蒸発管の出口管寄せ管を、上記Ｕベントよりも高位置にしたものである。
【００２５】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記上流側蒸発管および下流側蒸発管に板状フィンを設けたものである。
【００２６】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記板状フィンを、熱ガスの流れ方向と同一方向に配置したものである。
【００２７】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記板状フィンを、蒸発管の入口管寄せ管から出口管寄せ管に向って徐々に密度を高くして配置したものである。
【００２８】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記上流側蒸発管および下流側蒸発管に螺旋状フィンを設けたものである。
【００２９】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記螺旋状フィンを、蒸発管の表側と裏側とを軸対称にして配置したものである。
【００３０】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項７に記載したように、前記ガス通路部に配置する蒸発管の出口管寄せ管から出口接続管を介して接続する上記上昇管を、一つにして上記蒸気ドラムに接続させたものである。
【００３１】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項８に記載したように、前記上昇管を、熱ガスの流れ方向と同一方向の鉛直部と、ガス通路部を交差させる傾斜部とに区分けして蒸気ドラムに接続させたものである。
【００３２】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項９に記載したように、前記上昇管の鉛直部を、ケーシング内に形成され、ガス通路部の外側に形成したホットボックス内に収容したものである。
【００３３】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項１０に記載したように、前記ガス通路部に配置する蒸発管のうち、熱ガスに向って最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管の入口管寄せ管と、上記降水管を、上記ケーシング内に形成され、上記ガス通路部の外側に形成した上記蒸気ドラム側のホットボックス内に収容したものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る自然循環型水管ボイラの実施形態を図面および図中に付した符号を引用して説明する。
【００３７】
図１は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第１実施形態を示す概略図である。
【００３８】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、鉛直方向に配置した竪長筒状のケーシング１０の、そのケーシング１０の内側両側にガスバッフル９，９で区画した空間状のホットボックス１１，１１と、ホットボックス１１，１１間に形成され、例えばガスタービンから排出される熱ガスＧを案内するガス通路部１２を備えた構成になっている。
【００３９】
ガス通路部１２には、竪長筒状のケーシング１０に沿って流れる熱ガスＧに交差させて蒸発管５ａ，５ｈが収容されている。蒸発管５ａ，５ｈは、一端をホットボックス１１に収容する入口管寄せ管４，４ａ、入口接続管３，３および降水管２を介装してケーシング１０の外側に載設する蒸気ドラム１に接続させるとともに、その他端をホットボックス１１に収容する出口管寄せ管６，６ａ、出口接続管７，７および上昇管８，８を介装して蒸気ドラム１に接続させている。
【００４０】
また、蒸気ドラム１は、上昇管８，８から案内された蒸気−飽和水の気液二相流を蒸気と飽和水とに分離させる気水分離器１３と、気水分離器１３で分離された蒸気を、例えば蒸気タービン等に供給する蒸気出口１４とを備えている。なお、蒸発管５ａ，５ｈのうち、熱ガスＧに向う最上流側と最下流側の蒸発管５ａ，５ａは、入口管寄せ管４ａ，４ａから出口管寄せ管６ａ，６ａに向って、いわゆる右上りの傾斜状直管に、また、その中間部分の蒸発管５ｈは、入口管寄せ管４から出口管寄せ管６に向って、いわゆる水平直管としてガス通路部１２に収容している。
【００４１】
次に、本実施形態に係る自然循環型水管ボイラの作用を説明する。
【００４２】
ガス通路部１２内を鉛直方向に流れる熱ガスＧは、蒸発管５ａ，５ｈ内を流れる飽和水（給水）と熱交換する。その際、蒸発管５ａ，５ｈ内を流れる飽和水は、沸騰を開始し、蒸気−飽和水の気液二相流となり、出口管寄せ管６，６ａ、出口接続管７，７を介して上昇管８，８に流れる。そして、気液混合の二相流となった流体は上昇管８，８を通って上昇し、気水分離器１３を介して蒸気ドラム１に流入する。
【００４３】
蒸気ドラム１は、気水分離器１３で蒸気−飽和水の気液二相流を、蒸気と飽和水に分離させる。分離された蒸気は、蒸気出口１４を介して例えば蒸気タービンに供給される。また、分離された飽和水は、降水管２を降下し、入口接続管３，３、入口管寄せ管４ａ，４を介して再び蒸発管５ａ，５ｈに循環する。
【００４４】
起動運転時、降水管２および上昇管８，８内の飽和水は、ともに温度が低く、温度差も小さく、循環力が発生していないため、停流状態になっている。このため、蒸発管５ａ，５ｈ内の飽和水は、熱ガスＧとの熱交換により飽和温度に到達し、一気に沸騰を開始する。気液二相流になった流体は、出口管寄せ管６ａ，６、出口接続管７，７および上昇管８，８を介して蒸気ドラム１に流入する。このとき上昇管８，８と蒸気ドラム１の飽和水は、高温気液二相流との混合により加熱される。加熱された飽和水は、降水管２、入口接続管３，３および入口管寄せ管４ａ，４を介して蒸発管５ａ，５ｈへ僅かに温度上昇して再び循環する。
【００４５】
その際、熱ガスＧに向って最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａが、出口管寄せ管６ａ，６ａに向って、いわゆる右上り傾斜状直管になっているので、飽和水は熱ガスＧと熱交換するとき、対流による循環力が発生し、気液二相流になる前に循環力が発生する。高温水となった飽和水は、出口管寄せ管６ａ，６、出口接続管７，７を介して上昇管８，８へ流入し、対流により上昇管８，８内の飽和水の昇温を促進させる。また、蒸発管５ａ，５ｈ内の飽和水は、対流により出口管寄せ管６ａ，６側に向う程、高温になり、出口管寄せ管６ａ，６側の飽和水が逸早く飽和温度に達し、沸騰を開始するので、気液二相流による循環力がより一艘早く促進される。
【００４６】
このように、本実施形態では、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側に配置した蒸発管５ａ，５ａを、いわゆる右上りの傾斜状直管に形成し、従来に較べてより一層早い飽和水の循環力を促進させたので、起動運転時、ウォータハンマ、飽和水に脈動や停流等を引き起こさせることがなく、起動運転をより一層短縮化させることができる。
【００４７】
図２は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第２実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００４８】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａの中間部分に熱ガスＧの下流側に向って折れ曲げ部１５ａ，１５ａを形成し、折れ曲げ部１５ａ，１５ａから出口管寄せ管６ａ，６ａに向って急角度の傾斜状直管を形成したものである。なお、他の構成は、第１実施形態の構成と同一なので、その説明を省略する。
【００４９】
このように、本実施形態では、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａの中間部分に熱ガスＧの下流側に向って折れ曲げ部１５ａ，１５ａを形成し、折れ曲げ部１５ａ，１５ａから出口管寄せ管６ａ，６ａに向って急角度の傾斜状直管を形成し、飽和水の循環力を促進させたので、起動運転時、飽和水に脈動や停流等を引き起こさせることがなく、起動運転をより一層短縮化させることができる。
【００５０】
図３は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第３実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５１】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、蒸気ドラム１側のホットボックス１１に入口管寄せ管４ａ，４，４ａおよび出口管寄せ管６ａ，６，６ａを収容するとともに、熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａを上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 と下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に区分けし、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 と下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 をＵベント１６で接続させた、いわゆるＵ字管に形成する一方、最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａを熱ガスＧの流れ方向に対し、いわゆる右下りの傾斜状に形成したものである。
【００５２】
このような構成を備えた自然循環型水管ボイラにおいて、起動運転時、蒸気ドラム１から降水管２、入口接続管３、入口管寄せ管４ａを介して蒸発管４ａ，４，４ａのうち、上流側蒸発管５ａ1 ，５ａ1 に供給された飽和水は、熱ガスＧとの熱交換により高温化され、この高温化に基づく密度差により循環力が発生する。この場合、最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａのうち、右下りの傾斜状に形成された上流側蒸発管５ａ1 ，５ａ1 は、Ｕベント１６側の水頭がその入口側の水頭に較べて若干高くなっているので、この相対的に高くなってＵベント１６側の水頭により熱ガスＧとの熱交換中に発生する沸騰に基づく気泡の発生を抑制し、飽和水の密度差に基づく循環力を良好に維持させることができる。
【００５３】
Ｕベント１６を反転して下流側蒸発管５ａ2 ，５ａ2 に向う飽和水は、熱ガスＧと再び熱交換し、温度上昇して沸騰に基づく気泡が発生する。しかし、このときの飽和水は、密度が小さくなっており、また上流側蒸発管５ａ1 ，５ａ1 から案内される飽和水の押圧力（循環力）が流れの抵抗となる気泡に打ち勝っているので、この押圧力（循環力）により出口管寄せ管６ａ、上昇管８を介して蒸気ドラム１に良好に流れる。
【００５４】
このように、本実施形態では、蒸気ドラム１側のホットボックス１１に入口管寄せ管４ａ，４，４ａおよび出口管寄せ管６ａ，６，６ａを収容し、蒸発管５ａ，５ａを熱ガスＧの流れに対し、右下がりの傾斜状に形成するとともに、蒸発管５ａ，５ａのうち、上流側蒸発管５ａ１，５ａ１のＵベント１６側の若干高くなっている水頭を利用して飽和水の沸騰に基づく気泡の発生を抑制し、飽和水の循環力を確保させたので、起動運転時、飽和水に脈動や停流等を引き起こさせることがなく、起動運転をより一層短縮化させることができる。
【００５５】
図４は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第４実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５６】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、熱ガスＧの流れに対し交差させ、かつ熱ガスＧの流れに向って区分けされた最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａのうち、少なくとも二つ以上の蒸発管に別の蒸発管として折れ曲り蒸発管１７ａ1 ，１７ａ2 を設けたものである。
【００５７】
折れ曲り蒸発管１７ａ1 ，１７ａ2 は、熱ガスＧの流れに向ってＶ字状に形成してもよく、また、当初、熱ガスＧの流れに対し、横断させた水平状にし、途中から熱ガスＧの流れに対して、いわゆる右上りの傾斜状にしてもよい。
【００５８】
このように、本実施形態では、熱ガスＧの流れに向って区分けされた最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａのうち、少なくとも二つ以上の蒸発管に別の蒸発管として折れ曲り蒸発管１７ａ1 ，１７ａ2 を設け、飽和水の循環力を確実に確保させたので、起動運転時、飽和水を良好に流すことができる。
【００５９】
図５は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第５実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態および第３実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６０】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、第３実施形態と同様に、蒸気ドラム１側のホットボックス１１に入口管寄せ管４ａ，４，４ａおよび出口管寄せ管６ａ，６，６ａを収容するとともに、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａを上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 と下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に区分けし、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 と下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 をＵベント１６で接続させた、いわゆるＵ字管に形成する一方、最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａを熱ガスＧの流れ方向に、いわゆる右下がりの傾斜状に形成し、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれに板状フィン１８を設けたものである。
【００６１】
板状フィン１８は、図６に示すように、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 の水平管軸ＨＬおよび鉛直管軸ＶＬに対し、角度θにして熱ガスＧの流れ方向と同一方向になるように上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に固設されている。
【００６２】
このように、本実施形態では、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれに板状フィン１８を設け、板状フィン１８を水平管軸ＨＬおよび鉛直管軸ＶＬに対し、角度θにして熱ガスＧの流れ方向と同一方向になる位置に配置し、熱ガスＧの流れに整流効果を与えたので、熱ガスＧを偏流させることなく、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれの飽和水を均等に加熱させることができる。
【００６３】
図７は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第６実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態および第３実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６４】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、第３実施形態で示した熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａにおける上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれに螺旋状フィン１９を設けたものである。
【００６５】
螺旋状フィン１９は、図８に示すように、熱ガスＧの流れ方向と同一方向を熱ガス流れ基準線ＨＧＶＬと定義したとき、この熱ガス流れ基準線ＨＧＶＬに対し、角度θ2 に振り分けて配置されている。なお、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれの水平管軸ＨＬと熱ガスＧの流れの横断面との角度をθ1 とするとき、螺旋状フィン１９は、角度（θ2 −θ1 ）または角度（θ2 ＋θ1 ）となる鉛直管軸ＶＬを基準として上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に配置されている。
【００６６】
また、螺旋状フィン１９は、表側（紙面に向って手前側）に上述の鉛直管軸ＶＬを基準として上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に配置されているが、裏側（紙面に向って奥側）も上述の鉛直管軸ＶＬを基準として上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に配置される、いわゆる軸対称になっている。
【００６７】
このように、本実施形態では、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれに螺旋状フィン１９を設け、螺旋状フィン１９を鉛直管軸ＶＬを基準として各蒸発管５ａ1 ，５ａ2 ，５ｈ1 ，５ｈ2 ，…の表側および裏側のそれぞれに配置し、表側および裏側のそれぞれに設けた螺旋状フィン１９に対する熱ガスＧの流れを対称にさせたので、熱ガスＧの偏流を防止することができ、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれの飽和水を均等に加熱させることができる。
【００６８】
図９は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第７実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６９】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａにおける出口管寄せ管６ａ，６，６ａと上昇管８，８，８とを結ぶ出口接続管７，７，７を、熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って傾斜状に配置したものである。
【００７０】
起動運転時、降水管２内と上昇管８，８，８内との飽和水（給水）の温度差が小さく、循環力が発生しないため、飽和水は停流状態になっている。このため、蒸発管５ａ，５ｈ，５ａ内の飽和水が熱ガスＧとの熱交換により沸騰を開始し、二相流による循環力が発生するまで、対流による循環力しか発生しない。
【００７１】
また、出口管寄せ管６ａ，６，６ａと出口接続管７，７，７は非加熱部分であり、出口接続管７，７，７が水平または垂直に配置されていると、対流が抑制さる上、循環力の発生も抑制される。
【００７２】
本実施形態は、このような点に着目したもので、出口接続管７，７，７を、熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って、いわゆる右上りの傾斜状に配置したものである。
【００７３】
したがって、本実施形態によれば、出口接続管７，７，７を、熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って右上りの傾斜状に配置し、対流を促進させたので、熱ガスＧの加熱により飽和水の循環力を確保することができ、飽和水の循環力の確保により飽和水をより早く飽和温度に達成させて沸騰を早めることができ、飽和水を良好に循環させることができる。
【００７４】
図１０は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第８実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態および第５実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７５】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、第５実施形態で示した熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａに固設した板状フィン１８を、入口管寄せ管４ａ，４，４ａから出口管寄せ管６ａ，６，６ａに向って徐々に密度を高くして配置したものである。
【００７６】
このように、本実施形態では、板状フィン１８を、入口管寄せ管４ａ，４，４ａから出口管寄せ管６ａ，６，６ａに向って徐々に密度を高くして配置したので、飽和水の対流による循環力の発生をより一層早く促進させることができる。
【００７７】
図１１は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第９実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７８】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａから出口管寄せ管６ａ，６，６ａおよび出口接続管７，７，７を介して結ばれる上昇管８を一つにまとめて共有化するとともに、上昇管８を熱ガスＧの流れ方向と同一方向に向う鉛直部８ａとガス通路部１２を横断し、熱ガスＧの流れに対して交差させた傾斜部８ｂとに区分けしたものである。
【００７９】
熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａは、熱ガスＧの流れに対し、下流側に向って傾斜状になっているので、その飽和水（給水）が熱ガスＧで加熱させると、対流が生じ、逸早く循環力を発生する。しかし、中間部分の蒸発管５ｈは、熱ガスＧに対して横断する水平状に配置されているので、その飽和水が熱ガスＧで加熱されても沸騰するまで循環力が発生しない。
【００８０】
また、起動運転時、ガス通路部１２は、その運転前の熱ガスＧの熱が残っている。
【００８１】
本実施形態は、このような点に着目したもので、上昇管８を一つにまとめて共有化し、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａでより早く発生する飽和水の循環力を、中間部分の蒸発管５ｈ内の飽和水に伝えてその循環力を促進させたものである。
【００８２】
また、本実施形態は、上昇管８を鉛直部８ａと傾斜部８ｂとに区分けし、ガス通路部１２に残っている熱ガスＧの残熱を利用して傾斜部８ｂ内の飽和水の循環力を促進させたものである。
【００８３】
したがって、本実施形態によれば、熱ガスＧに向って最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａ内における飽和水の循環力の発生に較べて、中間部分の蒸発管５ｈ内における飽和水の循環力の発生が遅れる点を補ったので、中間部分の蒸発管５ｈ内における飽和水の循環力の発生をより一層早く促進させることができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、上昇管８を一つにまとめて共有化するとともに、上昇管８を鉛直部８ａと傾斜部８ｂとに区分けし、鉛直部８ａをケーシング１０の外側に配置しているが、この実施形態に限らず、鉛直部８ａを、例えば、図１２に示すように、ホットボックス１１内に設置してもよく、また、降水管２を、例えば、図１３に示すように、蒸気ドラム１側のホットボックス１１内に設置してもよい。各ホットボックス１１内は、熱ガスの熱が残っているので、各蒸発管５ａ，５ｈ，５ａ内の飽和水の循環力をより一層早く促進させる上で有利である。
【００８５】
図１４は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第１０実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態および第８実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００８６】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、第８実施形態で示した熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の板状フィン１８を備えた蒸発管５ａ，５ｈ，５ａから出口管寄せ管６ａ，６，６ａおよび出口接続管７，７，７を介して結ばれた上昇管８を一つにまとめて共有化し、共有化した上昇管８および降水管２を蒸気ドラム１側のホットボックス１１内に配置するとともに、出口管寄せ管６ａ，６，６ａと共有化した上昇管８とを結ぶ出口接続管７，７，７を熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って傾斜状に配置したものである。
【００８７】
このように、本実施形態では、共有化した上昇管８、降水管２を蒸気ドラム１側のホットボックス１１内に配置するとともに、出口接続管７，７，７を熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って傾斜状に配置してホットボックス１１内の熱ガスＧの残熱を有効に活用したので、各蒸発管５ａ，５ｈ，５ａ内の飽和水の循環力の発生をより一層早く促進させることができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、降水管、蒸発管、出口接続管および上昇管に種々の工夫を加えて各管内の飽和水（給水）の対流による循環力をより一層早く発生させたので、起動運転時、飽和水にウォータハンマ、脈動および停流等を引き起こさせることがなく、起動運転をより一層短縮化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第１実施形態を示す概略図。
【図２】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第２実施形態を示す概略図。
【図３】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第３実施形態を示す概略図。
【図４】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第４実施形態を示す概略図。
【図５】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第５実施形態を示す概略図。
【図６】第５実施形態における板状フィンを示す拡大図。
【図７】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第６実施形態を示す概略図。
【図８】第６実施形態における螺旋状フィンを示す拡大図。
【図９】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第７実施形態を示す概略図。
【図１０】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第８実施形態を示す概略図。
【図１１】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第９実施形態を示す概略図。
【図１２】 本発明に係る自然循環型水管ボイラの第９実施形態における第１変形例を示す概略図。
【図１３】 本発明に係る自然循環型水管ボイラの第９実施形態における第２変形例を示す概略図。
【図１４】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第１０実施形態を示す概略図。
【図１５】従来の横型タイプの自然循環型水管ボイラを示す概略図。
【図１６】従来の竪型タイプの自然循環型水管ボイラを示す概略図。
【符号の説明】
１ 蒸気ドラム
２ 降水管
３ 入口接続管
４，４ａ 入口管寄せ管
５ａ，５ｈ 蒸発管
５ａ1 ，５ｈ1 上流側蒸発管
５ａ2 ，５ｈ2 下流側蒸発管
６，６ａ 出口管寄せ管
７ 出口接続管
８ 上昇管
８ａ 鉛直部
８ｂ 傾斜部
９ ガスバッフル
１０ ケーシング
１１ ホットボックス
１２ ガス通路部
１３ 気水分離器
１４ 蒸気出口
１５ａ 折れ曲げ部
１６ Ｕベント
１７ａ1 ，１７ａ2 折れ曲り蒸発管
１８ 板状フィン
１９ 螺旋状フィン
１００ 蒸気ドラム
１０１ 降水管
１０２ 管寄せ
１０３ 蒸発管
１０４ 管寄せ
１０５ 上昇管
１０６ 気水分離器
１０７ 蒸気出口
１０８ 降水集合部
１０９ 給水管
１１０ 水位調整弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、起動運転時、蒸気ドラム内の飽和水の循環を良好にさせた自然循環型水管ボイラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、火力発電プラントまたはコンバインドサイクル発電プラント等に適用される自然循環型水管ボイラには、竪型タイプと横型タイプとがあり、設置面積の余裕度合によりいずれか一方のタイプのものが選定されている。
【０００３】
自然循環型水管ボイラのうち、横型タイプは、図１５に示すように、横長筒状のダクトＤの外側に蒸気ドラム１００と降水集合部１０８とを備え、蒸気ドラム１００と降水集合部１０８とを互いに接続させる降水管１０１と蒸発管１０３とを熱ガスＧの流れ方向に対して交差させてダクトＤ内に収容する構成になっている。
【０００４】
また、蒸発管１０３は、降水集合部１０８との間に管寄せ１０２を介装させるとともに、蒸気ドラム１００との間に管寄せ１０４と上昇管１０５とを介装させている。
【０００５】
また、蒸気ドラム１００には、その内部に気水分離器１０６が収容されている。
【０００６】
このような構成を備えた横型タイプの自然循環型水管ボイラにおいて、給水管１０９から水位調整弁１１０を介して蒸気ドラム１００に供給された飽和水（給水）は、重力差を利用して降水管１０１を介して降水集合部１０８に集められ、ここから管寄せ１０２を介して蒸発管１０３に流れる間に、例えばガスタービン等から排出される熱ガスＧと熱交換し、気液二相流となって管寄せ１０４、上昇管１０５を介して蒸気ドラム１００に循環する。
【０００７】
蒸気ドラム１００は、気液二相流を気水分離器１０６で飽和水と蒸気とに分離させ、分離させた蒸気を蒸気出口１０７を介して他の熱交換器に供給する一方、分離させた飽和水を再び降水管１０１を介して循環させるようになっている。
【０００８】
このように、飽和水がポンプ等の外力を借りずに、降水管１０１、降水集合部１０８、管寄せ１０２、蒸発管１０３、管寄せ１０４、上昇管１０５を介して蒸気ドラム１００を循環することを、自然循環型水管ボイラと称している。ここで、自然循環の原理を今少し詳しく説明すると、蒸発管１０３および上昇管１０５の飽和水の密度が、降水管１０１の飽和水の密度に較べて、加熱による温度上昇または単相状態から飽和水−蒸気の気液二相状態への相変化により小さくなり、蒸発管１０３および上昇管１０５内の飽和水と降水管１０１内の飽和水との密度の軽重が異なり、この密度差に相当する力が降水管１０１内の飽和水に作用することを利用したものである。この力を循環力と称する。高温化により密度が小さく軽くなった蒸発管１０３および上昇管１０５内の飽和水は、低温で密度が大きく重い降水管１０１内の飽和水により蒸気ドラム１００に押し上げられる。また、この自然循環の飽和水の循環量は、循環力と飽和水が循環中に増加する圧力損失とのバランスから決定される。
【０００９】
また、横型自然循環型水管ボイラに発生する飽和水の循環力は、大別して二つ分けることができる。一つは、飽和水が加熱される部分であり、蒸発管１０３に相当する。残りの一つは、非加熱部分であり、上昇管１０５に相当する。
【００１０】
この循環力のうち、蒸発管１０３で発生する循環力は、蒸発管１３０内の飽和水の温度上昇に伴って発生する対流または沸騰による飽和水−蒸気の気液二相流に基づく。また、上昇管１０５で発生する循環力も、蒸発管１０３から上昇管１０５に案内される比較的高温水または飽和水−蒸気の気液二相状態の温度上昇に伴って発生する対流または気液二相流に基づく。なお、上昇管１０５で発生する循環力は、蒸発管１０３からの比較的高温水または気液二相流が上昇管１０５に供給される関係上、時間的遅れを伴って発生する。
【００１１】
しかし、横型自然循環型水管ボイラでは、上昇管１０５での循環力の時間的な遅れがあっても、蒸発管１０３の長さが上昇管１０５に較べて長く、また、蒸発管１０３がドラムＤ内に熱ガスＧの流れと交差させて飽和水を直ぐさま沸騰させてその循環力を上昇管１０５の飽和水に与えているので、上昇管１０５の循環力に時間的な遅れが伴っても大きな影響にはなっていない。
【００１２】
他方、竪型タイプは、図１６に示すように、竪筒状のダクトＤの外側に蒸気ドラム１００、降水管１０１、降水集合部１０８、管寄せ１０２，１０４、上昇管１０５を備えるとともに、蒸発管１０３を熱ガスＧの流れ方向に横断させダクトＤ内に収容する構成になっている。他の構成は、横型タイプと同一なので、その説明は省略する。
【００１３】
このような構成を備えた竪型タイプの自然循環型水管ボイラでは、蒸発管１０３を熱ガスＧの流れ方向に横断して配置させているので、蒸発管１０３で飽和水の循環力を確保することができず、専ら上昇管１０５で沸騰する飽和水と降水管１０１の飽和水との密度差で飽和水の循環力を確保している。このため、竪型タイプでは、飽和水の温度上昇、沸騰現象（二相流現象）の発生および飽和水の循環力の確保等が横型タイプに較べてより一層の時間的遅れを伴っていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
竪型自然循環型水管ボイラでは、起動運転時、飽和水（給水）の温度が低く、上昇管１０５内の飽和水と降水管１０１内の飽和水との密度差が低く、ほとんど循環力が発生していないため、蒸発管１０３の飽和水が飽和温度になるまで停流している。このため、蒸発管１０３に停流している飽和水が飽和温度になると一斉に沸騰して上昇管１０５に流入する。このとき、上昇管１０５内の低温の飽和水（給水）と蒸発管１０３での高温の蒸気との温度差が大きいと、ウォータハンマを発生させる問題点があった。
【００１５】
また、竪型自然循環型水管ボイラでは、起動運転時、飽和水の圧力が低いので、沸騰の際、飽和水の相変化に伴う体積変化率が大きく、過渡的に過大な循環力を必要とし、また、ボイド率が高くなり、蒸発管１０３や上昇管１０５により大きな流動抵抗を与え、脈動を発生させる要因になっていた。
【００１６】
また、竪型自然循環型水管ボイラでは、起動運転時、蒸発管１０３内の飽和水が熱ガスＧと熱交換しないまま上昇管１０５に流れるので、飽和水が途中で停流してしまい、飽和水の流れが断続的な不安定状態になる等の問題点があった。
【００１７】
本発明は、このような問題点に照してなされたもので、飽和水の循環力を間断なく連続的に発生させるとともに、飽和水の脈動、停流を抑制して安定状態で運転させる自然循環型水管ボイラを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、ケーシングの外側に蒸気ドラムを載設し、ケーシング内にガス通路部を形成し、上記蒸気ドラム内の飽和水を、降水管、蒸発管、上昇管を介して再び上記蒸気ドラムに循環させる竪型の自然循環型水管ボイラにおいて、上記ガス通路部に配置する蒸発管のうち、熱ガスに向って最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管のうち少なくとも一方を、熱ガスに向って上流側蒸発管と下流側蒸発管とに区分けし、区分けした上流側蒸発管と下流側蒸発管をＵベントで接続させるとともに、上記上流側蒸発管の入口管寄せ管および上記下流側蒸発管の出口管寄せ管を、上記Ｕベントよりも高位置にしたものである。
【００２５】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記上流側蒸発管および下流側蒸発管に板状フィンを設けたものである。
【００２６】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記板状フィンを、熱ガスの流れ方向と同一方向に配置したものである。
【００２７】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記板状フィンを、蒸発管の入口管寄せ管から出口管寄せ管に向って徐々に密度を高くして配置したものである。
【００２８】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記上流側蒸発管および下流側蒸発管に螺旋状フィンを設けたものである。
【００２９】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記螺旋状フィンを、蒸発管の表側と裏側とを軸対称にして配置したものである。
【００３０】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項７に記載したように、前記ガス通路部に配置する蒸発管の出口管寄せ管から出口接続管を介して接続する上記上昇管を、一つにして上記蒸気ドラムに接続させたものである。
【００３１】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項８に記載したように、前記上昇管を、熱ガスの流れ方向と同一方向の鉛直部と、ガス通路部を交差させる傾斜部とに区分けして蒸気ドラムに接続させたものである。
【００３２】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項９に記載したように、前記上昇管の鉛直部を、ケーシング内に形成され、ガス通路部の外側に形成したホットボックス内に収容したものである。
【００３３】
また、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、上記目的を達成するために、請求項１０に記載したように、前記ガス通路部に配置する蒸発管のうち、熱ガスに向って最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管の入口管寄せ管と、上記降水管を、上記ケーシング内に形成され、上記ガス通路部の外側に形成した上記蒸気ドラム側のホットボックス内に収容したものである。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る自然循環型水管ボイラの実施形態を図面および図中に付した符号を引用して説明する。
【００３７】
図１は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第１実施形態を示す概略図である。
【００３８】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、鉛直方向に配置した竪長筒状のケーシング１０の、そのケーシング１０の内側両側にガスバッフル９，９で区画した空間状のホットボックス１１，１１と、ホットボックス１１，１１間に形成され、例えばガスタービンから排出される熱ガスＧを案内するガス通路部１２を備えた構成になっている。
【００３９】
ガス通路部１２には、竪長筒状のケーシング１０に沿って流れる熱ガスＧに交差させて蒸発管５ａ，５ｈが収容されている。蒸発管５ａ，５ｈは、一端をホットボックス１１に収容する入口管寄せ管４，４ａ、入口接続管３，３および降水管２を介装してケーシング１０の外側に載設する蒸気ドラム１に接続させるとともに、その他端をホットボックス１１に収容する出口管寄せ管６，６ａ、出口接続管７，７および上昇管８，８を介装して蒸気ドラム１に接続させている。
【００４０】
また、蒸気ドラム１は、上昇管８，８から案内された蒸気−飽和水の気液二相流を蒸気と飽和水とに分離させる気水分離器１３と、気水分離器１３で分離された蒸気を、例えば蒸気タービン等に供給する蒸気出口１４とを備えている。なお、蒸発管５ａ，５ｈのうち、熱ガスＧに向う最上流側と最下流側の蒸発管５ａ，５ａは、入口管寄せ管４ａ，４ａから出口管寄せ管６ａ，６ａに向って、いわゆる右上りの傾斜状直管に、また、その中間部分の蒸発管５ｈは、入口管寄せ管４から出口管寄せ管６に向って、いわゆる水平直管としてガス通路部１２に収容している。
【００４１】
次に、本実施形態に係る自然循環型水管ボイラの作用を説明する。
【００４２】
ガス通路部１２内を鉛直方向に流れる熱ガスＧは、蒸発管５ａ，５ｈ内を流れる飽和水（給水）と熱交換する。その際、蒸発管５ａ，５ｈ内を流れる飽和水は、沸騰を開始し、蒸気−飽和水の気液二相流となり、出口管寄せ管６，６ａ、出口接続管７，７を介して上昇管８，８に流れる。そして、気液混合の二相流となった流体は上昇管８，８を通って上昇し、気水分離器１３を介して蒸気ドラム１に流入する。
【００４３】
蒸気ドラム１は、気水分離器１３で蒸気−飽和水の気液二相流を、蒸気と飽和水に分離させる。分離された蒸気は、蒸気出口１４を介して例えば蒸気タービンに供給される。また、分離された飽和水は、降水管２を降下し、入口接続管３，３、入口管寄せ管４ａ，４を介して再び蒸発管５ａ，５ｈに循環する。
【００４４】
起動運転時、降水管２および上昇管８，８内の飽和水は、ともに温度が低く、温度差も小さく、循環力が発生していないため、停流状態になっている。このため、蒸発管５ａ，５ｈ内の飽和水は、熱ガスＧとの熱交換により飽和温度に到達し、一気に沸騰を開始する。気液二相流になった流体は、出口管寄せ管６ａ，６、出口接続管７，７および上昇管８，８を介して蒸気ドラム１に流入する。このとき上昇管８，８と蒸気ドラム１の飽和水は、高温気液二相流との混合により加熱される。加熱された飽和水は、降水管２、入口接続管３，３および入口管寄せ管４ａ，４を介して蒸発管５ａ，５ｈへ僅かに温度上昇して再び循環する。
【００４５】
その際、熱ガスＧに向って最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａが、出口管寄せ管６ａ，６ａに向って、いわゆる右上り傾斜状直管になっているので、飽和水は熱ガスＧと熱交換するとき、対流による循環力が発生し、気液二相流になる前に循環力が発生する。高温水となった飽和水は、出口管寄せ管６ａ，６、出口接続管７，７を介して上昇管８，８へ流入し、対流により上昇管８，８内の飽和水の昇温を促進させる。また、蒸発管５ａ，５ｈ内の飽和水は、対流により出口管寄せ管６ａ，６側に向う程、高温になり、出口管寄せ管６ａ，６側の飽和水が逸早く飽和温度に達し、沸騰を開始するので、気液二相流による循環力がより一艘早く促進される。
【００４６】
このように、本実施形態では、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側に配置した蒸発管５ａ，５ａを、いわゆる右上りの傾斜状直管に形成し、従来に較べてより一層早い飽和水の循環力を促進させたので、起動運転時、ウォータハンマ、飽和水に脈動や停流等を引き起こさせることがなく、起動運転をより一層短縮化させることができる。
【００４７】
図２は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第２実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００４８】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａの中間部分に熱ガスＧの下流側に向って折れ曲げ部１５ａ，１５ａを形成し、折れ曲げ部１５ａ，１５ａから出口管寄せ管６ａ，６ａに向って急角度の傾斜状直管を形成したものである。なお、他の構成は、第１実施形態の構成と同一なので、その説明を省略する。
【００４９】
このように、本実施形態では、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａの中間部分に熱ガスＧの下流側に向って折れ曲げ部１５ａ，１５ａを形成し、折れ曲げ部１５ａ，１５ａから出口管寄せ管６ａ，６ａに向って急角度の傾斜状直管を形成し、飽和水の循環力を促進させたので、起動運転時、飽和水に脈動や停流等を引き起こさせることがなく、起動運転をより一層短縮化させることができる。
【００５０】
図３は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第３実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５１】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、蒸気ドラム１側のホットボックス１１に入口管寄せ管４ａ，４，４ａおよび出口管寄せ管６ａ，６，６ａを収容するとともに、熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａを上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 と下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に区分けし、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 と下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 をＵベント１６で接続させた、いわゆるＵ字管に形成する一方、最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａを熱ガスＧの流れ方向に対し、いわゆる右下りの傾斜状に形成したものである。
【００５２】
このような構成を備えた自然循環型水管ボイラにおいて、起動運転時、蒸気ドラム１から降水管２、入口接続管３、入口管寄せ管４ａを介して蒸発管４ａ，４，４ａのうち、上流側蒸発管５ａ1 ，５ａ1 に供給された飽和水は、熱ガスＧとの熱交換により高温化され、この高温化に基づく密度差により循環力が発生する。この場合、最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａのうち、右下りの傾斜状に形成された上流側蒸発管５ａ1 ，５ａ1 は、Ｕベント１６側の水頭がその入口側の水頭に較べて若干高くなっているので、この相対的に高くなってＵベント１６側の水頭により熱ガスＧとの熱交換中に発生する沸騰に基づく気泡の発生を抑制し、飽和水の密度差に基づく循環力を良好に維持させることができる。
【００５３】
Ｕベント１６を反転して下流側蒸発管５ａ2 ，５ａ2 に向う飽和水は、熱ガスＧと再び熱交換し、温度上昇して沸騰に基づく気泡が発生する。しかし、このときの飽和水は、密度が小さくなっており、また上流側蒸発管５ａ1 ，５ａ1 から案内される飽和水の押圧力（循環力）が流れの抵抗となる気泡に打ち勝っているので、この押圧力（循環力）により出口管寄せ管６ａ、上昇管８を介して蒸気ドラム１に良好に流れる。
【００５４】
このように、本実施形態では、蒸気ドラム１側のホットボックス１１に入口管寄せ管４ａ，４，４ａおよび出口管寄せ管６ａ，６，６ａを収容し、蒸発管５ａ，５ａを熱ガスＧの流れに対し、右下がりの傾斜状に形成するとともに、蒸発管５ａ，５ａのうち、上流側蒸発管５ａ１，５ａ１のＵベント１６側の若干高くなっている水頭を利用して飽和水の沸騰に基づく気泡の発生を抑制し、飽和水の循環力を確保させたので、起動運転時、飽和水に脈動や停流等を引き起こさせることがなく、起動運転をより一層短縮化させることができる。
【００５５】
図４は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第４実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５６】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、熱ガスＧの流れに対し交差させ、かつ熱ガスＧの流れに向って区分けされた最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａのうち、少なくとも二つ以上の蒸発管に別の蒸発管として折れ曲り蒸発管１７ａ1 ，１７ａ2 を設けたものである。
【００５７】
折れ曲り蒸発管１７ａ1 ，１７ａ2 は、熱ガスＧの流れに向ってＶ字状に形成してもよく、また、当初、熱ガスＧの流れに対し、横断させた水平状にし、途中から熱ガスＧの流れに対して、いわゆる右上りの傾斜状にしてもよい。
【００５８】
このように、本実施形態では、熱ガスＧの流れに向って区分けされた最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａのうち、少なくとも二つ以上の蒸発管に別の蒸発管として折れ曲り蒸発管１７ａ1 ，１７ａ2 を設け、飽和水の循環力を確実に確保させたので、起動運転時、飽和水を良好に流すことができる。
【００５９】
図５は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第５実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態および第３実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６０】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、第３実施形態と同様に、蒸気ドラム１側のホットボックス１１に入口管寄せ管４ａ，４，４ａおよび出口管寄せ管６ａ，６，６ａを収容するとともに、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａを上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 と下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に区分けし、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 と下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 をＵベント１６で接続させた、いわゆるＵ字管に形成する一方、最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａを熱ガスＧの流れ方向に、いわゆる右下がりの傾斜状に形成し、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれに板状フィン１８を設けたものである。
【００６１】
板状フィン１８は、図６に示すように、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 の水平管軸ＨＬおよび鉛直管軸ＶＬに対し、角度θにして熱ガスＧの流れ方向と同一方向になるように上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に固設されている。
【００６２】
このように、本実施形態では、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれに板状フィン１８を設け、板状フィン１８を水平管軸ＨＬおよび鉛直管軸ＶＬに対し、角度θにして熱ガスＧの流れ方向と同一方向になる位置に配置し、熱ガスＧの流れに整流効果を与えたので、熱ガスＧを偏流させることなく、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれの飽和水を均等に加熱させることができる。
【００６３】
図７は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第６実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態および第３実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６４】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、第３実施形態で示した熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａにおける上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれに螺旋状フィン１９を設けたものである。
【００６５】
螺旋状フィン１９は、図８に示すように、熱ガスＧの流れ方向と同一方向を熱ガス流れ基準線ＨＧＶＬと定義したとき、この熱ガス流れ基準線ＨＧＶＬに対し、角度θ2 に振り分けて配置されている。なお、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれの水平管軸ＨＬと熱ガスＧの流れの横断面との角度をθ1 とするとき、螺旋状フィン１９は、角度（θ2 −θ1 ）または角度（θ2 ＋θ1 ）となる鉛直管軸ＶＬを基準として上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に配置されている。
【００６６】
また、螺旋状フィン１９は、表側（紙面に向って手前側）に上述の鉛直管軸ＶＬを基準として上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に配置されているが、裏側（紙面に向って奥側）も上述の鉛直管軸ＶＬを基準として上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 に配置される、いわゆる軸対称になっている。
【００６７】
このように、本実施形態では、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれに螺旋状フィン１９を設け、螺旋状フィン１９を鉛直管軸ＶＬを基準として各蒸発管５ａ1 ，５ａ2 ，５ｈ1 ，５ｈ2 ，…の表側および裏側のそれぞれに配置し、表側および裏側のそれぞれに設けた螺旋状フィン１９に対する熱ガスＧの流れを対称にさせたので、熱ガスＧの偏流を防止することができ、上流側蒸発管５ａ1 ，５ｈ1 ，５ａ1 および下流側蒸発管５ａ2 ，５ｈ2 ，５ａ2 のそれぞれの飽和水を均等に加熱させることができる。
【００６８】
図９は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第７実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６９】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａにおける出口管寄せ管６ａ，６，６ａと上昇管８，８，８とを結ぶ出口接続管７，７，７を、熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って傾斜状に配置したものである。
【００７０】
起動運転時、降水管２内と上昇管８，８，８内との飽和水（給水）の温度差が小さく、循環力が発生しないため、飽和水は停流状態になっている。このため、蒸発管５ａ，５ｈ，５ａ内の飽和水が熱ガスＧとの熱交換により沸騰を開始し、二相流による循環力が発生するまで、対流による循環力しか発生しない。
【００７１】
また、出口管寄せ管６ａ，６，６ａと出口接続管７，７，７は非加熱部分であり、出口接続管７，７，７が水平または垂直に配置されていると、対流が抑制さる上、循環力の発生も抑制される。
【００７２】
本実施形態は、このような点に着目したもので、出口接続管７，７，７を、熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って、いわゆる右上りの傾斜状に配置したものである。
【００７３】
したがって、本実施形態によれば、出口接続管７，７，７を、熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って右上りの傾斜状に配置し、対流を促進させたので、熱ガスＧの加熱により飽和水の循環力を確保することができ、飽和水の循環力の確保により飽和水をより早く飽和温度に達成させて沸騰を早めることができ、飽和水を良好に循環させることができる。
【００７４】
図１０は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第８実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態および第５実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７５】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、第５実施形態で示した熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａに固設した板状フィン１８を、入口管寄せ管４ａ，４，４ａから出口管寄せ管６ａ，６，６ａに向って徐々に密度を高くして配置したものである。
【００７６】
このように、本実施形態では、板状フィン１８を、入口管寄せ管４ａ，４，４ａから出口管寄せ管６ａ，６，６ａに向って徐々に密度を高くして配置したので、飽和水の対流による循環力の発生をより一層早く促進させることができる。
【００７７】
図１１は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第９実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００７８】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管５ａ，５ｈ，５ａから出口管寄せ管６ａ，６，６ａおよび出口接続管７，７，７を介して結ばれる上昇管８を一つにまとめて共有化するとともに、上昇管８を熱ガスＧの流れ方向と同一方向に向う鉛直部８ａとガス通路部１２を横断し、熱ガスＧの流れに対して交差させた傾斜部８ｂとに区分けしたものである。
【００７９】
熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａは、熱ガスＧの流れに対し、下流側に向って傾斜状になっているので、その飽和水（給水）が熱ガスＧで加熱させると、対流が生じ、逸早く循環力を発生する。しかし、中間部分の蒸発管５ｈは、熱ガスＧに対して横断する水平状に配置されているので、その飽和水が熱ガスＧで加熱されても沸騰するまで循環力が発生しない。
【００８０】
また、起動運転時、ガス通路部１２は、その運転前の熱ガスＧの熱が残っている。
【００８１】
本実施形態は、このような点に着目したもので、上昇管８を一つにまとめて共有化し、熱ガスＧに向う最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａでより早く発生する飽和水の循環力を、中間部分の蒸発管５ｈ内の飽和水に伝えてその循環力を促進させたものである。
【００８２】
また、本実施形態は、上昇管８を鉛直部８ａと傾斜部８ｂとに区分けし、ガス通路部１２に残っている熱ガスＧの残熱を利用して傾斜部８ｂ内の飽和水の循環力を促進させたものである。
【００８３】
したがって、本実施形態によれば、熱ガスＧに向って最上流側および最下流側の蒸発管５ａ，５ａ内における飽和水の循環力の発生に較べて、中間部分の蒸発管５ｈ内における飽和水の循環力の発生が遅れる点を補ったので、中間部分の蒸発管５ｈ内における飽和水の循環力の発生をより一層早く促進させることができる。
【００８４】
なお、本実施形態では、上昇管８を一つにまとめて共有化するとともに、上昇管８を鉛直部８ａと傾斜部８ｂとに区分けし、鉛直部８ａをケーシング１０の外側に配置しているが、この実施形態に限らず、鉛直部８ａを、例えば、図１２に示すように、ホットボックス１１内に設置してもよく、また、降水管２を、例えば、図１３に示すように、蒸気ドラム１側のホットボックス１１内に設置してもよい。各ホットボックス１１内は、熱ガスの熱が残っているので、各蒸発管５ａ，５ｈ，５ａ内の飽和水の循環力をより一層早く促進させる上で有利である。
【００８５】
図１４は、本発明に係る自然循環型水管ボイラの第１０実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態および第８実施形態の構成部分または対応する部分と同一部分には同一符号を付す。
【００８６】
本実施形態に係る自然循環型水管ボイラは、第８実施形態で示した熱ガスＧに向う最上流側、中間部分および最下流側の板状フィン１８を備えた蒸発管５ａ，５ｈ，５ａから出口管寄せ管６ａ，６，６ａおよび出口接続管７，７，７を介して結ばれた上昇管８を一つにまとめて共有化し、共有化した上昇管８および降水管２を蒸気ドラム１側のホットボックス１１内に配置するとともに、出口管寄せ管６ａ，６，６ａと共有化した上昇管８とを結ぶ出口接続管７，７，７を熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って傾斜状に配置したものである。
【００８７】
このように、本実施形態では、共有化した上昇管８、降水管２を蒸気ドラム１側のホットボックス１１内に配置するとともに、出口接続管７，７，７を熱ガスＧの流れ方向の下流側に向って傾斜状に配置してホットボックス１１内の熱ガスＧの残熱を有効に活用したので、各蒸発管５ａ，５ｈ，５ａ内の飽和水の循環力の発生をより一層早く促進させることができる。
【００８８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る自然循環型水管ボイラは、降水管、蒸発管、出口接続管および上昇管に種々の工夫を加えて各管内の飽和水（給水）の対流による循環力をより一層早く発生させたので、起動運転時、飽和水にウォータハンマ、脈動および停流等を引き起こさせることがなく、起動運転をより一層短縮化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第１実施形態を示す概略図。
【図２】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第２実施形態を示す概略図。
【図３】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第３実施形態を示す概略図。
【図４】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第４実施形態を示す概略図。
【図５】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第５実施形態を示す概略図。
【図６】第５実施形態における板状フィンを示す拡大図。
【図７】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第６実施形態を示す概略図。
【図８】第６実施形態における螺旋状フィンを示す拡大図。
【図９】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第７実施形態を示す概略図。
【図１０】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第８実施形態を示す概略図。
【図１１】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第９実施形態を示す概略図。
【図１２】 本発明に係る自然循環型水管ボイラの第９実施形態における第１変形例を示す概略図。
【図１３】 本発明に係る自然循環型水管ボイラの第９実施形態における第２変形例を示す概略図。
【図１４】本発明に係る自然循環型水管ボイラの第１０実施形態を示す概略図。
【図１５】従来の横型タイプの自然循環型水管ボイラを示す概略図。
【図１６】従来の竪型タイプの自然循環型水管ボイラを示す概略図。
【符号の説明】
１ 蒸気ドラム
２ 降水管
３ 入口接続管
４，４ａ 入口管寄せ管
５ａ，５ｈ 蒸発管
５ａ1 ，５ｈ1 上流側蒸発管
５ａ2 ，５ｈ2 下流側蒸発管
６，６ａ 出口管寄せ管
７ 出口接続管
８ 上昇管
８ａ 鉛直部
８ｂ 傾斜部
９ ガスバッフル
１０ ケーシング
１１ ホットボックス
１２ ガス通路部
１３ 気水分離器
１４ 蒸気出口
１５ａ 折れ曲げ部
１６ Ｕベント
１７ａ1 ，１７ａ2 折れ曲り蒸発管
１８ 板状フィン
１９ 螺旋状フィン
１００ 蒸気ドラム
１０１ 降水管
１０２ 管寄せ
１０３ 蒸発管
１０４ 管寄せ
１０５ 上昇管
１０６ 気水分離器
１０７ 蒸気出口
１０８ 降水集合部
１０９ 給水管
１１０ 水位調整弁
Claims (10)
- ケーシングの外側に蒸気ドラムを載設し、ケーシング内にガス通路部を形成し、上記蒸気ドラム内の飽和水を、降水管、蒸発管、上昇管を介して再び上記蒸気ドラムに循環させる竪型の自然循環型水管ボイラにおいて、上記ガス通路部に配置する蒸発管のうち、熱ガスに向って最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管のうち少なくとも一方を、熱ガスに向って上流側蒸発管と下流側蒸発管とに区分けし、区分けした上流側蒸発管と下流側蒸発管をＵベントで接続させるとともに、上記上流側蒸発管の入口管寄せ管および上記下流側蒸発管の出口管寄せ管を、上記Ｕベントよりも高位置にしたことを特徴とする自然循環型水管ボイラ。
- 前記上流側蒸発管および下流側蒸発管に板状フィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の自然循環型水管ボイラ。
- 前記板状フィンを、熱ガスの流れ方向と同一方向に配置したことを特徴とする請求項２記載の自然循環型水管ボイラ。
- 前記板状フィンを、蒸発管の入口管寄せ管から出口管寄せ管に向って徐々に密度を高くして配置したことを特徴とする請求項２記載の自然循環型水管ボイラ。
- 前記上流側蒸発管および下流側蒸発管に螺旋状フィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の自然循環型水管ボイラ。
- 前記螺旋状フィンを、蒸発管の表側と裏側とを軸対称にして配置したことを特徴とする請求項５記載の自然循環型水管ボイラ。
- 前記ガス通路部に配置する蒸発管の出口管寄せ管から出口接続管を介して接続する上記上昇管を、一つにして上記蒸気ドラムに接続させたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の自然循環型水管ボイラ。
- 前記上昇管を、熱ガスの流れ方向と同一方向の鉛直部と、ガス通路部を交差させる傾斜部とに区分けして蒸気ドラムに接続させたことを特徴とする請求項７記載の自然循環型水管ボイラ。
- 前記上昇管の鉛直部を、ケーシング内に形成され、ガス通路部の外側に形成したホットボックス内に収容したことを特徴とする請求項８記載の自然循環型水管ボイラ。
- 前記ガス通路部に配置する蒸発管のうち、熱ガスに向って最上流側、中間部分および最下流側の蒸発管の入口管寄せ管と、上記降水管を、上記ケーシング内に形成され、上記ガス通路部の外側に形成した上記蒸気ドラム側のホットボックス内に収容したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の自然循環型水管ボイラ。
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