JP4628788B2 - 廃熱ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ガスがほぼ水平方向に貫流する燃焼ガス通路内に蒸発器・貫流伝熱面が配置され、該伝熱面が流れ媒体の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管を有し、該発生管の内、同じ貫流伝熱面の他の蒸気発生管に比べ余計に加熱される蒸気発生管が、前記他の蒸気発生管に比べ大きな流れ媒体流量を有するように設計されたボイラに関する。

ガス・蒸気複合タービン設備において、ガスタービンからの膨張した作動媒体又は燃焼ガスに含まれる熱は、蒸気タービン用の蒸気を発生するために利用される。熱伝達はガスタービンに後置接続された廃熱ボイラで行われ、該ボイラには通常給水加熱用、蒸気発生用、蒸気過熱用の多数の伝熱面が配置されている。これら伝熱面は、蒸気タービンの水・蒸気回路に接続されている。該水・蒸気回路は一般に複数、例えば３つの圧力段を含み、その各圧力段は蒸発伝熱面を有している。

ガスタービンの排気ガス側に廃熱ボイラとして後置接続されたボイラは、種々の選択可能な設計構想に対応し、貫流ボイラ又は循環ボイラとしての設計が考えられる。貫流ボイラの場合、蒸発管として設けた蒸気発生管の加熱により、蒸気発生管内の流れ媒体は一回の貫流で蒸発する。これに対し自然循環又は強制循環ボイラの場合、循環水は、これを更に蒸発させるべく発生した蒸気を分離した後で、同じ蒸発管にあらためて導入される。

貫流ボイラは自然循環ボイラや強制循環ボイラと異なり圧力の制限がないので、生蒸気圧は、液相と気相との区別がつかず、従って、相の分離もできない水の臨界圧（Ｐ_kri≒２２１×１０⁵Ｐａ）よりかなり高く設計できる。高い生蒸気圧は熱効率を高め、従って化石燃料形発電所のＣＯ₂放出を僅かにする。また、貫流ボイラは循環ボイラに比べて簡単な構造を持つので、特に安価に製造できる。従って、ガス・蒸気複合タービン設備の総合効率を簡単な構造で高めるべく、ガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラとして貫流原理で設計したボイラを使用すると特に有利である。

横置形構造の廃熱ボイラは、製造費用に関する他に必要な点検作業に関しても特に利点を有する。この横置形廃熱ボイラの場合、加熱された媒体又は燃焼ガス、即ちガスタービンからの排気ガスが、ほぼ水平の流れ方向に貫流する。しかし横置形ボイラでは、伝熱面の蒸気発生管はその位置に応じ著しく異なる加熱に曝される。特に、貫流ボイラの出口側が共通の出口管寄せに開口している蒸気発生管では、個々の蒸気発生管の異なる加熱は、互いに著しく異なった蒸気パラメータを有する蒸気流の合流を生じさせ、従って望ましくない効率損失を生じ、特にその伝熱面の効率を非常に悪化させ、この結果発生蒸気量を低下させる。また隣接する蒸気発生管の異なる加熱は、特にそれらの出口管寄せの開口部において蒸気発生管又は管寄せに損傷を生じさせる恐れがある。従って横置形構造に形成された貫流ボイラのガスタービンの廃熱ボイラとしての望ましい利用は、十分安定した流れ案内に関して大きな問題をもたらす。

欧州特許第０９４４８０１号明細書で、横置形構造の設計に適し、かつ貫流ボイラの上述の利点を有するボイラが公知である。そのため、該ボイラの蒸発伝熱面は貫流伝熱面として形成され、同じ貫流伝熱面の他の蒸気発生管に比べ余計に加熱される蒸気発生管が、前記の他の蒸気発生管に比べ大きな流れ媒体流量を有するよう設計されている。ここで貫流伝熱面とは、一般に、貫流原理に応じた貫流に対し設計された伝熱面を意味する。即ち貫流伝熱面として形成された蒸発伝熱面に導入された流れ媒体は、その貫流伝熱面を通しての一回の貫流で、又は直列接続された多数の貫流伝熱面を有する伝熱面系を通しての一回の貫流で、完全に蒸発する。

従って、公知のボイラの貫流伝熱面として形成した蒸発伝熱面は、個々の蒸気発生管が異なる加熱を受ける場合でも自然循環蒸発伝熱面の流れ特性の形で自己安定挙動を呈し、この自己安定挙動は、流れ媒体側において並列接続され、異なる加熱を受ける蒸気発生管においても、それらの出口側温度を、外的処置を施すことなく同じにさせる。

公知のボイラは多段式に形成され、第１貫流伝熱面に流れ媒体側でもう１つ（第２）の貫流伝熱面が後置接続されている。第１貫流伝熱面から第２貫流伝熱面への確実で非常に均質な転流を保証すべく、公知のボイラに、非常に高価な建築上および構造上の経費を伴う複雑な分配系を設けている。

本発明の課題は、非常に安価な建築上および構造上の経費で、貫流伝熱面として形成された蒸発伝熱面又は蒸発器・貫流伝熱面の運転中、特に大きな流れ安定性が得られる冒頭に述べた形式のボイラを提供することにある。

この課題は、本発明に基づき、蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管に流れ媒体側で後置接続された出口管寄せの長手軸線を、燃焼ガス流れ方向に対してほぼ平行に向けることによって解決される。

本発明は、ボイラを製造する際の建築上および構造上の経費を、使用する構成要素の種類数を減少させることで低減できるという考えから出発する。かかる構成要素の減少は、上述の形式のボイラでは、貫流伝熱面に元来存在する特性、即ち自己安定循環特性の徹底した利用により、貫流伝熱面に後置接続された分配系を省くことで達成される。即ちその特性のため、互いに並列接続された種々の蒸気発生管から流出する流れ媒体の混合個所と、流れ媒体の後置接続された伝熱面系への転流個所が、混合時に得られた均質化を著しく害することなしに、従来後置接続されていた分配系から蒸気発生管に元々後置接続されている出口管寄せに移される。その結果、流れ安定性が顕著に不安定になることも、別の問題が生ずることもない。従って、比較的高価な分配系を省ける。この目的のため、即ち蒸気発生管から流出する流れ媒体の適当な混合と、継続案内に適した出口管寄せの形成とは、燃焼ガス流れ方向に見て連続して配置され、従って蒸発器・貫流伝熱面の加熱分布に関連し局所的に異なる加熱に曝される蒸気発生管の出口側が共通の管寄せ室に開口することで達成される。燃焼ガス流れ方向に見て、連続して配置された蒸気発生管に対し共通のかかる管寄せ室は、出口管寄せの長手軸線を燃焼ガス流れ方向に対しほぼ平行に向けることで得られる。

出口管寄せの単純な構造は、出口管寄せをほぼ円筒状に形成することで得られる。

非常に単純な構造にすべく、蒸発器・貫流伝熱面は、燃焼ガス流れ方向に見て連続して配置された多数の管層を有し、該各管層は燃焼ガス流れ方向に見て並べて配置された多数の蒸気発生管で形成される。その際、各管層の適当数の蒸気発生管に共通の出口管寄せを付設してもよい。しかし、他の有利な実施態様では、貫流伝熱面に流れ媒体側において後続する次の貫流伝熱面への高価な分配系を省いての流れ媒体の分配は、蒸発器・貫流伝熱面に各管層における蒸気発生管の数に相当する数の出口管寄せを付設し、これら出口管寄せの長手軸線を燃焼ガス流れ方向に対し平行に向けることで特に単純に実施できる。その場合、各出口管寄せに各管層の１つの蒸気発生管が開口する。

ボイラの蒸発器系は多段式に形成するとよく、その際蒸発器・貫流伝熱面は予蒸発器の形で、流れ媒体が後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面に流入する前に、流れ媒体を適当に状態調整すべく利用される。従って、第２蒸発器・貫流伝熱面は、流れ媒体を蒸発させる際に第２蒸発段の形で使われる。

第２蒸発器・貫流伝熱面は、各蒸気発生管の自然循環特性の徹底した利用による自己安定流れ挙動に対し設計するとよい。そのため、第２蒸発器・貫流伝熱面は、流れ媒体の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管を備える。これら発生管は、目的に応じて同様に、第２蒸発器・貫流伝熱面の他の蒸気発生管に比べ余計に加熱される蒸気発生管が、前記の他の蒸気発生管に比べて大きな流れ媒体流量を有するように設計される。

ボイラの第１蒸発器・貫流伝熱面を、流れ媒体が下から上に向けて貫流するようにほぼ垂直に敷設した蒸気発生管で形成する一方で、第２蒸発器・貫流伝熱面を、Ｕ字状に形成した蒸気発生管で構成するとよい。この実施態様では、第２蒸発器・貫流伝熱面を形成する蒸気発生管は、各々ほぼ垂直に配置され、流れ媒体が下向きに貫流する降下管部分と、流れ媒体側でこの降下管部分に後置接続され、ほぼ垂直に配置されて流れ媒体が上向きに貫流する上昇管部分とからなる。

Ｕ字状蒸気発生管を備えた第２蒸発器・貫流伝熱面の実施態様において、降下管部分内に生ずる蒸気泡は、流れ媒体の流れ方向と逆向きに上昇しようとし、そのため流れの安定を不利に害する。これを防止すべく、蒸発器系は、この蒸気泡を流れ媒体により徹底して運び去るように設計するとよい。

第２蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管の降下管部分内に存在する蒸気泡のこの所望の徹底した運び去り作用を確実に保証すべく、第１蒸発器・貫流伝熱面を、運転中、それに後置接続した第２蒸発器・貫流伝熱面に流入する流れ媒体が、発生する蒸気泡を連れ去るために必要な最低速度より大きな流速を有するように寸法づけると望ましい。

第２貫流伝熱面を形成する蒸気発生管をほぼＵ字状に形成すると、その流入部は燃焼ガス通路の上部又は上側に位置する。第１蒸発器・貫流伝熱面に付属し、燃焼ガス通路の上側に配置され、その長手軸線が燃焼ガスの流れ方向に対し平行に向いた出口管寄せの利用に伴い、第１蒸発器・貫流伝熱面と第２蒸発器・貫流伝熱面との結合は、有利な実施態様では、第１蒸発器・貫流伝熱面の出口管寄せ又は各出口管寄せを、流れ媒体側で後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面の対応した入口管寄せと１つの構造ユニットの形に一体化することで、特に僅かな経費で可能となる。かかる配置構造は、第１蒸発器・貫流伝熱面から流出する流れ媒体の、流れ媒体側で後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管への直接転流を可能にする。第１蒸発器・貫流伝熱面の出口管寄せと第２蒸発器・貫流伝熱面の入口管寄せとの間での、高価な分配器又は接続管並びにそれに付属する混合・分配要素は不要となり、全般的に配管案内が非常に単純になる。

他の有利な実施態様では、第２蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管を、出口管寄せの長手軸線に対し垂直な共通平面内、従って燃焼ガス流れ方向に対し垂直な平面内で、それらに対応する入口管寄せに接続する。この配置構造で、一体構造ユニットの第１蒸発器・貫流伝熱面用出口管寄せとして用いる部分から出て第２蒸発器・貫流伝熱面に流入する、部分的に蒸発した流れ媒体は、一体構造ユニットの第２蒸発器・貫流伝熱面用入口管寄せとして利用する部分の底に衝突し、そこでもう一度渦を巻き、続いて各入口管寄せに接続された第２蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管に、略同じ分量の二相流れ媒体として流入する。従って第２蒸発器・貫流伝熱面の蒸気発生管への流れ媒体の継続案内は、出口管寄せでの混合で得られた均質化を顕著に害することなしに促進される。その場合、各入口管寄せからの流出個所の管寄せの長手軸線に関する対称配置に基づき、第２貫流伝熱面への流れ媒体の特に均質な供給が行われる。

このボイラはガス・蒸気複合タービン設備の廃熱ボイラとして利用するのに適する。これは、ガスタービンの排気ガス側に後置接続される。この接続において、ガスタービンの下流に、排気ガス温度を高めるべく追加燃焼装置を配置するとよい。

本発明による利点は、特に燃焼ガス流れ方向に対して平行な出口管寄せの方向づけにより、蒸発器・貫流伝熱面の元々利用している特性、即ち自己安定循環特性を、分配の単純化に徹底して利用することにある。自己安定循環特性のため、燃焼ガス流れ方向に見て連続して配置した蒸気発生管も、出口側でほぼ同じ蒸気状態で出口管寄せに開口する。蒸気発生管から流出する流れ媒体は、その出口管寄せ内で混合され、続く伝熱面系への継続案内に対し、混合時に得られた均質化を害することなく供給される。特に、出口管寄せと入口管寄せの一体化で、蒸発器・貫流伝熱面に後置接続される非常に高価な別個の分配系が不要となる。更に、このボイラは流れ媒体側で非常に小さな総圧力損失を示す。

以下、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を付している。

図１に蒸発器部分を示すボイラ１は、廃熱ボイラの形で、ガスタービン（図示せず）の排気ガス側に後置接続されている。ボイラ１は外周壁２を備える。この壁２は、ガスタービンからの排気ガスが矢印４で示す、ほぼ水平方向ｘに貫流する燃焼ガス通路６を形成している。この通路６内に、複数（この実施例の場合には２つ）の蒸発器・伝熱面８、１０を配置している。これら蒸発器・伝熱面８、１０は貫流原理に応じて設計され、流れ媒体Ｗ、Ｄの貫流に対して直列接続されている。

蒸発器・貫流伝熱面８、１０で形成された多段蒸発器系に、未蒸発流れ媒体Ｗが供給される。この媒体Ｗは、蒸発器・貫流伝熱面８、１０の一回の貫流で蒸発し、第２蒸発器・貫流伝熱面１０からの流出後、蒸気Ｄとして排出され、通常、更に過熱のため過熱器に導かれる。蒸発器・貫流伝熱面８、１０で形成した蒸発器系は、蒸気タービンの水・蒸気回路（図示せず）に接続されている。蒸気タービンの水・蒸気回路には、この蒸発器系の他に、図１に示さない別の複数の伝熱面が接続され、該伝熱面は、例えば過熱器、中圧蒸発器、低圧蒸発器および／又は給水加熱器である。

蒸発器・貫流伝熱面８は、流れ媒体Ｗの貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管１２で形成されている。これら発生管１２は、その長手軸線が垂直に方向づけられ、流れ媒体Ｗが下側入口部から上側出口部に向けて、即ち下から上に向けて貫流するよう設計されている。

蒸発器・貫流伝熱面８は、燃焼ガス流れ方向ｘに見て連続して配置された多数の管層１４を、管束の形で備える。各管層１４は、燃焼ガス流れ方向ｘに見て並べて配置された多数の蒸気発生管１２からなり、図１では、各管層１４の１つの蒸気発生管１２しか見えていない。各管層１４の蒸気発生管１２に共通の入口管寄せ１６が前置接続されている。この管寄せ１６は、長手方向を燃焼ガス流れ方向ｘに対しほぼ垂直に向けて、燃焼ガス通路６の下側に配置されている。管寄せ１６は図１に概略的に示す給水系１８に接続され、給水系１８は流れ媒体Ｗを入口管寄せ１６に必要に応じ分配して流入させる分配系を持つ。蒸発器・貫流伝熱面８を形成する蒸気発生管１２は出口側、従って燃焼ガス通路６の上側に位置する部分で、対応した多数の出口管寄せ２０に開口している。

蒸発器・貫流伝熱面８は、比較的低い質量流量密度での蒸気発生管１２への供給に適するよう設計されている。該発生管１２における設計上の流れ状態は、自然循環特性を有している。この自然循環特性に応じ、同じ蒸発器・貫流伝熱面８の他の蒸気発生管１２に比べて余計に加熱される蒸気発生管１２は、前記他の蒸気発生管１２に比べ大きな流れ媒体流量を有している。

貫流伝熱面８に流れ媒体側で後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面１０も同じ原理、即ち自然循環特性を得るべく形成している。ボイラ１の第２蒸発器・貫流伝熱面１０も流れ媒体Ｗの貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管２２を管束の形で備えている。該蒸気発生管２２は所謂管層を形成し、燃焼ガス流れ方向ｘに並べて配置され、この並べて配置された各管層の１つの蒸気発生管２２しか見えていない。そのように並べて配置された蒸気発生管２２に流れ媒体側で、各々に対応した分配器又は入口管寄せ２４が前置接続され、共通の出口管寄せ２６が後置接続されている。

第２蒸発器・貫流伝熱面１０に対し設計上用意した自然循環特性を、特に単純な構造手段で特に確実に保証すべく、第２蒸発器・貫流伝熱面１０は流れ媒体側で互いに直列接続した２つの管区域を持つ。第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する各蒸気発生管２２は、第１管区域に、略垂直に配置され流れ媒体Ｗが下向きに貫流する降下管部分３２を持つ。各蒸気発生管２２は、第２管区域に上昇管部分３４を有し、該部分３４は流れ媒体側で降下管部分３２に後置接続され、ほぼ垂直に配置されて流れ媒体Ｗが上向きに貫流する。

上昇管部分３４は、それに対応した降下管部分３２に、転流管部分３６を経て接続されている。この実施例では、転流管部分３６を燃焼ガス通路６の内部に配置している。

第２蒸発器・貫流伝熱面１０の各蒸気発生管２２は、図１から解るように、略Ｕ字形をしている。Ｕ字の脚部は降下管部分３２と上昇管部分３４とからなり、結合湾曲部は転流管部分３６で形成されている。この蒸気発生管２２では、降下管部分３２の範囲での流れ媒体Ｗの測地学的圧力貢献分が、（上昇管部分３４の範囲と異なり）流れを促進し、流れを妨げない圧力貢献分を発生する。換言すれば、降下管部分３２内に存在する未蒸発流れ媒体Ｗの水柱が、各蒸気発生管２２の貫流を妨げるのではなく、一層「押し進める」。このため蒸気発生管２２は、全体として比較的僅かな圧力損失を示す。

各蒸気発生管２２は、それらが略Ｕ字状構造をなす場合、降下管部分３２の入口部およびその上昇管部分３４の出口部で、燃焼ガス通路６の天井に懸架又は固定される。これに対し、転流管部分３６で互いに結合された降下管部分３２と上昇管部分３４の空間的に見ての下端は、燃焼ガス通路６に直接空間的に固定されていない。従って、蒸気発生管２２のその管区域の縦膨張が損傷の恐れなしに可能であり、転流管部分３６は伸縮湾曲管として作用する。従って蒸気発生管２２のかかる配置は、機械的に特に柔軟性を有し、発生する膨張差により熱応力を生じない。

ボイラ１は、非常に単純な構造で、確実且つ均質な流れ案内が可能なように設計している。その場合、蒸発器・貫流伝熱面８に対し設計上設定した自然循環特性を、分配系の単純化に対し徹底して利用する。即ち自然循環特性と、これに伴い設計上設定した比較的低い質量流量密度が、燃焼ガス流れ方向ｘに見て連続して配置され、従って異なる加熱を受ける蒸気発生管からの部分流の共通空間への集結を可能にする。高価な固有の分配系を省き、蒸発器・貫流伝熱面８から流出する流れ媒体Ｗの混合を、１つ又は複数の出口管寄せ２０に転移できる。燃焼ガス流れ方向ｘに見て異なる位置に配置され、従って異なる加熱を受ける蒸気発生管１２から流出する流れ媒体Ｗの混合時に達成された均質化が、後続系に継続して案内する際にできるだけ僅かしか害されないようにすべく、互いにほぼ平行に並べて配置した各出口管寄せ２０の長手軸線を、ほぼ燃焼ガス流れ方向ｘに対し平行に向ける。出口管寄せ２０は、図１では１つしか見えていない。出口管寄せ２０の数は、各管層１４の蒸気発生管１２の数に合致している。

各出口管寄せ２０に、第１貫流伝熱面８に流れ媒体側で後置接続した第２貫流伝熱面１０を付設している。第２貫流伝熱面１０のＵ字状形状のため、各入口管寄せ２４は各々の出口管寄せ２０と同様に燃焼ガス通路６の上側に位置している。第１貫流伝熱面８と第２貫流伝熱面１０との流れ媒体側での直列接続は、各出口管寄せ２０をそれに対応する入口管寄せ２４と１つの構造ユニット４０の形に一体化することで特に簡単になる。このユニット４０により、比較的高価な分配系又は接続系を用いることなく、第１蒸発器・貫流伝熱面８から第２蒸発器・貫流伝熱面１０への流れ媒体Ｗの直接的転流が可能となる。

略Ｕ字状に形成した蒸気発生管２２を備える第２蒸発器・貫流伝熱面１０を用いた横置形ボイラ１では、蒸気発生管２２の降下管部分３２内で蒸気泡が生ずる。この泡は、各降下管部分３２内で流れ媒体Ｗの流れ方向と逆向きに上昇し、従って流れの安定性を妨げ、ボイラ１の確実な運転をも妨げる。これを確実に防止すべく、このボイラ１を、既に部分的に蒸発した流れ媒体Ｗを第２蒸発器・貫流伝熱面１０に供給すべく設計している。

第２蒸発器・貫流伝熱面１０への流れ媒体Ｗの供給にあたり、各蒸気発生管２２の降下管部分３２で流れ媒体Ｗが所定の最低速度より高い流速となるように考慮する。更に、各降下管部分３２での流れ媒体Ｗの十分大きな流速に基づき、そこに恐らく存在する蒸気泡が流れ媒体Ｗの流れ方向に確実に一緒に運ばれ、各転流管部分３６を介して各々後置接続された上昇管部分３４に転流するように流速を決めている。この目的のために十分大きな蒸気発生管２２の降下管部分３２への流れ媒体Ｗの流速の維持は、第２蒸発器・貫流伝熱面１０への流れ媒体Ｗの供給を、そのために十分大きな蒸気含有量および／又はそのために十分大きなエンタルピーで行うことによって保証する。

そのために適したパラメータを有し、既に部分的に蒸発した状態の流れ媒体Ｗを供給可能にすべく、ボイラ１の第２蒸発器・貫流伝熱面１０に、流れ媒体側で、予蒸発器として蒸発器・貫流伝熱面８を前置接続している。予蒸発器の形の蒸発器・貫流伝熱面８は、場所的に燃焼ガス通路６の比較的低温の空間範囲内、従って燃焼ガス側で、第２蒸発器・貫流伝熱面１０の下流に配置している。これに対し第２蒸発器・貫流伝熱面１０は、ガスタービンから流出する燃焼ガスに対する燃焼ガス通路６の入口範囲近くに配置され、従って運転中、燃焼ガスによる非常に大きな熱量を受ける。

第１貫流伝熱面８と、流れ媒体側でこの第１貫流伝熱面８に後置接続された第２貫流伝熱面１０とで形成された蒸発器系の設計に応じ、即ち設計的に第２蒸発器・貫流伝熱面１０の入口側に、部分的に予蒸発されて十分大きな蒸気含有量および／又は十分大きなエンタルピーを有する流れ媒体Ｗを供給可能とすべく、蒸発器・貫流伝熱面８を適切に寸法づける。その場合、特に蒸気発生管１２の適当な材料の選択と適当な寸法づけ或いは蒸気発生管１２の相対位置の適当な位置付けを考慮する。これらパラメータに関し、蒸発器・貫流伝熱面８は、運転中、それに後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面１０に流入する流れ媒体Ｗが降下管部分３２内で生ずるか存在する蒸気泡を連れ去るために必要な最低速度より大きな流速を有するように寸法づける。

上述の如く設計上企図した高い運転安全性は、特に運転中の平均入熱量を蒸発器・貫流伝熱面８と第２蒸発器・貫流伝熱面１０とにほぼ同量に分配することで達成される。従って両蒸発器・貫流伝熱面８、１０と、これらを形成する蒸気発生管１２、２２とは、この実施例では、運転中、蒸発器・貫流伝熱面８を形成する蒸気発生管１２への総入熱量が、第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する蒸気発生管２２への入熱量にほぼ相当するように寸法づけている。その際に生ずる質量流量を考慮し、蒸発器・貫流伝熱面８は、流れ媒体側でそれに後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面１０の蒸気発生管２２の数を考慮し、適切に選択した数の蒸気発生管１２を有している。

図２に部分平面図で示す如く、各々互いに隣接する２つの管層１４の蒸気発生管１２は燃焼ガス流れ方向ｘに対し垂直方向に見て互いにずらして配置され、この結果蒸気発生管１２の配置に関しほぼ菱形の基本模様が生じている。この配置構造の場合、図２に１つしか示さない出口管寄せ２０は、各出口管寄せ２０に各管層１４から各々１つの蒸気発生管１２が開口するように置いている。その場合、各出口管寄せ２０が蒸発器・貫流伝熱面８に後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面１０に対し付設された入口管寄せ２４と１つの構造ユニット４０の形に一体化されていることも解る。

図２から更に、第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する蒸気発生管２２も、燃焼ガス流れ方向ｘに見て連続して配置された多数の管層を形成していることが解る。その場合、燃焼ガス流れ方向ｘに見て最初の２つの管層は、出口側が蒸発した流れ媒体Ｗに対する出口管寄せ２６に開口する蒸気発生管２２の上昇管部分３４で形成されている。これに対し、燃焼ガス流れ方向ｘに見て次の２つの管層は、入口側が夫々に対応した入口管寄せ２４に接続された蒸気発生管２２の降下管部分３２で形成されている。

図３は構造ユニット４０への蒸気発生管１２、２２の開口範囲の一部を側面図で示す。このユニット４０は、一方では蒸発器・貫流伝熱面８を形成する多数の蒸気発生管１２に対する出口管寄せ２０を、他方では第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する各２本の蒸気発生管２２毎の入口管寄せ２４を備える。この図から、特に蒸気発生管１２から流出し出口管寄せ２０に流入した流れ媒体Ｗが、第２蒸発器・貫流伝熱面１０に付属した入口管寄せ２４に直接転流することが解る。流れ媒体Ｗの転流時、流れ媒体Ｗは運転状態に応じ、まず入口管寄せ２４を含む構造ユニット４０の底板４２に衝突する。この衝突に基づき、流れ媒体Ｗが入口管寄せ２４から対応した蒸気発生管２２の降下管部分３２に流入する前に、流れ媒体Ｗの渦巻きそして特に緊密な混合が生ずる。

図３から特に明らかなように、蒸気発生管２２に対する入口管寄せ２４として形成された構造ユニット４０の終端部分は、蒸気発生管２２への流れ媒体Ｗの流出が全ての蒸気発生管２２で、構造ユニット４０の円筒軸線に対し垂直な唯一の平面から行うように設計している。このことを、その本来の場所的位置に関し、燃焼ガス流れ方向ｘに見て連続して配置された２つの異なる管層に配列されている２つの蒸気発生管２２に対しても可能にすべく、各蒸気発生管２２に各々転流管部分４６を付設している。各転流管部分４６は、燃焼ガス流れ方向ｘに対し斜めに延び、各々に対応した蒸気発生管２２の上部箇所を入口管寄せ２４の流出開口４８に接続している。この配置構造によって、入口管寄せ２４の全流出開口４８は、構造ユニット４０の円筒軸線に対し垂直な共通平面内に位置し、この結果、流れ媒体Ｄ、Ｗの流れ軌道に関する流出開口４８の対称的配置に基づき、蒸気発生管２２に流入する流れ媒体Ｄ、Ｗの一様な分布を保証できる。

構造ユニット４０への入口範囲又は構造ユニット４０からの出口範囲での管案内を一層明瞭にすべく、図４にそのための複数の構造ユニット４０を正面図で示す。これは図２のＩＶ−ＩＶ断面線を基礎としている。その場合、図４の左側に示す２つの構造ユニット４０は、後置接続された蒸気発生管２２に対する入口管寄せ２４として形成された端部範囲であり、各々転流管部分４６を介して蒸気発生管２２の後置接続された降下管部分３２に結合されていることが解る。

それとは別に、図４の右側に示す２つの構造ユニット４０は、蒸発器・貫流伝熱面８の蒸気発生管１２に対する出口管寄せ２０として形成された前部範囲である。この図から、各々連続して位置する管層１４から構造ユニット４０に開口する蒸気発生管１２が、単純に折り曲げた形で構造ユニット４０に導かれていることが解る。

図２〜図４に応じて特別に形成した図１のボイラ１は、第２蒸発器・貫流伝熱面１０の特に確実な運転を可能とする。そのため、ボイラ１の運転中、ほぼＵ字形に形成した第２蒸発器・貫流伝熱面１０に所定の最低速度より大きな流速で流れ媒体Ｗを供給できる。このため、第２蒸発器・貫流伝熱面１０を形成する蒸気発生管２２の降下管部分３２内に存在する蒸気泡を連れ去り、後置接続した上昇管部分３４に運べる。第２蒸発器・貫流伝熱面１０に流入する流れ媒体Ｗの十分大きな流速を保証すべく、第２蒸発器・貫流伝熱面１０への供給は、これに前置接続した蒸発器・貫流伝熱面８を利用して、第２蒸発器・貫流伝熱面１０に流入する流れ媒体Ｗが、所定の最低蒸気含有量より大きな蒸気含有量を有するか、所定の最低エンタルピーより大きなエンタルピーを有するようにして行う。そのために適した運転パラメータを維持すべく、第２蒸発器・貫流伝熱面１０に流入する際の流れ媒体Ｄ、Ｗの蒸気含有量ないしエンタルピーが、全運転点において、例えば図５ａ、図５ｂに示すような適当に設定された特性曲線の上側に位置するように蒸発器・貫流伝熱面８、１０を設計し又は寸法づける。

図５ａ、図５ｂは、運転圧力を曲線群パラメータとした曲線群を用い、少なくとも設定すべき蒸気含有量Ｘ_minの関数依存性ないし少なくとも設定すべきエンタルピーＨ_minの関数依存性を、設計上選択された質量流量密度・ｍの関数として示す。ここで曲線７０として、ｐ＝２５×１０⁵Ｐａの運転圧力に対する設計基準が示され、これに対し曲線７２はｐ＝１×１０⁷Ｐａの運転圧力に対して利用される。

この曲線群から、部分負荷運転時に１００ｋｇ／ｍ²ｓの設計質量流量密度・ｍおよびｐ＝１×１０⁷Ｐａの設定運転圧力において、貫流伝熱面８に流入する流れ媒体Ｗの蒸気含有量Ｘ_minを少なくとも２５％、好適には約３０％に保たねばならないことが解る。この設計基準の異なった図において、貫流伝熱面８に流入する流れ媒体Ｗのエンタルピーが、上述の運転条件において少なくともＨ＝１７５０ｋｊ／ｋｇでなければならないことも解る。これら条件を維持すべく設計上考慮した第２貫流伝熱面１０は、その寸法づけ、即ち例えば第２貫流伝熱面１０を形成する蒸気発生管２２の形式、数および形状に関して、空間的位置に対し考慮した燃焼ガス通路６の内部における空間範囲に設計上存在する供給熱量を考えに入れてこの周辺条件に合わされる。

横置形ボイラの蒸発器部分の概略縦断面図。 図１におけるボイラの部分平面図。 図１におけるボイラの図２の（ＩＩＩ−ＩＩＩ）断面線に沿った側面図。 図１におけるボイラの図２の（ＩＶ−ＩＶ）断面線に沿った断面図。 エンタルピーないし流速と質量流量との関係を表した線図。

符号の説明

１ ボイラ、６ 燃焼ガス通路、８、１０ 蒸発器・貫流伝熱面、１２ 蒸気発生管、１４ 管層、２０ 出口管寄せ、２２ 蒸気発生管、２４ 入口管寄せ、３２ 降下管部分、３４ 上昇管部分、４０ 構造ユニット、Ｗ 流れ媒体、ｘ 燃焼ガス流れ方向

Claims (9)

1. 燃焼ガスが水平方向（ｘ）に貫流する燃焼ガス通路（６）内に蒸発器・貫流伝熱面（８）が配置され、該伝熱面（８）が流れ媒体（Ｗ）の貫流に対し並列接続された多数の蒸気発生管（１２）を有し、該発生管（１２）の内、同じ貫流伝熱面（８）の他の蒸気発生管（１２）に比べ余計に加熱される蒸気発生管（１２）が、前記の他の発生管（１２）に比べて大きな流れ媒体流量を有するように設計されている廃熱ボイラ（１）において、
   蒸発器・貫流伝熱面（８）の、蒸気発生管（１２）に流れ媒体側で後置接続された出口管寄せ（２０）の長手軸線が、燃焼ガス流れ方向（ｘ）に対し平行に向けられており、
   更に蒸発器・貫流伝熱面（８）の出口管寄せ又は各出口管寄せ（２０）が、流れ媒体側で後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）の対応した入口管寄せ（２４）と１つの構造ユニット（４０）の形に一体化され、
   蒸発器・貫流伝熱面（８）が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見て連続して配置された多数の管層（１４）を有し、各管層（１４）が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に見て並べて配置された多数の蒸気発生管（１２）で形成されて、各管層の蒸気発生管（１２）が出口管寄せ（２０）に接続された
   ことを特徴とする廃熱ボイラ。
2. 各出口管寄せ（２０）が、円筒体状であることを特徴とする請求項１記載の廃熱ボイラ。
3. 蒸発器・貫流伝熱面（８）に、各管層（１４）における蒸気発生管（１２）の数に相当する数の出口管寄せ（２０）が付設され、該出口管寄せ（２０）の長手軸線が燃焼ガス流れ方向（ｘ）に対して平行に向けられ、各出口管寄せ（２０）に各管層（１４）の１つの蒸気発生管（１２）が開口することを特徴とする請求項１記載の廃熱ボイラ。
4. 蒸発器・貫流伝熱面（８）に、流れ媒体側においてもう１つの（第２）蒸発器・貫流伝熱面（１０）が後置接続されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の廃熱ボイラ。
5. 第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）が流れ媒体（Ｄ、Ｗ）の貫流に関し並列接続された多数の蒸気発生管（２２）を有し、第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）の、他の蒸気発生管（２２）に比べ余計に加熱される蒸気発生管（２２）が、前記の他の蒸気発生管（２２）に比べて大きな流れ媒体（Ｄ、Ｗ）流量を有することを特徴とする請求項４記載の廃熱ボイラ。
6. 第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）を形成する各蒸気発生管（２２）が、垂直に配置されて流れ媒体（Ｗ）が下向きに貫流する降下管部分（３２）と、流れ媒体側でこの降下管部分（３２）に後置接続され、垂直に配置されかつ流れ媒体（Ｗ）が上向きに貫流する上昇管部分（３４）とを有することを特徴とする請求項４又は５記載の廃熱ボイラ。
7. 後置接続された第２蒸発器・貫流伝熱面（１０）に流入する流れ媒体（Ｄ、Ｗ）が、運転中そこに存在する蒸気泡を連れ去るのに必要な最低速度より大きな流速を持つように、蒸発器・貫流伝熱面（８）の寸法が定められたことを特徴とする請求項４から６の１つに記載の廃熱ボイラ。
8. 出口管寄せ（２０）が燃焼ガス通路（６）の上側に配置されたことを特徴とする請求項４から７の１つに記載の廃熱ボイラ。
9. 燃焼ガス側で、ガスタービンが前置接続されたことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の廃熱ボイラ。

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