(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下側火炉水壁の伝熱管出口に接続された下部水壁管出口管寄に連結される複数の流入側連絡管と、上側火炉水壁の伝熱管入口に接続された上部水壁管入口管寄に連結される流出側連絡管と、を備えた流体混合器であって、前記流体混合器はその本体を円筒形に形成され、その本体周囲に前記流入側連絡管及び流出側連絡管を放射状に配置し、
前記流体混合器本体に単段又は複数段に設置された流入側連絡管と複数段に設置された流出側連絡管との段間隔を流体混合器内径の４倍以上にする
ことを特徴とする流体混合器。
【請求項２】
請求項１に記載の流体混合器において、
複数段に設置された前記流出側連絡管の段間の間隔を前記流体混合器内径より小さくすることを特徴とする流体混合器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、事業用及び産業用ボイラ火炉の水壁出口のエンタルピ偏差を低減する流体混合器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
事業用または産業用の石炭焚きボイラは、おおよそ、図８に示すように、燃料を燃焼させ主として輻射伝熱により熱量を吸収する火炉６と、燃焼ガスを伝熱管群に流通させ主として対流伝熱により熱量を吸収する横置き伝熱部７とで構成される。
【０００３】
火炉６は多数のチューブより成る水壁で構成されており、その大部分の流域ではほぼ均一な熱負荷を受ける。しかしながら、燃焼装置であるバーナ８の近傍では熱負荷が局所的に高くなるため、火炉水壁出口において、管内流体のエピタルに偏差を生じる。従来型ボイラであれば、火炉水壁出口における流体の乾き度（＝蒸気含有率）が０．５〜０．７と低く、飽和状態が維持され、エンピタル偏差を生じても温度偏差を生じることはなかった。
【０００４】
一方、火炉水壁出口の流体の乾き度を１付近まで上げ、火炉水壁で蒸発を完結させることで、伝熱管群を簡略化し、火炉をコンパクトにできる。このような火炉では、エンタルピ偏差を生じると、エンタルピの高い側の流体は過熱蒸気となるため、温度が飽和温度以上になり、エンタルピの低い側の流体との温度差を生じる。温度差がある値以上になると、メタルに発生する熱応力が過大となり、火炉水壁の設計強度を超えるため、亀裂が入り、最悪の場合、運転を中止する必要がある。
【０００５】
従来型ボイラでは、一定負荷時にはこのような問題を生じないため、特別な対策を講じる必要はないが、負荷上昇時あるいは下降時に一時的に温度差を生じるため、火炉水壁の中間高さの部位に図９に示すような火炉水壁中間管寄せ１０を設け、管寄せ１０で混合したのち上部の火炉水壁管に流す構造が採用された例もある。
【０００６】
また、図１０に示すように火炉水壁を上下に分割し、下側の火炉水壁１を構成する伝熱管の出口に接続された下部水壁管出口管寄を設け、混合器１１で混合したのち、上側の火炉水壁２を構成する伝熱管入口に接続された上部水壁管入口管寄に流す構造も採用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来型ボイラであれば、温度差を低減するために、火炉水壁出口の流体の乾き度を０．５〜０．７になるように設計される。そうすれば、火炉水壁の熱吸収量のアンバランスを生じても、火炉水壁出口の流体の乾き度は１を超えることはない。したがって、管内流体は常に飽和温度に保たれるため、温度差を生じることはない。
【０００８】
これに対し、火炉水壁出口における流体の乾き度が１付近になるように設計された火炉では、熱吸収量のアンバランスを生じると、熱吸収量の高い管は乾き度が１を越え、飽和温度以上になる。一方、熱吸収量の低い管は常に飽和温度である。したがって、熱吸収量の高い管と低い管とで温度差を生じる。
【０００９】
このような問題に対し、従来型火炉で用いられている手法は、例えば、火炉水壁の中間高さの部位に火炉水壁中間管寄を設け、混合したのち上部の火炉水壁管に流す構造や、火炉水壁を上下に分割し、下側の火炉水壁を構成する伝熱管の出口に接続された下部水壁管出口寄を設け、混合器で混合したのち、上側の火炉水壁を構成する伝熱管入口に接続された上部水壁管入口管寄に流す構造では、温度差を設計許容値以下に抑えることは困難である。
【００１０】
これは、管内流体の流動状態が乾き度によって変化するためである。流量を一定とすると、乾き度の増大により、管内の流動状態は図１１のように変化する。乾き度の低い領域では、液相の占める割合が大きく、管壁に液膜が形成されるスラグ流もしくは気泡流となるのに対し、乾き度が高い領域では、管内を液相がミストとなって浮遊する環状噴霧流となる。
【００１１】
したがって、流動様式が大きく異なるため、従来の手法をそのまま適用することは不可能である。実際に、従来の設計法を適用してデータを採取した結果、図１２に示すように部分負荷時にメタル温度差が設計許容値を超え問題となる。
【００１２】
本発明の目的は、火炉水壁出口における流体の乾き度が１付近になるように設計された火炉においても、エンタルピ偏差を生じることがなく、火炉水壁を構成する管間での温度差を低減し、火炉耐圧部の障害を防止することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は次のような構成を採用する。
【００１４】
下側火炉水壁の伝熱管出口に接続された下部水壁管出口管寄に連結される複数の流入側連絡管と、上側火炉水壁の伝熱管入口に接続された上部水壁管入口管寄に連結される流出側連絡管と、を備えた流体混合器であって、
前記流体混合器はその本体を円筒形に形成され、その本体周囲に前記流入側連絡管及び流出側連絡管を放射状に配置し、
前記流体混合器本体に単段又は複数段に設置された流入側連絡管と複数段に設置された流出側連絡管との段間隔を流体混合器内径の４倍以上にする流体混合器。
【００１５】
また、前記流体混合器において、複数段に設置された前記流出側連絡管の段間の間隔を前記流体混合器内径より小さくすることを特徴とする流体混合器。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る流体混合器について、図１〜図６を用いて以下説明する。図１は本実施形態に係る流体混合器を超臨界圧変圧貫流ボイラに適用した構成例を示す。図２は図１に示した流体混合器の拡大図である。さらに、図３は図２の断面図であって流体混合器の構造を簡略化して示したものである。図３には、流体混合器の内径Ｄ、流入側連絡管と流出側連絡管の間隔Ｌ１及び流出側連絡管同士の間隔Ｌ２を図示している。ここで、１は下側火炉水壁、２は上側火炉水壁、３は流体混合器、４は流入側連絡管、５は流出側連絡管、をそれぞれ表す。
【００１７】
まず、図１に示すように、本実施形態のボイラは周囲が水壁で構成されており、水壁がその高さの中間部よりも高い位置で上下に分割されている。ここで、下側火炉水壁１は伝熱管が傾斜したスパイラル壁で構成され、上側火炉水壁２は伝熱管が垂直である上部水壁で構成されている。スパイラル壁及び上部水壁は多数の伝熱管で構成されているが、数十本程度を一つにまとめて管寄せで結合する構造となっている。
【００１８】
スパイラル壁側に接続された下側火炉水壁１の出口管寄せには各々流入側連絡管４が接続され、この連絡管４は流体混合器３へと接続される。流体混合器３は図２に示すように円筒形をしており、複数本の流入側連絡管４、流出側連絡管５が周囲に放射状に配置されている。下側火炉水壁１より延びる流入側連絡管４を通ってきた流体は流体混合器３内で混合され、上側火炉水壁２の入口管寄せと接続された流出側連絡管５に分配され流出する。本実施形態のボイラでは混合器の内径Ｄを２００ｍｍに設定し、流入側連絡管と流出側連絡管との間隔Ｌ１は流体混合器内径の４倍に設定している。
【００１９】
次に、本発明の実施形態を採用することに伴う本発明の機能乃至作用について以下説明する。本発明の実施形態によれば、流入側連絡管４及び流出側連絡管５を円筒形の流体混合器３の周囲に放射状に配置しているので、周方向のエンタルピ偏差を低減できると同時に、旋回を発生することがないので、流体混合器３の内部でのエロージョンを防止できる。ここで、流入側連絡管４より流入するミストは気相に同伴され、慣性力を持つため、流体混合器３の内部に均一に分散できず、図４に示すように流体混合器３の中心部へ密集する。
【００２０】
しかしながら、密集したミストは気相からの摩擦抵抗を受け徐々に拡散し、図５に示すように流出側連絡管より流出する。そこで、流入側連絡管と流出側連絡管の間隔Ｌ１を種々変更して実験を行った結果、流入側連絡管と流出側連絡管の間隔Ｌ１を流体混合器内径Ｄの４倍以上にすることで、流出側上下段のミストの分散割合がほぼ一定となり、この条件でエンタルピ偏差が許容値を大幅に下回ることが分かった。得られた測定結果を図６に示す。
【００２１】
図６で横軸にＬ１／Ｄをとり、縦軸はエンタルピ偏差を表す。５０％負荷と３０％負荷の双方において、Ｌ１／Ｄを４以上とすると、エンタルピ偏差は許容値以下となっている。
【００２２】
エンタルピ偏差を許容値以下に抑えることで、下側火炉水壁１の内部流体にエンタルピ偏差があり、一部過熱蒸気となる場合でも、流体混合器３においてエンタルピ混合され、上側火炉水壁２の入口では、エンタルピ偏差が低減できる。よって、上側火炉水壁２の出口における伝熱管間の温度差を大幅に低減できるため、メタルに発生する熱応力を火炉水壁の設計強度以下に抑えることが可能となる。そのため、火炉の寿命が延び、火炉水壁の損傷事故も防止できる。
【００２３】
本発明の他の実施形態を用いた場合の実験結果を図７に示す。本実施形態では、流入側連絡管と流出側連絡管の間隔Ｌ１を流体混合器内径Ｄの４倍以上確保した上で、流出側連絡管同士の間隔Ｌ２を流体混合器内径Ｄ以下にしたものである。図７に依ると、Ｌ２／Ｄを１以下とすることにより、５０％負荷と３０％負荷の双方において、エンタルピ偏差が許容値以下となっている。このような構成とすることで、流出側連絡管の上下段間をほぼ圧力の等しい領域に設置できるので、ミストが流出側連絡管の上下段管に分配され、エンタルピ偏差をさらに低減できる。
【００２４】
以上説明したように、本発明の実施形態は次のような構成と作用乃至効果を奏するものを含むものである。
【００２５】
流入側連絡管及び流出側連絡管を円筒形の流体混合器の周囲に放射状に配置することにより、周方向のエンタルピ偏差を低減できると同時に、旋回を発生することがないので、流体混合器のエロージョンを防止できる。さらに、流入側連絡管と流出側連絡管の間隔を流体混合器内径の４倍以上に設置することで、流出側上下段へのミストの流量配分を適切にできる。よって、下側の火炉水壁伝熱管の内部流体にエンタルピ偏差があり、一部過熱蒸気となる場合でも、流体混合器においてエンタルピ混合され、上側の火炉水壁伝熱管入口では、エンタルピ偏差を低減できる。
【００２６】
したがって、上側の火炉水壁伝熱管出口における伝熱管間の温度差を低減できるため、メタルに発生する熱応力を火炉水壁の設計強度以下に抑えることが可能となる。そのため、火炉の寿命が延び、火炉水壁の損傷事故も防止できる。
【００２７】
また、複数段の流出側連絡管の間隔を流体混合器内径より小とすることで、流出側連絡管上下段へのミストの流量配分をさらに適正化できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明をボイラ火炉に適用することにより、下側の火炉水壁伝熱管の内部流体にエンタルピ偏差があり、一部過熱蒸気となる場合でも、流体混合器においてエンタルピ混合され、上側の火炉水壁伝熱管入口では、エンタルピ偏差が低減でき、上側の火炉水壁伝熱管出口における伝熱管間の温度差を低減できるため、メタルに発生する熱応力を火炉水壁の設計強度以下に抑えることが可能となる。そのため、火炉の寿命が延び、火炉水壁の損傷事故も防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る流体混合器を超臨界圧変圧貫流ボイラに適用した構成例を示す図である。
【図２】図１に示した流体混合器の拡大図である。
【図３】図２の断面図であって流体混合器の構造を簡略化して示した断面図である。
【図４】流体混合器内のミスト濃度分布を示した図である。
【図５】流体混合器内部のミストの流動状態を模式的に示した図である。
【図６】本発明をボイラ火炉に適用して得られた、エンタルピ偏差の測定値の一例を示した図である。
【図７】本発明の他の実施形態を適用した場合に得られた実験結果を示した図である。
【図８】事業用ボイラの概略を説明した図である。
【図９】従来技術における中間管寄せを採用した例を示した図である。
【図１０】従来技術における混合器を採用した例を示した図である。
【図１１】管内流体の流動状態を模式的にした図である。
【図１２】従来技術を炉水壁出口における流体のクオリティが１付近になるように設計された火炉に適用した際のメタル温度差を示した図である。
【符号の説明】
１  下側火炉水壁
２  上側火炉水壁
３  流体混合器
４  流入側連絡管
５  流出側連絡管
６  火炉
７  横置き伝熱管部
８  バーナ
９  火炉水壁
１０  中間管寄せ
１１  混合器
【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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【図８】
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【図９】
0003655482.tif 000010
【図１０】
0003655482.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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