(57)【要約】【課題】複数に分割した火炉壁面（水冷壁）への内部流体の流量配分について、圧力損失を過大にすることなく適正に分配し、火炉入口ヘッダから出口ヘッダまでの間に生じる圧力損失（摩擦損失）の低減が可能になるボイラ構造を提供する。【解決手段】火炉の壁面に配設された多数のボイラ蒸発管３が火炉水冷壁４を形成し、ボイラ蒸発管３に圧送された水が管内部を流れる際に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、火炉水冷壁４を複数に分割した各火炉壁の入口ヘッダ２１へ水を導く入口連結管２０に設けられた内部流体のオリフィス２２と、入口ヘッダ２１からボイラ蒸発管３へ水を導く管台部に設けられたオリフィス２３とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記火炉水冷壁を複数に分割した各火炉壁の入口ヘッダへ水を導く分配管に設けられた内部流体の第１圧力損失調整部と、前記入口ヘッダから前記ボイラ蒸発管へ水を導く管台部に設けられた第２圧力損失調整部とを備えていることを特徴とするボイラ構造。
【請求項２】
前記第１圧力調整部は、前記分配管に挿入した固定オリフィス、前記分配管に挿入した同外径の厚肉短管部、及び前記分配管に生じる圧力損失の個別調整を一または複数組合せて構成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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ蒸発管（火炉水冷壁）の流量配分を適正にしたボイラ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超臨界変圧貫流ボイラの火炉、特に、上下方向に多数配列されたボイラ蒸発管により火炉水冷壁（火炉壁）が形成されている垂直管火炉においては、火炉壁に流れる内部流体の流量調整が重要である。この流量調整には、火炉壁内の熱負荷分布に合わせたボイラ蒸発管毎の流量を調整するだけでなく、各火炉壁（前壁／後壁／左右側壁）毎に系統経路が異なるため、この系統経路の違いによって生じる圧力損失（以下、「圧損」ともいう）の差を調整することも必要である。
【０００３】
すなわち、各火炉壁（前壁／後壁／左右側壁）へ流す内部流体の流量調整に関し、部分負荷から定格負荷まで適正な流量配分とする必要がある。このため、従来のボイラ構造においては、上述した内部流体の流量調整を目的として、火炉入口の管台部にオリフィスが設けられている。
【０００４】
また、従来のボイラ装置においては、火炉壁の壁間または分割したブロック間における給水流量の配分調整を行う技術が知られている。この従来技術では、火炉壁の入口に流量制御弁が設けられ、さらに、火炉壁の出口で検出された流体温度が制御機構に入力されるようになっている。従って、制御機構においては、入力される出口の流体温度が目的値となるように流量制御弁の開度を操作し、給水流量を自動制御して配分調整を行っている。（たとえば、特許文献１及び２参照）
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−８６８０２号公報
【特許文献２】特開昭５９−８４００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、火炉水冷壁を流れる内部流体の流量調整については、各火炉壁毎に存在する入口ヘッダの管台部にオリフィスを設置し、このオリフィスが火炉壁内の熱負荷分布に合わせてボイラ蒸発管毎の流量調整を行っている。しかし、火炉水冷壁の各水冷壁面内を流れる内部流体については、その流量安定性を確保するため、火炉壁毎に入口ヘッダから出口ヘッダまでの摩擦損失を低減することが効果的である。
このため、管台部に設置したオリフィスによる流量調整は、各火炉壁内におけるボイラ蒸発管毎の流量分布調整のみを目的とした圧損調整が可能であれば、すなわち、ボイラ蒸発管毎の流量調整のみに基づいたオリフィス径の設定が可能であれば、上述した入口ヘッダから出口ヘッダまでの間に生じる各火炉壁毎の圧力損失が過大になることはない。
【０００７】
しかしながら、従来のオリフィス径は、複数に分割した火炉壁毎の圧力損失差についても是正するように設定されている。このため、火炉入口ヘッダから出口ヘッダまでの圧力損失は、圧力損失差の調整に伴ってオリフィス径が小さくなる傾向にあることから、オリフィスによる圧損増大分が大きくなる。すなわち、従来のオリフィスは、火炉水冷壁内の熱負荷分布に合わせたボイラ蒸発管毎の流量調整に加えて、複数の火炉壁毎に異なる系統経路圧力損失差についても調整しているので、オリフィスの圧損を含む火炉水冷壁全体の圧損が理想状態より高くなるという点で改善の余地が有る。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、複数に分割した火炉壁面（各火炉壁）への内部流体の流量配分について、圧力損失を過大にすることなく適正に分配し、火炉入口ヘッダから出口ヘッダまでの間に生じる圧力損失（摩擦損失）の低減が可能になるボイラ構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、前記火炉水冷壁を複数に分割した各火炉壁の入口ヘッダへ水を導く分配管に設けられた内部流体の第１圧力損失調整部と、前記入口ヘッダから前記ボイラ蒸発管へ水を導く管台部に設けられた第２圧力損失調整部と、を備えていることを特徴とするものである。
【０００９】
このようなボイラ構造によれば、火炉水冷壁を複数に分割した各火炉壁の入口ヘッダへ水を導く分配管に設けられた内部流体の第１圧力損失調整部と、入口ヘッダからボイラ蒸発管へ水を導く管台部に設けられた第２圧力損失調整部と、を備えているので、第１圧力損失調整部が複数に分割した水冷壁毎の圧力損失差を是正し、かつ、第２圧力損失調整部が火炉水冷壁内の熱負荷分布に合わせたボイラ蒸発管毎の流量調整をするように、第１圧力損失調整部及び第２圧力損失調整部の役割を分担させることができる。
なお、第１圧力損失調整部及び第２圧力損失調整部は、設置する流路径等の状況に応じて、各々が複数段階に分けて所望の圧力損失調整を行うようにしてもよい。
【００１０】
上記の発明において、前記第１圧力調整部は、前記分配管に挿入した固定オリフィス、前記分配管に挿入した同外径の厚肉短管部、及び前記分配管に生じる圧力損失の個別調整を一または複数組合せて構成されていることが望ましい。
ここで、出口連絡管に挿入した固定オリフィスは、オリフィス径を変化させて圧力損失を調整することができる。
また、出口連絡管に挿入した同外径の厚肉短管部は、肉厚を増すことで内径を小さくした管素材であり、その内径や長さを変化させて圧力損失を調整することができる。
また、出口連絡管に生じる圧力損失の個別調整は、出口連絡管を構成する管素材の内径、本数及び流路長さについて、少なくともひとつを変化させて圧力損失を調整することができる。
【発明の効果】
【００１１】
上述した本発明によれば、火炉水冷壁への流量配分について、火炉水冷壁の上流側に設けた第１圧力損失調整部及び第２圧力損失調整部がそれぞれ異なる役割を果たすことにより、圧力損失を過大にすることなく適正に分配することが可能になる。
この結果、内部流体が流れる火炉入口ヘッダから出口ヘッダまでの間においては、内部流体の流れによって生じる圧力損失（摩擦損失）を低減することができる。従って、火炉水冷壁内における内部流体の流動安定性及び自然循環力が向上し、信頼性の高いボイラ構造を提供できるという顕著な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
＜第１の実施形態＞
図１及び図２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３が火炉水冷壁４を形成し、ボイラ蒸発管３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面に分割された各火炉壁により火炉水冷壁４が形成され、たとえば図１に示すように、各火炉壁が出口連絡管１０を介して天井水冷壁５に接続されている。
なお、図１において、火炉水冷壁４は、左側壁４Ａ、前壁４Ｂ、右側壁４Ｃの各火炉壁に４分割されている。
【００１３】
上述した火炉水冷壁４には、節炭器から蒸気を生成するための水が給水される。節炭器から給水された水は、入口連結管２０を介して、４分割された各火炉壁毎に設けられた入口ヘッダ２１へ分配される。すなわち、入口連結管２０は、４分割した各火炉壁である左側壁４Ａ、前壁４Ｂ、後壁４Ｃ及び右側壁４Ｃの上流側にそれぞれ設けられている入口ヘッダ２１に対し、節炭器から導入した水を分配して導く給水用の分配管として機能するものである。
入口ヘッダ２１の管台部には、上下方向に延びて火炉壁４を形成する多数のボイラ蒸発管３が接続されている。
【００１４】
各入口連結管２０には、上述した各火炉壁毎に分配して流す内部流体の流量調整を行うため、すなわち、火炉水冷壁４に分配して給水する水の流量調整をおこなうため、内部流体の第１圧力損失調整部としてオリフィス２２が設けられている。このオリフィス２２には、流量調整に応じて入口連結管２０毎に異なる所望のオリフィス径に設定された固定オリフィスが使用される。この場合のオリフィス径は、各火炉壁間で異なる系統経路の圧損差を是正するように設定される。
また、上述したボイラ蒸発管３の各入口部には、入口ヘッダ２１から各ボイラ蒸発管３へ水を導く管台部に、第２圧力損失調整部としてオリフィス２３が設けられている。このオリフィス２３は、火炉水冷壁４内の熱負荷分布に合わせた流量調整を行うため、ボイラ蒸発管３毎に異なる所望のオリフィス径に設定された固定オリフィスが使用される。
【００１５】
このように構成されたボイラ１は、火炉２の入口側に設けられている２段階のオリフィス２２，２３がそれぞれ内部流体の圧力損失を調整することにより、給水系統毎に内部流体の流量調整（分配）を行っている。
すなわち、火炉水冷壁４を複数に分割した各火炉壁の入口ヘッダ２１に水を導く入口連結管２０に設けられたオリフィス２２は、複数に分割した水冷壁毎の圧力損失差を是正し、かつ、入口ヘッダ２１から各ボイラ蒸発管３へ水を導く管台部に設けられたオリフィス２３は、火炉水冷壁４内の熱負荷分布に合わせたボイラ蒸発管３毎の流量調整をするというように、二段階のオリフィス２２，２３を設けて、それぞれが異なる流量調整を行うように役割分担させている。
【００１６】
換言すれば、火炉入口（上流）側に設置して内部流体の圧損調整をする圧力損失調整部については、分流後の各入口連結管２０において入口ヘッダ２１の上流側に設置するオリフィス２２と、入口ヘッダ２１から火炉水冷壁４側の管台部に設置するオリフィス２３とに分けることで、火炉水冷壁面内（火炉入口の入口ヘッダ２１〜火炉水冷壁（前壁/後壁/左右側壁）〜火炉出口のヘッダ）の摩擦損失を低減し、結果として、火炉水冷壁面内の流動安定性及び自然循環力が向上する。
なお、上述した実施形態のオリフィス２２，２３については、設置する流路径等の状況に応じて、各々を複数の段階に分けて、すなわち複数段のオリフィスを直列に配置して所望の圧力損失調整を行うようにしてもよい。
【００１７】
次に、上述した実施形態の第１変形例を図３に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
この変形例では、第１圧力損失調整部のオリフィス２２に代えて、入口連結管２０に同外径の厚肉短管部２４が挿入されている。この厚肉短管部２４は、水の状態にある内部流体が厚肉短管部２４を通過して生じる圧力損失により、各火炉壁に対する流量配分を最適に調整している。この場合の厚肉短管部２４は、入口連結管２０と同外径を有し、肉厚を増すことで内径を小さくした管素材が使用される。すなわち、厚肉短管部２４の内径や長さを変化させることにより、圧力損失を調整することができる。
【００１８】
次に、上述した実施形態の第２変形例を図４に示して説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
この変形例では、第１圧力損失調整部のオリフィス２２に代えて、各入口連結管２０を内部流体が流れて生じる圧力損失の個別調整が採用されている。すなわち、図中に太線で示す各入口連絡官２０について、入口連絡官２０を構成する管素材の内径、本数及び流路長さについて、少なくともひとつを変化させて圧力損失を調整している。
【００１９】
上述した第１圧力調整部は、入口連絡官２０に挿入した固定のオリフィス２２、入口連絡管２０に挿入した同外径の厚肉短管部２４、入口連絡官２０に生じる圧力損失の個別調整について、一または複数を組合せて構成することも可能であり、諸条件に応じて最適な組合せを採用することにより、たとえば圧力損失をよりきめ細かく調整することや調整範囲の拡大が可能になる。
【００２０】
＜第２の実施形態＞
図５〜図７に示す実施形態においては、４分割された左側壁４Ａ、前壁４Ｂ、後壁４Ｃ及び右側壁４Ｃに加えて、さらに、後壁６を３分割した火炉水冷壁６Ａ，６Ｂ，６Ｃが設けられている。
節炭器から後壁６に供給された水は、火炉水冷壁４と同様に加熱を受けて二相流または蒸気の内部流体となる。この内部流体は、後壁６と天井水冷壁５の下流とを連結する出口連絡官３０を通り、途中の副側壁管７を経由して火炉水冷壁４で生成された蒸気に合流する流路系統と、追加水冷壁６と天井水冷壁５の下流とを連結する出口連絡官３１を通り、途中の後壁吊下管８を経由して火炉水冷壁４で生成された蒸気に合流する流路系統とに分かれる。
【００２１】
このようなボイラ構造においても、各入口連絡官２０に内部流体の第１圧力損失部及び第２圧力損失部を設けることにより、圧力損失の調整が行われている。
図５に示す実施形態は、入口連絡官２０に設ける第１圧力損失調整部として、圧力損失の個別調整が採用されている。すなわち、水が流れる入口連絡管２０を構成する管素材の内径、本数及び流路長さについて、少なくともひとつを変化させて圧力損失を調整している。
【００２２】
図６に示す本実施形態の第１変形例は、入口連絡官２０に設ける第１圧力損失調整部として、水が流れる入口連絡管２０の途中に挿入する厚肉短管部２４を採用している。すなわち、入口連絡管２０を構成する管素材の途中に、肉厚を増すことで内径を小さくした同外径の厚肉短管部２４を挿入し、その内径や長さを適宜変化させて圧力損失を調整している。
図７に示す本実施形態の第２変形例は、入口連絡官２０に設ける第１圧力損失調整部として、内部流体が水である入口連絡管２０の途中に挿入するオリフィス２２を採用している。すなわち、入口連絡管２０を構成する管素材の途中にオリフィス２２を挿入し、そのオリフィス径を適宜変化させて圧力損失を調整している。
なお、図５〜図７に示す第１圧力調整部は、入口連絡官２０等における圧力損失の個別調整、厚肉短管部２４の挿入及びオリフィス２２の挿入について、いずれか１つを単独採用するだけでなく、複数を適宜組み合わせてもよい。
【００２３】
上述したボイラ構造によれば、火炉水冷壁４への流量配分について、火炉水冷壁４の上流側に設けたオリフィス２２等の第１圧力損失調整部及びオリフィス２３等の第２圧力損失調整部がそれぞれ異なる役割を果たすことにより、圧力損失を過大にすることなく適正に分配することが可能になる。
この結果、内部流体が流れる火炉２の入口ヘッダ２１から出口ヘッダまでの間においては、内部流体の流れによって生じる圧力損失（摩擦損失）を低減することができる。従って、火炉水冷壁４内における内部流体の流動安定性及び自然循環力が向上し、信頼性の高いボイラ構造を提供することができる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るボイラ構造の一実施形態として、第１の実施形態を示す系統図である。
【図２】ボイラ構造の概要を示す斜視図である。
【図３】図１の第１変形例を示す系統図である。
【図４】図１の第２変形例を示す系統図である。
【図５】本発明に係るボイラ構造の一実施形態として、第２の実施形態を示す系統図である。
【図６】図２の第１変形例を示す系統図である。
【図７】図２の第２変形例を示す系統図である。
【符号の説明】
【００２５】
１    ボイラ
２    火炉
３    ボイラ蒸発管
４    火炉水冷壁
５    天井水冷壁
６    後壁（火炉水冷壁）
１０    出口連絡官
２０    入口連結管（分配管）
２１    入口ヘッダ
２２，２３    オリフィス
２４    厚肉短管部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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